المواد المسحوقة في بطاريات الليثيوم - هل تعرف أيها؟

تتكون بطاريات الليثيوم بشكل أساسي من المصعد، والمهبط، والفاصل، والإلكتروليت، والمادة الرابطة، والمادة الموصلة، وجامع التيار، ومواد التغليف. ووفقًا لتصنيف شكل المادة، فإن المصعد والمهبط والمادة الرابطة والمادة الموصلة هي مواد مسحوقة في بطاريات الليثيوم. بعض الإلكتروليتات الصلبة عبارة عن مواد مسحوقية، وبعض الفواصل المعدلة تحتوي أيضًا على مواد مسحوقية.

القطب الموجب

تشمل مواد الأقطاب الموجبة التجارية أكسيد الليثيوم الكوبالت (LiCoO2) وأكسيد الليثيوم المنغنيز (LiMn2O4) و NCM (LiNixMnyCozO2) وفوسفات الليثيوم الحديد (LiFePO4).

أكسيد الليثيوم والكوبالت (LiCoO2)مادة صلبة سوداء اللون في درجة حرارة الغرفة. وهو مركب غير عضوي معروف بثباته، وسهولة تصنيعه، وأدائه الكهروكيميائي العالي، وعمره التشغيلي الطويل. يُعد أول مادة كاثودية ناجحة تجاريًا لبطاريات الليثيوم أيون، ويُستخدم بشكل أساسي في بطاريات 3C.
أكسيد الليثيوم والمنغنيز (LiMn2O4)مسحوق رمادي داكن ذو بنية بلورية مكعبة من نوع الإسبينيل. يحتوي على ثلاث قنوات لنقل أيونات الليثيوم، مما يتيح انتشارًا أسرع للأيونات. وهذا يجعله مناسبًا لبطاريات الليثيوم أيون عالية الشحن.
مادة موجبة ثلاثية (LiNixMnyCozO2)مادة كاثودية ثلاثية المكونات، حيث يحل النيكل والمنغنيز جزئيًا محل الكوبالت في LiCoO2. تتميز هذه المادة باستقرار LiCoO2، وسعة LiNiO2 العكسية العالية، وأمان LiMnO2. كما أن انخفاض محتوى الكوبالت يقلل التكاليف، مما يجعلها مادة كاثودية واعدة.
فوسفات الحديد الليثيوم (LiFePO4)بفضل بنيته الأوليفينية، لا يحتوي هذا المنتج على عناصر باهظة الثمن مثل الكوبالت أو النيكل. وهو اقتصادي، ويتوفر بمواد خام وفيرة. يتميز بجهد تشغيل معتدل (3.2 فولت)، وسعة نوعية عالية (170 مللي أمبير/غرام)، وقدرة تفريغ كبيرة، وقدرة شحن سريعة، وعمر افتراضي طويل.

القطب السالب

تشمل المواد الشائعة المستخدمة في الأقطاب السالبة: الجرافيت، والكربون الصلب، والكربون اللين، وتيتانات الليثيوم، والمواد القائمة على السيليكون. يُعد الجرافيت الأكثر استخدامًا، بينما تتمتع المواد القائمة على السيليكون بأكبر إمكانات.

جرافيتيتكون بشكل أساسي من الجرافيت، ويتميز بموصلية عالية، وكثافة طاقة عالية، وثبات كيميائي، وتكاليف تصنيع منخفضة. وهو متوفر في أشكال طبيعية وصناعية.
الكربون الصلبإنه الكربون الذي لا يتحول إلى جرافيت عند درجات الحرارة العالية. يتميز بترتيبات بلورية داخلية غير منتظمة ومسافة كبيرة بين الطبقات، مما يسمح بتخزين المزيد من الشحنة، الأمر الذي يعزز كثافة الطاقة وعمر البطارية.
الكربون الناعمهذه المادة قابلة للتحول إلى جرافيت بسهولة عند درجات حرارة أعلى من 2500 درجة مئوية. تتميز بدرجة عالية من التنظيم وتوفر جهد شحن/تفريغ منخفضًا ومستقرًا. كما أنها توفر سعة كبيرة وكفاءة عالية وأداءً ممتازًا في دورات الشحن والتفريغ. يعتمد تركيبها على درجة حرارة التلبيد. تحتوي مواد الكربون اللينة المُحضّرة عند درجات حرارة أقل من 1000 درجة مئوية على عدد كبير من العيوب، مما يوفر عددًا كبيرًا من المواقع النشطة لتخزين الليثيوم، وهو ما يُسهّل إدخال واستخراج أيونات الليثيوم بسلاسة.
تيتانات الليثيوممسحوق أبيض ذو جهد استخلاص أيونات الليثيوم عالٍ (1.55 فولت مقابل Li/Li+). يتميز هذا المسحوق بمستوى عالٍ من الأمان وخصائص "انعدام الإجهاد"، مما يضمن الحد الأدنى من التغيرات الهيكلية أثناء إدخال أيونات الليثيوم واستخراجها. وهذا يوفر عمرًا نظريًا غير محدود لدورة الشحن والتفريغ. ولذلك، يتمتع بقيمة بحثية كبيرة وآفاق تطبيق تجارية واعدة كمادة قطب سالب لتخزين الطاقة وبطاريات الليثيوم.
المواد القائمة على السيليكونيشمل ذلك السيليكون النانوي وأكسيد السيليكون الفرعي. تُستخدم هذه المواد في مصاعد السيليكون الكربوني أو مصاعد أكسيد السيليكون. توفر المصاعد القائمة على السيليكون سعة نوعية وكثافة طاقة أعلى بكثير من المواد القائمة على الكربون، مما يجعلها أكثر مواد المصاعد الواعدة للجيل القادم.

المجلدات

تُستخدم مواد رابطة مثل فلوريد البولي فينيليدين (PVDF) ومطاط الستايرين-بوتادين (SBR). يمكن استخدام PVDF لكل من المصعد والمهبط، بينما يُستخدم SBR عادةً للمصعد.

فلوريد البولي فينيليدين (PVDF)يتميز البولي فينيليدين فلورايد (PVDF) بثبات كيميائي ممتاز ومقاومة عالية للتآكل، حيث يقاوم بفعالية التأثير التآكلي لمذيبات الإلكتروليت. كما يتميز بخصائص ربط جيدة، وأداء ميكانيكي ممتاز، وسهولة في التصنيع. وتضمن مرونة البولي فينيليدين فلورايد عدم انفصال المواد الفعالة أثناء التمدد والانكماش.
مطاط الستايرين-بوتادين (SBR)يُستخدم مطاط الستايرين بوتادين (SBR) على نطاق واسع كمادة رابطة مائية، لا سيما في مواد رابطة الأنود، حيث يُمثل استخدامه النسبة المئوية 98%. فهو يوفر قوة التصاق عالية، وثباتًا ميكانيكيًا، وسهولة في التشغيل. كما يُساعد على ربط الجزيئات معًا، ويُحسّن ديناميكيات البطارية، مما يُقلل المقاومة ويُحسّن استقرار دورات الشحن والتفريغ.

عوامل موصلة

تُستخدم المواد الموصلة لضمان أداء جيد للشحن والتفريغ عن طريق تجميع التيارات الدقيقة وتوجيهها إلى جامع التيار (رقائق الألومنيوم أو النحاس). تشمل المواد الموصلة الشائعة الكربون الأسود، وألياف الكربون المُرَسَّبة بالبخار، وأنابيب الكربون النانوية.
الكربون الأسودالكربون غير المتبلور عبارة عن مسحوق أسود ناعم وفضفاض. يُنتج عن طريق الاحتراق غير الكامل للمواد العضوية ومعالجتها بدرجة حرارة عالية لتحسين التوصيلية والنقاء. وهو أكثر المواد الموصلة استخدامًا في بطاريات الليثيوم، حيث يُحسّن التلامس بين الجزيئات ويُشكّل شبكة موصلة.
ألياف الكربون المزروعة بالبخار (VGCF)تتميز هذه الألياف بمعامل انحناء عالٍ وتمدد حراري منخفض. وتؤدي إضافة ألياف الكربون الموجهة عموديًا (VGCF) إلى تحسين المرونة والاستقرار الميكانيكي، مما يجعلها مناسبة للبطاريات طويلة العمر وعالية الأداء مثل تلك المستخدمة في المركبات الكهربائية.
أنابيب الكربون النانوية (CNT)تُعدّ مقاومة أنابيب الكربون النانوية نصف مقاومة الكربون الأسود. وتُسهم هذه المقاومة المنخفضة في تحسين التوصيلية، والاستقطاب، وأداء دورات الشحن والتفريغ. تبلغ كمية الكربون الأسود المُضافة حوالي 31 ضعف وزن مادة القطب الموجب، بينما تتراوح كمية أنابيب الكربون النانوية المُضافة بين 0.81 و1.51 ضعف وزنها. يُتيح هذا النقص في الكمية المُضافة توفير مساحة للمواد الفعّالة، مما يزيد من كثافة الطاقة. مع ذلك، يصعب تشتيت أنابيب الكربون النانوية. حاليًا، تعتمد الصناعة بشكل عام على القص عالي السرعة، وإضافة المُشتتات، والتشتيت الكهروستاتيكي باستخدام حبيبات طحن فائقة النعومة.

الإلكتروليتات الصلبة

بعض الإلكتروليتات الصلبة تأتي أيضاً على شكل مسحوق:

ثاني كبريتيد الجرمانيوم عالي النقاء (GeS2)مسحوق أبيض يتميز بموصلية أيونية عالية، وثبات كيميائي، وعمر طويل. تصل نقاوته إلى 99.99%.
أكسيد الليثيوم واللانثانوم والزركونيوم (LLZO)تتميز هذه المادة بموصلية أيونية ممتازة (1.5×10⁻⁴ سيمنز/سم) وتُستخدم في تحضير بطاريات الليثيوم الصلبة. ويمكن تصنيعها باستخدام طرق مختلفة، منها طريقة سول-جل، والاحتراق في درجات حرارة منخفضة، والمستحلبات الدقيقة.
أكسيد الليثيوم واللانثانوم والزركونيوم والتنتالوم (LLZTO)يتميز هذا المركب بموصلية أيونية عالية، واستقرار كيميائي وحراري. ومن خلال تحسين عملية التحضير والبنية البلورية، يمكن تعزيز خصائصه الكهربائية لتلبية احتياجات بطاريات الحالة الصلبة عالية الأداء.

تشمل مساحيق الإلكتروليت الصلبة الأخرى كبريتات الباريوم، وكلوريد كبريتيد الليثيوم والفوسفور (كبريتيد عالي الاستقرار)، وكبريتيد كبريتيد الليثيوم والجرمانيوم والفوسفور.

فاصل البطارية

تتميز الفواصل التقليدية بثباتها الضعيف عند درجات الحرارة العالية، مما يؤثر على السلامة. ولتحسين السلامة، يتم تعديل الفواصل بإضافة طبقات مسحوقية. تحتوي هذه الفواصل المعدلة على مواد مسحوقية.

أكسيد الألومنيوم (Al2O3)أكسيد الألومنيوم مادة وفيرة في الطبيعة، تتميز بخمولها الكيميائي الممتاز، وثباتها الحراري، وخصائصها الميكانيكية. ويُستخدم عادةً في الفواصل الخزفية لتحسين الأداء العام لفواصل البولي أوليفين. كما يُستخدم مسحوقه غير العضوي بكميات كبيرة في تعديل أغشية بطاريات الليثيوم.
البوهيمي (AlOOH): البوهيميت، المعروف أيضًا باسم أكسيد الألومنيوم أحادي الماء، هو نوع من أكسيد الألومنيوم يحتوي على ماء بلوري. وهو مادة أولية لا غنى عنها لإنتاج أكسيد الألومنيوم. إنتاج هيدروكسيد الألومنيوم (AlOOH) أسهل من إنتاج أكسيد الألومنيوم ألفا (α-Al2O3). في الصناعة، يُحضّر معلق البوهيميت باستخدام طريقة المعالجة الحرارية المائية للجبسيت، ثم يُستخلص مسحوق هيدروكسيد الألومنيوم فائق النعومة عن طريق الترشيح والتجفيف والطحن.
ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2)ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2) مادة غير سامة، مستقرة، وسهلة التحضير. يُحسّن هذا المركب الاستقرار الحراري للفواصل، وقابلية ترطيب الإلكتروليت، ويقلل مقاومة السطح البيني، مما يُحسّن نقل أيونات الليثيوم. وهو مادة مناسبة لتعديل فواصل البوليمرات العضوية.
ثاني أكسيد السيليكون (SiO2)يُعدّ ثاني أكسيد السيليكون (SiO2) مادة مالئة غير عضوية شائعة الاستخدام لتعديل البوليمرات. تعمل مساحة سطحه الكبيرة ومجموعات الهيدروكسيل (Si-OH) على تحسين قابلية ترطيب الفاصل، وتعزيز نقل أيونات الليثيوم، وتحسين الأداء الكهروكيميائي. كما يُعزز SiO2 المتانة الميكانيكية للفاصل ويمنع نمو التشعبات، مما يقلل من حدوث دوائر قصر حرارية. وعلى عكس أكسيد الألومنيوم (Al2O3) وثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2) وهيدروكسيد أكسيد الألومنيوم (AlOOH)، يُعدّ SiO2 أسهل في التحكم والتعديل.

مسحوق ملحمي

تتخصص شركة إبيك باودر في توفير حلول طحن متطورة تُعدّ أساسية لإنتاج المواد المسحوقة المستخدمة في بطاريات الليثيوم. بفضل معداتنا المتطورة، كالمطاحن النفاثة ومطاحن الكرات والمصنفات الهوائية، نضمن تحكمًا دقيقًا في حجم الجسيمات وتوزيعها، مما يُحسّن أداء المواد الحيوية للبطاريات، مثل الكاثودات والأنودات والمواد الموصلة. لا تُعزز تقنياتنا الرائدة كفاءة تصنيع البطاريات فحسب، بل تدعم أيضًا تطوير الجيل القادم من بطاريات الحالة الصلبة عالية الأداء. شراكتك مع إبيك باودر تعني إطلاق العنان لإمكانات موادك المسحوقة في بطاريات الليثيوم، لتوفير حلول تخزين طاقة فائقة.

خطأ: نموذج الاتصال غير موجود.