تتكون بطاريات الليثيوم بشكل أساسي من الأنود، والكاثود، والفاصل، والإلكتروليت، والرابط، والعامل الموصل، ومجمع التيار، ومواد التغليف. ووفقًا لتصنيف شكل المادة، يُصنف الأنود، والكاثود، والرابط، والعامل الموصل إلى: مواد مسحوقة في بطاريات الليثيوم. بعض الإلكتروليتات ذات الحالة الصلبة هي مواد مسحوقة، وبعض الفواصل المُعدَّلة تحتوي أيضًا على مواد مسحوقة.
القطب الموجب
Commercialized positive electrode materials include Lithium Cobalt Oxide (LiCoO2), Lithium Manganese Oxide (LiMn2O4), NCM (LiNixMnyCozO2), and Lithium Iron Phosphate (LiFePO4).
- أكسيد الكوبالت الليثيوم (LiCoO2)مادة صلبة سوداء اللون في درجة حرارة الغرفة. وهو مركب غير عضوي معروف باستقراره، وسهولة تركيبه، وأدائه الكهروكيميائي العالي، ودورته الطويلة. وهو أول مادة كاثود ناجحة تجاريًا لبطاريات أيونات الليثيوم، ويُستخدم بشكل رئيسي في بطاريات 3C.
- أكسيد الليثيوم والمنجنيز (LiMn2O4)مسحوق أسود-رمادي ذو بنية بلورية مكعبة من السبينيل. يحتوي على ثلاث قنوات لنقل أيونات الليثيوم، مما يُتيح انتشارًا أسرع للأيونات. هذا يجعله مناسبًا لبطاريات أيونات الليثيوم عالية الشحن.
- مادة إيجابية ثلاثية (LiNixMnyCozO2)مادة كاثود ثلاثية، حيث يحل النيكل والمنجنيز محلّ الكوبالت جزئيًا في LiCoO2. وتتمتع هذه المادة بثبات LiCoO2، وسعة عكسية عالية لـ LiNiO2، وسلامة LiMnO2. يُخفّض محتوى الكوبالت المنخفض التكاليف، مما يجعلها مادة كاثود واعدة.
- فوسفات الحديد الليثيوم (LiFePO4)بفضل بنيته الزبرجدية، لا يحتوي على عناصر باهظة الثمن مثل الكوبلت أو النيكل. يتميز بفعاليته من حيث التكلفة، ووفرة مواده الخام. يتميز بجهد تشغيل متوسط (3.2 فولت)، وسعة نوعية عالية (170 مللي أمبير/جرام)، وقوة تفريغ عالية، وشحن سريع، وعمر افتراضي طويل.
القطب السالب
تشمل مواد الأقطاب السالبة الشائعة الجرافيت، والكربون الصلب، والكربون اللين، وتيتانات الليثيوم، والمواد القائمة على السيليكون. يُعد الجرافيت الأكثر استخدامًا، بينما تتمتع المواد القائمة على السيليكون بأكبر إمكانات.
- الجرافيت: Mainly composed of graphite, it has high conductivity, energy density, chemical stability, and low manufacturing costs. It is available in natural and artificial forms.
- الكربون الصلب:إنه كربون لا يتحول إلى جرافيت عند درجات الحرارة العالية. يتميز بترتيب بلورات داخلي غير منتظم ومسافة كبيرة بين طبقاته، مما يسمح بتخزين شحنات أكبر، مما يعزز كثافة الطاقة وعمر البطارية.
- الكربون الناعمهذه المادة سهلة التكوير بالجرافيت عند درجات حرارة أعلى من ٢٥٠٠ درجة مئوية. تتميز بدرجة عالية من التنظيم وتوفر جهد شحن/تفريغ منخفضًا ومستقرًا. كما تتميز بسعة كبيرة وكفاءة عالية وأداء ممتاز في الدورة. يعتمد تركيبها على درجة حرارة التلبيد. مواد الكربون اللينة المُحضرة عند درجات حرارة أقل من ١٠٠٠ درجة مئوية بها عيوب كثيرة، مما يوفر عددًا كبيرًا من المواقع النشطة لتخزين الليثيوم، مما يُسهّل إدخال أيونات الليثيوم واستخلاصها بسلاسة.
- تيتانات الليثيوممسحوق أبيض بجهد استخلاص عالٍ لأيونات الليثيوم (1.55 فولت مقابل Li/Li+). يتميز بخصائص أمان عالية و"انعدام الإجهاد"، مما يضمن أدنى حد من التغير الهيكلي أثناء إدخال أيونات الليثيوم واستخراجها. هذا يوفر دورة حياة نظرية غير محدودة. لذلك، يتمتع بقيمة بحثية كبيرة وآفاق تطبيقية تجارية واسعة كمادة قطب سالب لتخزين الطاقة وبطاريات الليثيوم.
- المواد القائمة على السيليكونتشمل السيليكون النانوي وشبه أكسيد السيليكون. تُستخدم هذه المواد في أنودات السيليكون-الكربون أو أكسيد السيليكون. تتميز الأنودات المصنوعة من السيليكون بسعة نوعية وكثافة طاقة أعلى بكثير من المواد الكربونية، مما يجعلها من أكثر مواد الأنودات الواعدة للجيل القادم.
المجلدات
تُستخدم مواد رابطة مثل بولي فينيلدين فلوريد (PVDF) ومطاط ستايرين-بوتادين (SBR). يمكن استخدام PVDF لكلٍّ من الأنود والكاثود، بينما يُستخدم SBR عادةً للأنود.
- فلوريد البولي فينيلدين (PVDF)يتميز PVDF بثبات كيميائي ممتاز ومقاومته للتآكل. كما أنه يقاوم بفعالية التأثير التآكلي لمذيبات الإلكتروليت. كما يتميز بخصائص ربط ممتازة، وأداء ميكانيكي، وسهولة في المعالجة. تضمن مرونة PVDF عدم انفصال المواد الفعالة أثناء التمدد والانكماش.
- مطاط ستايرين بوتادين (SBR)يُستخدم SBR على نطاق واسع كمادة رابطة مائية، وخاصةً في مواد رابطة الأنود، حيث يُستخدم 98% في تطبيقاته. يتميز بقوة التصاق عالية، وثبات ميكانيكي، وسهولة في التشغيل. كما يُساعد على ربط الجزيئات معًا، ويُعزز ديناميكيات البطارية، مما يُقلل من المعاوقة ويُحسّن استقرار الدورة.
العوامل الموصلة
- Conductive agents are used to ensure good charge/discharge performance by collecting microcurrents and directing them to the current collector (aluminum or copper foil). Common conductive agents include carbon black, vapor-grown carbon fibers (VGCF), and carbon nanotubes (CNT).
- أسود فاحمكربون غير متبلور، وهو مسحوق أسود ناعم وسائب. يُنتَج من الاحتراق غير الكامل للمواد العضوية ومعالجته بدرجات حرارة عالية لتحسين التوصيل والنقاء. وهو أكثر المواد الموصلة استخدامًا في بطاريات الليثيوم، إذ يُحسّن التلامس بين الجسيمات ويشكل شبكة موصلة.
- ألياف الكربون المزروعة بالبخار (VGCF)تتميز هذه الألياف بمعامل انحناء عالٍ وتمدد حراري منخفض. إضافة VGCF تُحسّن مرونتها واستقرارها الميكانيكي، مما يجعلها مناسبة للبطاريات طويلة العمر وعالية الإنتاجية، مثل تلك المستخدمة في المركبات الكهربائية.
- أنابيب الكربون النانوية (CNT): تبلغ معاوقة أنابيب الكربون النانوية نصف معاوقة أسود الكربون فقط. توفر المعاوقة المنخفضة توصيلًا جيدًا، وتُحسّن الاستقطاب، وتُحسّن أداء الدورة. تبلغ كمية أسود الكربون المضافة حوالي 3% من وزن مادة القطب الموجب، بينما تتراوح كمية أنابيب الكربون النانوية المضافة بين 0.8% و1.5% فقط. تُوفر كمية الإضافة المنخفضة مساحة للمواد الفعالة، مما يزيد من كثافة الطاقة. مع ذلك، يصعب تشتيت أنابيب الكربون النانوية. في الوقت الحالي، تستخدم الصناعة عمومًا القص عالي السرعة، وإضافة المشتتات، وحبيبات الطحن فائقة الدقة لتشتيت الكهرباء الساكنة لمعالجتها.
إلكتروليتات الحالة الصلبة
بعض الإلكتروليتات الحالة الصلبة تكون أيضًا في شكل مسحوق:
- ثنائي كبريتيد الجرمانيوم عالي النقاء (GeS2)مسحوق أبيض يتميز بموصلية أيونية عالية، وثبات كيميائي، وعمر افتراضي طويل. تصل درجة نقائه إلى 99.99%.
- أكسيد الزركونيوم الليثيوم اللانثانوم (LLZO)تتميز هذه المادة بموصلية أيونية ممتازة (1.5×10-4S/cm)، وتُستخدم في تحضير بطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة. ويمكن تصنيعها باستخدام السول-جل، والاحتراق في درجات حرارة منخفضة، والمستحلب الدقيق، وغيرها من الطرق.
- أكسيد الليثيوم واللانثانوم والزركونيوم والتنتالوم (LLZTO)يتميز بموصلية أيونية عالية، وثبات كيميائي وحراري. ومن خلال تحسين عملية التحضير والبنية البلورية، يمكن تحسين خصائصه الكهربائية لتلبية احتياجات بطاريات الحالة الصلبة عالية الأداء.
تشتمل مساحيق الإلكتروليتات ذات الحالة الصلبة الأخرى على كبريتات الباريوم، وكلوريد الفوسفور والكبريت الليثيوم (كبريتيد عالي الاستقرار)، وكبريتيد الفوسفور والكبريت الليثيوم والجرمانيوم.
فاصل البطارية
تتميز الفواصل التقليدية بضعف ثباتها عند درجات الحرارة العالية، مما يؤثر على سلامتها. ولتحسين السلامة، تُعدّل الفواصل بإضافة طلاءات مسحوقية. تحتوي هذه الفواصل المعدلة على مواد مسحوقية.
- أكسيد الألومنيوم (Al2O3)أكسيد الألومنيوم متوفر بكثرة في الطبيعة، ويتميز بخمول كيميائي ممتاز، واستقرار حراري، وخصائص ميكانيكية ممتازة. يُستخدم عادةً في الفواصل الخزفية لتحسين الأداء العام لفواصل البولي أوليفينات. كما يُستخدم أيضًا في شكل مسحوق غير عضوي يُستخدم في تعديل أغشية بطاريات الليثيوم بكميات كبيرة.
- بوهميت (AlOOH): البوهميت، المعروف أيضًا بأكسيد الألومنيوم أحادي الماء، هو نوع من أكسيد الألومنيوم مع ماء بلوري. وهو مادة أولية لا غنى عنها لأكسيد الألومنيوم. إنتاج AlOOH أسهل من إنتاج α-Al2O3. في الصناعة، يُحضَّر ملاط البوهميت بطريقة الجيبسيت الحرارية المائية، ثم يُحضَّر مسحوق AlOOH فائق النعومة بالترشيح والتجفيف والسحق.
- ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2)ثاني أكسيد التيتانيوم غير سام، مستقر، وسهل التحكم أثناء التحضير. يُعزز الاستقرار الحراري للفاصل، وقابلية تبليل الإلكتروليت، ويُقلل معاوقة الواجهة، مما يُحسّن نقل أيونات الليثيوم. وهو مادة جيدة لتعديل فواصل البوليمرات العضوية.
- ثاني أكسيد السيليكون (SiO2)ثاني أكسيد السيليكون (SiO2) مادة حشو غير عضوية شائعة الاستخدام لتعديل البوليمرات. تُحسّن مساحة سطحه الكبيرة ومجموعات الهيدروكسيل (Si-OH) قابلية ترطيب الفاصل، وتُعزز نقل أيونات الليثيوم، وتُحسّن الأداء الكهروكيميائي. كما يُعزز ثاني أكسيد السيليكون المتانة الميكانيكية للفاصل، ويمنع نمو الشجيرات، مما يُقلل من قصر الدائرة الحرارية. بخلاف Al2O3 وTiO2 وAlOOH، يُعدّ ثاني أكسيد السيليكون أسهل في التحكم والتعديل.
مسحوق ملحمي
Epic Powder specializes in providing advanced grinding solutions that are crucial for the production of powder materials in lithium batteries. With our state-of-the-art equipment, such as jet mills, ball mills, and air classifiers, we ensure precise control over particle size and distribution, optimizing the performance of critical battery materials like cathodes, anodes, and conductive agents. Our cutting-edge technologies not only enhance the efficiency of battery manufacturing but also support the development of next-generation solid-state and high-performance batteries. Partnering with Epic Powder means unlocking the potential of your powder materials in lithium batteries for superior energy storage solutions.