תאי סוללת ליתיום-יון: הגדרות, סיווג, עקרונות עבודה ויישומים באחסון אנרגיה ובפוטו-וולטאים

על רקע האימוץ המהיר של אחסון אנרגיה חדש, ייצור חשמל פוטו-וולטאי, כלי רכב חשמליים ומכשירים אלקטרוניים ניידים, סוללות ליתיום הפכו למדיום הנפוץ ביותר לאחסון אנרגיה אלקטרוכימית. בעוד שהמונח משמש לעתים קרובות בשפה המדוברת בתור תפיסה-הכל עבור מוצרים שונים המבוססים על ליתיום-, מנקודת מבט טכנית, "סוללות ליתיום" מקיפות שתי קטגוריות שונות-סוללות ליתיום ראשיות וסוללות ליתיום-יון-השונות באופן משמעותי בביצועים ובמאפייני היישום, במאפייני היישום. סוללות ליתיום-יון, המובחנות ביכולתן לעבור מחזורי טעינה- חוזרים וצפיפות האנרגיה הגבוהה שלהן, הופיעו כבחירה המרכזית עבור יישומים צרכניים ותעשייתיים כאחד.

 

במובן המחמיר, סוללות ליתיום מסוג "סוללת פלאש" מתייחסות ספציפית לסוללות ליתיום ראשיות-לא-נטענות, חד פעמיות-. המבנה שלהם משתמש בדרך כלל במתכת ליתיום או סגסוגות ליתיום עבור האלקטרודות, בשילוב עם תמיסת אלקטרוליט לא-מימית. סוללות ליתיום ראשוניות קונבנציונליות מנצלות מנגן דו חמצני כקתודה ומתכת ליתיום טהורה כאנודה, וכתוצאה מכך תגובתיות כימית גבוהה. תוך מינוף מאפייני האנרגיה הגבוהה של כימיה ראשונית של ליתיום, סוללות אלו מתאימות ליישומים ספציפיים הדורשים אספקת חשמל מדויקת בתרחישי שימוש חד פעמי-; עם זאת, בשל תכונות החומר שלהם, לא ניתן לעשות בהם שימוש חוזר.

 

 

האופי הכימי התגובתי ביותר של ליתיום מתכתי היה הגורם העיקרי המגביל את האימוץ הנרחב של סוללות ליתיום ראשוניות מסורתיות. ליתיום מתכתי טהור מטיל דרישות מחמירות ביותר לגבי ייצור, תנאי אחסון וסביבות תפעול; הוא מגיב בקלות עם אוויר ולחות, מהווים סיכונים בטיחותיים שהפריעו זה מכבר לתיעוש-בקנה מידה גדול של סוללות ליתיום חד פעמיות. לעומת זאת, תאי סוללת ליתיום- נטענים התגברו באופן יסודי על צווארי הבקבוק הטכנולוגיים הללו, ומאפשרים מיחזור וכניסה לעידן החדש של אנרגיה מבוססת ליתיום-.

 

סוללות הליתיום הנטענות הנמצאות כיום בשימוש נרחב מייצגות את הסטנדרט המפותח של התעשייה. הם פועלים באמצעות אינטרקלציה ו-אינטרקלציה (נדידה) של יוני ליתיום בין הקתודה והאנודה במהלך מחזורי טעינה ופריקה; מאחר שליתיום מתכתי טהור אינו מעורב בתגובה, הבטיחות והיציבות משופרים באופן משמעותי. סוללות נטענות אלו מניעות מגוון רחב של יישומים, החל ממוצרי אלקטרוניקה וציוד תעשייתי ועד לרכבי אנרגיה חדשים.

 

עשרות שנים של אבולוציה טכנולוגית הובילו לפיתוח של מערכות חומר קתודיות מיינסטרים שונות עבור סוללות ליתיום-יון כדי להתאים לצרכים תפעוליים שונים; במיוחד, פוספט ליתיום ברזל (LFP) הופיע כחומר ליבה לאגירת אנרגיה תעשייתית. חומרים קתודה נפוצים כוללים תחמוצת ליתיום קובלט, תחמוצת ליתיום מנגן, תחמוצת ליתיום ניקל ופוספט ליתיום ברזל; בחירת החומר קובעת את בטיחות הסוללה, חיי המחזור וצפיפות האנרגיה. הודות לבטיחות המעולה שלהם וחיי מחזור ארוכים במיוחד, תאי LFP הפכו לבחירה המועדפת עבור יישומי אחסון אנרגיה ויישומי כוח מניע.

 

סוללות ליתיום-יון מסווגות לפי מצב האלקטרוליט שלהן לסוגי אלקטרוליט נוזלי-ופולימרי-. סוללות אלקטרוליט נוזלי- מנצלות אלקטרוליט נוזלי; הם כוללים טכנולוגיה בוגרת ועלויות ניתנות לניהול, מה שהופך אותם לבחירה המרכזית עבור סוללות רכב אנרגיה חדשות. סוללות פולימר -אלקטרוליט משתמשות באלקטרוליט פולימרי מוצק- יבש או ג'ל, המציעות מבנה דק יותר וקל יותר ובטיחות משופרת. תאי LFP משלבים כימיה של ליתיום ברזל פוספט עם תהליכי ייצור בוגרים, מאזנים בין ביצועים ועלות כדי להתאים ליישומי הספק- שונים.

 

סוללות ליתיום-יון-, ששוחררו למסחר ב-1992, עם יתרונות כמו צפיפות אנרגיה גבוהה, היעדר אפקט זיכרון וקצבי פריקה- עצמית נמוכים- החליפו לחלוטין את סוללות החומצה-המסורתיות של עופרת וסוללות הליתיום הראשוניות מהדור- המוקדם. בהשוואה לסוללות מסורתיות, הוא תומך במחזורי טעינה- חוזרים ומציע חיי שירות ארוכים באופן משמעותי, מה שהופך אותו למתאים לתרחישים הדורשים פעולה מתמשכת-לטווח ארוך. תעשיית אחסון האנרגיה של הסוללות השיגה את הפריסה השגרתית של-תחנות כוח גדולות של תחנות כוח לאחסון אנרגיה.