המהות של סוללה היא "משחק נע".
סוללות ליתיום-ניתן לתאר כמורכבות או פשוטות, תלוי איך אתה מסתכל עליהן.
בבסיסו, הרעיון הוא פשוט: אנרגיה כימית ואנרגיה חשמלית מומרות הדדית כאשר יוני ליתיום עוברים הלוך ושוב בין האלקטרודות החיוביות והשליליות.
כיצד פועלות סוללות ליתיום-יון - חדר לימוד כימיה (אין מושג בכימיה בתיכון מחוץ להישג יד!)
אפשר לדמיין את יוני הליתיום כקבוצה של "מובילים" חרוצים. במהלך הטעינה, מקור מתח חיצוני מוציא פקודה, מוציא אותם מהאלקטרודה החיובית; הם עוברים דרך האלקטרוליט והמפריד כדי "להתיישב" באלקטרודה השלילית. במהלך הפריקה, התהליך מתהפך, וה"מניעים" הללו נעים חזרה מהאלקטרודה השלילית לחיובית.
מכיוון שיוני ליתיום "מתנדנדים" כל הזמן קדימה ואחורה בין האלקטרודות החיוביות והשליליות, מדענים העניקו לסוללות ליתיום-יון כינוי חי: "סוללות כיסא מתנדנדות".
תנועה-ו-זו הלוך
טעינה: "עדר" יוני ליתיום לאלקטרודה השלילית לאחסון
[תְמוּנָה]
בעת הטעינה אנו מחברים את הסוללה למטען.
ברגע שמקור הכוח החיצוני מחובר, אלקטרונים באלקטרודה החיובית הם הראשונים לזוז; הם "נדחפים" דרך המעגל החיצוני לעבר האלקטרודה השלילית. ברגע שהאלקטרונים עוזבים, יוני הליתיום באלקטרודה החיובית "קופצים" החוצה כדי לעקוב אחריהם. יוני ליתיום בעלי מטען חיובי אלו מזנקים אל האלקטרוליט ו"שוחים" דרך הנקבוביות המפותלות והמיקרוסקופיות של המפריד, ועושים את דרכם אל האלקטרודה השלילית.
בהגיעם לאלקטרודה השלילית, יוני הליתיום אינם יכולים פשוט "לעבור פנימה" מיד. פני השטח של האלקטרודה השלילית מכוסה בשכבה בלתי נראית המכונה סרט SEI (Slid Electrolyte Interphase). הסרט הזה הוא ייחודי: הוא מאפשר ליוני ליתיום לעבור דרכו אך חוסם אלקטרונים. יוני הליתיום חייבים לחדור תחילה לסרט זה לפני מציאת מקום מתאים "להתיישב" בתוך חומר האלקטרודה השלילי.
ככל שהטעינה נמשכת, יותר ויותר יוני ליתיום מוטמעים באלקטרודה השלילית. ככל שיותר ליתיום מוטבע באלקטרודה השלילית, כך קיבולת הסוללה גבוהה יותר. במקביל, הפוטנציאל של האלקטרודה השלילית יורד בהדרגה בעוד זה של האלקטרודה החיובית עולה, מה שגורם למתח הסוללה הכולל לעלות באיטיות. לאחר שרוב יוני הליתיום מהאלקטרודה החיובית נדדו אל האלקטרודה השלילית, תהליך הטעינה הושלם.
פריקה: יוני ליתיום "בורחים בחזרה" כדי להגיע לעבודה
מבוא למערכות סוללות מתח (חלק א'): הרכב חומרים ותהליכי טעינה/פריקה של סוללות ליתיום-יון - בלוג CSDN
פריקה היא תהליך השימוש בסוללה בחיי היומיום-הדלקת מסך טלפון נייד או הפעלת רכב חשמלי מסתמכת לחלוטין על שלב זה.
במהלך הפריקה, יוני הליתיום המוטבעים באלקטרודה השלילית משתחררים ונעים החוצה. מאחר ויוני הליתיום נושאים מטען חיובי, עזיבתם גורמת לאיבוד המטען החיובי של האלקטרודה השלילית; כדי לשמור על ניטרליות חשמלית, האלקטרודה השלילית חייבת לאבד בו זמנית אלקטרונים. עם זאת, אלקטרונים אינם יכולים לעבור דרך פנים הסוללה-המפריד מאפשר ליוני ליתיום לעבור אך חוסם אלקטרונים.
לכן, אלקטרונים חייבים לקחת מסלול אחר: החל מהאלקטרודה השלילית, הם עוברים דרך המעגל החיצוני עד לאלקטרודה החיובית.
מסעם של האלקטרונים במעגל החיצוני אינו מיועד רק להצגה-הם מבצעים עבודה לאורך הדרך. האנרגיה המשתחררת על ידי האלקטרונים הללו בזמן שהם "עובדים" במהלך המעבר שלהם היא זו שמניעה את מסך הטלפון הנייד או מסובבת את המנוע של הרכב החשמלי.
ומה לגבי יוני הליתיום? הם "קופצים" מהאלקטרודה השלילית אל האלקטרוליט, "שוחים" על פני המפריד וחוזרים לאלקטרודה החיובית. עם ההגעה הם פוגשים את האלקטרונים שעברו דרך המעגל החיצוני, והשניים מתחברים מחדש.
ככל שיותר יוני ליתיום יחזרו לאלקטרודה החיובית, כך גדלה יכולת הפריקה של הסוללה. במהלך תהליך זה, הפוטנציאל של האלקטרודה השלילית עולה בעוד זה של האלקטרודה החיובית יורד, מה שגורם למתח הסוללה לרדת בהדרגה.
אלקטרונים ויוני ליתיום: תפקידים ברורים, שניהם חיוניים
עד עכשיו, סביר להניח שהבנתם שהפעולה של סוללת ליתיום- מסתמכת על חלוקת עבודה ושיתוף פעולה בין אלקטרונים ליוני ליתיום.
יוני ליתיום נעים קדימה ואחורה בתוך הסוללה-נעים אל האלקטרודה השלילית במהלך הטעינה ואל האלקטרודה החיובית במהלך הפריקה. אלקטרונים עוברים דרך המעגל החיצוני-נדחפים מהאלקטרודה החיובית לשלילית במהלך הטעינה, וזורמים מהאלקטרודה השלילית לחיובית כדי לבצע עבודה במהלך הפריקה.
הם חולקים את אותו כיוון ומטרה אבל נוסעים בשבילים שונים. יוני ליתיום לוקחים את "מסלול המים" (אלקטרוליט ומפריד), ואילו אלקטרונים לוקחים את "מסלול היבשה" (מעגל חיצוני). חלוקת העבודה הזו היא זו שמאפשרת לסוללה גם לאגור וגם לשחרר אנרגיה. למה אנחנו לא יכולים פשוט להשתמש-בטעינה מהירה בזרם גבוה?
כולם רוצים טעינה מהירה בימינו-תחשבו על סמארטפונים שמציעים "חמש דקות של טעינה לשעתיים של זמן דיבור" או על רכבים חשמליים שמבטיחים "עשר דקות של טעינה לטווח של מאות מיילים". עם זאת, סוללות ליתיום-אי אפשר פשוט לטעון במהירות כרצונך.
הסיכון הגדול ביותר הקשור לטעינה מהירה-עם זרם גבוה הוא "ציפוי ליתיום" באלקטרודה השלילית (אנודה).
מה זה אומר? במהלך הטעינה, יוני ליתיום עוברים מהאלקטרודה החיובית (קתודה) לאלקטרודה השלילית, עוברים דרך שכבת SEI (Solid Electrolyte Interphase) ומוצאים מקום "להתיישב בו" בתוך חומר האלקטרודה השלילית. תהליך זה מטבעו קשה: היונים חייבים לחצות את האלקטרוליט, לעבור דרך הנקבוביות הזעירות של המפריד, לחצות את שכבת SEI ולבסוף לאתר נקודה מתאימה בתוך חומר האלקטרודה השלילי.
אם זרם הטעינה גבוה מדי, יוני ליתיום ממהרים פנימה מהר מדי כדי למצוא "מיטה" מתאימה באלקטרודה השלילית. יונים שלא מצליחים להטביע את עצמם בזמן פשוט נערמים על פני האלקטרודה השלילית ויוצרים שכבה של ליתיום מתכתי אפור.
דיון על מנגנון היווצרות ומניעה של דנדריטים ליתיום – סוללות ליתיום – סוללת סין
שכבה זו של ליתיום מתכתי יכולה לגדול לעץ-כמו גבישים הידועים כ"דנדריטים ליתיום". דנדריטים ליתיום מסוכנים; הם יכולים לנקב את המפריד, ולגרום למגע ישיר בין האלקטרודות החיוביות והשליליות וכתוצאה מכך לקצר פנימי. קצר חשמלי גורם לטמפרטורת הסוללה לעלות; המפריד נמס ומתכווץ בחום הגבוה, מה שעלול להוביל לשריפה או אפילו לפיצוץ.
לכן, אתה לא יכול פשוט להגדיל את זרם הטעינה באופן שרירותי. גורמים כגון קצב הדיפוזיה של חומר האלקטרודה השלילי, ריכוז האלקטרוליט והנקבוביות של המפריד, כולם מגבילים את המהירות בה נודדים יוני ליתיום. כל הצעד האיטי ביותר הופך לצוואר הבקבוק, וצוואר הבקבוק הזה ממוקם בדרך כלל באלקטרודה השלילית.
איפה "עקב אכילס" של סוללה?
ברגע שתבינו את העקרונות הבסיסיים, תבינו שבעיות רבות בסוללות ליתיום-נובעות מתהליך זה של "מעבר דירה":
קיבולת דוהה: כאשר חומרי האלקטרודה החיוביים והשליליים "מארחים" שוב ושוב יוני ליתיום לאורך זמן, המבנים שלהם יכולים לקרוס והמסלולים עלולים להיחסם, ולהשאיר פחות "מיטות" זמינות להכיל את היונים.
אובדן כוח בטמפרטורות נמוכות: כשהטמפרטורה יורדת, האלקטרוליט הופך לצמיג יותר, מה שמקשה על יוני הליתיום "לשחות" דרכו.
טעינה מהירה פוגעת בסוללה: זרמים גבוהים מונעים מיוני ליתיום "להיכנס" במהירות מספקת, וגורמים להם להצטבר על פני השטח וליצור ציפוי ליתיום. שכבת ה-SEI היא חרב פיפיות-: בעוד שהיא מגנה על האנודה מפני התפרקות על ידי האלקטרוליט, היווצרותה צורכת חלק מיוני הליתיום, וכתוצאה מכך לאובדן קיבולת במהלך הטעינה הראשונית.
בסופו של דבר, טכנולוגיית סוללת ליתיום- עוסקת באיזון בין מהירות ובטיחות, כמו גם בין קיבולת ותוחלת חיים. טעינה מהירה כרוכה בסיכון של ציפוי ליתיום; מקסום הקיבולת מחייב להכיל יותר יוני ליתיום, אך צפיפות יתר עלולה לפגוע ביציבות המבנית.
כמה מחשבות
סוללות ליתיום-יון נמצאות איתנו כבר עשרות שנים, ומספקות כל דבר, החל מטלפונים ניידים ועד כלי רכב חשמליים, ומתרחבות מכמה וואט-שעות למאות קילוואט-שעות. עם זאת, העיקרון הבסיסי נותר ללא שינוי: יוני ליתיום עוברים הלוך ושוב בין הקתודה לאנודה, בעוד האלקטרונים מבצעים עבודה דרך המעגל החיצוני.
מה שבאמת התפתח הם חומרי הקתודה והאנודה, ניסוחי האלקטרוליטים וטכנולוגיות בקרת שכבת SEI-כל מטרתם להפוך את -יון הליתיום ל"מעבורת" למהירה יותר, יציבה יותר ובטוחה יותר.
מקור: אינטרנט
עורך: Xiao Ai
Call for Papers: כפלטפורמת שירות מובילה לתעשיית הייצור המתקדמת-בהיי-טק, AMT מברכת על הגשת מאמרים אקדמיים. הפרסום הוא לגמרי בחינם וללא רווחים-. דוא"ל הגשה: info@amtbbs.org
הודעת זכויות יוצרים: AMT מכבדת זכויות יוצרים ומעריכה את העבודה הקשה והיצירתיות של כל מחבר. למעט יצירות בעלות מקורות בלתי ניתנים לאיתור, אנו מצטטים מקורות בסוף כל מאמר. אם תוכן כלשהו-כולל מאמרים, סרטונים, תמונות או טקסט-כרוך בבעיות זכויות יוצרים, אנא צור איתנו קשר מיד. לאחר אימות הבעלות באמצעות תיעוד שסופק, נסיר את התוכן מיידית או נשלם שכר בהתאם לסטנדרטים הלאומיים.
