معرفی انواع باتری‌های لیتیوم یون (NMC,LFP,LCO)

معرفی انواع باتری‌های لیتیوم یون

مقدمه:

مهمترین ویژگی‌های یک باتری، انرژی، توان، دوام و امنیت آن است. انرژی ویژه باتری لیتیوم – یونی، به نوع کاتد، آند و ساختارهای نانو و میکرو آن‌ها بستگی دارد. باتری‌های لیتیوم – یونی، طیف وسیعی از چگالی انرژی را پوشش می‌دهند که مقداری بین 90 تا 250 wh/kg را دارند. باتری‌های لیتیوم یون عموما در دو شکل استوانه‌ای و پهن در دست‌رس هستند.

شکل زیر نمایی از تاریخچه‌ی باتری‌های لیتیوم یون را نشان می‌دهد . مبحث باتری‌های لیتیوم یون در دهه 1970 معرفی شده و به مرور زمان باتری‌های دیگر مانند باتری لیتیوم سولفور و لیتیوم هوا معرفی شدند.

باتری‌های NCA بهترین عملکرد را زمینه چگالی انرژی از خود نشان می‌دهند در حالی که باتری‌های LFP عملکرد بدتری دارند. پارامترهای زیادی در تعیین انرژی یک باتری دخیل است که از این میان می‌توان به موارد زیر اشاره کرد :

1. چگالی یون‌های لیتیوم
2. SEI
3. ضریب نفوذ الکترودها 
4. رسانایی آن‌ها

در ادامه قصد داریم هرکدام از انواع باتری‌های لیتیوم یون را مورد بررسی قرار دهیم.

باتری لیتیوم یون LCO

اولین نوع باتری‌های لیتیوم یون بود که در سال 1991 تجاری سازی شد . این باتری از آند گرافیتی (C6) و کاتد LiCoO2 ساخته شده است. انرژی ویژه بالای این نوع باتری (150-190 Wh / kg) باعث می شود که باتری‌های لیتیوم یون LCO یک انتخاب محبوب برای وسایل قابل حمل مانند تلفن همراه، تبلت و لپ تاپ باشد. باتری‌های لیتیوم یون LCO دارای طول عمری برابر با 500 تا 1000 سیکل شارژ و دشارژ هستند. 

از طرفی ایمنی ذاتی این باتری‌ها پایین بوده و احتمال آتش سوزی در آن‌ها وجود خواهد داشت. دلیل این اتفاق، پایداری حرارتی پایین اکسید کبالت است که در دمای 150 درجه سانتیگراد از حالت پایدار خود خارج خواهد شد.

این باتری به طور خاص از سال ۲۰۱۱ در بوینگ ۷۸۷ Dreamliner شروع به کار کرد تا در هنگام پرواز اضطراری و نیروی پشتیبانی، انرژی مورد نیاز را در طی پروازها تامین کند. با این حال، وقوع حوادث ناموفق، از جمله ناپایداری حرارتی، نگرانی‌های جدی را ایجاد کرده و برای چندین ماه در اوایل سال ۲۰۱۳ منجر به زمین گیر شدن همه‌ی هواپیماهایی شد که از این باتری استفاده می‌کردند.

به دلایل ذکر شده در بالا، صنعت خودروهای الکتریکی هیچ علاقه‌ای به باتری‌های LCO نشان نمی‌دهد و مسیر خودروهای الکتریکی را به کلی از باتری‌های لیتیوم یون LCO منحرف گردانیده است. دلایل عدم محبوبیت این باتری :

1. نگرانی‌های امنیتی
2. طول عمر نسبتاً کم
3. کمبود عنصر گران‌قیمت و کمیاب کبالت

باتری لیتیوم یون LMO

باتری  Li-ion LMO برای اولین بار در سال 1996 تجاری شد. این باتری دارای کاتدی با فرمول شیمیایی LiMn2O4 است که ساختاری سه بعدی(با ساختار spinel) برای ورود و خروج یون‌‍ها تشکیل می‌دهد. این ساختار کریستالی برای حرکت یون‌های لیتیوم بسیار مناسب است .  چرا که موجب می‌گردد تا مقاومت الکتریکی این کاتد کاهش یافته و موجب کم شدن مقاومت درونی باتری شود.

این کاتد‌های LMO با آندهای گرافیتی و یا آندهای LTO ترکیب می‌شوند تا ساختار کامل باتری لیتیوم یون تشکیل گردد. لازم به ذکر است که باتری‌های لیتیوم یون LMO طول عمر بیشتر از باتری‌های LCO دارند . همین طور به صورت معمول بین 1000 تا 1500 سیکل شارژ و دشارژ را تحمل می‌کنند. این باتری‌‌ها دارای چگالی انرژی 100 تا 140Wh/kg است که از مقدار چگالی انرژی باتری‌های LCO کمتر است.
بر خلاف باتری‌های لیتیوم یونLCO، کاتد LMO دارای پایداری حرارتی بالایی در حدود 250 درجه سانتیگراد است. این پایداری موجب می‌شود که ایمنی این باتری‌ها بالاتر باشد. کاتد LMO از مواد ارزان قیمت و فراوان ساخته شده و علاوه بر آن مشکلی برای محیط زیست هم ایجاد نمی‌کند. از این باتری‌ها معولا در دوچرخه‌های الکتریکی و ابزار پزشکی استفاده می‌شود.

باتری لیتیوم یون LFP

باتری‌های لیتیوم یون LFP دارای کاتد LiFePO4 هستند که آند آن‌ها از گرافیت ساخته شده است. این باتری‌ها در سال 1999 تجاری سازی شده و به دلیل پایداری، امنیت، عناصر فراوان موجود در طبیعت و غیر سمی بودنشان توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. باتری‌های لیتیتیوم یونLFP قابلیت گذراندن 2000 سیکل کامل شارژ و دشارژ را دارا بوده و حتی قابلیت عمری فراتر از این مقدار برای این باتری پیش‌بینی می‌شود.

یکی از مهمترین مشخصه‌های این باتری، ولتاژ ثابت آن در حین استفاده از آن است که این ولتاژ ثابت به وجود دو فاز گوناگون در هنگام لیتیوم دار شدن کاتد بر‌می‌گردد. این ویژگی فوقالعاده، باعث شده تا برخلاف انرژی پایین این باتری، خودرو‌های الکتریکی از این نوع باتری  استفاده کنند. لازم به ذکر است که چگالی انرژی باتری‌های لیتیوم یون LFP در بازه‌ی 90 تا 140 Wh/kg بوده که در برابر باتری‌های LCO و NCA مقداری پایین به حساب آید.

یکی از کاربردهای ‌اصلی این باتری‌ها، استفاده‌ از آن‌ها در دوچرخه‌های الکتریکی و منابع تغذیه(off-grid وgrid-connected) است که پایداری در ولتاژ خروجی، باعث این کاربردها شده است.

باتری‌های لیتیوم یون NCA

باتری‌های  Li-ion NCA دارای کاتد LiNiCoAlO2 و آند گرافیتی هستند که در سال 1999 معرفی شدند. کاتد NCA معمولا از 80 درصد نیکل، 15 درصد کبالت و 5 درصد آلمینیوم ساخته شده‌اند که از نظر میزان به کار رفته‌ی عنصر کبالت به عنوان یک ماده ی کمیاب، از باتری‌های LCO وضع بهتری دارند.

باتری‌های Li-ion NCA داری چگالی انرژی بالایی در حدود 200 تا 250 Wh/kg است که توانایی 1000 تا 1500سیکل شارژ و دشارژ را دارد. به دلیل چگالی انرژی بالای این باتری‌ها، سازندگان خودرو‌های الکتریکی مانند تسلا، از ساختار NCA در باتری‌های خود استفاده می‌کنند.

باتری‌های لیتیوم یون NMC

در باتری‌های لیتیوم یون NMC از کاتد LiNiMnCoO2 و آند گرافیتی استفاده می‌شود. این باتری‌ها در مقایسه با باتری‌های لیتیوم یون NCA دارای چگالی انرژی پایین تری هستند که محدوده ی انرژی آن‌ها در حدود 140 تا 200 Wh/kg می‌باشد. این باتری‌ها طول عمری معادل با 1000 تا 2000 سیکل کاری دارند.

بر اساس میزان درصد نیکل، کبالت و منگنز به کار رفته در کاتد این باتری‌ها، خواص این باتری قابل تغییر است و برای کاربردهای مختلف قابل استفاده است. با افزایش میزان نیکل، چگالی انرژی افزایش پیدا می‌کند درحالی که افزایش منگنز، چگالی توان را زیاد خواهد کرد.

باتری‌های لیتیوم یون بر پایه‌ی کاتد NMC، در سال 2004 وارد بازار شدند .شرکت های بزرگی چون تویوتا و نیسان از این باتری‌ها برای خودروهای الکتریکی خود استفاده می‌کنند. همچنین این باتری‌ها در وسایل الکتریکی دیگر مانند ابزار پزشکی و وسایل قابل حمل(portable) استفاده می‌شوند.  پیش‌بینی‌ها حاکی از آن است که باتری‌های Li-ion NMC ، تا سال 2030 مربوط به اینگونه از باتری‌ها خواهد بود.

جدول زیر میزان استفاده از انواع باتری‌های لیتیوم یون در خودروهای الکتریکی توسط شرکت‌های مختلف خودروسازی نشان می‌دهد. کاملا مشخص است که باتری‌های Li-ion NMC بسیار مورد توجه این خودروسازان بزرگ دنیا قرار دارد.

مقایسه کلی باتری‌های لیتیوم یون:

 شکل زیر ویژگی های اصلی باتری های موجود در بازار را مقایسه و خلاصه می کند.

جدول زیر باز جهانی را از سال 2010 تا 2030 نشان داده و مشاهده می‌شود سهم خودروهای الکتریکی سهم بسیار بالایی را به خود اختصاص خواهد داد.

منابع:

The lithium-ion battery: State of the art and future perspectives
Lithium-ion batteries: outlook on present, future, and hybridized technologies

تاریخ انتشار: فروردین 1399