تكوينبطارية الليثيوم

يتكون التركيب المادي لبطاريات الليثيوم بشكل أساسي من مواد القطب الموجب، ومواد القطب السالب، والفواصل، والإلكتروليتات، والأغلفة.

1. من بين مواد القطب الموجب، تُعدّ مواد كوبالتات الليثيوم، ومنجنات الليثيوم، وفوسفات حديد الليثيوم، والمواد الثلاثية (بوليمرات النيكل والكوبالت والمنغنيز) الأكثر شيوعًا. وتشكل مادة القطب الموجب نسبة كبيرة (نسبة كتلة مواد القطب الموجب إلى السالب تتراوح بين 3:1 و4:1)، لأن أداء مادة القطب الموجب يؤثر بشكل مباشر على أداء بطارية الليثيوم أيون، كما أن تكلفتها تحدد تكلفة البطارية بشكل مباشر.
2. من بين مواد القطب السالب، يُعدّ الجرافيت الطبيعي والجرافيت الاصطناعي حاليًا من أهم المواد المستخدمة. أما مواد الأنود التي يجري البحث فيها فتشمل النتريدات، وحمض البولي أسبارتيك، وأكاسيد القصدير، وسبائك القصدير، ومواد الأنود النانوية، ومركبات بين فلزية أخرى. وباعتبارها إحدى المواد الأربع الرئيسية في بطاريات الليثيوم، تلعب مواد القطب السالب دورًا هامًا في تحسين سعة البطارية وأدائها خلال دورات الشحن والتفريغ، وهي تُشكّل ركيزة أساسية في صناعة بطاريات الليثيوم.
3. تُصنع أغشية البولي أوليفين، التي تُعدّ أساسًا من البولي إيثيلين والبولي بروبيلين، بشكل رئيسي من مواد أغشية بطاريات الليثيوم المُوجّهة للسوق. ويُعتبر الفاصل أحد المكونات الداخلية الرئيسية في بنية فاصل بطارية الليثيوم. ويُحدّد أداء الفاصل بنية الواجهة والمقاومة الداخلية للبطارية، مما يؤثر بشكل مباشر على سعتها ودورة شحنها وسلامتها. ويلعب الفاصل ذو الأداء الممتاز دورًا هامًا في تحسين الأداء العام للبطارية.
4. يتكون الإلكتروليت عادةً من مذيبات عضوية عالية النقاء، وأملاح الليثيوم الإلكتروليتية، والمواد المضافة اللازمة، ومواد خام أخرى بنسب محددة وفي ظروف معينة. ويؤدي الإلكتروليت دور موصل الأيونات بين القطبين الموجب والسالب لبطارية الليثيوم، مما يضمن الجهد العالي والطاقة النوعية العالية لبطارية أيونات الليثيوم.
5. غلاف البطارية: ينقسم إلى غلاف فولاذي، وغلاف ألومنيوم، وغلاف حديدي مطلي بالنيكل (للبطاريات الأسطوانية)، وغلاف من الألومنيوم والبلاستيك (للتغليف المرن)، وما إلى ذلك، بالإضافة إلى غطاء البطارية، الذي يمثل أيضًا قطبي البطارية الموجب والسالب.
6. مبدأ عمل البطارية
7. عند شحن البطارية، تتولد أيونات الليثيوم على القطب الموجب، ثم تنتقل هذه الأيونات إلى القطب السالب عبر الإلكتروليت. يحتوي هيكل الكربون في القطب السالب على مسامات دقيقة، حيث تتغلغل أيونات الليثيوم التي تصل إليه في هذه المسامات. كلما زاد عدد أيونات الليثيوم المتغلغلة، زادت سعة الشحن. عند تفريغ البطارية، تخرج أيونات الليثيوم المتغلغلة في طبقة الكربون من القطب السالب وتعود إلى القطب الموجب. كلما زاد عدد أيونات الليثيوم العائدة إلى القطب الموجب، زادت سعة التفريغ. بشكل عام، تشير سعة التفريغ إلى سعة الشحن والتفريغ. خلال عمليتي شحن وتفريغ بطارية الليثيوم، تكون أيونات الليثيوم في حالة حركة مستمرة بين القطب الموجب والقطب السالب. إذا تخيلنا بطارية الليثيوم ككرسي هزاز، فإن طرفي الكرسي يمثلان القطبين الموجب والسالب للبطارية، وأيونات الليثيوم أشبه بالرياضيين الذين يتحركون ذهابًا وإيابًا بين طرفي الكرسي. لذلك تُسمى بطاريات الليثيوم أيضًا ببطاريات الكرسي الهزاز.