باتری لیتیوم یون (Lithium-ion battery)

یک باتری لیتیوم یونی که به عنوان باتری لیتیوم یونی نیز شناخته می شود، به عنوان یک وسیله ذخیره انرژی قابل شارژ با استفاده از ترکیب برگشت پذیر یون های Li+ در مواد جامد رسانای الکترونیکی عمل می کند. این باتری‌ها معمولاً انرژی ویژه، چگالی انرژی و کارایی انرژی را در کنار چرخه و طول عمر تقویمی طولانی‌تر نشان می‌دهند، در حالی که با فناوری‌های باتری قابل شارژ جایگزین در تضاد هستند. پس از معرفی تجاری آنها در سال 1991، سه دهه بعدی شاهد افزایش سه برابری در چگالی انرژی حجمی باتری‌های لیتیوم یونی و همزمان با کاهش ده برابری هزینه‌های ساخت آنها بودیم. تا اواخر سال 2024، تقاضای جهانی سالانه برای این باتری‌ها از 1 تراوات ساعت فراتر رفت و قابلیت‌های تولید بیش از دو برابر از این رقم فراتر رفت.

یک باتری لیتیوم یون یا باتری لیتیوم یون نوعی باتری قابل شارژ است که از ترکیب برگشت‌پذیر یون‌های Li⁺ در مواد جامد رسانای الکترونیکی برای ذخیره انرژی استفاده می‌کند. در مقایسه با انواع دیگر باتری های قابل شارژ، آنها عموما دارای انرژی ویژه، چگالی انرژی و بازده انرژی بالاتر و عمر چرخه و عمر تقویم بیشتری هستند. در سه دهه پس از اولین فروش باتری های لیتیوم یونی در سال 1991، چگالی انرژی حجمی آنها سه برابر افزایش یافت در حالی که هزینه آنها ده برابر کاهش یافت. در اواخر سال 2024، تقاضای جهانی از 1 تراوات ساعت در سال گذشت، در حالی که ظرفیت تولید بیش از دو برابر آن بود.

توسعه و تجاری‌سازی متعاقب باتری‌های لیتیوم یون عمیقاً بر پیشرفت فناوری تأثیر گذاشته است، سهمی که جایزه نوبل سال 2019 در شیمی‌شناسان به رسمیت شناخته شد. این باتری‌ها در تکثیر وسایل الکترونیکی قابل حمل مصرفی، از جمله رایانه‌های لپ‌تاپ و تلفن‌های همراه، و همچنین وسایل نقلیه الکتریکی نقش مهمی داشته‌اند. علاوه بر این، کاربردهای آنها به سیستم های ذخیره انرژی در مقیاس شبکه و بخش های تخصصی نظامی و هوافضا گسترش می یابد. بر خلاف انواع باتری های استاندارد شده مانند باتری AA، ابعاد باتری لیتیوم یونی معمولاً یکنواخت نیستند و فاکتورهای شکلی متنوع و منحصربه‌فردی را ارائه می‌دهند که توسط نیازهای دستگاه و تولیدکنندگان خاص دیکته می‌شوند. ولتاژ نامی 3.6 ولت یا 3.7 ولت مشخصه این باتری ها است.

در طول دهه 1970، M. Stanley Whittingham پیشگام مفهوم الکترودهای intercalation شد و متعاقباً اولین باتری لیتیوم-یون قابل شارژ را توسعه داد که از یک باتری لیتیوم-یونی دی‌آلومینیوم-آنتودآتیم استفاده می‌کرد. با این حال، این طراحی اولیه با مسائل ایمنی مواجه شد و در نتیجه تجاری سازی نشد. در سال 1980، جان گودناف این تحقیق را با ترکیب لیتیوم اکسید کبالت به عنوان ماده کاتد، توسعه داد. آکیرا یوشینو در سال 1985 نمونه اولیه باتری لیتیوم یونی معاصر را توسعه داد و خود را با استفاده از آند کربنی به جای فلز لیتیوم متمایز کرد. این نوآوری بعداً در سال 1991 توسط یک تیم مشترک از سونی و آساهی کاسی به رهبری یوشیو نیشی تجاری شد. ویتینگهام، گودیناف و یوشینو به دلیل نقش اساسی خود در تکامل باتری‌های لیتیوم یونی، مجموعاً جایزه نوبل شیمی 2019 را دریافت کردند.

به دلیل وجود الکترولیت‌های قابل اشتعال، باتری‌های لیتیوم یون خطر آتش‌سوزی یا انفجار بالقوه دارند. پیشرفت های قابل توجهی در تحقیق و تولید طرح های باتری لیتیوم یون ایمن تر به دست آمده است. برای کاهش این خطر، باتری‌های لیتیوم یون حالت جامد در حال حاضر در دست توسعه هستند و هدف آن حذف جزء الکترولیت قابل اشتعال است. علاوه بر این، بازیافت این باتری ها می تواند زباله های سمی از جمله فلزات خطرناک ایجاد کند و همچنین خطر آتش سوزی را به همراه دارد. استخراج لیتیوم و سایر مواد معدنی تشکیل دهنده نیز چالش های اساسی را ایجاد می کند. به عنوان مثال، استخراج لیتیوم نیازمند آب است و اغلب در محیط های خشک اتفاق می افتد، در حالی که سایر مواد معدنی مورد استفاده در برخی از مواد شیمیایی لیتیوم یون، مانند کبالت، ممکن است به عنوان کانی های متعارض طبقه بندی شوند. این نگرانی‌های زیست‌محیطی محققان را بر آن داشته است تا به دنبال افزایش بهره‌وری مواد معدنی و بررسی مواد شیمیایی جایگزین باتری، از جمله انواع لیتیوم آهن فسفات لیتیوم و سیستم‌های غیر مبتنی بر لیتیوم مانند باتری‌های یون سدیم و آهن-هوا باشند.

اصطلاح "باتری لیتیوم یون" به دسته وسیعی اطلاق می شود که شامل حداقل 12 ترکیب شیمیایی متفاوت باتری است. سلول‌های لیتیوم یونی را می‌توان برای اولویت‌بندی چگالی انرژی یا چگالی توان، بسته به کاربرد، مهندسی کرد. به عنوان مثال، دستگاه‌های الکترونیکی دستی عمدتاً از باتری‌های لیتیوم پلیمری استفاده می‌کنند که دارای یک الکترولیت ژل پلیمری، یک اکسید لیتیوم کبالت است (LiCoO
§67§) کاتد، و یک آند گرافیت، ترکیبی که به دلیل چگالی انرژی بالا شناخته شده است. برعکس، شیمی هایی مانند فسفات آهن لیتیوم (LiFePO
§1718§LiMn
§2829§O
§3738§) اسپینل، مواد لایه لایه غنی از لیتیوم بر اساس Li
§4849§MnO^58§ (LMR-NMC) و لیتیوم نیکل اکسید کبالت منگنز (LiNiMnCoO
§6869§ یا NMC) اغلب به دلیل طول عمر بیشتر و قابلیت‌های تخلیه بالاتر ترجیح داده می‌شوند. NMC و شیمی مشتقات آن به طور گسترده در برقی‌سازی حمل‌ونقل به کار گرفته می‌شوند، که نشان‌دهنده یک فناوری کلیدی، زمانی که با منابع انرژی تجدیدپذیر ادغام می‌شود، برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای از وسایل نقلیه است. یکی دیگر از مواد شیمیایی لیتیوم-یون پر انرژی که اغلب در باتری های خودروهای الکتریکی استفاده می شود، اکسید آلومینیوم لیتیوم نیکل کبالت (NCA) است.

توسعه تاریخی

تحقیقات اولیه در مورد باتری‌های لیتیوم یونی شامل CuF
§67§5 پیشرفت قابل توجهی در باتری NASA است. باتری لیتیوم یونی معاصر در سال 1974 توسط شیمیدان بریتانیایی M. Stanley Whittingham، که پیشگام استفاده از دی سولفید تیتانیوم بود (TiS
§1718§) به عنوان ماده کاتدی. این ماده دارای ساختار لایه‌ای است که می‌تواند یون‌های لیتیوم را بدون تغییرات قابل‌توجهی در شبکه کریستالی خود به هم بپیوندد. اکسون در اواخر دهه 1970 اقدام به تجاری سازی این باتری کرد اما به دلیل فرآیند سنتز گران و پیچیده با چالش هایی مواجه شد. علاوه بر این، TiS
§2829§ حساسیت به رطوبت زایی، رطوبت زایی مجدد نشان می دهد. گاز (H
§3940§S) در تماس با آب. مهم تر از آن، وجود لیتیوم فلزی در سلول ها، باتری ها را مستعد احتراق خود به خودی می کند. در نتیجه، اکسون توسعه باتری دی سولفید لیتیوم تیتانیوم ویتینگهام را متوقف کرد.

در سال 1980، ند آ. گودشال و همکاران، و به دنبال آن کویچی میزوشیما و جان بی. گودناف، به طور مستقل تحقیقاتی را انجام دادند که منجر به جایگزینی TiS
§67§ با اکسید لیتیوم کبالت (LiCoO
§1718§ یا LCO) پس از ارزیابی مواد جایگزین مختلف. LCO دارای ساختار لایه ای قابل مقایسه است اما ولتاژ بالاتری را ارائه می دهد و پایداری قابل توجهی بیشتری را در هوای محیط نشان می دهد. این ماده متعاقباً در اولین باتری لیتیوم یون تجاری گنجانده شد، اگرچه استفاده از آن به تنهایی مشکل اشتعال مداوم را به طور کامل کاهش نداد.

تلاش‌های اولیه برای ایجاد باتری‌های لیتیوم یون قابل شارژ از آندهای فلزی لیتیومی استفاده کردند که در نهایت به دلیل نگرانی‌های ایمنی متوقف شد. فلز لیتیوم ذاتاً ناپایدار است و مستعد تشکیل دندریت است، پدیده‌ای که می‌تواند باعث ایجاد اتصال کوتاه داخلی شود. رزولوشن نهایی شامل استفاده از یک آند میان‌اندازی، مشابه با مواد کاتد است که به طور موثری از تشکیل لیتیوم فلزی در طول فرآیند شارژ باتری جلوگیری می‌کند. یورگن اتو بسنهارد برای اولین بار در سال 1974 ترکیب برگشت پذیر یون های لیتیوم در آندهای گرافیت را نشان داد. روش Besenhard شامل حلال های آلی مانند کربنات ها بود، اما این حلال ها به سرعت تجزیه می شوند و در نتیجه عمر چرخه باتری محدود می شود. متعاقباً، در سال 1980، Rachid Yazami یک الکترولیت آلی جامد با ثبات تر، پلی اتیلن اکسید را معرفی کرد.

در سال 1985، Akira Yoshino، وابسته به Asahi Kasei Corporation، کشف کرد که کک نفتی، یک نوع کربن کمتر گرافیتی شده، می تواند در پتانسیل های نسبی 0.5 نسبتاً کمتری بین کربنی با پتانسیل reversib ایجاد کند. به Li+/Li بدون تجربه تخریب ساختاری. یکپارچگی ساختاری این ماده به مناطق کربن آمورف آن نسبت داده می شود که به عنوان پیوندهای کووالانسی برای ایمن سازی لایه ها عمل می کنند. علیرغم داشتن ظرفیت کمتر در مقایسه با گرافیت (تقریباً Li0.5C6، 186 میلی‌آمپرساعت گرم در 1)، کک نفتی به دلیل پایداری بالا در چرخه آن، به اولین آند تجاری برای باتری‌های لیتیوم یون تبدیل شد. در سال 1987، یوشینو حق ثبت اختراعی را برای اولین باتری لیتیوم یون تجاری با این آند به دست آورد. طراحی او از LiCoO₂ که قبلاً گزارش شده توسط Goodenough به عنوان کاتد و یک الکترولیت مبتنی بر استر کربنات استفاده شده است. باتری در حالت دشارژ مونتاژ شد که هم ایمنی ساخت و هم مقرون به صرفه بودن را افزایش داد. در سال 1991، سونی تولید و فروش اولین باتری های لیتیوم یون قابل شارژ جهان را بر اساس طراحی یوشینو آغاز کرد. سال بعد، یک سرمایه گذاری مشترک بین توشیبا و شرکت Asahi Kasei نیز یک باتری لیتیوم یونی را معرفی کرد.

در طول دهه 1990، با جایگزینی تدریجی آند کربن نرم یوشینو، ابتدا با کربن سخت و بعداً با گرافیت، پیشرفت های قابل توجهی در چگالی انرژی حاصل شد. در سال 1990، جف دان و دو همکارش در دانشگاه دالهوسی در کانادا، ترکیب برگشت‌پذیر یون‌های لیتیوم در گرافیت را هنگامی که یک حلال کربنات اتیلن وجود داشت، گزارش کردند. این حلال که در دمای اتاق جامد است و با سایر حلال‌ها ترکیب می‌شود و مایعی را تشکیل می‌دهد، آخرین نوآوری کلیدی آن دوران را نشان می‌دهد و طراحی اساسی باتری لیتیوم یونی مدرن را ایجاد می‌کند.

در سال 2010، ظرفیت تولید جهانی باتری‌های لیتیوم یونی به 20 گیگاوات ساعت رسید. تا سال 2016، این ظرفیت به 28 گیگاوات ساعت افزایش یافت و چین 16.4 گیگاوات ساعت سهم داشت. ظرفیت تولید جهانی در سال 2020 به 767 گیگاوات ساعت افزایش یافت و چین 75 درصد از این کل را به خود اختصاص داد. برآوردها از منابع مختلف تولید سال 2021 را بین 200 تا 600 گیگاوات ساعت نشان می دهد، در حالی که پیش بینی ها برای سال 2023 بین 400 تا 1100 گیگاوات ساعت است.

در سال 2012، جان بی. گودیناف، راشید یازامی و آکیرا یوشینو به دلیل کار پیشگامانه خود در توسعه باتری لیتیوم یون، مدال IEEE را برای فناوری های زیست محیطی و ایمنی دریافت کردند. پس از آن، گودیناف، ویتینگهام و یوشینو جایزه نوبل شیمی سال 2019 را دریافت کردند و به طور خاص به کمک آنها در پیشرفت فناوری باتری لیتیوم یونی قدردانی کردند. علاوه بر این، جف دان جایزه فناوری بخش باتری ECS در سال 2011 و جایزه Yeager از انجمن بین المللی مواد باتری در سال 2016 دریافت کرد.

اصول طراحی

به طور معمول، الکترود منفی در یک سلول لیتیوم-یون معمولی از گرافیت تشکیل شده است، در حالی که الکترود مثبت معمولاً از یک اکسید فلزی یا فسفات تشکیل شده است. سیستم الکترولیت از نمک لیتیوم حل شده در یک حلال آلی استفاده می کند. برای جلوگیری از اتصال کوتاه داخلی، یک جداکننده به طور فیزیکی الکترود منفی (که به عنوان آند در حین تخلیه عمل می کند) از الکترود مثبت (که به عنوان کاتد در هنگام تخلیه عمل می کند) جدا می کند. اتصال الکتریکی به مدار خارجی از طریق دو جزء فلزی معروف به کلکتور جریان برقرار می‌شود.

در طول فرآیند شارژ، الکترودهای منفی و مثبت عملکردهای الکتروشیمیایی خود را معکوس می‌کنند و بین نقش‌های آند و کاتد جابه‌جا می‌شوند. با این وجود، در بحث‌های مربوط به طراحی باتری، الکترود منفی یک سلول قابل شارژ معمولاً به‌عنوان «آند» و الکترود مثبت به‌عنوان «کاتد» نامیده می‌شود.

وقتی کاملاً لیتی‌سازی می‌شود، به شکل LiC₆، گرافیت ظرفیت نظری 339 گرم در هر 13 را نشان می‌دهد. mAh/g). ماده الکترود مثبت معمولاً از سه دسته اصلی انتخاب می شود: اکسید لایه ای (به عنوان مثال اکسید لیتیوم کبالت)، پلی آنیون (به عنوان مثال، فسفات آهن لیتیوم)، یا اسپینل (به عنوان مثال، اکسید لیتیوم منگنز). مواد آزمایشی بیشتری مانند الکترودهای حاوی گرافن نیز در حال بررسی هستند، اگرچه هزینه‌های بالای تولید آن‌ها در حال حاضر مانع از دوام تجاری می‌شود.

با توجه به واکنش شدید لیتیوم با آب، که هیدروکسید لیتیوم (LiOH) و گاز هیدروژن تولید می‌کند، یک الکترولیت غیرآبی همواره به‌کار می‌رود و از بسته‌بندی باتری‌های غیرآبی به‌طور غیرقابل تحمل استفاده می‌شود. این الکترولیت غیرآبی معمولاً شامل مخلوطی از کربنات‌های آلی، مانند کربنات اتیلن و کربنات پروپیلن، حاوی کمپلکس‌های یون لیتیوم محلول است. کربنات اتیلن برای تشکیل یک فاز الکترولیت جامد پایدار روی آند کربن بسیار مهم است. با این حال، از آنجایی که در دمای محیط جامد است، یک حلال مایع (به عنوان مثال، کربنات پروپیلن یا دی اتیل کربنات) ترکیب می شود.

نمک الکترولیت غالب مورد استفاده لیتیوم هگزافلوئورو فسفات است (LiPF
₆)، به دلیل ترکیب مطلوبی از هدایت یونی بالا و پایداری شیمیایی و الکتروشیمیایی قوی انتخاب شده است. آنیون هگزا فلوروفسفات نقش حیاتی در غیرفعال کردن کلکتور جریان آلومینیومی دارد که برای الکترود مثبت استفاده می شود. یک زبانه تیتانیوم به صورت اولتراسونیک به این کلکتور جریان آلومینیومی جوش داده شده است. نمک‌های دیگر، از جمله لیتیوم پرکلرات (LiClO
§1718§، لیتیوم تترا فلو style="font-size:inherit;line-height:inherit;vertical-align:baseline">
§2829§)، و لیتیوم بیس(تری فلورومتان سولفونیل) ایمید (LiC
§3940§F^49§نه
§5758§S
§6667§)، اغلب در تحقیقات، به ویژه در سلول‌های سکه‌ای بدون برگه استفاده می‌شوند. با این حال، استفاده از آنها در سلول های فرمت بزرگتر اغلب به دلیل ناسازگاری با کلکتور جریان آلومینیومی منع می شود. برای الکترود منفی، مس، معمولاً با یک زبانه نیکل جوش داده شده، به عنوان جمع‌کننده جریان عمل می‌کند.

طراحی‌های کلکتور فعلی و عملیات سطحی می‌توانند در پیکربندی‌های مختلفی مانند فویل، مش، فوم بدون آلیاژ، تمام یا انتخابی حکاکی شده با سطوح مختلف، و پوشش دادن تمام سطوح الکتریکی، و پوشش دادن تمام سطوح الکتریکی ظاهر شوند. ویژگی ها.

انتخاب مواد به طور قابل توجهی بر ولتاژ، چگالی انرژی، عمر چرخه و عملکرد ایمنی یک سلول لیتیوم-یون تأثیر می گذارد. تلاش‌های پژوهشی معاصر بر کاوش در معماری‌های جدید، به‌ویژه آن‌هایی که از فناوری نانو استفاده می‌کنند، برای دستیابی به بهبود عملکرد متمرکز است. حوزه های کلیدی مورد علاقه شامل مواد الکترود در مقیاس نانو و ساختارهای الکترودی نوآورانه است.

مبانی الکتروشیمی

در سلول‌های لیتیوم-یون، واکنش‌های الکتروشیمیایی شامل مواد الکترودی است که ترکیباتی حاوی اتم‌های لیتیوم هستند. علیرغم تحقیقات گسترده در مورد هزاران ماده بالقوه برای باتری های لیتیوم یونی، تنها انتخاب محدودی از نظر تجاری قابل دوام بوده است. تمام سلول‌های لیتیوم یونی که به صورت تجاری در دسترس هستند، از ترکیبات درونی به عنوان مواد فعال خود استفاده می‌کنند. به طور معمول، الکترود منفی از گرافیت تشکیل شده است که اغلب با سیلیکون تقویت می شود تا ظرفیت آن افزایش یابد. الکترولیت معمولاً شامل لیتیوم هگزا فلوروفسفات است که در مخلوطی از کربنات های آلی حل شده است. مواد مختلفی به عنوان الکترود مثبت عمل می کنند، از جمله LiCoO₂، LiFePO₄، و اکسیدهای کبالت لیتیوم نیکل نیکل منگنز.

در طول تخلیه سلول، الکترود منفی به عنوان آند و الکترود مثبت به عنوان کاتد عمل می کند و جریان کاتد از الکترود به آند را تسهیل می کند. یک نیمه واکنش اکسیداسیون که در آند رخ می دهد، یون های لیتیوم با بار مثبت و الکترون هایی با بار منفی تولید می کند. این فرآیند همچنین ممکن است مواد بدون بار تولید کند که در آند باقی بماند. یون‌های لیتیوم از طریق الکترولیت مهاجرت می‌کنند، در حالی که الکترون‌ها مدار خارجی را به سمت کاتد طی می‌کنند، جایی که با مواد کاتد در یک نیمه واکنش کاهشی دوباره ترکیب می‌شوند. الکترولیت به عنوان یک محیط رسانا برای یون های لیتیوم عمل می کند اما در خود واکنش الکتروشیمیایی شرکت نمی کند. واکنش‌های تخلیه، پتانسیل شیمیایی سلول را کاهش می‌دهند و در نتیجه انرژی را از سلول به مدار خارجی منتقل می‌کنند، جایی که جریان الکتریکی در درجه اول انرژی آن را تلف می‌کند.

برعکس، در طول شارژ، این واکنش‌ها و فرآیندهای انتقال جهت معکوس را برعکس می‌کنند، با حرکت الکترون‌ها از الکترود مثبت به الکترود منفی از طریق مدار خارجی. برای دستیابی به شارژ سلولی، مدار خارجی باید انرژی الکتریکی را تامین کند، که متعاقباً به عنوان انرژی شیمیایی در سلول ذخیره می‌شود، به‌عنوان مثال، تلفات مربوط به بازده کولمبی کمتر از 1.

هر دو الکترود حرکت یون‌های لیتیوم به داخل و خارج از ساختارشان را از طریق فرآیندها تسهیل می‌کنند (inserationcaled) به ترتیب استخراج (deintercalation).

به دلیل حرکت نوسانی یون های لیتیوم بین دو الکترود، این باتری ها به صورت محاوره ای به عنوان "باتری های صندلی سنگی" یا "باتری های چرخشی" نامیده می شوند، نامی که گاهی اوقات توسط صنایع اروپایی استفاده می شود. شیمی زیربنایی، که در آن واکنش‌هایی که از چپ به راست انجام می‌شوند نشان‌دهنده تخلیه، و واکنش‌هایی از راست به چپ نشان‌دهنده شارژ هستند.

نیمه‌واکنشی که در الکترود منفی گرافیت رخ می‌دهد به‌صورت زیر ارائه می‌شود:

${\displaystyle {\ce {LiC6 <=> C6 + Li+ + e^-}}}$

نیم واکنشی که در بستر اکسید کبالت دوپ شده با لیتیوم الکترود مثبت رخ می دهد:

${\displaystyle {\ce {CoO2 + Li+ + e- <=> LiCoO2}}}$

واکنش کامل به صورت:

${\displaystyle {\ce {LiC6 + CoO2 <=> C6 + LiCoO2}}}$

با این حال، واکنش کلی تابع محدودیت‌های خاصی است. تخلیه بیش از حد منجر به فوق اشباع شدن اکسید لیتیوم کبالت می شود که متعاقباً منجر به تشکیل اکسید لیتیوم می شود که به طور بالقوه از طریق واکنش برگشت ناپذیر زیر انجام می شود:

${\displaystyle {\ce {Li+ + e^- + LiCoO2 -> Li2O + CoO}}}$

علاوه بر این، شارژ بیش از حد سیستم تا 5.2 ولت سنتز اکسید کبالت (IV) را آغاز می کند، پدیده ای که با تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس تأیید می شود:

${\displaystyle {\ce {LiCoO2 -> Li+ + CoO2 + e^-}}}$

ظرفیت انرژی یک سلول الکتروشیمیایی با حاصلضرب ولتاژ آن و بار کلی که می تواند تحویل دهد تعیین می شود. به طور خاص، یک گرم لیتیوم معادل 13901 کولن است که از ثابت فارادی تقسیم بر 6.941 حاصل می شود. کارکرد با پتانسیل 3 ولت، به چگالی انرژی 41.7 کیلوژول در هر گرم لیتیوم یا 11.6 کیلووات ساعت در هر کیلوگرم لیتیوم تبدیل می شود. در حالی که این چگالی انرژی اندکی از گرمای احتراق بنزین فراتر می رود، جرم کلی باتری های لیتیوم یونی در واحد انرژی به دلیل گنجاندن مواد کمکی مختلف در طول ساخت، بطور قابل توجهی بالاتر باقی می ماند.

توجه به این نکته مهم است که ولتاژ سلول عملیاتی مرتبط با این پتانسیل های شیمیایی برای محلول الکتریکی مورد نیاز است.

فرایندهای تخلیه و شارژ

در طول فاز تخلیه، یونهای لیتیوم (Li⁺
) جریان جریان را در سلول باتری تسهیل می‌کند و از الکترود منفی به الکترود مثبت از طریق الکترولیت غیرآبی و دیافراگم جداکننده در حین شارژ کردن منبع الکتریکی،

شارژر خارجی،

ولتاژ بیش از حد - پتانسیلی بیش از ولتاژ ذاتی سلول - برای وادار کردن الکترون ها به عبور از الکترود مثبت به منفی. همزمان، یون‌های لیتیوم از طریق الکترولیت از الکترود مثبت به الکترود منفی مهاجرت می‌کنند، جایی که آنها از طریق مکانیزمی به نام درون‌مایه به مواد الکترود متخلخل وارد می‌شوند.

اتلاف انرژی ناشی از مقاومت تماس الکتریکی در رابط‌های بین لایه‌های الکترود و در اتصالات با کلکتورهای جریان می‌تواند 20% از کل انرژی جریان باتری را تا 20% از کل انرژی استاندارد تشکیل دهد. پارامترها.

در مقایسه با بسته‌های کامل باتری لیتیوم یون، از پروتکل‌های شارژ متمایز برای سلول‌های لیتیوم یون جداگانه استفاده می‌شود.

• یک سلول لیتیوم یون منفرد تحت یک فرآیند شارژ دو مرحله ای قرار می گیرد:

1. جریان ثابت (CC)
2. ولتاژ ثابت (CV)

• یک بسته باتری لیتیوم یونی، شامل چندین سلول متصل به صورت سری، از طریق یک روش سه مرحله‌ای شارژ می‌شود:

1. جریان ثابت
2. تعادل (فقط زمانی لازم است که گروه های سلولی در حین کار عدم تعادل را نشان دهند)
3. ولتاژ ثابت

در طول فاز جریان ثابت، واحد شارژ جریان ثابتی را به باتری می‌رساند، در حالی که ولتاژ به تدریج افزایش می‌یابد تا حداکثر حد ولتاژ شارژ برای هر سلول به دست آید.

در مرحله تعادل، شارژر یا سیستم مدیریت باتری جریان شارژ را تعدیل می‌کند - یا با کاهش یا با چرخه روشن و خاموش کردن شارژ برای کاهش میانگین جریان - تا وضعیت شارژ در بین سلول‌ها یکسان شود تا زمانی که کل بسته باتری به تعادل برسد. این فرآیند یکسان سازی معمولاً زمانی آغاز می شود که یک یا چند سلول قبل از سایر سلول ها به حداکثر ولتاژ شارژ خود می رسند، زیرا انجام تعادل در مراحل جایگزین چرخه شارژ معمولاً دقیق تر است. روش رایج شامل تعادل غیرفعال است، که در آن بار اضافی به عنوان انرژی حرارتی از طریق مقاومت هایی که به طور موقت در سراسر سلول ها متصل می شوند و نیاز به یکسان سازی دارند، پراکنده می شود. برعکس، متعادل‌سازی فعال، در حالی که کمتر رایج و پرهزینه‌تر است، با هدایت انرژی اضافی به سلول‌های دیگر یا کل بسته باتری از طریق مبدل DC-DC یا مدار مشابه، کارایی بالاتری را ارائه می‌دهد. تعادل عمدتاً در مرحله ولتاژ ثابت شارژ انجام می شود، با سیستم متناوب بین حالت های شارژ تا زمانی که فرآیند نهایی شود. یک بسته باتری معمولاً تنها پس از تکمیل تعادل کاملاً شارژ شده در نظر گرفته می شود، با توجه به اینکه یک گروه سلولی با حالت شارژ پایین تر، ظرفیت کلی قابل استفاده باتری را به سطح کاهش یافته خود محدود می کند. مدت زمان پروسه متعادل‌سازی می‌تواند از چند ساعت تا چند روز متغیر باشد که بستگی به میزان عدم تعادل در باتری دارد.

در فاز ولتاژ ثابت، شارژر ولتاژی معادل حاصل ضرب حداکثر ولتاژ سلول و تعداد سلول‌های متصل به سری در باتری اعمال می‌کند. به طور همزمان، جریان شارژ به تدریج به سمت صفر کاهش می‌یابد و زمانی که به زیر آستانه از پیش تعریف‌شده، معمولاً حدود 3 درصد از جریان شارژ ثابت اولیه، می‌رسد، متوقف می‌شود.

تقریباً هر 500 ساعت یک بار شارژ دوره ای توصیه می شود. این فرآیند شارژ باید زمانی شروع شود که ولتاژ سلول به کمتر از 4.05 ولت/سلول می‌رسد.

عدم پایبندی به پارامترهای جریان و ولتاژ مشخص می‌تواند باعث ایجاد گرمای بیش از حد کولمبی در باتری شود. علاوه بر این، شارژ بیش از حد ولتاژهای بیش از مشخصات طراحی، خطر انفجار قابل توجهی را به همراه دارد.

باتری‌های لیتیوم یونی در مقایسه با محدودیت‌های عملیاتی خود، در حین شارژ در معرض محدودیت‌های دمایی شدیدتری هستند. در حالی که شیمی لیتیوم یون به طور کلی در دماهای بالا به طور موثر عمل می کند، قرار گرفتن در معرض حرارتی طولانی مدت طول عمر باتری را کاهش می دهد. عملکرد بهینه شارژ، از جمله پتانسیل "شارژ سریع"، در محدوده دمایی 5 تا 45 درجه سانتیگراد (41 تا 113 درجه فارنهایت) مشاهده می شود و عملیات شارژ در حالت ایده آل باید در این بازه انجام شود. شارژ بین 0 تا 5 درجه سانتیگراد امکان پذیر است، اگرچه کاهش جریان شارژ ضروری است. در طول شارژ در دمای پایین (زیر 0 درجه سانتیگراد)، افزایش متوسط ​​دمای بالاتر از محیط، ناشی از مقاومت داخلی سلول، سودمند است. برعکس، افزایش دمای شارژ می تواند منجر به تخریب باتری شود. به طور خاص، شارژ بیش از 45 درجه سانتیگراد عملکرد باتری را مختل می کند. در دماهای پایین تر، مقاومت داخلی باتری ممکن است افزایش یابد و منجر به سرعت شارژ کندتر و مدت زمان شارژ طولانی تر شود.

باتری ها حتی در صورت قطع شدن و عدم تامین جریان، پدیده خود تخلیه تدریجی را نشان می دهند. برای باتری‌های قابل شارژ لیتیوم یون، سازندگان معمولاً نرخ خود تخلیه 1.5-2٪ در ماه را گزارش می‌دهند.

این نرخ خود تخلیه با افزایش دما و حالت‌های شارژ بالاتر تشدید می‌شود. یک تحقیق در سال 2004 نشان داد که در اکثر شرایط دوچرخه‌سواری، تخلیه خود عمدتاً وابسته به زمان است. با این وجود، پس از چندین ماه ذخیره در مدار باز یا شارژ شناور، تلفات مربوط به حالت شارژ قابل توجهی شد. جالب توجه است، نرخ خود تخلیه افزایش یکنواخت با حالت شارژ نشان نمی دهد، که کاهش جزئی را در سطوح شارژ متوسط ​​نشان می دهد. علاوه بر این، با افزایش سن باتری ها، نرخ های خود تخلیه ممکن است افزایش یابد. داده های تاریخی نشان می دهد که در سال 1999، خود تخلیه ماهانه 8 درصد در دمای 21 درجه سانتی گراد، 15 درصد در دمای 40 درجه سانتی گراد و 31 درصد در دمای 60 درجه سانتی گراد ثبت شده است. تا سال 2007، نرخ تخمینی خود تخلیه ماهانه به 2 تا 3 درصد کاهش یافت، رقمی که تا سال 2016 بین 2 تا 3 درصد ثابت ماند.

در مقابل، نرخ خود تخلیه برای باتری‌های نیکل-فلز هیدرید (NiMH) تا سال 2017، به طور قابل توجهی از 30 درصد در ماه برای انواع سلول‌های قدیمی‌تر و رایج به تقریباً 0.08-0.33 درصد در ماه برای انواع مدرن NiMH با خود تخلیه کم کاهش یافته است. برای مقایسه، باتری‌های نیکل کادمیوم (NiCd) معمولاً نرخ خود تخلیه حدود 10٪ در ماه را نشان می‌دهند.

کاتد

اکسیدهای فلزات انتقالی (TMOs) به طور گسترده به عنوان مواد کاتدی در باتری‌های لیتیوم یون استفاده می‌شوند. این استفاده گسترده ناشی از حالت‌های اکسیداسیون متغیر کاتیون‌های فلزات واسطه است که این اکسیدهای فلزی را قادر می‌سازد تا به طور برگشت‌پذیر یون‌های لیتیوم (Li+) را در خود جای دهند و واکنش‌های ردوکس کارآمد (کاهش-اکسیداسیون) را تسهیل کنند. اگرچه یون های اکسیژن به طور سنتی برای حفظ حالت اکسیداسیون 2 فرض می شدند، سهم ردوکس اکسیژن در درج لیتیوم در حال حاضر برای عملکرد کاتدهای باتری لیتیوم یون ضروری است. معماری لایه ای یا چارچوبی TMO ها اجازه درج و استخراج Li+ را در طول چرخه های شارژ و دشارژ می دهد. به طور همزمان، فلزات واسطه و آنیون‌های اکسیژن در انتقال الکترون شرکت می‌کنند و در نتیجه به چگالی انرژی بالا و افزایش پایداری کمک می‌کنند. سه دسته مجزا از مواد کاتدی در باتری های لیتیوم یون تجاری سازی شده اند: (1) اکسیدهای لایه ای، (2) اکسیدهای اسپینل و (3) کمپلکس های اکسوآنیون. همه این مواد در ابتدا توسط جان گودناف و تیم تحقیقاتی او کشف شد.

اکسیدهای لایه ای

LiCoO₂ به عنوان ماده کاتدی در اولین باتری لیتیوم یون تجاری که توسط سونی در سال 1991 معرفی شد. این اکسیدهای لایه ای یک معماری شبه چهار وجهی را نشان می دهند که با لایه هایی متشکل از MO₆ هشت وجهی مشخص می شود. این لایه ها توسط فضاهای بین لایه ای از هم جدا شده اند که انتشار دو بعدی لیتیوم-یون را تسهیل می کند. ساختار نواری Li_xCoO§6_{7§ از رسانایی الکترونیکی واقعی بر خلاف رسانایی پلارونیک پشتیبانی می کند. با این وجود، همپوشانی بین باند d Co⁴⁺ t2g و باند O^2- 2p ایجاب می کند که ضریب استوکیومتری 'x' بزرگتر از 0.5 باشد. در غیر این صورت، تکامل اکسیژن (O§1415§) رخ خواهد داد. این محدودیت ظرفیت شارژ این ماده را به تقریباً 140 میلی آمپر ساعت در گرم⁻¹ محدود می‌کند.}

چند فلز دیگر واسطه ردیف اول (3d) نیز نمک های لایه لایه LiMO₂ را تشکیل می دهند. برخی از این ترکیبات را می توان مستقیماً از اکسید لیتیوم و M₂O§45§ (به عنوان مثال، جایی که M نشان دهنده Ti، V، Cr، Co یا Ni) سنتز کرد، در حالی که برخی دیگر، مانند آنهایی که حاوی منگنز یا آهن هستند، از طریق تبادل یونی از NaMO§6_{7§ تهیه می شوند. LiVO§89§، LiMnO§1011§، و LiFeO§1213§ ناپایداری‌های ساختاری، از جمله اختلاط بین مکان‌های M و Li را نشان می‌دهند، که به تفاوت انرژی حداقلی بین محیط‌های هشت‌وجهی و چهار وجهی برای یون فلزی غیرقابل استفاده برای M هستند. باتری ها در مقابل، شعاع یونی متمایز Na⁺ و Fe³⁺ امکان استفاده از NaFeO§1819§ را در باتری‌های یون سدیم فراهم می‌کند. بینابینی در حدود 3.2 ولت، ظرفیت تولید بین 170 و 270 میلی آمپر بر گرم. با این وجود، عمر چرخه آن به دلیل نامتناسب بودن Cr⁴⁺ محدود است، که منجر به انتقال Cr⁶⁺ به سایت های چهار وجهی می شود. برعکس، NaCrO§6^{7§ پایداری دوچرخه سواری را به طور قابل توجهی افزایش می دهد. LiTiO§89§ با ولتاژ تقریباً 1.5 ولت تحت التیام بینابینی Li+ قرار می گیرد که برای یک ماده کاتدی قابل دوام بسیار کم در نظر گرفته می شود.}}

این چالش‌ها کاربرد عملی مواد اکسید لایه‌ای برای کاتد باتری‌های لیتیوم یون را عمدتاً به LiCoO
§6
§67 محدود می‌کند. LiNiO
§1718§. کاتدهای مبتنی بر کبالت با ظرفیت شارژ ویژه (در هر جرم)، ظرفیت حجمی قابل توجه، حداقل خود تخلیه، ولتاژ تخلیه بالا و عملکرد مطلوب چرخه مشخص می شوند. با این حال، هزینه بالای مواد آنها یک اشکال قابل توجه دارد. در نتیجه، روند کنونی در میان تولیدکنندگان باتری‌های لیتیوم یونی شامل انتقال به کاتدهایی با افزایش محتوای نیکل و کاهش محتوای کبالت می‌شود.

غیر از هزینه کمتر آنها در مقایسه با کبالت، مواد مبتنی بر اکسید نیکل از شیمی ردوکس دو الکترونی نیکل استفاده می‌کنند. در اکسیدهای لایه ای حاوی نیکل، مانند نیکل-کبالت-منگنز (NCM) و اکسیدهای نیکل-کبالت-آلومینیوم (NCA)، نیکل بین حالت های اکسیداسیون +2 و +4 چرخه می کند (در یک مرحله بین +3.5 و +4.3 V). کبالت بین 2+ و 3+ تغییر می‌کند، در حالی که منگنز (معمولاً 20 درصد بیشتر) و آلومینیوم (معمولاً فقط به 5 درصد نیاز دارد) به ترتیب حالت‌های اکسیداسیون +4 و +3 را حفظ می‌کنند. این مکانیسم نشان می دهد که افزایش محتوای نیکل باعث افزایش بار چرخه ای می شود. به عنوان مثال، NCM111 160 میلی‌آمپر ساعت بر گرم را ارائه می‌کند، در حالی که LiNi_0.8Co_0.1Mn_{LiNi0.8Co0.15Al0.05 § 0.05NCA از تقریباً 0§2 a17 ظرفیت بالاتر (NCA)}

یک دسته قابل توجه شامل کاتدهای "غنی از لیتیوم" است که می‌تواند از NCM معمولی (LiMO₂، که Mth. اینها با چرخش آنها به ولتاژ یا بارهای مربوط به نسبت Li:M کمتر از 0.5 تولید می شوند. تحت این شرایط، یک انتقال ردوکس نیمه برگشت‌پذیر جدید با ولتاژ بالاتر ظاهر می‌شود که شامل تقریباً 0.4-0.8 الکترون در هر مکان فلزی است. این انتقال عمدتاً شامل اوربیتال‌های الکترونی غیرپیوندی است که بر روی اتم‌های اکسیژن متمرکز شده‌اند. علیرغم علاقه اولیه قابل توجه، این پدیده به دلیل تخریب ساختاری سریع، که با تکامل O2 و بازآرایی شبکه مشخص می شود، در چنین فازهای "غنی از لیتیوم" مشاهده شده، منجر به تولید محصولات تجاری نشده است.

اسپینل های مکعبی اکسید

LiMn₂O₄ ساختار شبکه‌ای مکعبی را اتخاذ می‌کند که انتشار سه بعدی لیتیوم-یون را تسهیل می‌کند. کاتدهای منگنز به دلیل هزینه کمتر منگنز در مقایسه با کبالت یا نیکل جذاب هستند. یک باتری Li-LiMn§4_{5§O§67§ با ولتاژ 4 ولت کار می کند و تقریباً یک یون لیتیوم در هر دو یون منگنز را می توان به طور برگشت پذیر از سایت های چهار وجهی استخراج کرد و ظرفیت عملی زیر 130 میلی آمپر ساعت در گرم-1 را به دست آورد. با این حال، Mn³⁺ یک حالت اکسیداسیون ناپایدار است که مستعد عدم تناسب به منگنز نامحلول⁴⁺ و منگنز محلول²⁺ است. LiMn§1415§O§1617§ همچنین می تواند بیش از 0.5 Li در هر منگنز را در ولتاژ پایین تر در حدود +3.0 ولت درهم بپیچد. Mn³⁺.}

پیشرفت قابل توجهی نسبت به اسپینل منگنز شامل ساختارهای مکعبی مرتبط از نوع LiMn_1.5Ni_0.5O₄ است، که در آن منگنز به صورت Mn4+ وجود دارد و نیکل به صورت برگشت پذیر بین حالت اکسیداسیون +2 و +4 چرخه می کند. این مواد ظرفیت لیتیوم برگشت پذیر تقریباً 135 میلی آمپر ساعت بر گرم در حدود 4.7 ولت را نشان می دهند. در حالی که چنین ولتاژ بالایی برای افزایش انرژی ویژه باتری ها سودمند است، اجرای گسترده این مواد در حال حاضر به دلیل عدم وجود الکترولیت های ولتاژ بالا مناسب مانع شده است. در سال 2023، مواد با محتوای نیکل بالا عموماً به دلیل پتانسیل آنها برای چرخه دو الکترونی نیکل بین حالت های اکسیداسیون +2 و +4 مورد علاقه قرار می گیرند.

LiV₂O₄ (اکسید لیتیوم وانادیم) در مقایسه با ولتاژ کمتر از V0+ (تقریباً 3+) کار می کند. LiMn§4_{5§O§67§، چالش های دوام قابل مقایسه ای را نشان می دهد، هزینه های بالاتری را متحمل می شود و در نتیجه فاقد کاربرد عملی است.}

Oxoanionic

تقریباً در سال 1980، Manthiram شناسایی کرد که اکسوآنیون‌ها (به ویژه مولیبدات‌ها و تنگستات‌ها در آن نمونه) تغییر مثبت قابل توجهی را در پتانسیل ردوکس یون فلزی در مقایسه با اکسیدها ایجاد می‌کنند. علاوه بر این، این مواد کاتد اکسوآنیونی پایداری و ایمنی بیشتری را نسبت به همتایان اکسیدی مربوطه خود ارائه می‌کنند. با این وجود، آنها با رسانایی الکترونیکی ناکافی مشخص می شوند که به جدایی گسترده بین مراکز فلزی فعال ردوکس نسبت داده می شود و در نتیجه مانع انتقال الکترون می شود. در نتیجه، استفاده از ذرات کاتد کوچک (زیر 200 نانومتر) و استفاده از یک پوشش کربن رسانای الکترونیکی برای هر ذره الزامی است. چنین نیازی چگالی بسته‌بندی این مواد را کاهش می‌دهد.

علی‌رغم تحقیقات گسترده در مورد ترکیب‌های متعدد اکسوآنیون‌ها (سولفات، فسفات، سیلیکات) با فلزات مختلف (عمدتاً منگنز، آهن، کو، نیکل)، LiFePO₄ تنها ترکیب تجاری‌سازی شده باقی می‌ماند. در ابتدا، کاربرد آن عمدتاً در ذخیره‌سازی انرژی ثابت به دلیل چگالی انرژی نسبتاً کمتر آن نسبت به اکسیدهای لایه‌ای بود. با این حال، از سال 2020 در وسایل نقلیه الکتریکی مورد استفاده گسترده قرار گرفته است.

آنود

به طور معمول، مواد الکترود منفی از گرافیت و سایر مواد کربنی ساخته می‌شوند، اگرچه مواد مبتنی بر سیلیکون معاصر در حال استفاده رو به رشد هستند. یک تجزیه و تحلیل در سال 2016 نشان داد که 89٪ از باتری های لیتیوم یون دارای گرافیت (شامل 43٪ اشکال مصنوعی و 46٪ طبیعی)، 7٪ کربن آمورف (کربن نرم یا سخت)، 2٪ از لیتیوم تیتانات (LTO) و 2٪ از ترکیبات ویژه قلع استفاده شده یا سیلیکون استفاده شده است. به دلیل فراوانی، رسانایی الکتریکی، و توانایی آنها در به هم زدن یون های لیتیوم برای ذخیره بار الکتریکی با انبساط حجمی متوسط (تقریباً 10٪). گرافیت به دلیل ولتاژ درونی کم و عملکرد برتر به عنوان ماده انتخابی غالب است. در حالی که مواد جایگزین متعددی پیشنهاد شده‌اند که ظرفیت‌های بالاتری را ارائه می‌دهند، آنها معمولاً ولتاژ بالایی را نشان می‌دهند و در نتیجه چگالی انرژی را کاهش می‌دهند. ولتاژ پایین یک پیش نیاز حیاتی برای آندها است. در غیر این صورت، هر ظرفیت مازاد هیچ سودی از نظر چگالی انرژی ندارد.

با توجه به محدودیت ظرفیت حداکثر 372 میلی آمپر بر گرم گرافیت، تلاش های تحقیقاتی قابل توجهی بر روی توسعه مواد با ظرفیت های نظری برتر و رسیدگی به موانع فنی که در حال حاضر مانع استقرار عملی آنها می شوند متمرکز شده است. تحقیقات اولیه در مورد آندهای مبتنی بر سیلیکون برای سلول‌های ثانویه لیتیوم یون به طور جامع در مقاله گسترده 2007 توسط Kasavajjula و همکاران بررسی شده است. به طور خاص، در سال 2000، هونگ لی و همکاران. نشان داد که ترکیب الکتروشیمیایی یون‌های لیتیوم به نانوذرات سیلیکونی و نانوسیم‌ها منجر به تشکیل یک آلیاژ Li-Si آمورف می‌شود. به طور همزمان، بو گائو و استاد راهنمای دکترای او، پروفسور اتو ژو، در مورد عملکرد چرخشی سلول های الکتروشیمیایی با استفاده از آندهای نانوسیم سیلیکونی، گزارش دادند که ظرفیت برگشت پذیری از حدود 900 تا 1500 میلی آمپر ساعت در گرم را نشان می دهد.

کاربرد چرخه الماس مانند با افزایش ظرفیت 40 کربن مجدد نشان داده شده است. عمر 400٪ در باتری های لیتیومی.

راهبردهای مختلفی شامل کاربرد لایه های محافظ برای افزایش پایداری آندهای لیتیومی پیشنهاد شده است. سیلیکون به دلیل ظرفیت میزبانی یون‌های لیتیوم بیشتر که به طور بالقوه تا ده برابر بار الکتریکی را ذخیره می‌کند، به عنوان یک ماده آند امیدوارکننده در حال ظهور است. با این وجود، فرآیند آلیاژسازی بین لیتیوم و سیلیکون باعث افزایش حجم قابل توجهی (تقریباً 400٪) می شود که منجر به شکست فاجعه بار سلول می شود. اگرچه سیلیکون به عنوان یک ماده آند استفاده شده است، اما درج و استخراج مکرر ${\displaystyle {\ce {\scriptstyle Li+}}}$ می‌توانند باعث ترک خوردن مواد شوند. چنین ترک‌هایی سطح سیلیکون را در معرض الکترولیت قرار می‌دهند، شروع تجزیه و متعاقب آن تشکیل فاز میانی الکترولیت جامد (SEI) روی سیلیکون تازه در معرض دید (مثلاً در نانوذرات سی کپسول‌شده با گرافن مچاله شده). ضخیم شدن مداوم این SEI ، در نتیجه ظرفیت آند و پایداری چرخه کاهش می‌یابد.

فراتر از مواد متداول کربن و سیلیکون متداول، مواد مبتنی بر اکسیدهای کربنی و سیلیکونی بالا و متالودئن اتیمیوم. در حال حاضر در دست توسعه هستند. این مواد از طریق یک مکانیسم تبدیل، متمایز از میان‌افشانی، عمل می‌کنند و از یک آلیاژ (یا فازهای مخلوط زیر نانومتری) از اکسیدهای فلزی متعددی تشکیل شده‌اند که هر کدام دارای عملکردهای مجزایی هستند. به عنوان مثال، روی و کبالت می توانند به عنوان اجزای ذخیره بار الکتریکی فعال عمل کنند، مس می تواند به عنوان یک فاز پشتیبانی رسانای الکترونیکی عمل کند، و اکسید منیزیم می تواند پودر شدن را کاهش دهد.

الکترولیت

الکترولیت‌های مایع مورد استفاده در باتری‌های لیتیوم یونی از نمک‌های لیتیوم، از جمله LiPF
₆، LiBF
§1718§، LiFSI، LiTFSI، یا LiClO
§2829§، محلول در حلال های آلی مانند اتیلن کربنات، دی متیل کربنات و دی اتیل کربنات. در طول تخلیه، یک الکترولیت مایع حرکت کاتیون ها را تسهیل می کند و به عنوان یک مسیر رسانا از الکترودهای منفی به مثبت عمل می کند. در دمای اتاق (20 درجه سانتیگراد (68 درجه فارنهایت))، رسانایی الکترولیت مایع معمولی تقریباً 10 میلی‌ثانیه بر سانتی‌متر است، که در دمای 40 درجه سانتی‌گراد (104 درجه فارنهایت) 30 تا 40 درصد افزایش و در 0 درجه سانتی‌گراد (32 درجه فارنهایت) کاهش می‌یابد. ترکیب کربنات‌های خطی و حلقوی، مانند کربنات اتیلن (EC) و کربنات دی‌متیل (DMC)، رسانایی بالایی را به همراه دارد و تشکیل یک فاز الکترولیت جامد (SEI) را تقویت می‌کند. اگرچه EC به یک SEI پایدار کمک می کند، اما در دمای اتاق جامد می ماند و تنها پس از ترکیب مواد افزودنی مانند DMC، دی اتیل کربنات (DEC) یا اتیل متیل کربنات (EMC) به مایع تبدیل می شود. در طول شارژ، حلال های آلی به آسانی بر روی الکترودهای منفی تجزیه می شوند. فرآیند شارژ اولیه، زمانی که حلال‌های آلی مناسب به عنوان الکترولیت استفاده می‌شوند، منجر به تجزیه حلال و تشکیل یک فاز الکترولیت جامد می‌شود. این فاز میانی، در حالی که عایق الکتریکی است، رسانایی یونی قابل توجهی را ارائه می دهد و به طور موثر به عنوان یک الکترولیت جامد عمل می کند. پس از اولین چرخه بار، فاز اینترفاز به اندازه کافی ضخیم می شود تا مانع از تونل زنی الکترون شود، در نتیجه از تجزیه بیشتر الکترولیت فراتر از بار دوم جلوگیری می کند. به عنوان مثال، کربنات اتیلن در یک ولتاژ نسبتاً بالا (0.7 ولت در برابر لیتیوم) تجزیه می‌شود و در نتیجه یک رابط متراکم و پایدار ایجاد می‌کند. الکترولیت های کامپوزیت حاوی پلی (اکسی اتیلن) ​​(POE) یک رابط نسبتاً پایدار از خود نشان می دهند. اینها می توانند جامد (وزن مولکولی بالا)، مناسب برای سلول های لیتیوم پلیمری خشک، یا مایع (وزن مولکولی کم)، قابل استفاده در سلول های لیتیوم-یون معمولی باشند. مایعات یونی با دمای اتاق (RTILs) یک استراتژی جایگزین برای کاهش اشتعال پذیری و فرار مرتبط با الکترولیت های آلی هستند.

اینترفاز الکترولیت جامد (SEI)

مفهوم فاز الکترولیت جامد در ابتدا توسط Peled در سال 1979 معرفی شد. این اصطلاح لایه محصول نامحلول تشکیل شده بر روی کاتدهای قلیایی و قلیایی خاکی در باتری های غیر آبی (NAB) را مشخص می کند. قبل از این، در سال 1970، دی و سالیوان مشاهده کردند که گرافیت، هنگامی که در نیم سلول فلزی لیتیوم حاوی کربنات پروپیلن (PC) استفاده می شود، باعث کاهش الکترولیت در طول تخلیه می شود. این نرخ کاهش یک همبستگی خطی با جریان اعمال شده نشان داد. آنها وقوع واکنش زیر را فرض کردند:

${\displaystyle {\ce {C4H6O3 + 2e- -> CH3-CH=CH2 + CO3^{2-}}}}$

در سال 1990، فونگ و همکاران. متعاقباً این واکنش یکسان را پیشنهاد کرد و اظهار داشت که یون کربنات با لیتیوم برای تولید کربنات لیتیوم برهمکنش می‌کند. سپس این کربنات لیتیوم یک لایه غیرفعال بر روی سطح گرافیت تشکیل داد. در حال حاضر، کربنات پروپیلن (PC) به ندرت در باتری‌ها استفاده می‌شود، زیرا مولکول‌های آن می‌توانند در لایه‌های گرافیتی قرار بگیرند، با لیتیوم موجود واکنش دهند، پروپیلن تولید کنند و در نتیجه باعث لایه‌پوش شدن گرافیت شوند.

اینترفاز الکترولیت جامد (SEI) دارای ولتاژهای عایق است که به طور گسترده‌ای دارای ویژگی‌های عایق می‌باشد که باعث می‌شود بازه‌های عایق وسیع‌تری را به دست آورند. الکترولیت این ظرفیت SEI برای افزایش پنجره ولتاژ در باتری‌ها یک کشف بزرگ بود، اما اکنون برای عملکرد باتری ولتاژ بالا معاصر بسیار مهم است.

الکترولیت های جامد

پیشرفت‌های اخیر در فناوری باتری از مواد جامد به عنوان الکترولیت استفاده می‌کند. در این میان، سرامیک بیشترین پتانسیل را دارد. الکترولیت‌های سرامیکی جامد عمدتاً از اکسیدهای فلزی لیتیوم تشکیل شده‌اند که به دلیل محتوای ذاتی لیتیوم، انتقال یون لیتیوم را از طریق ماتریکس جامد آسان‌تر می‌کنند. مزیت اصلی الکترولیت های جامد حذف خطرات نشتی است که یک نگرانی ایمنی حیاتی مرتبط با باتری های الکترولیت مایع است. الکترولیت های سرامیکی جامد به دو نوع اصلی تقسیم می شوند: سرامیکی و شیشه ای. الکترولیت های جامد سرامیکی با ترکیبات بسیار مرتبی که دارای ساختارهای کریستالی هستند مشخص می شوند که معمولاً کانال های انتقال یون را دارند. نمونه‌هایی از الکترولیت‌های سرامیکی رایج عبارتند از رسانای سوپر یون لیتیوم (LISICON) و پروسکایت‌ها. در مقابل، الکترولیت‌های جامد شیشه‌ای ساختارهای اتمی آمورف را نشان می‌دهند که شامل عناصری شبیه به عناصر موجود در الکترولیت‌های جامد سرامیکی است، با این حال آنها به رسانایی کلی برتری دست می‌یابند که در درجه اول به دلیل رسانایی افزایش یافته در مرزهای دانه است. رسانایی یونی الکترولیت های شیشه ای و سرامیکی را می توان با جایگزینی گوگرد به جای اکسیژن افزایش داد. شعاع اتمی بزرگتر گوگرد و افزایش قطبش پذیری به افزایش هدایت لیتیوم کمک می کند. در نتیجه، رسانایی الکترولیت‌های جامد به رسانایی الکترولیت‌های مایع نزدیک می‌شود، که بیشتر مقادیر آن حدود 0.1 mS/cm و موثرترین آنها به mS/cm 10 می‌رسد. یک روش کارآمد و مقرون به صرفه برای تنظیم خواص الکترولیت خاص شامل معرفی جزء سوم، به نام افزودنی، در حداقل غلظت است. ادغام مقادیر کمی از یک افزودنی تضمین می کند که خواص عمده سیستم الکترولیت تا حد زیادی بدون تغییر باقی می ماند، در حالی که ویژگی مورد نظر بهبود قابل توجهی را تجربه می کند. تحقیقات گسترده، افزودنی‌های آزمایش‌شده مختلف را به سه گروه مجزا دسته‌بندی کرده‌اند: (1) آن‌هایی که برای اصلاح شیمی بین فاز الکترولیت جامد (SEI) طراحی شده‌اند. (2) آنهایی که با هدف بهبود خصوصیات هدایت یونی انجام می شوند. و (3) آنهایی که برای افزایش ایمنی سلول، مانند جلوگیری از شارژ بیش از حد در نظر گرفته شده اند.

فرمولاسیون های الکترولیت جایگزین، مانند آنهایی که در باتری های لیتیوم پلیمری استفاده می شوند، نیز به عنوان پیشرفت های حیاتی ظاهر شده اند. الکترولیت های پلیمری در کاهش تشکیل دندریت های لیتیومی امیدوار کننده هستند. این پلیمرها برای جلوگیری از اتصال کوتاه و حفظ رسانایی الکتریکی در نظر گرفته شده اند.

انتشار یونی در الکترولیت به دلیل تغییرات جزئی در غلظت الکترولیت رخ می دهد. برای هدف این بحث، فقط انتشار خطی در نظر گرفته شده است. تغییر در غلظت، که با c نشان داده می شود، به عنوان تابعی از زمان t و فاصله x بیان می شود، با:

${\displaystyle {\frac {\partial c}{\partial t}}={\frac {D}{\varepsilon }}{\frac {\partial ^{2}c}{\partial x^{2}}}.}$

در این معادله، D نشان دهنده ضریب انتشار خاص یون لیتیوم است. مقدار آن در 7.5×10⁻¹⁰ m§910§/s در LiPF
§1819§ الکترولیت. پارامتر ε، که نشان دهنده تخلخل الکترولیت است، دارای مقدار 0.724 است.

تولید الکترود با پردازش خشک

تولید الکترود خشک فرآیندی بدون حلال برای آماده‌سازی الکترود است که جایگزینی برای روش معمولی پوشش دوغاب مورد استفاده در باتری‌های لیتیوم یونی ارائه می‌دهد. برخلاف روش‌های سنتی که حلال‌های مایع مانند N-methylpyrrolidone (NMP) را برای ترکیب مواد فعال ضروری می‌کنند، فناوری الکترود خشک از اختلاط مکانیکی، پوشش خشک و تراکم بعدی برای دستیابی به معماری الکترود متراکم استفاده می‌کند.

فرایند

روش استاندارد برای تهیه الکترودهای خشک شامل سه مرحله متمایز است:

اختلاط خشک: مواد فعال، عوامل رسانا و بایندرها به طور همگن در محیطی بدون حلال ترکیب می‌شوند.

فرآیند پوشش خشک شامل اعمال یکنواخت مخلوط پودر بر روی سطح کلکتور فعلی از طریق اعمال نیروی برشی است.

بعد از آن، لایه پوشش داده شده تحت فشار قرار می گیرد یا برای رسیدن به ضخامت مطلوب و اطمینان از یکپارچگی مکانیکی کافی.

مزایا

فرایند تولید الکترود خشک نیاز به دستگاه خشک کردن، سیستم های بازیابی NMP و پروتکل هایی برای مدیریت دوغاب های چسبناک را از بین می برد، زیرا کاملاً بدون حلال عمل می کند. مزایای کلیدی شامل کاهش قابل توجه در مصرف انرژی و هزینه های تولید، از بین بردن حلال سمی NMP، بهبود پایداری محیطی، و توانایی ساخت الکترودهای ضخیم تر با ظرفیت بارگذاری بالا است.

فیبریزاسیون پلی تترافلوئورواتیلن (PTFE)

پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE) معمولاً به عنوان یک اتصال دهنده در الکترودهای خشک استفاده می شود. هنگامی که PTFE تحت تنش برشی قرار می گیرد، یک شبکه به هم پیوسته از الیاف دراز ایجاد می کند که به کل معماری الکترود نفوذ می کند. این شبکه فیبری PTFE استحکام مکانیکی، انعطاف‌پذیری و چسبندگی ذرات فوق‌العاده‌ای را به الکترود می‌دهد و به طور موثر ضعف‌های ساختاری ذاتی در غیاب پردازش مبتنی بر دوغاب را کاهش می‌دهد.

افزودنی های زیست توده

تحقیقات معاصر ترکیب مواد افزودنی زیست توده از جمله نشاسته، سلولز و آرد را برای بهبود ساختار منافذ و انعطاف پذیری الکترودها مورد بررسی قرار داده است. این مواد اتصال عرضی بین مولکولی را تسهیل می کنند، پیچ خوردگی را کاهش می دهند و ترشوندگی الکترولیت را افزایش می دهند. به عنوان مثال، ادغام 1 درصد وزنی آرد در الکترودهای خشک PTFE به طور قابل ملاحظه ای استحکام مکانیکی را افزایش می دهد، انتقال لیتیوم-یون را تسریع می کند و عملکرد با سرعت بالا را افزایش می دهد.

بهبود عملکرد

الکترودهای خشک با استفاده از تعامل هم افزایی بین شبکه‌های فیبر PTFE و افزودنی‌های زیست توده چندین مزیت را نشان می‌دهند: کاهش خمش، تسریع انتقال لیتیوم یون، بهبود عملکرد نرخ در کاتدهای ولتاژ بالا (مانند NCM811)، افزایش پایداری چرخه‌ای که به طور یکنواخت در هر ذره نسبت داده می‌شود. پایداری سطحی این مشاهدات نشان می دهد که فناوری الکترود خشک نوید قابل توجهی برای تولید باتری مقیاس پذیر و پایدار دارد.

چالش ها و تحولات آینده

در حالی که تولید الکترود خشک مزایای قابل توجهی در پایداری زیست محیطی و چگالی انرژی بالا ارائه می دهد، در صنعتی شدن و تولید در مقیاس بزرگ با موانعی روبرو می شود. در درجه اول، الکترودهای ضخیم می توانند ناسازگاری های چگالی موضعی را در مرحله پرس نشان دهند، که به طور بالقوه منجر به کاهش عمر چرخه یا عملکرد الکتروشیمیایی نامنظم می شود. ثانیا، بایندرهای PTFE با هزینه‌های مواد بالاتری همراه هستند، و اگرچه افزودنی‌های زیست توده به بهبود ساختار منافذ کمک می‌کنند، نسبت بهینه آنها باید برای دستیابی به تعادل بین عملکرد و پایداری پردازش تعیین شود. علاوه بر این، انتقال تکنیک‌های آماده‌سازی در مقیاس آزمایشگاهی به تولید صنعتی مستلزم حل چالش‌های مربوط به یکنواختی پوشش، فشار دادن مداوم، و کنترل کیفیت دقیق است. فرمول‌بندی طرح‌های الکترود ضخیم که چگالی انرژی بالا را با استحکام مکانیکی سازگار می‌کند. پیاده سازی سیستم های نظارت بر کیفیت خودکار برای تسهیل تولید انبوه؛ و استفاده از تکنیک های پیشرفته توصیف برای بهینه سازی ساختار منافذ و ویژگی های انتقال یون. پیش‌بینی می‌شود چنین پیشرفت‌هایی باعث ادغام گسترده فناوری الکترود فرآیند خشک در باتری‌های تجاری لیتیوم یون شود.

طراحی‌ها و قالب‌های باتری

باتری‌های لیتیوم یونی می‌توانند چندین سطح ساختاری را در خود جای دهند. باتری های فشرده معمولا از یک سلول تشکیل شده اند. سیستم های باتری بزرگتر سلول ها را به صورت موازی مرتب می کنند تا ماژول ها را تشکیل دهند و سپس این ماژول ها به صورت سری و موازی به هم متصل می شوند تا یک بسته ایجاد کنند. علاوه بر این، برای دستیابی به خروجی های ولتاژ بالاتر، می توان چندین بسته را به صورت سری وصل کرد.

باتری ها را می توان با اجزای مختلفی از جمله سنسورهای دما، سیستم های مدیریت حرارتی (گرمایش/سرمایش)، مدارهای تنظیم کننده ولتاژ، شیرهای ولتاژ و دستگاه های نظارت بر وضعیت شارژ مجهز کرد. این عناصر برای کاهش خطرات ایمنی مانند گرمای بیش از حد و اتصال کوتاه بسیار مهم هستند.

لایه های الکترود و الکترولیت

در سطح کلان ساختاری (از 0.1 تا 5 میلی‌متر)، تقریباً تمام باتری‌های لیتیوم یونی موجود در بازار از کلکتورهای جریان فویلی، به‌ویژه آلومینیوم برای کاتد و مس برای آند استفاده می‌کنند. مس برای آند به دلیل رفتار غیر آلیاژی آن با لیتیوم انتخاب می شود، در حالی که آلومینیوم برای کاتد استفاده می شود زیرا در الکترولیت های LiPF₆ تحت غیرفعال شدن قرار می گیرد.

سلول ها

سلول‌های لیتیوم یون به شکل فاکتورهای مختلفی تولید می‌شوند که به طور کلی به چهار نوع اصلی طبقه‌بندی می‌شوند:

• سلول های سکه ای با طراحی مستحکم مشخص می شوند که معمولاً دارای یک پوشش فلزی از جنس استنلس است. به دلیل انرژی ویژه کم (Wh/kg) و ظرفیت انرژی کل محدود (Wh) در هر سلول، کاربرد آنها به دستگاه‌هایی مانند ساعت‌های مچی، ماشین‌حساب‌های قابل حمل و ابزارهای تحقیقاتی خاص محدود می‌شود. قابل توجه است که فاکتور شکل سلول سکه ای عمدتاً برای باتری های لیتیوم فلزی اولیه استفاده می شود.
سلول‌های استوانه‌ای کوچک که با بدنه جامد فاقد پایانه‌های خارجی مشخص می‌شوند، معمولاً در کاربردهایی مانند اکثر دوچرخه‌های الکترونیکی، بسیاری از باتری‌های خودروهای الکتریکی و باتری‌های لپ‌تاپ قدیمی‌تر یافت می‌شوند. این سلول ها معمولاً در ابعاد استاندارد ساخته می شوند.
• سلول‌های استوانه‌ای بزرگ دارای بدنه جامد مجهز به پایانه‌های رزوه‌دار قابل توجهی هستند.
سلول های تخت یا کیسه ای دارای بدنه ای نرم و مسطح هستند و در دستگاه هایی مانند تلفن های همراه و رایانه های لپ تاپ امروزی استفاده می شوند. این انواع خاص باتری های لیتیوم یون پلیمری هستند.
• سلول‌های محصور شده در پلاستیک سفت و سخت، دارای پایانه‌های رزوه‌ای بزرگ، نمونه‌هایی از آن‌هایی هستند که در بسته‌های کششی خودروهای الکتریکی یافت می‌شوند.

سلول‌های استوانه‌ای با استفاده از روش متمایز "رول سوئیسی" ساخته می‌شوند که در ایالات متحده به آن "ژله رول" نیز گفته می‌شود. این فرآیند شامل پیچاندن یک ساختار "ساندویچی" طولانی شامل یک الکترود مثبت، یک جداکننده، یک الکترود منفی و جداکننده دیگر در یک قرقره مارپیچی است. سپس مجموعه حاصل در یک ظرف محصور می شود. یکی از مزایای قابل توجه ساخت سلول های استوانه ای سرعت تولید سریع آن است. برعکس، یک اشکال بالقوه ایجاد یک گرادیان دمای شعاعی قابل توجه در هنگام کار با نرخ تخلیه بالا است.

سلول‌های کیسه‌ای به دلیل عدم وجود پوشش سفت و سخت، به بالاترین چگالی انرژی وزنی دست می‌یابند. با این وجود، کاربردهای متعددی برای کاهش انبساط در حالت‌های شارژ بالا (SOC) و اطمینان از یکپارچگی ساختاری کلی، نیازمند مهار خارجی است. سلول‌های پلاستیکی سخت و کیسه‌ای به دلیل هندسه‌های مستطیلی مشخص، گاهی اوقات به عنوان سلول‌های منشوری طبقه‌بندی می‌شوند. در خودروهای الکتریکی دهه 2020، از سه نوع سلول باتری اصلی استفاده می‌شود: سلول‌های استوانه‌ای (مثلاً آنهایی که توسط تسلا استفاده می‌شود)، سلول‌های کیسه‌ای منشوری (مثلاً از LG)، و سلول‌های قوطی منشوری (مثلاً از LG، سامسونگ، پاناسونیک، در میان دیگر تولیدکنندگان). یا ماده آند در یک محلول آبی یا آلی.

تا سال 2014، کوچکترین سلول لیتیوم یونی گزارش شده، یک واحد پین شکل بود که توسط پاناسونیک ساخته شد، با قطر 3.5 میلی متر و وزن 0.6 گرم. یک فاکتور شکل سلول سکه نیز برای سلول های LiCoO₂ تولید می شود که معمولاً با پیشوند "LiR" مشخص می شود.

لایه های الکترود

ولتاژ سلول

میانگین ولتاژ برای اکسید لیتیوم کبالت (LCO) هنگام استفاده از کاتد کربن سخت 3.6 ولت و هنگامی که از کاتد گرافیت استفاده می شود 3.7 ولت است. پیکربندی دوم یک منحنی ولتاژ تخلیه نسبتاً صاف‌تر را نشان می‌دهد.

برنامه ها

باتری‌های لیتیوم یون به‌طور گسترده در طیف متنوعی از برنامه‌ها، شامل لوازم الکترونیکی مصرفی، دستگاه‌های تفریحی، ابزارهای برقی و وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می‌شوند.

برنامه‌های تخصصی دیگر شامل ارائه نیروی پشتیبان در زیرساخت‌های مخابراتی است. علاوه بر این، باتری‌های لیتیوم یونی اغلب به‌عنوان یک راه‌حل آینده‌نگر برای ذخیره‌سازی انرژی در مقیاس شبکه در نظر گرفته می‌شوند، اگرچه تا سال 2020، مقرون‌به‌صرفه بودن آن‌ها در مقیاس به دست نیامده بود.

برخی شناورهای زیردریایی نیز به سیستم‌های باتری لیتیوم یون مجهز شده‌اند.

ویژگی های عملکرد

با توجه به طیف گسترده ای از مواد الکترود مثبت و منفی موجود برای باتری های لیتیوم یونی، چگالی انرژی و ویژگی های ولتاژ آنها تغییرات متناظری را نشان می دهد.

ولتاژ مدار باز باتری های لیتیوم-یون از انواع باتری های آبی، از جمله سرب-اسید، نیکل-فلز، نیکل-فلز، پیشی می گیرد. مقاومت داخلی هم با دوچرخه سواری عملیاتی و هم با سن تقویمی تشدید می شود. با این حال، این پدیده به طور قابل توجهی تحت تاثیر ولتاژ ذخیره سازی و دمای محیط است. افزایش مقاومت داخلی منجر به کاهش ولتاژ ترمینال در شرایط بار می شود و در نتیجه حداکثر جریان قابل دستیابی را کاهش می دهد. در نهایت، مقاومت بالا می‌تواند باتری را قادر به حفظ جریان تخلیه مورد نظر خود بدون افت ولتاژ بیش از حد یا ناپایداری حرارتی کند.

باتری‌های فسفات آهن لیتیوم، با استفاده از یک الکترود مثبت فسفات آهن لیتیوم و یک الکترود منفی گرافیت، ولتاژ مدار باز نامی 3.2 ولت و ولتاژ شارژ معمولی 3.6 ولت را نشان می‌دهند. در مقابل، لیتیوم نیکل منگنز منگنز مثبت شده با منگنز منگنز، ولتاژ مثبت است. الکترودها ولتاژ نامی 3.7 ولت و حداکثر ولتاژ شارژ 4.2 ولت تولید می کنند. پروتکل شارژ استاندارد شامل یک کاربرد ولتاژ ثابت است که توسط مدارهای محدود کننده جریان تنظیم می شود. این فرآیند مستلزم شارژ با جریان ثابت تا زمانی که سلول به 4.2 ولت برسد، و به دنبال آن شارژ با ولتاژ ثابت تا زمانی که جریان به صفر برسد، ادامه می یابد. به طور معمول، چرخه شارژ زمانی به پایان می رسد که جریان به 3٪ از جریان شارژ اولیه کاهش یابد. از لحاظ تاریخی، باتری‌های لیتیوم یونی حداقل به دو ساعت برای شارژ کامل نیاز داشتند که مانع از شارژ سریع می‌شد. با این حال، طراحی‌های سلولی مدرن، شارژ کامل را در عرض 45 دقیقه یا کمتر امکان‌پذیر می‌کنند. یک نمایش قابل توجه در سال 2015 توسط محققان شامل یک باتری کوچک با ظرفیت 600 میلی آمپر ساعت بود که به 68 درصد شارژ در دو دقیقه دست یافت و یک باتری 3000 میلی آمپر ساعتی که در عرض پنج دقیقه به 48 درصد شارژ رسید. باتری دوم چگالی انرژی 620 W·h/L را نشان داد و از هترواتم های متصل به مولکول های گرافیت در آند خود استفاده کرد.

عملکرد باتری‌های تولید شده تجاری به طور مداوم در طول زمان پیشرفت کرده است. برای مثال، بین سال‌های 1991 و 2005، ظرفیت انرژی به ازای هر واحد قیمت باتری‌های لیتیوم یونی بیش از ده برابر افزایش یافت و از 0.3 وات ساعت در هر دلار به بیش از 3 وات ساعت در هر دلار افزایش یافت. متعاقباً از سال 2011 تا 2017، میانگین بهبود سالانه 7.5 درصدی مشاهده شد. در مجموع، از سال 1991 تا 2018، هزینه تمام انواع سلول های لیتیوم یونی که بر حسب دلار در هر کیلووات ساعت اندازه گیری می شود، تقریباً 97 درصد کاهش یافته است. به طور همزمان، در طول این دوره یکسان، چگالی انرژی بیش از سه برابر شد. ابتکارات با هدف افزایش چگالی انرژی نقش اساسی در کاهش هزینه های کلی ایفا کرده است. علاوه بر این، چگالی انرژی را می توان از طریق پیشرفت در شیمی سلول، مانند جایگزینی کامل یا جزئی گرافیت با سیلیکون در آند، افزایش داد. ادغام آندهای سیلیکونی با نانولوله‌های گرافن به طور موثری تخریب زودرس سیلیکون را کاهش می‌دهد، در نتیجه دستیابی به چگالی انرژی باتری بی‌سابقه را تسهیل می‌کند، به طور بالقوه به 350 Wh/kg می‌رسد و قیمت خودروهای الکتریکی (EV) را قادر می‌سازد تا با موتورهای احتراق داخلی (ICE) رقابتی شوند. بسته به اندازه آنها می توانند چگالی انرژی متفاوتی از خود نشان دهند. سلول‌های رول ژله‌ای معمولاً به چگالی انرژی بالاتری در مقایسه با سلول‌های سکه‌ای یا منشوری با ظرفیت آمپر ساعت معادل (Ah) دست می‌یابند که در درجه اول به دلیل فشرده‌تر بودن لایه‌های داخلی آن‌ها است. سلول‌های منشوری ذاتاً بزرگ‌تر و سنگین‌تر از سلول‌های استوانه‌ای هستند و می‌توانند ظرفیتی معادل بیش از 20 سلول استوانه‌ای را در خود جای دهند. در دسته سلول های استوانه ای، ابعاد بزرگتر به طور کلی با افزایش چگالی انرژی مرتبط است، اگرچه مقدار دقیق به طور قابل توجهی تحت تأثیر ضخامت لایه های الکترود است. یک نقطه ضعف قابل توجه مرتبط با سلول های بزرگتر، کاهش راندمان انتقال حرارت از سلول به محیط اطراف آن است.

کارایی رفت و برگشت

یک ارزیابی تجربی که در سال 2021 انجام شد، کارایی رفت و برگشت یک سلول "پر انرژی" نوع 3.0 Ah 18650 NMC را ارزیابی کرد. این ارزیابی شامل مقایسه انرژی ورودی به سلول با انرژی استخراج شده از آن است که محدوده حالت شارژ (SoC) از 100٪ (4.2 V) تا 0٪ (2.0 V قطع) را در بر می گیرد. بازده رفت و برگشت به عنوان درصد انرژی قابل استفاده بازیافت شده از باتری نسبت به کل انرژی مصرف شده در طول چرخه شارژ آن تعریف می شود.

در یک توصیف آزمایشی جداگانه که در سال 2017 انجام شد، یک سلول بازده رفت و برگشت 85.5٪ در نرخ تخلیه 2C و 97.6٪ در نرخ تخلیه 0.1C نشان داد.

طول عمر

طول عمر باتری لیتیوم یونی معمولاً با تعداد چرخه های شارژ-دشارژ کامل مورد نیاز برای رسیدن به آستانه شکست از پیش تعریف شده تعیین می شود که معمولاً با کاهش ظرفیت یا افزایش امپدانس مشخص می شود. مشخصات تولیدکنندگان معمولاً از عبارت "عمر چرخه" برای نشان دادن تعداد چرخه ها استفاده می کنند تا زمانی که ظرفیت باتری به 80٪ از مقدار نامی اولیه آن کاهش یابد. علاوه بر این، صرفاً ذخیره باتری‌های لیتیوم یونی در حالت شارژ به کاهش ظرفیت کمک می‌کند (مخصوصاً، مقدار Li⁺ قابل چرخش) و افزایش مقاومت سلولی، که عمدتاً به توسعه واسط الکترولید جامد نسبت داده می‌شود. مفهوم "عمر تقویم" کل مدت زمان کارکرد باتری را در بر می گیرد و هم چرخه فعال و هم دوره های ذخیره سازی غیر فعال را یکپارچه می کند. عوامل استرس متعددی مانند دما، جریان تخلیه، جریان شارژ و محدوده حالت های شارژ (عمق دشارژ) بر عمر چرخه باتری تأثیر می گذارند. در کاربردهای عملی مانند گوشی‌های هوشمند، لپ‌تاپ‌ها و وسایل نقلیه الکتریکی، باتری‌ها به ندرت در معرض چرخه‌های شارژ و دشارژ کامل قرار می‌گیرند، که باعث می‌شود تعریف عمر باتری صرفاً از طریق چرخه‌های تخلیه کامل به طور بالقوه نادرست باشد. برای کاهش این ابهام، محققان اغلب از «دشارژ تجمعی» استفاده می‌کنند، که به عنوان کل آمپر ساعت (Ah) تحویل شده توسط باتری در طول عمر عملیاتی آن، یا «سیکل‌های کامل معادل» تعریف می‌شود، که نشان‌دهنده مجموع سیکل‌های جزئی است که به عنوان کسری از یک چرخه شارژ-دشارژ کامل بیان می‌شود. تخریب باتری در حین ذخیره سازی تحت تأثیر دما و وضعیت شارژ باتری (SOC) است. به طور خاص، ترکیبی از شارژ کامل (100٪ SOC) و دماهای بالا (معمولاً بیش از 50 درجه سانتیگراد) می تواند کاهش قابل توجه ظرفیت و تکامل گاز را ایجاد کند. کل انرژی تحویل شده در طول عمر باتری را می توان با ضرب دشارژ تجمعی آن در ولتاژ نامی نامی محاسبه کرد. این محاسبه، تعیین هزینه انرژی به ازای هر کیلووات ساعت (کیلووات ساعت)، با احتساب هزینه‌های شارژ را ممکن می‌سازد.

در طول عمر عملیاتی خود، باتری‌ها دچار تخریب تدریجی می‌شوند که منجر به کاهش بار قابل چرخش (همچنین به عنوان ظرفیت Ah نیز می‌شود) و افزایش مقاومت عملکرد داخلی به عنوان سلول فرعی کاهش می‌یابد. ولتاژ.

باتری‌های لیتیوم یونی مستعد فرآیندهای تخریب مختلفی هستند که برخی از آنها در طول چرخه فعال، برخی دیگر در طول ذخیره‌سازی و برخی به طور مداوم ظاهر می‌شوند. تخریب یک وابستگی شدید به دما نشان می دهد: در دمای اتاق محیط حداقل است، اما زمانی که باتری ها در محیط هایی با دمای بالا (معمولاً بیش از 35 درجه سانتیگراد) یا دمای پایین (معمولا زیر 5 درجه سانتیگراد) ذخیره یا کار می کنند، به طور قابل توجهی سرعت می گیرد. در نتیجه، طول عمر باتری در دمای اتاق به حداکثر می رسد. سطوح شارژ بالا همچنین به سرعت تسریع کاهش ظرفیت کمک می کند. علاوه بر این، شارژ مکرر بالای 90٪ و تخلیه زیر 10٪ می تواند به طور مشابه کاهش ظرفیت را تسریع کند. حفظ وضعیت شارژ باتری لیتیوم یونی در محدوده تقریبی 60٪ تا 80٪ می تواند کاهش ظرفیت را کاهش دهد.

یک مطالعه تحقیقاتی از تصویربرداری سه بعدی و تجزیه و تحلیل مدل برای روشن کردن علل اولیه، مکانیسم های اساسی و استراتژی های کاهش بالقوه برای تخریب مداوم باتری در چرخه شارژ مشاهده شده استفاده کرد. این بررسی نشان داد که "[p] ترک خوردگی ماده افزایش می‌یابد و از دست رفتن تماس بین ذرات و حوزه کربن-بایندر برای ارتباط با تخریب سلول مشاهده می‌شود،" که بیشتر نشان می‌دهد که "ناهمگونی واکنش در داخل کاتد ضخیم ناشی از رسانش نامتعادل الکترون، علت اصلی تخریب باتری بیش از چرخش است." شامل موارد زیر است:

1. یک مکانیسم اولیه شامل کاهش الکترولیت کربنات آلی در آند است که منجر به تشکیل و رشد واسط الکترولیت جامد (SEI) می شود. در این رابط، یون‌های Li⁺ به‌طور برگشت‌ناپذیری به دام می‌افتند و در نتیجه موجودی لیتیوم فعال کاهش می‌یابد. این پدیده به صورت امپدانس اهمی بالا الکترود منفی و کاهش متناظر در بار آمپر ساعت (Ah) قابل چرخش ظاهر می شود. در شرایط همدما، ضخامت لایه SEI، و در نتیجه مقاومت آن و از دست دادن Li⁺ قابل چرخش، متناسب با ریشه دوم مدت زمانی که باتری در حالت شارژ باقی می ماند، پیشرفت می کند. تعداد تجمعی چرخه ها معیار موثری برای توصیف این مسیر تخریب خاص نیست. علاوه بر این، تحت شرایط دماهای بالا یا آسیب مکانیکی، فرآیند کاهش الکترولیت می‌تواند به یک واکنش انفجاری تبدیل شود.
2. آبکاری فلز لیتیوم مکانیزم تخریب دیگری را تشکیل می دهد که منجر به کاهش موجودی لیتیوم فعال (شارژ Ah قابل چرخش) می شود و به طور بالقوه باعث ایجاد اتصال کوتاه داخلی و احتراق باتری می شود. با شروع آبکاری لیتیوم در طول دوچرخه سواری، نرخ بارزتر کاهش ظرفیت و افزایش مقاومت در هر چرخه مشاهده می شود. این مکانیسم تخریب خاص در شرایط شارژ سریع و دمای پایین محیط تشدید می‌شود.
3. تخریب مواد الکتریکی که بر الکترودهای مثبت و منفی تأثیر می‌گذارد، می‌تواند از طریق مکانیسم‌های مختلفی از جمله انحلال (به عنوان مثال، گونه‌های Mn³⁺)، ترک خوردن، لایه‌برداری، جدا شدن یا تغییرات حجمی در طول چرخه الکتروشیمیایی رخ دهد. این تخریب به صورت محو شدن شارژ و توان ظاهر می شود که با افزایش مقاومت داخلی مشخص می شود. به طور خاص، مواد الکترود مثبت و منفی هر دو مستعد شکستگی ناشی از کرنش حجمی مرتبط با دوره‌های جداسازی مکرر و لیتیاسیون هستند.
4. مواد کاتدی می‌توانند تحت تخریب ساختاری قرار گیرند، که نمونه‌ای از آن با اختلاط کاتیون‌های Li⁺/Ni²⁺ است که به‌ویژه در ترکیب‌های غنی از نیکل رایج است. چنین تخریبی منجر به پدیده‌هایی مانند "اشباع الکترود"، کاهش بار قابل چرخش آمپر ساعت (Ah) و "کاهش ولتاژ" می‌شود.
5. مسیرهای اضافی تخریب مواد عبارتند از: کلکتور جریان مس روی الکترود منفی به ویژه در ولتاژهای کم سلول به خوردگی و انحلال حساس است. علاوه بر این، تخریب چسب PVDF به جدا شدن مواد الکتریکی کمک می کند، در نتیجه بار آمپر ساعت (Ah) قابل چرخش را کاهش می دهد.

• در آندهای کامپوزیت سیلیکون-گرافیت، افزودنی‌های رسانا، مانند نانولوله‌های کربنی تک جداره (SWCNTs)، برای حفظ اتصال الکتریکی در طول انبساط و انقباض مکرر سیلیکون استفاده می‌شوند. این استراتژی به طور موثر از دست دادن تماس الکترونیکی را کاهش می دهد و رشد امپدانس را در طول چرخه الکتروشیمیایی کاهش می دهد.

این پدیده های تخریب به صورت بصری در شکل همراه نشان داده شده اند. انتقال بین مکانیسم‌های تخریب غالب اغلب با یک "نقطه زانو" (تغییر مشخص در شیب) در نمودار ظرفیت در مقابل نمودار شماره چرخه نشان داده می‌شود.

برای تسریع در جدول‌های زمانی آزمایشی، اکثر تحقیقات پیری باتری‌های لیتیوم یونی در دماهای بالا، معمولاً بین ۵۰ تا ۶۰ درجه سانتی‌گراد انجام شده‌اند. تحت این شرایط ذخیره سازی تسریع شده، سلول های نیکل-کبالت-آلومینیوم (NCA) و لیتیوم-آهن فسفات (LFP) کاملاً شارژ شده در عرض 1 تا 2 سال تقریباً 20٪ از بار قابل چرخش خود را از دست می دهند. این تخریب در درجه اول به پیری آند نسبت داده می شود که مسیر غالب در این سناریوها در نظر گرفته می شود. برعکس، کاتدهای مبتنی بر منگنز 20 تا 50 درصد سرعت تخریب سریع‌تری را در شرایط مشابه نشان می‌دهند که احتمالاً به دلیل مکانیسم تکمیلی انحلال یون منگنز است. در دمای محیط 25 درجه سانتیگراد، به نظر می رسد تخریب باتری لیتیوم یون از طریق مسیرهای مشابه در دمای 50 درجه سانتیگراد انجام می شود، البته تقریباً به نصف سرعت. در نتیجه، برون‌یابی از داده‌های آزمایشی محدود، پیش‌بینی می‌شود که باتری‌های لیتیوم یونی با اتلاف غیرقابل برگشت تقریباً 20 درصد از شارژ قابل چرخش خود طی 3 تا 5 سال یا 1000 تا 2000 چرخه در دمای 25 درجه سانتیگراد مواجه شوند. باتری‌های لیتیوم یونی که آندهای تیتانات را در خود جای داده‌اند، در برابر رشد فاز الکترولیت جامد (SEI) مقاومت نشان می‌دهند و در نتیجه عمر چرخه طولانی‌تری (بیش از 5000 سیکل) در مقایسه با باتری‌های دارای آند گرافیت دارند. با این وجود، در پیکربندی‌های سلولی کامل، مکانیسم‌های تخریب جایگزین-مانند انحلال Mn³⁺، Ni²⁺/Li⁺

شرح تفصیلی مکانیسم‌های تخریب

توضیح جامع تری از مکانیسم های تخریب خاص متعاقبا ارائه می شود.

توصیه ها

استاندارد IEEE 1188-1996 تصریح می‌کند که باتری‌های لیتیوم یونی در خودروهای الکتریکی باید زمانی تعویض شوند که ظرفیت شارژ آن‌ها به 80٪ از مقدار اسمی کاهش یابد. برای تجزیه و تحلیل مقایسه ای در مطالعات مختلف، کاهش 20 درصدی ظرفیت به عنوان یک معیار ثابت عمل می کند. با این حال، اذعان به این نکته مهم است که مدل تخریب خطی - که درصد ثابتی از اتلاف شارژ را در هر چرخه یا در هر زمان تقویم فرض می‌کند - به طور کلی قابل اجرا نیست. در عوض، یک "نقطه زانو" که با تغییر در شیب مشخص می شود و نشان دهنده تغییر مکانیسم تخریب غالب است، اغلب مشاهده می شود.

ملاحظات ایمنی

نگرانی‌های مربوط به ایمنی باتری‌های لیتیوم یونی قبل از انتشار اولیه تجاری آن‌ها در سال 1991 بود. علل اصلی آتش‌سوزی و انفجار باتری‌های لیتیوم یونی عمدتاً با فرآیندهایی مرتبط است که در الکترود منفی (که به عنوان آند در هنگام تخلیه و کاتد در هنگام شارژ عمل می‌کند) رخ می‌دهد. تحت شرایط شارژ استاندارد، یون های لیتیوم در آند گرافیت وارد می شوند. برعکس، شارژ بیش از حد سریع یا دمای کار پایین می تواند باعث آبکاری فلز لیتیوم بر روی الکترود منفی شود. دندریت‌های حاصل می‌توانند به جداکننده باتری نفوذ کنند و منجر به یک اتصال کوتاه داخلی شوند که متعاقباً جریان الکتریکی، گرمایش و احتراق بالقوه ایجاد می‌کند. علاوه بر این، مکانیسم‌های جایگزین شامل واکنش انفجاری بین مواد الکترود منفی (LiC₆) و حلال کربنات آلی مایع است که اگر دمای الکترود از آستانه ۷۰ درجه سانتی‌گراد فراتر رود، می‌تواند حتی در شرایط مدار باز هم تعرق کند.

باتری‌های لیتیوم یون، به ویژه آنهایی که در قالب 18650 یا بزرگتر هستند، ویژگی‌های ایمنی مانند دستگاه قطع جریان (CID) و دستگاه ضریب دمای مثبت (PTC) را یکپارچه می‌کنند. CID شامل دو دیسک فلزی متصل به برق است. افزایش فشار داخلی باعث جدا شدن این دیسک ها و در نتیجه قطع شدن مدار و قطع جریان جریان می شود. دستگاه PTC از یک پلیمر رسانا استفاده می کند. سطح جریان بالا باعث گرم شدن پلیمر می شود که در نتیجه مقاومت الکتریکی آن را افزایش داده و جریان جریان را کاهش می دهد.

خطر آتش سوزی

باتری‌های لیتیوم یونی به دلیل محتوای الکترولیت قابل اشتعال و پتانسیل ایجاد فشار در صورت آسیب، خطر ایمنی دارند. شارژ سریع یک سلول باتری می تواند باعث اتصال کوتاه شود که منجر به گرم شدن بیش از حد، انفجار و آتش سوزی می شود. آتش سوزی باتری لیتیوم یون ممکن است ناشی از:

1. سوء استفاده از حرارت، مانند سرمایش ناکافی یا قرار گرفتن در معرض آتش خارجی؛
2. سوء استفاده از برق، از جمله شارژ بیش از حد یا اتصال کوتاه خارجی؛
3. سوءاستفاده مکانیکی، مانند نفوذ یا ضربه؛ یا
4. یک اتصال کوتاه داخلی، که به طور بالقوه ناشی از نقص ساخت یا تخریب مواد در طول زمان است.

در نتیجه، با توجه به این خطرات ذاتی، پروتکل‌های آزمایش دقیق‌تر از پروتکل‌هایی هستند که برای باتری‌های اسید-الکترولیت اعمال می‌شوند، که به طیف وسیع‌تری از شرایط آزمایش و ارزیابی‌های تخصصی باتری نیاز دارد. علاوه بر این، تنظیم کننده های ایمنی محدودیت هایی را برای حمل و نقل آنها اعمال کرده اند. چندین شرکت فراخوان های مرتبط با باتری را آغاز کرده اند، به ویژه فراخوان سامسونگ گلکسی نوت 7 در سال 2016، که به دلیل آتش سوزی باتری انجام شد.

وجود یک الکترولیت مایع قابل اشتعال، باتری های لیتیوم یونی را مستعد آتش سوزی می کند. باتری های معیوب می توانند آتش سوزی های شدید را ایجاد کنند. شارژرهای خراب می تواند ایمنی باتری را با آسیب رساندن به مدار حفاظت یکپارچه به خطر بیاندازد. شارژ در دمای کمتر از 0 درجه سانتی گراد می تواند منجر به آبکاری لیتیوم خالص روی الکترود منفی سلول ها شود و در نتیجه ایمنی کل بسته باتری را به خطر بیندازد.

یک اتصال کوتاه در باتری می تواند باعث گرم شدن بیش از حد سلول و احتراق احتمالی شود. دود متصاعد شده در حین فرار حرارتی در باتری لیتیوم یون دارای خواص اشتعال پذیر و سمی است. باتری‌ها مطابق با استاندارد آتش نشانی UL 9540A تحت آزمایش قرار می‌گیرند، در حالی که استاندارد TS-800 به طور خاص انتشار آتش را بین کانتینرهای باتری مجاور ارزیابی می‌کند.

تقریباً در سال 2010، باتری‌های لیتیوم یونی با فرمت بزرگ برای تغذیه سیستم‌های هواپیماهای خاص استفاده شدند و جایگزین باتری‌های شیمی‌دان جایگزین شدند. تا ژانویه 2014، هواپیمای مسافربری بوئینگ 787، که در سال 2011 معرفی شد، حداقل چهار حادثه مهم شامل آتش سوزی یا دود باتری لیتیوم یونی را تجربه کرده بود که هیچ یک منجر به سقوط نشد، اما همگی دارای پتانسیل شکست فاجعه بار بودند. پرواز شماره 6 خطوط هوایی UPS در دبی به دنبال اشتعال خود به خود بار باتری آن سقوط کرد.

در تلاش برای کاهش خطرات آتش سوزی، ابتکارات تحقیقاتی بر روی توسعه الکترولیت های غیر قابل اشتعال متمرکز شده است.

آسیب زدن و بارگذاری بیش از حد

اگر باتری لیتیوم یونی آسیب ببیند، له شود یا در معرض بار الکتریکی بیش از حد بدون محافظت از شارژ اضافی کافی قرار گیرد، ممکن است مشکلاتی پیش بیاید. یک اتصال کوتاه خارجی می تواند باعث انفجار باتری شود. این حوادث اغلب زمانی اتفاق می‌افتد که باتری‌های لیتیوم یونی به‌جای پردازش از طریق کانال‌های دفع مشخص شده، به‌طور نادرست همراه با زباله‌های عمومی دور ریخته می‌شوند. اقدامات انجام شده توسط تاسیسات بازیافت می تواند به این باتری ها آسیب برساند و منجر به آتش سوزی شود که ممکن است به آتش سوزی های گسترده تبدیل شود. در سال 2023، 12 آتش سوزی از این دست در تاسیسات بازیافت سوئیس ثبت شد.

گرم شدن بیش از حد یا شارژ بیش از حد می تواند باعث فرار حرارتی و متعاقب آن پارگی سلول در باتری های لیتیوم یون شود. در طول فرار حرارتی، فرآیندهای تخریب داخلی و اکسیداسیون می‌توانند دمای سلولی بیش از 500 درجه سانتیگراد را حفظ کنند و به طور بالقوه باعث احتراق مواد قابل احتراق ثانویه شوند و در سناریوهای شدید منجر به نشت، انفجار یا آتش‌سوزی شوند. برای کاهش این خطرات، سلول‌های لیتیوم یون و بسته‌های باتری متعددی از مدارهای ایمن استفاده می‌کنند که برای قطع اتصال باتری در صورت انحراف ولتاژ از محدوده عملکرد ایمن 3 تا 4.2 ولت در هر سلول یا در موارد شارژ بیش از حد یا تخلیه بیش از حد طراحی شده‌اند. بسته های باتری لیتیومی فاقد مدارهای مدیریت باتری موثر، صرف نظر از اینکه توسط فروشنده یا کاربر نهایی مونتاژ شده باشند، در برابر این مشکلات آسیب پذیر هستند. علاوه بر این، مدارهای مدیریت باتری با طراحی ناکافی یا اجرا نشده نیز می توانند مشکلاتی را ایجاد کنند. تأیید اجرای صحیح هر مدار مدیریت باتری خاص یک چالش قابل توجه است.

محدودیت های ولتاژ

سلول‌های لیتیوم یون در برابر آسیب‌های ناشی از نوسانات ولتاژ فراتر از پارامترهای عملکرد ایمن مشخص شده آسیب‌پذیر هستند، که معمولاً بسته به شیمی سلول خاص از 2.5 ولت تا 3.65 ولت، 4.1 ولت، 4.2 ولت یا 4.35 ولت است. عملکرد خارج از این محدودیت های ولتاژ، تخریب سلول را تسریع می کند و خطرات ایمنی قابل توجهی را به دلیل اجزای بسیار واکنش پذیر درون سلول ها ایجاد می کند. دوره‌های ذخیره‌سازی طولانی‌مدت می‌تواند منجر به این شود که مدار حفاظتی باتری حداقل جریان را بگیرد و به طور بالقوه سلول را زیر ولتاژ خاموش بحرانی تخلیه کند. در چنین مواردی، دستگاه‌های شارژ استاندارد ممکن است ناکارآمد شوند، زیرا سیستم مدیریت باتری (BMS) ممکن است این مشکل را به‌عنوان نقص سلول یا شارژر ثبت کند. علاوه بر این، شارژ کردن سلول‌های لیتیوم یونی در دمای زیر صفر درجه سانتی‌گراد ناامن است، زیرا می‌تواند باعث آبکاری لیتیوم بر روی آند شود که به طور بالقوه منجر به اتصال کوتاه داخلی و سایر عوارض عملیاتی می‌شود.

سلول‌های منفرد نیاز به ادغام مکانیسم‌های ایمنی اضافی دارند:

• یک جداکننده خاموش، طراحی شده برای کاهش گرمای بیش از حد.
• یک زبانه پاره‌شده، که کاهش فشار داخلی را تسهیل می‌کند.
• یک دریچه که باعث کاهش فشار در حین رویدادهای شدید خروج گاز می شود.
• یک وقفه حرارتی، محافظت در برابر جریان بیش از حد، شارژ بیش از حد، و قرار گرفتن در معرض بیش از حد محیطی.

این مکانیسم‌های ایمنی ضروری هستند زیرا الکترود منفی در حین کار گرما تولید می‌کند، در حالی که الکترود مثبت می‌تواند اکسیژن آزاد کند. با این وجود، گنجاندن این دستگاه‌های تکمیلی حجم سلول داخلی را مصرف می‌کند، نقاط شکست بالقوه بیشتری را معرفی می‌کند و می‌تواند منجر به ناتوانی برگشت‌ناپذیر سلول پس از فعال‌سازی شود. علاوه بر این، این ویژگی‌ها در مقایسه با باتری‌های هیدرید نیکل-فلز، هزینه‌های تولید را افزایش می‌دهند، که معمولاً تنها به یک واحد نوترکیب هیدروژن/اکسیژن و یک شیر فشار ثانویه نیاز دارند. آلاینده های داخلی سلولی دارای پتانسیل به خطر انداختن کارایی این وسایل ایمنی هستند. علاوه بر این، این اجزای ایمنی به طور کلی برای همه انواع سلول قابل اجرا نیستند. به عنوان مثال، سلول های منشوری با جریان بالا نمی توانند یک دریچه یا یک وقفه حرارتی را در خود جای دهند. در نتیجه، سلول‌های با جریان بالا باید برای جلوگیری از تولید گرما یا اکسیژن بیش از حد مهندسی شوند و در نتیجه از خرابی‌های بالقوه خشن جلوگیری شود. در عوض، چنین سلول‌هایی نیاز به فیوزهای حرارتی داخلی دارند که برای فعال شدن قبل از رسیدن آند و کاتد به آستانه‌های حرارتی بحرانی خود طراحی شده‌اند.

جایگزینی اکسید لیتیوم کبالت در الکترود مثبت باتری‌های لیتیوم یونی با یک فسفات فلزی لیتیوم، مانند لیتیوم، چرخه آهن، فسفات را افزایش می‌دهد. ایمنی را بهبود می بخشد، البته به قیمت کاهش ظرفیت انرژی. تا سال 2006، این باتری‌های لیتیوم یون ایمن‌تر عمدتاً در وسایل نقلیه الکتریکی و سایر سیستم‌های باتری با ظرفیت بالا که در آن ایمنی در اولویت قرار داشت، استفاده شد. در سال 2016، یک سیستم ذخیره انرژی با استفاده از فناوری LFP برای نصب در Paiyun Lodge در کوه جید (Yushan)، مرتفع‌ترین اقامتگاه تایوان انتخاب شد. از ژوئن 2024، این سیستم بدون حادثه به کار خود ادامه داد.

فراخوان های محصول

در سال 2006، تقریباً 10 میلیون باتری لپ‌تاپ ساخت سونی تحت فراخوانی قرار گرفتند. این باتری ها در محصولات تولید کنندگان مختلف از جمله دل، سونی، اپل، لنوو، پاناسونیک، توشیبا، هیتاچی، فوجیتسو و شارپ ادغام شدند. بررسی‌ها نشان داد که باتری‌ها در برابر آلودگی داخلی توسط ذرات فلزی وارد شده در طول فرآیند تولید آسیب‌پذیر هستند. تحت شرایط خاص، این ذرات پتانسیل سوراخ کردن جداکننده سلول را داشتند که منجر به اتصال کوتاه خطرناک می‌شد.

انجمن بین المللی حمل و نقل هوایی (IATA) تخمین می زند که سالانه بیش از یک میلیارد سلول لیتیوم فلزی و یون لیتیوم از طریق هوا حمل می شود. برخی از انواع باتری های لیتیومی ممکن است به دلیل خطرات ذاتی آتش سوزی از حمل و نقل هوایی منع شوند. علاوه بر این، چندین مقام پستی محدودیت‌هایی را برای حمل و نقل هوایی (از جمله سرویس پست اکسپرس) باتری‌های لیتیوم و لیتیوم یون، چه به صورت جداگانه یا یکپارچه در تجهیزات بسته‌بندی شده‌اند، اعمال می‌کنند.

الکترولیت های غیر قابل اشتعال

از سال 2023، اکثر باتری‌های لیتیوم یونی تجاری موجود از حلال‌های آلکیل کربنات برای تسهیل تشکیل یک فاز الکترولیت جامد پایدار در الکترود منفی استفاده می‌کردند. با توجه به اشتعال پذیری ذاتی این حلال ها، تحقیقات گسترده ای بر روی توسعه جایگزین های غیر قابل اشتعال یا ترکیب های مهار کننده آتش متمرکز شده است. یک نگرانی ایمنی اضافی از آنیون هگزافلووروفسفات ناشی می شود که برای غیرفعال کردن کلکتور جریان منفی مبتنی بر آلومینیوم بسیار مهم است. هگزا فلوروفسفات با آب واکنش می دهد و هیدروژن فلوراید فرار و سمی تولید می کند. با این حال، تلاش‌ها برای یافتن جایگزین‌های مناسب برای هگزا فلوروفسفات موفقیت محدودی داشته است.

زنجیره تامین

در سال 2024، تولید باتری‌های لیتیوم یون دارای تمرکز جغرافیایی قابل توجهی بود و چین 60 درصد از تولید جهانی را به خود اختصاص داد.

در طول دهه 1990، ایالات متحده جایگاه اصلی را در تولید مواد معدنی لیتیوم در جهان داشت و تقریباً یک سوم عرضه جهانی را به خود اختصاص داد. در سال 2010، شیلی به دلیل توسعه گسترده منابع آب نمک لیتیوم در سالار د آتاکاما، از ایالات متحده به عنوان معدنچی پیشرو پیشی گرفت. از سال 2024، استرالیا و چین در کنار شیلی به عنوان سه کشور اصلی استخراج کننده لیتیوم ظاهر شدند.

ملاحظات تاثیرات زیست محیطی

استخراج لیتیوم، نیکل، و کبالت، در کنار محصولات جانبی تولید و استخراج حلال، خطرات زیست محیطی و بهداشت عمومی قابل توجهی را به همراه دارد. استخراج لیتیوم می تواند منجر به مرگ و میر آبزیان به دلیل آلودگی شدید آب شود. این فرآیند با آلودگی آب های سطحی و آب آشامیدنی، بیماری های تنفسی، تخریب اکوسیستم و آسیب های چشم انداز مرتبط است. علاوه بر این، کمبود آب را در مناطق خشک از طریق مصرف ناپایدار تشدید می‌کند و تقریباً به 1.9 میلیون لیتر در هر تن لیتیوم نیاز دارد. تولید قابل توجه محصولات جانبی حاصل از استخراج لیتیوم همچنین چالش‌های حل‌نشده‌ای مانند حجم زیادی از ضایعات منیزیم و آهک را به همراه دارد.

فعالیت‌های استخراج جهانی لیتیوم در آمریکای شمالی، آمریکای جنوبی، آسیا، آفریقای جنوبی، استرالیا و چین متمرکز شده‌اند.

کبالت برای باتری‌های لیتیوم-یونی دموکراتیک جمهوری دموکراتیکی است. استخراج روباز کبالت در این منطقه به جنگل زدایی و تخریب زیستگاه کمک می کند.

استخراج روباز نیکل منجر به تخریب محیط زیست و آلودگی در کشورهای در حال توسعه از جمله فیلیپین و اندونزی شده است. در سال 2024، استخراج و فرآوری نیکل محرک اصلی جنگل زدایی در اندونزی بود.

ساخت یک کیلوگرم باتری لیتیوم یونی تقریباً به 67 مگاژول (MJ) انرژی نیاز دارد. پتانسیل گرمایش جهانی مرتبط با تولید باتری لیتیوم یونی بسیار مشروط به منابع انرژی مورد استفاده در معدن و عملیات تولیدی است و چالش هایی را در برآورد ایجاد می کند. با این حال، یک مطالعه در سال 2019 تخمینی 73 کیلوگرم CO2e/kWh ارائه کرد. بازیافت موثر این پتانسیل را دارد که تا حد زیادی ردپای کربن مرتبط با تولید را کاهش دهد.

مدیریت و بازیافت زباله های جامد

بازیافت باتری‌های لیتیوم یون نشان‌دهنده یک صنعت نوپا اما توسعه‌یافته ناکافی است. با وجود ارزش ذاتی آنها، نرخ بازیافت جهانی در سطوح پایین باقی می ماند. آژانس بین‌المللی انرژی در سال 2024 گزارش داد که تنها 5 درصد از باتری‌های خودروهای الکتریکی که عمرشان پایان می‌یابد در سراسر جهان بازیافت می‌شوند. عناصر باتری لیتیوم یون، از جمله آهن، مس، نیکل، و کبالت، قابل بازیافت هستند. با این حال، استخراج مواد بکر اغلب از نظر اقتصادی مقرون به صرفه تر و از نظر لجستیکی ساده تر از جمع آوری، حمل و نقل و پردازش باتری های مصرف شده است. با این وجود، از سال 2018، روش‌های بازیافت دستخوش پیشرفت‌های اساسی شده‌اند، و بازیابی در مقیاس صنعتی لیتیوم، منگنز، آلومینیوم و گرافیت اکنون قابل دستیابی است.

انباشته شدن ضایعات باتری هم پیچیدگی های فنی و هم خطرات سلامت عمومی را به همراه دارد. با توجه به اینکه تأثیر زیست محیطی خودروهای الکتریکی عمیقاً تحت تأثیر تولید باتری‌های لیتیوم یونی است، توسعه استراتژی‌های کارآمد برای تغییر کاربری زباله‌ها ضروری است. بازیافت شامل مراحل متعددی است که از ذخیره سازی باتری قبل از دور انداختن شروع می شود، از طریق آزمایش دستی و جداسازی قطعات شروع می شود و به جداسازی شیمیایی اجزای تشکیل دهنده ختم می شود. استفاده مجدد از باتری به دلیل ردپای انرژی کمتر آن نسبت به بازیافت جامع ترجیح داده می شود. از آنجایی که این باتری‌ها به طور قابل‌توجهی واکنش‌پذیرتر از جریان‌های ضایعات معمولی خودرو مانند لاستیک تایر هستند، خطرات قابل‌توجهی با ذخیره باتری‌های مصرف‌شده مرتبط است.

بازیابی پیرومتالورژیک

روش پیرومتالورژیکی از یک کوره با دمای بالا برای احیای ترکیبات اکسید فلزی درون باتری به آلیاژی از کبالت، مس، آهن و نیکل استفاده می‌کند. این روش بازیافت غالب و بالغ تجاری است که می تواند با دیگر انواع باتری های مشابه ادغام شود تا بازده ذوب را افزایش دهد و شرایط ترمودینامیکی را بهینه کند. کلکتورهای جریان فلزی عملیات ذوب را تسهیل می کنند و ذوب همزمان کل سلول ها یا ماژول ها را ممکن می سازند. خروجی این روش شامل آلیاژ فلزی، سرباره و محصولات جانبی گازی است. در دماهای بالا، پلیمرهایی که برای اتصال سلول‌های باتری استفاده می‌شوند، احتراق می‌شوند و آلیاژ فلزی حاصل می‌تواند متعاقباً از طریق فرآیند هیدرومتالورژی به اجزای جداگانه تقسیم شود. سرباره قابل پالایش یا استفاده بیشتر در صنعت سیمان است. این فرآیند با خطر نسبتاً کم مشخص می شود و واکنش گرمازا ایجاد شده توسط احتراق پلیمری انرژی ورودی مورد نیاز را کاهش می دهد. با این حال، یک اشکال قابل توجه از دست دادن غیرقابل جبران پلاستیک، الکترولیت ها و نمک های لیتیوم در طول این فرآیند است.

احیای فلزات هیدرومتالورژی

این روش از محلول های آبی برای استخراج فلزات هدف از مواد کاتد استفاده می کند. معرف غالب مورد استفاده اسید سولفوریک است. متغیرهای موثر بر سینتیک شستشو شامل غلظت اسید، زمان واکنش، دما، نسبت جامد به مایع، و حضور یک عامل کاهنده است. شواهد تجربی نشان می دهد که H₂O₂ به عنوان یک عامل کاهنده عمل می کند و سرعت شستشو را از طریق واکنش زیر تسریع می کند:

2 LiCoO_{2 (ها)} + 3 H§4_{5§SO§67§ + H§89§O§1011§ → 2 CoSO§1213§ (aq) Li§1617§SO§1819§ + 4 H§2021§O + O§2223§}

به دنبال شستشو، استخراج فلز را می توان از طریق واکنش های رسوبی که با تنظیم pH محلول تنظیم می شود، به دست آورد. پس از آن، کبالت که به عنوان با ارزش ترین فلز شناخته می شود، به عنوان ترکیبات سولفات، اگزالات، هیدروکسید یا کربنات قابل بازیافت است. روش‌های بازیافت معاصر در حال بررسی سنتز مستقیم کاتدها از فلزات قبلی هستند. در این روش‌ها، غلظت‌های مختلف فلزات شسته‌شده دقیقاً برای مطابقت با ترکیب کاتد مورد نظر از پیش تعیین می‌شود و سنتز مستقیم کاتدهای جدید را تسهیل می‌کند.

با این وجود، چالش‌های اولیه مرتبط با این روش شامل تقاضای حجم حلال قابل توجه و هزینه‌های بالا مرتبط با خنثی‌سازی است. در حالی که خرد کردن باتری ساده است، اختلاط اولیه مواد کاتد و آند باعث پیچیدگی می شود و جداسازی بعدی آنها را ضروری می کند. متأسفانه، طراحی‌های باتری‌های معاصر به طور قابل توجهی این فرآیند را پیچیده می‌کنند و جداسازی فلزات در یک سیستم باتری حلقه بسته را به‌ویژه چالش برانگیز می‌کنند. در نتیجه، مراحل خرد کردن و انحلال ممکن است در مکان‌های جغرافیایی مجزا انجام شود.

بازیافت مستقیم

بازیافت مستقیم شامل استخراج کاتد یا آند از الکترود، متعاقباً بازسازی آن و سپس ادغام مجدد آن در یک باتری جدید است. ادغام اکسیدهای فلزی مخلوط در الکترود تازه تشکیل شده را می توان با حداقل تغییر در مورفولوژی کریستالی آن به دست آورد. به طور معمول، این فرآیند مستلزم تکمیل کاتد با لیتیوم تازه برای جبران کاهش لیتیوم ناشی از تخریب چرخه الکتروشیمیایی است. نوارهای کاتدی از باتری‌های جداشده تهیه می‌شوند، سپس در N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP) غوطه‌ور می‌شوند و برای از بین بردن رسوبات اضافی در معرض فراصوت قرار می‌گیرند. قبل از بازپخت، مواد تحت عملیات هیدروترمال با محلولی شامل LiOH/Li₂SO₄ قرار می‌گیرند.

این روش برای باتری‌های مبتنی بر کبالت بسیار مقرون‌به‌صرفه است، در درجه اول به این دلیل که هزینه‌های مواد خام، هزینه‌های اصلی را تشکیل نمی‌دهند. بازیافت مستقیم مراحل خالص سازی پر زحمت و پرهزینه را دور می زند و به ویژه برای کاتدهای اقتصادی مانند LiMn₂O₄ و LiFePO₄ مفید است. در مورد این کاتدهای مقرون به صرفه تر، اکثر هزینه های مرتبط، انرژی تجسم یافته و ردپای کربن به جای خود مواد خام به فرآیند تولید نسبت داده می شود. شواهد تجربی نشان می‌دهد که بازیافت مستقیم می‌تواند ویژگی‌های مشابه گرافیت بکر را تکرار کند.

یک محدودیت قابل‌توجه در این روش به شرایط عملیاتی باتری از کار افتاده مربوط می‌شود. اگر یک باتری در وضعیت نسبتاً سالم باقی بماند، بازیافت مستقیم وسیله ای اقتصادی برای بازگرداندن ویژگی های عملکرد آن ارائه می دهد. در مقابل، برای باتری‌هایی که شارژ کم دارند، بازیافت مستقیم ممکن است سرمایه‌گذاری قابل توجیهی را نشان ندهد. علاوه بر این، این روش نیاز به سفارشی سازی با توجه به ترکیب دقیق کاتد دارد، در نتیجه نیاز به پیکربندی برای یک نوع باتری در هر زمان معین دارد. در نهایت، در میان عصر پیشرفت های سریع در فناوری باتری، طراحی باتری که امروزه بهینه در نظر گرفته می شود ممکن است ظرف یک دهه منسوخ شود و در نتیجه کارایی بازیافت مستقیم را کاهش دهد.

جداسازی مواد فیزیکی

جداسازی فیزیکی مواد، بازیابی مواد را از طریق خرد کردن مکانیکی و بهره‌برداری از خواص فیزیکی متمایز اجزا، از جمله اندازه ذرات، چگالی، فرومغناطیس و آبگریزی تسهیل می‌کند. مواد پوششی مس، آلومینیوم و فولاد از طریق فرآیندهای مرتب سازی قابل بازیافت هستند. مواد باقیمانده که به عنوان "توده سیاه" نامگذاری شده اند و شامل نیکل، کبالت، لیتیوم و منگنز هستند، نیاز به یک درمان ثانویه برای بازیابی آنها دارند.

احیای فلزات بیولوژیکی

در احیای فلزات بیولوژیکی، که به عنوان شستشوی زیستی نیز شناخته می‌شود، از میکروارگانیسم‌ها برای هضم انتخابی اکسیدهای فلزی استفاده می‌شود. پس از آن، این اکسیدها را می توان توسط بازیافت ها کاهش داد تا نانوذرات فلزی تولید کنند. در حالی که لیچینگ زیستی در بخش معدن کارایی خود را نشان داده است، کاربرد آن در صنعت بازیافت در مراحل اولیه خود باقی مانده است و راه های متعددی را برای تحقیقات بیشتر ارائه می دهد.

بازیافت الکترولیت

بازیافت الکترولیت شامل دو مرحله مجزا است. مرحله جمع آوری اولیه شامل استخراج الکترولیت از باتری های لیتیوم یون مصرف شده، با استفاده از روش هایی مانند فرآیندهای مکانیکی، تقطیر، انجماد، استخراج با حلال یا استخراج سیال فوق بحرانی است. این مجموعه به دلیل فرار، اشتعال پذیری و حساسیت ذاتی الکترولیت، در مقایسه با سایر اجزای باتری لیتیوم یون چالش های قابل توجهی را ارائه می دهد. فاز بعدی بر جداسازی یا بازسازی الکترولیت متمرکز است. جداسازی مستلزم جداسازی تک تک اجزای الکترولیت است که اغلب برای بازیابی مستقیم نمک های لیتیوم از حلال های آلی استفاده می شود. برعکس، بازسازی الکترولیت به دنبال حفظ ترکیب الکترولیت اصلی با حذف ناخالصی‌ها است که معمولاً از طریق تکنیک‌های فیلتراسیون به دست می‌آید.

بازیافت الکترولیت‌ها که 10 تا 15 درصد وزنی یک باتری لیتیوم یونی را تشکیل می‌دهند، مزایای اقتصادی و زیست‌محیطی قابل‌توجهی را ارائه می‌دهند. این مزایا شامل احیای نمک‌های ارزشمند مبتنی بر لیتیوم و کاهش انتشار ترکیبات خطرناک در محیط، به‌ویژه ترکیبات آلی فرار (VOCs) و مواد سرطان‌زا است.

بازیافت الکترولیت‌ها در باتری‌های لیتیوم یونی در مقایسه با بازیافت الکترودها که عمدتاً به دلیل فرآیندهای پیچیده‌تر اقتصادی هستند، کمتر مورد توجه قرار می‌گیرد. این پیچیدگی ها شامل چالش های بازیافت ترکیبات مختلف الکترولیت، حذف محصولات جانبی انباشته شده از تجزیه الکترولیت در طول عمر عملیاتی، و حذف الکترولیت جذب شده بر روی سطوح الکترود است. در نتیجه، روش‌های پیرومتالورژیکی معاصر برای بازیافت باتری لیتیوم یونی اغلب بازیابی الکترولیت را حذف می‌کنند که منجر به انتشار گازهای خطرناک در طول پردازش حرارتی می‌شود. با این وجود، با توجه به مصرف انرژی قابل توجه و ردپای زیست‌محیطی رویکردهای پیرومتالورژیکی، استراتژی‌های بازیافت آینده از این روش‌شناسی دور می‌شوند.

پیامدهای حقوق بشر

استخراج مواد خام ضروری برای تولید باتری‌های لیتیوم یونی می‌تواند خطرات قابل‌توجهی برای جوامع محلی، به‌ویژه جمعیت‌های بومی وابسته به زمین داشته باشد.

کبالت به‌دست‌آمده از جمهوری دموکراتیک کنگو اغلب توسط کارگرانی که از ابزارهای دستی ابتدایی و حداقل اقدامات ایمنی استفاده می‌کنند استخراج می‌شود، که منجر به بروز بالای جراحات و آسیب‌های چربی می‌شود. آلودگی محیطی ناشی از این عملیات معدنی، جمعیت محلی را در معرض مواد شیمیایی سمی قرار داده است که مقامات بهداشتی آن را با نقایص مادرزادی و بیماری های تنفسی مرتبط می دانند. سازمان‌های حقوق بشر ادعا کرده‌اند و گزارش‌های تحقیقاتی شیوع کار کودکان در این سایت‌های معدنی را تأیید کرده‌اند.

تحقیقی که تعاملات بین شرکت‌های استخراج لیتیوم و جوامع بومی در آرژانتین را بررسی می‌کند نشان می‌دهد که دولت ممکن است در حمایت از حق مردم بومی برای داشتن رضایت قبلی و آگاهانه کوتاهی کرده باشد. علاوه بر این، این مطالعات نشان می‌دهد که شرکت‌های استخراج معمولاً دسترسی جامعه به اطلاعات پروژه را مدیریت می‌کنند و پارامترها را برای بحث‌های پروژه و توزیع سود تعیین می‌کنند.

معدن لیتیوم Thacker Pass پیشنهادی در نوادا، ایالات متحده، با مخالفت‌ها، از جمله اعتراض‌ها و چالش‌های قانونی، از سوی چندین قبیله بومی مواجه شده است. این قبایل اظهار می دارند که رضایت رایگان، قبلی و آگاهانه به آنها داده نشده است و این پروژه مکان های فرهنگی و مقدس را به خطر می اندازد. نگرانی‌هایی در رابطه با احتمال افزایش خطرات برای زنان بومی نیز توسط جوامع محلی با اشاره به ارتباط برقرار شده بین فعالیت‌های استخراج منابع و موضوع زنان بومی مفقود و کشته شده مطرح شده است. فعالان از ژانویه 2021 منطقه معدن پیشنهادی را اشغال کرده اند.

تحقیق و توسعه در حال انجام

محققان با جدیت در حال پیگیری پیشرفت‌ها در فناوری باتری‌های لیتیوم یونی هستند که بر روی افزایش چگالی توان، ایمنی، دوام چرخه (طول عمر باتری)، راندمان شارژ مجدد، مقرون‌به‌صرفه بودن، انعطاف‌پذیری و سایر ویژگی‌های عملکرد حیاتی تمرکز می‌کنند، در کنار کاوش در روش‌ها و کاربردهای تحقیق جدید. باتری های حالت جامد حوزه قابل توجهی از تحقیقات هستند که به عنوان یک پیشرفت بالقوه برای غلبه بر محدودیت های تکنولوژیکی موجود در نظر گرفته می شود. در حال حاضر، باتری‌های حالت جامد به‌طور گسترده‌ای امیدوارکننده‌ترین نامزد برای ذخیره‌سازی انرژی نسل بعدی در نظر گرفته می‌شوند، با شرکت‌های متعددی که به طور فعال در تجاری‌سازی آن‌ها مشارکت دارند.

حوزه‌های تحقیقاتی کلیدی برای باتری‌های لیتیوم یونی شامل افزایش طول عمر عملیاتی، افزایش چگالی انرژی، تقویت هدف‌های ایمنی، کاهش سرعت شارژ، کاهش هزینه‌های تولید، کاهش نرخ شارژ، کاهش هزینه‌های تولید، کاهش نرخ شارژ، کاهش هزینه‌های تولید می‌شود. تلاش‌های تحقیقاتی قابل توجهی به توسعه الکترولیت‌های غیرقابل اشتعال اختصاص داده شده است، با هدف افزایش ایمنی با توجه به اشتعال پذیری ذاتی و فرار حلال‌های آلی که معمولاً در الکترولیت‌های معمولی استفاده می‌شوند. استراتژی‌های امیدوارکننده تحت بررسی شامل باتری‌های لیتیوم یون آبی، الکترولیت‌های جامد سرامیکی، الکترولیت‌های پلیمری، مایعات یونی، و سیستم‌های الکترولیت بسیار فلوئوردار هستند.

یک رویکرد اولیه برای افزایش عملکرد باتری شامل ادغام مواد کاتدی متنوع است، استراتژی که محققان را قادر می‌سازد تا ویژگی‌های مواد را افزایش دهند و در عین حال معایب ذاتی آنها را کاهش دهند. به عنوان مثال، یک روش بالقوه شامل اعمال یک پوشش فسفات آهن لیتیوم به اکسید منگنز لیتیوم نیکل از طریق اختلاط صوتی تشدید کننده است. مواد تولید شده توسط این فرآیند عملکرد الکتروشیمیایی پیشرفته و حفظ ظرفیت برتر را نشان می دهد. تحقیقات مشابهی با استفاده از فسفات آهن (III) انجام شده است. با توجه به درک کنونی که هم فلزات واسطه و هم آنیون‌های درون کاتدها به فعالیت اکسیداسیون و کاهش ضروری برای درون‌یابی لیتیوم و جداسازی آن کمک می‌کنند، توسعه مواد کاتدی که کاتیون‌های فلزات واسطه‌ای مختلف را در خود جای داده‌اند به طور فزاینده‌ای واکنش‌های اکسیداسیون و کاهش اکسیژن در کاتدهای باتری لیتیوم یون را در نظر می‌گیرند. هدف این رویکرد گسترش ظرفیت فراتر از محدودیت های تحمیل شده توسط فلزات واسطه است، با مطالعات محاسباتی که از نظریه تابعی چگالی برای بهینه سازی مواد و به حداقل رساندن تخریب ساختاری استفاده می کند. پیشرفت در درک مکانیسم‌های ردوکس آنیونی، توسعه استراتژی‌های تثبیت، مانند فلوئوراسیون سطحی را تسهیل کرده است که ثبات و ایمنی دوچرخه‌سواری را افزایش می‌دهد.

باتری بدون آند

• باتری بدون آند
• باتری تیغه
• بورات اگزالات
• مقایسه انواع باتری های تجاری
• اتحاد باتری اروپا
• جریان باتری
• باتری نانوسیم
• باتری سدیم یون
• باتری لیتیوم یون لایه نازک
• باتری VRLA
• Ultium

• مدخل "باتری لیتیوم یون" در دایره المعارف بریتانیکا.
• NREL. (ژوئیه 2015). *مکانیسم‌های تخریب و پیش‌بینی طول عمر باتری‌های لیتیوم یونی*.
• NREL. (مارس 2013). *تاثیر دماهای شدید بر باتری های لیتیوم یونی فرمت بزرگ برای کاربردهای خودرو*.