ماذا يوجد داخل خلية أيون الليثيوم الأسطوانية؟

فهم البناء الداخلي ل خلية ليثيوم أيون أسطوانية شرح خصائص أدائها وميزات السلامة. هذه الخلايا عبارة عن أنظمة كهروكيميائية متطورة ومعبأة في غلاف معدني متين.

العلبة الخارجية: فولاذ أو ألومنيوم

يوجد الشكل الأسطواني داخل علبة معدنية، عادة ما تكون مصنوعة من الفولاذ المطلي بالنيكل أو الألومنيوم.

يوفر الفولاذ قوة ميكانيكية عالية ويستخدم بشكل شائع في الخلايا المخصصة للأدوات الكهربائية والمركبات الكهربائية حيث يكون الاهتزاز والضغط الجسدي من العوامل.

الألومنيوم أخف وزنًا ويستخدم في التطبيقات التي يتم فيها إعطاء الأولوية لتوفير الوزن، على الرغم من أنه يوفر حماية ميكانيكية أقل قليلاً من الفولاذ.

تعمل العلبة نفسها كطرف سلبي للخلية في معظم الأشكال الأسطوانية.

الهيكل الداخلي: الجيلي رول

يوجد داخل العلبة المعدنية هيكل ملفوف حلزونيًا يُسمى غالبًا "لفافة الهلام". يتكون هذا من طبقات رقيقة من المواد ملفوفة بإحكام معًا.

يتم طلاء القطب الموجب (الكاثود) على مجمع تيار رقيق من رقائق الألومنيوم. تختلف مادة الكاثود حسب الكيمياء ولكنها عادة ما تكون عبارة عن أكسيد فلز الليثيوم مثل أكسيد كوبالت الليثيوم (LCO) أو أكسيد الليثيوم المنغنيز (LMO) أو أكسيد نيكل الليثيوم والمنغنيز والكوبالت (NMC) أو فوسفات حديد الليثيوم (LFP).

يتم طلاء القطب السالب (الأنود) على مجمع تيار رقيق من رقائق النحاس. تكون المادة النشطة دائمًا تقريبًا من الجرافيت، على الرغم من أن بعض الخلايا تحتوي على مركبات السيليكون لزيادة كثافة الطاقة.

يوجد بين الأقطاب الكهربائية فاصل، وهو غشاء رقيق مسامي مصنوع من البولي إيثيلين أو البولي بروبيلين. يمنع هذا الفاصل الاتصال الكهربائي بين الأقطاب الكهربائية بينما يسمح بمرور أيونات الليثيوم.

تكون لفة الجيلي بأكملها مشبعة بإلكتروليت سائل، وهو ملح الليثيوم (مثل LiPF6) المذاب في خليط من المذيبات العضوية.

أجهزة السلامة

تشتمل الخلايا الأسطوانية على ميزات أمان متعددة. يعمل جهاز معامل درجة الحرارة الإيجابية (PTC) على زيادة المقاومة في حالة ارتفاع درجة حرارة الخلية، مما يقلل من تدفق التيار.

يقوم جهاز المقاطعة الحالي (CID) بفصل الخلية بشكل دائم إذا وصل الضغط الداخلي إلى مستويات غير آمنة.

تم تصميم أقراص التنفيس بحيث تنفجر عند ضغط متحكم فيه، مما يؤدي إلى إطلاق الغاز بأمان إذا أصبح الضغط الداخلي مرتفعًا للغاية.

المزايا الرئيسية للخلايا الأسطوانية:

المتانة الميكانيكية: توفر العلبة المعدنية والشكل الأسطواني مقاومة ممتازة للضغط الداخلي والضغط الخارجي.

اتساق التصنيع: أنتجت عقود من التطوير خطوط إنتاج مؤتمتة للغاية مع مراقبة صارمة للجودة.

الإدارة الحرارية: يسمح الشكل الأسطواني بقنوات التبريد بين الخلايا في حزم البطاريات الكبيرة.

التقييس: الأحجام المشتركة (18650، 21700، 4680) تتيح إمكانية التبادل وكفاءة سلسلة التوريد.

القيود الرئيسية:

استغلال المساحة: عند تجميع الأسطوانات معًا، تترك فجوات بين الخلايا، مما يقلل من الكفاءة الحجمية مقارنة بالخلايا المنشورية أو الخلايا الجرابية.

التدرجات الحرارية: يجب أن تنتقل الحرارة المتولدة في قلب لفة الهلام عبر طبقات متعددة للوصول إلى السطح.

ماذا تعني الأرقام الموجودة في أسماء الخلايا (18650، 21700، 4680)؟

يتبع اصطلاح تسمية خلايا أيون الليثيوم الأسطوانية رمزًا مباشرًا يصف أبعادها المادية. يسمح هذا التقييس للمصنعين والمستخدمين بفهم حجم الخلية التي يعملون بها بالضبط.

تنسيق 18650:

يشير الرقم "18650" إلى أبعاد الخلية: قطر 18 ملم وطول 65.0 ملم.

نشأ هذا التنسيق في الأيام الأولى لتسويق بطاريات الليثيوم أيون وأصبح المعيار القياسي لحزم بطاريات الكمبيوتر المحمول.

تتراوح سعة خلية 18650 عادةً من 1500 مللي أمبير في الساعة إلى 3500 مللي أمبير في الساعة اعتمادًا على الكيمياء وتوليد التكنولوجيا.

تم إنتاج هذه الخلايا بمليارات الوحدات، مما يجعلها الشكل الأسطواني الأكثر شيوعًا في سلاسل التوريد القائمة.

تنسيق 21700:

"21700" يشير إلى قطر 21 ملم وطول 70.0 ملم.

تم تطوير هذا التنسيق لتوفير سعة أعلى وتوصيل طاقة أفضل من الطراز 18650 مع الحفاظ على كفاءة التصنيع المماثلة.

توفر الخلية 21700 عادةً سعات تتراوح من 4000 مللي أمبير إلى 5000 مللي أمبير في الساعة.

اكتسب هذا التنسيق شهرة عندما اعتمدته شركة تسلا لسياراتها الكهربائية بالشراكة مع باناسونيك، على الرغم من أنه يستخدم الآن على نطاق واسع في جميع أنحاء الصناعة.

تنسيق 4680:

يشير "4680" إلى قطر 46 مم وطول 80.0 مم.

يمثل هذا التنسيق الأحدث والأكبر خروجًا كبيرًا عن الأجيال السابقة. يسمح القطر الأكبر ببناء داخلي مختلف (تصميم الطاولة) مما يقلل من المقاومة الداخلية ويحسن الأداء الحراري.

تحتوي خلية واحدة من نوع 4680 على ما يقرب من خمسة إلى ستة أضعاف سعة خلية 18650، مما يقلل من عدد الخلايا المطلوبة في حزمة بطارية كبيرة.

كما يقلل التنسيق أيضًا من نسبة المواد غير النشطة (الغلاف والمحطات الطرفية) مقارنة بالمواد النشطة، مما قد يؤدي إلى تحسين كثافة الطاقة على مستوى العبوة.

التنسيقات الشائعة الأخرى:

26650: قطر 26 مم، طول 65.0 مم. يستخدم في بعض الأدوات الكهربائية والمصابيح الكهربائية.

14500: قطر 14 ملم، طول 50.0 ملم. حجم مماثل للبطارية القلوية AA القياسية.

32700: قطر 32 مم، طول 70.0 مم. يستخدم في بعض تطبيقات تخزين الطاقة.

كيف ينبغي التعامل مع الخلايا الأسطوانية واستخدامها بأمان؟

تحتوي خلايا أيون الليثيوم على طاقة كبيرة بكميات صغيرة وتستخدم مواد قابلة للاشتعال. تعتبر ممارسات المعالجة والاستخدام المناسبة ضرورية للسلامة.

احتياطات التعامل العامة:

لا ينبغي أن تتعرض الخلايا الأسطوانية للإيذاء الجسدي. يمكن أن يؤدي ثقب المعدن أو ثقبه أو سحقه إلى حدوث دوائر قصيرة داخلية تؤدي إلى الهروب الحراري.

يجب أن تبقى الخلايا بعيدة عن المواد الموصلة التي يمكن أن تربط بين الأطراف الموجبة والسالبة. يمكن للخلايا السائبة الموجودة في الجيب أو الحاوية أن تقصر على المفاتيح أو العملات المعدنية.

يجب الحفاظ على العبوة الأصلية حتى تصبح الخلايا جاهزة للاستخدام. يتم شحن العديد من الخلايا بحلقات أو أغطية معزولة لحماية الأطراف.

اعتبارات الشحن:

تتطلب خلايا أيون الليثيوم الأسطوانية شحن تيار مستمر/جهد ثابت (CC/CV) مع حدود جهد دقيقة.

يبلغ جهد الشحن المطلق لمعظم الخلايا الأسطوانية 4.20 فولت لكل خلية، على الرغم من أن بعض الكيميائيات الأحدث تستخدم 4.35 فولت أو 4.40 فولت. إن تجاوز هذه الفولتية يؤدي إلى خطر طلاء الليثيوم ودوائر القصر الداخلية.

يجب أن يتم الشحن فقط باستخدام أجهزة الشحن المصممة خصيصًا لخلايا أيونات الليثيوم. الشواحن المخصصة للبطاريات القائمة على النيكل (NiMH، NiCd) غير متوافقة.

يجب ألا يتجاوز تيار الشحن مواصفات الشركة المصنعة، والتي يتم التعبير عنها عادةً بمعدل C. تم تصنيف العديد من الخلايا للشحن القياسي من 0.5 درجة مئوية إلى 1 درجة مئوية.

اعتبارات التفريغ:

تحتوي الخلايا على جهد تفريغ، يتراوح عادة من 2.5 فولت إلى 3.0 فولت، والذي يمكن أن يحدث تلف أقل منه. يمكن أن يؤدي التفريغ تحت هذا الجهد إلى إذابة مجمع التيار النحاسي، مما يؤدي إلى حدوث دوائر قصيرة داخلية عند إعادة الشحن.

تيارات التفريغ العالية تولد الحرارة. إذا أصبحت الخلية ساخنة أثناء الاستخدام، فقد يسحب التطبيق تيارًا أكثر مما تم تصميم الخلية لتوفيره.

توصيات التخزين:

للتخزين على المدى الطويل، يجب أن تبقى خلايا أيون الليثيوم في حالة شحن تتراوح ما بين 40% إلى 60% تقريبًا. يؤدي التخزين عند الشحن الكامل إلى تسريع فقدان السعة، في حين أن التخزين عند شحن منخفض للغاية يمكن أن يؤدي إلى الإفراط في التفريغ.

يجب أن تكون درجة حرارة التخزين باردة، ويفضل أن تتراوح بين 5 درجات مئوية و20 درجة مئوية. درجات الحرارة المرتفعة تسرع التدهور.

يجب أن يتم تخزين الخلايا في بيئة جافة. في حين أن المعدن يمكن أن يوفر الحماية، إلا أن الرطوبة يمكن أن تؤثر على المحطات الطرفية وفتحات الأمان.

ماذا تفعل مع الخلايا التالفة:

تتطلب الخلية المنبعجة أو المتسربة أو التي ينبعث منها دخان بشكل واضح معالجة فورية ودقيقة. يمكن لمثل هذه الخلايا أن تدخل في الهروب الحراري، وتنتج حرارة شديدة وغازات سامة.

يجب وضع الخلايا التالفة في حاوية غير قابلة للاشتعال (مثل دلو من الرمل) وإبعادها عن المواد القابلة للاحتراق.

ولا ينبغي التخلص منها في سلة المهملات العادية. تتطلب خلايا أيون الليثيوم إعادة تدوير متخصصة من خلال منشآت مخصصة.

كيف يتم توصيل الخلايا الأسطوانية بحزم البطاريات؟

عادةً لا توفر الخلايا الأسطوانية الفردية جهدًا أو سعة كافية لمعظم التطبيقات. ويتم تجميعها في حزم البطاريات من خلال التوصيلات المتسلسلة والمتوازية.

اتصالات السلسلة:

توصيل الخلايا في سلسلة يضيف الفولتية الخاصة بها بينما تظل السعة كما هي في خلية واحدة. على سبيل المثال، تنتج أربع خلايا 3.6 فولت على التوالي 14.4 فولت.

يجب أن تكون الخلايا متطابقة من حيث السعة وحالة الشحن. يمكن أن تؤدي الخلايا غير المتطابقة في سلسلة متسلسلة إلى الإفراط في تفريغ بعض الخلايا أو الشحن الزائد أثناء الاستخدام.

تتطلب اتصالات السلسلة أسلاك توازن أو نظام إدارة البطارية (BMS) لمراقبة جهود الخلايا الفردية والتأكد من بقاء جميع الخلايا ضمن حدود التشغيل الآمنة.

اتصالات متوازية:

يؤدي توصيل الخلايا بالتوازي إلى زيادة قدراتها بينما يظل الجهد كما هو الحال في خلية واحدة. على سبيل المثال، تنتج أربع خلايا بسعة 3000 مللي أمبير بالتوازي سعة 12000 مللي أمبير في الساعة.

تتوازن الخلايا المتوازية بشكل طبيعي مع بعضها البعض لأنها تشترك في نفس الجهد.

تعمل الاتصالات المتوازية على زيادة القدرة الحالية للحزمة نظرًا لمشاركة التحميل بين خلايا متعددة.

طرق التجميع النموذجية:

لحام البقعة: شرائح الفولاذ المطلية بالنيكل أو النيكل ملحومة بالمقاومة لأطراف الخلية. هذه هي الطريقة الأكثر شيوعًا للاتصالات الدائمة.

اللحام: لا تشجع معظم الشركات المصنعة اللحام المباشر لأطراف الخلايا لأن الحرارة يمكن أن تلحق الضرر بالمكونات الداخلية. إذا لزم الأمر، فإنه يتطلب حرارة عالية واتصال قصير جدا.

حاملات البطاريات: تستخدم بعض التطبيقات حوامل محملة بنابض أو حوامل ملامسة للضغط تسمح باستبدال الخلايا دون توصيلات دائمة.