סוגי הליתיום-יון השונים, יתרונות, חסרונות והשוואה ביניהם

דצמבר 19, 2019
5:21 pm

סוגי התרכובות הכימיות של תאי ליתיום-יון Lithium-ion

במאמר זה אנחנו מביאים סיכום מדוייק ומתומצת של הליתיום-יון הנפוצים ביותר, הסוגים נבדלים זה מזה באמצעות סוגי תרכובות כימיות שונות. לכל סוג ישנם מרכיבים ומאפיינים שונים. במאמר זה נרחיב אודות הסוגים הנפוצים של תאי הליתיום-יון הקיימים. נפרט אודות כל סוג ונערוך השוואה בין הסוגים השונים על ידי הפרמטרים המשמעותיים ביותר, משקל ביחס לאנרגיה מופקת (Wh/Kg). קיבולת נומינאלית (Ah), יכולת פריקה וטעינה. מספר מחזורי טעינה שניתן להפיק מהסוללה. באמצעות הפרמטרים האלו נוכל להבין מה היתרונות ומה החסרונות של כל תא, מה באמת המגבלות הטכניות של סוג והכי חשוב מה הם השמות המקובלים לכל סוג.

לפני שנפרט אודות כל אחד מהסוגים השונים נחזור למידע הבסיסי אודות סוללות ליתיום-יון.

ליתיום-יון כיחידת אחסון אנרגיה הינו מוצר המתפתח בעולם בקצב מואץ וישנן חברות רבות המנסות לחדש, לתכנן ולהמציא טכנולוגיות חדשות ויעילות יותר. קיים מרוץ פטנטים וחידושים בכל עולם אחסון האנרגיה באופן יום יומי.

התכונה המהותית של סוללות ליתיום יון זה שהן ניתנות לטעינה ושימוש חוזר.
סוללת ליתיום-יון מורכבת כמו כל סוללה אחרת משלושה מרכיבים עיקריים: אנודה anode, קתודה cathode ואלקטרוליט electrolyte. האנודה הינה אלקטרודה שלילית, הקתודה הינה אלקטרודה חיובית והאלקטרוליט הינו התמיסה המפרידה והמוליכה את יוני הליתיום בין האלקטרודות. מה שמייחד ושונה בין סוגי הסוללות הן התרכובות הכימיות שמרכיבות את האלקטרודות השונות ויוצרות סוגים שונים של תאי ליתיום-יון.

בזמן טעינה היוני ליתיום יוצאים מהקטודה דרך האלקטרוליט לאנודה ושם מתאחסנים לפריקה.

בזמן פריקת הסוללה קורית פעולה הפוכה בתנועת היוני ליתיום וגורמת ליצירת אנרגיה באמצעות תנועה האלקטרודות.

המרכיבים מהם עשויות האלקטרודות הם שמהווים את ההבדלים בביצועי תאי הליתיום, והם המשפיעים על יכולת ותכונות תאי הליתיום, כגון יכולת פריקה עמוקה וטעינה מהירה, מספר מחזורי טעינה, משקל ביחס לנפח אחסון האנרגיה.

להלן חלק מסוגי הליתיום-יון הנפוצים ביותר, שמותיהם וקיצורי שמותיהם השונים:

סוגי המרכיבים של האלקטרודות	קיצורים כימיכאליים	קיצור 1	קיצור 2	קיצור 3
Lithium cobalt oxide תחמוצת ליתיום ניקל קובלט	LiCoO₂	ICR	LCO	Li-cobalt
Lithium nickel manganese cobalt oxide תחמוצת ליתיום ניקל מנגן קובלט	LiNiMnCoO₂	INR	NMC	—
Lithium iron phosphate ליתיום ברזל זרחן	LiFePO4	IFR	LFP	Li-phosphate
Lithium manganese oxide תחמוצת ליתיום מנגן	LiMn₂O₄	IMR	LMO	Li-manganese
Lithium Titanate ליתיום טיטאנט	LiNiCoAlO₂	NCR	NCA	Li-aluminum

לכל סוג סוללת ליתיום-יון תכונות שונות ונתונים טכניים שונים. הפרמטרים איתם עושים השוואה בין הסוגים השונים הינם: יחס משקל (קילוגרם) לקילו וואט שעה (KWH), יכולת פריקה (העברת זרם), מספר מחזורי טעינה, עלות לקילוואט ורמת בטיחות סוג הסוללה.

סוג תרכובת התא	וולטאז׳	קילוגרם לקילו וואט שעה (KG/KWH)	יכולת פריקה (C)	מחזורי טעינה
LiCoO2 (ICR)	3.6V	150-200wh/kg	1-4C	1000-2000
LiNiMnCoO₂ (INR)	3.6V,3.7V	150-220wh/kg	1-2C	500-1000
LiFePO4 (LFP)	3.2V,3.3V	90-120wh/kg	1-25C	2000-4000
LiMn₂O₄ (IMR)	3.7V	100-150wh/kg	1-10C	300-700
LiNiCoAlO₂ (NCR)	3.6V	200-260wh/kg	1C	500

סוללות מתרכובות: ICR

תחמוצת ליתיום ניקל קובלט LiCoO2 (ICR)

משנת 1991 נעשה שימוש בתרכובות ה ICR. סוג זה מוצלח מאוד בשל היותו סוג תא מאוד מאוזן בנתונים והיכולות הטכניות שלו והביצועים שלו. סוג תא זה יוצר סוללה עמידה לאורך זמן גבוה עד 2000 מחזורי טעינה, במשקל נמוך יחסית ובעלות בינונית. נתונים מאוזנים אלו מביאים את סוג התא הזה לשכיח ביותר בקרב האפליקציות הבאות – הרכבים החשמליים וההיברידים. ישנם יצרני סוללות לרכבים חשמליים קלים, כגון סוללות לאופניים חשמליים, טרקטורונים, אופנועים וגם קורקינטים חשמליים. סוג זה שכיח מאוד גם בקרב מוצרי הסיגריות האלקטרוניות.

ולסיכום תא בעל מחזורי טעינה גבוהים מאוד, יכולת פריקה וטעינה רגילה. קיבולת בינונית.

דוגמאות לתאי ליתיום-יון מסוג ICR:

GGE 4C (2600mAh)

Panasonic UR18650FK (2400mAh)

LGDB118650 (2600mAh)

Samsung 24E (2400mAh)

סוללות מתרכובות: תחמוצת ליתיום ניקל קובלט מנגן LiNiMnCoO2 (INR)

משנת 2008 התחילו לעשות שימוש מאסיבי בסוגבתא INR, אחד התרכובות המוצלחות ביותר בעולם הליתיום-יון, סוג זה הפך לאחד השכיחים במגוון רחב של שימושים. סוג תא זה מוצלח כל כך בשל היכולת שלו לשלב קיבולת גבוהה ויכולת פריקה בזרם גבוהה, דבר הקובע את כוח הסוללה. חסרונות התא מתבטאים במחזורי טעינה נמוכים יחסית ועד ל 500 מחזורי טעינה תלוי באופן הפריקה והטעינה. סוג זה מוגדר כסוג כוח ומתאים מאוד לאפליקציות הדורשות יכולת פריקה בעומס ובמשקל לא גבוה, כגון: סוללות לכלים מכניים, סוללות לטרקטורונים חשמליים, אופנועים חשמליים, וקולנועיות חשמליות.

ולסיכום תא כוח חזק מאוד, בעל קיבולת גבוהה, עם מספרי מחזורי טעינה בינוני.

דוגמאות לתאי ליתיום-יון מסוג INR

GGE 12C (2550mAh)

Sony VTC6 (3000mAh)

LG HG2 (3000mAh)

LG MJ1 (3500mAh)

Sony VTC5 (2600mAh)

Samsung 25R (2500mAh)

סוללות מתרכובות: LFP

ליתיום ברזל זרחן LiFePO4 (LFP)

בשנת 1996 גילו את תרכובת התא LFP המתאפיין בניגודיות פנימית נמוכה מאוד. דבר המקנה לסוג זה מתח נומינאלי נמוך משאר הסוגים (3.2V). יתרונותיו המובהקים של סוג זה הינם תוחלת חיי סוללה ארוכה מאוד, יכולה להחזיק אלפי מחזורי טעינה במצב מיטבי של הסוללה. כיום סוג זה מהווה אלטרנטיבה לסוללות ג׳ל הכבדות ובעלות מחזורי הטעינה הנמוכים. בנוסף סוג זה מוגדר מהבטיחותיים מבין סוגי הליתיון -יון. חסרונותיו מתבטאים בקיבולת נמוכה ומחיר לא נמוך יחסית. מתאים מאוד עבור אפליקציות הדורשות טעינה על בסיס יומי.

ולסיכום תא בעל מספר מחזורי טעינה גבוהים מאוד, תא כוח חזק מאוד, עם קיבולת נמוכה.

Samsung 11Q

Samsung 11p

סוללות מתרכובות: תחמוצת ליתיום מנגן LiMn2O4 (IMR)

מותיקי סוגי הליתיום-יון, מתאפיין בניגודיות פנימית נמוכה ובכך מאפשר פריקה בעומס וטעינה מהירה. דבר המשליך באופן ישיר על מספר מחזורי הטעינה ועל יחס המשקל לאנרגיה ספציפית המופקת מהסוללה. נגדיר סוג זה כסוג תא כוח בעל קיבולת נמוכה ומחזורי טעינה נמוכים. סוללות המורכבות מסוג תא זה לרוב לא דורשות הרבה טעינות יומיות ודוגמא משמשות כסוללות לכלים מכניים, בטריות לציוד רפואי נייד, רכבים עם מערכות הינע משולבות ורכבים חשמליים.

ולסיכום תא כוח חזק מאוד, בעל קיבולת נמוכה ,עם מספר מחזורי טעינה נמוכים.

דוגמאות לתאי ליתיום סוללה 18650 שכיחים מסוג זה:

Samsung 20R (2000mAh)

Samsung 20Q (2000mAh)

Samsung 15Q (2000mAh)

Sanyo/Panasonic UR18650RX (2000mAh)

Sony US18650V (1600mAh)

סוללות מתרכובות: תחמוצת ליתיום מנגן LiNiCoAlO2 (NCR)

בערך משנת 1999 התחילו לעשות שימוש בסוג זה לאפליקציות מיוחדות כשיש מגבלת גודל ומשקל מהותיים. יכולת אחסון אנרגיה גבוהה מאוד ביחס למשקל מקנה לסוג זה את היתרון הבולט ביותר. בין היתר, תוחלת החיים ויכולת הפריקה הבינוניים מאפשרים לו לעבוד באופן מיטבי במגוון רחב של אפליקציות נוספות. שכיח מאוד במכשירים רפואיים, סוללות גיבוי, מערכות אחסון אנרגיה.

ולסיכום תא בעל קיבולת גבוהה מאוד, עם מספר מחזורי טעינה בינוני. אינו תא כוח חזק.

דוגמאות לתאי ליתיום 18650 שכיחים מסוג זה:

Panasonic 18650BP (3200mAh)

Panasonic 18650B (3200mAh)

LG MH1 (3200mAh)

סוללות מתרכובות: ליתיום טיטאנית LiNiCoAlO2 (LTO)

סוג זה מוכר משנות ה-80 המוקדמות. זו התרכובת היקרה ביותר והבטוחה לשימוש ביותר בקרב סוללות הליתיום -יון. היא גם הכבדה ביותר ביחס לאנרגיה שיכולה לאחסן. לרוב משתמשים בסוג זה היום לתחנות סולאריות ואחסון אנרגיה במערכות הנטענות על בסיס יומי. היום תמצאו שמשתמשים בסוג זה עבור ה S-pen של חברת Samsung, בסוללות לשעוני Seiko.

ולסיכום תא כוח חזק מאוד, בעל יכולת פריקה וטעינה מהירה עם מספר מחזורי טעינה גבוהים ממש עם קיבולת נמוכה מאוד.

דוגמאות לתאי ליתיום 18650 שכיחים מסוג זה:

Panasonic 18650BP (3200mAh)

Panasonic 18650B (3200mAh)

LG MH1 (3200mAh)

לסיכום: כאשר אנו מתחילים בייצור סוללת ליתיום נטענת חשוב מאוד סוג תרכובת התאים שממנה נרכיב את הסוללה. באמצעות מגוון רב והסוגים השונים אנו יכולים לתכנן את הסוללה המתאימה ביותר עבור האפליקציה והמתאימה ביותר עבור דרישת הלקוח. לדוגמא אם ידוע לנו שבטרייה דורשת טעינה כמה פעמים ביום אנחנו נמליץ בראש ובראשונה על תרכובת תאים המתאימה למחזורי טעינה גבוהים. דוגמא נוספת, אם ללקוח ישנה מגבלת גודל ודרישת קיבולת גבוהה אנו נשתמש בתאי קיבולת להפחת גודל ומשקל. ישנם אין ספור של דוגמאות לצרכים ודרישות. אנו מנסים לשאול את כל השאלות הרלוונטיות ולקבל את הפרטים הרלוונטיים על מנת להתאים את הסוללה הטובה ביותר עבורך. כזו שתענה לצרכים שלך ותשרת את אותך באופן המקסימאלי שניתן להגיע. כמובן כמו שאתם רואים, כל יתרון בא על חשבון חסרון אחר. אנו מנסים לעשות את האיזון המושלם ועל ידי כך מגיעים למקסום השימוש בסוללה.

שמחים מאוד שקראתם מאמר חשוב זה. מוזמנים לשתף!

מאמר זה מתעדכן מעת לעת ונכון לעכשיו עדכני לתאריך 17.5.20