ליתיום–יון Lithium-ion
סוגי התרכובות הכימיות של תאי הליתיום–יון השונים:
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 פרמטרים 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 הם 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 וישנם 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 שהינם 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 השונים הינם התרכובות הכימיות שמרכיבות את הלקטרודות השונות ובכל יוצרות סוגי שונים של תאי ליתיום–יום.
בזמן טעינה היוני ליתיום יוצאים מהקטודה דרך האלקטרוליט לאנודה ושם מתאחסנים לפריקה.
בזמן פריקת הסוללה קוראת פעולה הפוכה בתנועת היוני ליתיום וגורמת ליצירת אנרגיה באמצעות תנועה האלקטרודות.
המרכיבים מהם עשויות האלקטרודות הינם מהווים את ההבדלים. בביצועי תאי הליתיום והינם המשפיעים על יכולת ותכונות תאי הליתיום כגון יכולת פריקה עמוקה וטעינה מהירה, מספר מחזורי טעינה, משקל ביחס לנפח אחסון האנרגיה.
ולהלן חלק מסוגי הליתיום–יון ההנפוצים ביותר שמותיהם וקיצורי שמותיהם השונים:
|
סוגי המרכיבים של האלקטרודות |
קיצורים כימיכליים |
קיצור 1 |
קיצור 2 |
קיצור 3 |
|
Lithium cobalt oxide |
LiCoO2 |
ICR |
LCO |
Li-cobalt |
|
Lithium nickel manganese cobalt oxide |
LiNiMnCoO2 |
INR |
NMC |
— |
|
Lithium iron phosphate |
LiFePO4 |
IFR |
LFP |
Li-phosphate |
|
Lithium manganese oxide |
LiMn2O4 |
IMR |
LMO |
Li-manganese |
|
Lithium Titanate |
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 מתרכבות 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 גבוהה 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 טרקטורונים, חשמליים, אופנועים ואופניים חשמליות 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) קישור למוצר בחנות
Panasonic UR18650FK (2400mAh)
LGDB118650 (2600mAh)
Samsung 24E (2400mAh)
סוללות מתרכובות: תחמוצת ליתיום ניקל קובלט מנגן LiNiMnCoO2 (INR)
משנת 2008 התחילו לעשות שימוש מסאיבי בסוג בתא 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 כח הסוללה. חסרונות התא מתבטאות במחזורי טעינה נמוכים יחסית ועד ל 500 מחזורי טעינה תלוי באופן הפריקה והטעינה. סוג זה מוגדר כסוג כח ומתאים מאוד לאפליקציות הדורשות יכולת פריקה בעומס ובמשקל לא גבוהה כגון: סוללות לכלים מכניים, סוללות לאופנועים חשמליים, טרקטורונים חשמליים, וקלנועיות חשמליות.
ולסיכום תא כח חזק מאוד, בעל קיבולת גבוהה, עם מספרי מחזורי טעינה בינוני.
דוגמאות לתאי ליתיום–יון מסוג INR
GGE 12C (2550mAh) קישור למוצר בחנות
Sony VTC6 (3000mAh) קישור למוצר בחנות
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. מתאפיין בניגודיות פנימית נמוכה מאוד. דבר המקנה לסוג זה. לסוג זה מתח נומינאלי נמוך משאר הסוגים (3.2V). יתרונותיו המובהקים של סוג זה הינם תוחלת חיי סוללה ארוכה מאוד, יכולה להחזיק אלפי מחזורי במצב מיטבי של הסוללה. כיום סוג זה מהבא 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 כח 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 כסו תא כח בעל קיבולת נמוכה ומחזורי טעינה נמוכים. סוללות המורכבות מסוג תא זה לרוב לא דורשות הרבה טעינות יומיות ודוגמא משמשות כסוללות לכלים מכניים, בטריות לציוד רפאוי נייד, רכבים עם מערכות הינע משולבות ורכבים חשמליים.
ולסיכום תא כח חזק מאוד, בעל קיבולת נמוכה ,עם מספר מחזורי טעינה נמוכים.
דוגמאות לתאי ליתיום 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 כח חזק
דוגמאות לתאי ליתיום 18650 שכיחים מסוג זה:
Panasonic 18650BP (3200mAh) קישור לדף המוצר.
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 כח 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) קישור לדף המוצר.
Panasonic 18650B (3200mAh)
LG MH1 (3200mAh)
לסיכום: כאשר אנו מתחילים בייצור סוללת ליתיום 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 נשמתמש בתאי קיבולת להפחת גודל ומשקל. ישנם אין ספור של דוגמאות לצרכים ודרישות. אנו מנסים לשאול את כל השאלות הרלוונטיות ולקבל את הפרטים הרלוונטים 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 עשות את האיזון המושלם ועל ידי כך מגיעים למקסום השימוש בסוללה.
שמחים מאוד שקראתם מאמר חשוב זה . מוזמנים לשתף להעיר הערות ותקן ולהראות שגיאות במקרה וישנם.
מאמר זה מתעדכן מעת לעת ונכון לעכשיו עדכני לתאריך 17.5.20
