الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.
قیمت
قیمت این مقاله: 68000 تومان
(ایران ترجمه - Irantarjomeh)
توضیح
بخش زیادی از این مقاله بصورت رایگان ذیلا قابل مطالعه می باشد.
شماره
۱۰۴
کد مقاله
IND104
مترجم
گروه مترجمین ایران ترجمه – irantarjomeh
نام فارسی
کتاب راهنمای طراحی باتری لیتیوم – یون شیمی، اجزا، انواع و اصطلاحات – فصل ۷: لیتیوم – یون و پارامترهای دیگر شیمی سلولی
نام انگلیسی
The Handbook of Lithium-Ion Battery Pack Design – Chemistry, Components, Types and Terminology-Chapter7: Lithium-Ion and Other Cell Chemistries
تعداد صفحه به فارسی
۶۶
تعداد صفحه به انگلیسی
۳۰
کلمات کلیدی به فارسی
باتری لیتیوم – یون
کلمات کلیدی به انگلیسی
Lithium-Ion Battery
مرجع به فارسی
جان وارنر، الزویر
مرجع به انگلیسی
John Warner; XALT Energy, Midland, MI, USA; Elsevier
کشور
ایالات متحده
کتاب راهنمای طراحی باتری لیتیوم – یون
شیمی، اجزا، انواع و اصطلاحات
فصل ۷ : لیتیوم – یون و پارامترهای دیگر شیمی سلولی
در این فصل، یک شناخت پایه از پارامترهای مختلف مواد شیمیایی / شیمی مواد، عوامل فرم دهی و مزایا و چالش های آنها، برای بسیاری از سلول هایی که در سیستم ذخیره سازی انرژی (ESSs) امروزی استفاده می شوند، را ارائه می نمائیم. ما بطور مختصر ویژگیها و پارامترهای شیمی / مواد شیمیایی که در کاربردهای مختلف نظیر اسید سرب، نیکل هیدرید فلزی (NiMh)،کلرید فلزی نیکل، سولفور سدیم، کلرید سدیم و موارد دیگر استفاده شده اند را مرور می نمائیم. با این حال، تأکید اصلی بر روی مولفه های مختلف شیمی لیتیوم یون می باشد که کاربرد امروزی داشته یا برای کاربردهای آینده در حال توسعه می باشند.
باتری های بطور معمول به دو دسته طبقه بندی شده اند : اولیه یا ثانویه . تفاوت کلی در این است که آیا باتری ها قابل شارژ هستند یا خیر. باتری های اولیه قابل شارژ نیستند؛ آنها باتری های یک بار مصرف هستند و پس از دشارژ شدن یا تخلیه باید دور انداخته شوند. باتری های آلکالین از این نوع باتری ها هستند که در بسیاری از تجهیزات خانگی استفاده شده اند. باتری های ثانویه قابل شارژ هستند یعنی با شارژ مجدد توان استفاده متعدد از آنها وجود دارد. مقدار طول عمر، یا استفاده از آن در باتری قابل شارژ به مواد شیمیایی و پروفایل عملیاتی بستگی دارد. برخی سلول ها را می توان صدها بار شارژ و دشارژ کرد؛ برخی دیگر را می توان برای هزاران بار شارژ و دشارژ نمود.
قبل از این که تعریف یک باتری را شروع کنیم، باید شناخت اساسی از عناصر مختلفی که یک سلول باتری را شکل می دهند بدست آوریم. با وجود این که این تعریف تاحدودی ساده شده است، اساسا پنج عنصر اصلی وجود دارند که یک باتری را شکل می دهند. کاتد نیمه مثبت سلول باتری است، که از یک لایه از برخی از انواع مواد تشکیل شده که با مواد فعال پوشیده شده است. در باتری های لیتیوم یون، این لایه عمدتا یک لایه خیلی نازک از جنس آلومینیوم است. آند نیمه منفی سلول بتری است و معمولاَ از لایه مسی نازک تشکیل شده که از ماده آند فعال پوشیده شده است. بین این دو نیمه یک ماده جداکننده وجود دارد که مانع از تماس بین دو نیمه و اتصال کوتاه می شود .این سه عنصر با هم الکترودها را شکل می دهند و به شکل گردشی متراکم شده و چیزی شبیه رولت را شکل می دهند. عنصر چهارم یک باتری لیتیوم یون محفظه است عمدتا یک قوطی یا جعبه است که در آن رولت شکل گرفته جایگذاری شده است. این عنصر ممکن است به شکل یک قوطی فلزی، محفظه پلاستیکی یا یک کیسه پلیمری باشد. زمانی که این کار انجام شد، عنصر پنجم یعنی الکترولیت به ترکیب اضافه می شود. الکترولیت رسانه ای است که به یون ها اجازه می دهد در درون سلول به عقب و جلو حرکت کنند. بسیاری از قطعات و اجزای دیگر وجود دارند که ممکن است در یک سلول باتری قرار گیرند همانند دستگاه قطع جریان (CID) یا یک ضریب حرارتی مثبت (PTC) که یک فیوز حرارتی قابل تنظیم می باشد. اما این اجزا در تمامی انواع سلول ها یا مواد شیمیایی تعبیه نشده اند.
مورد بعدی که باید بطور مشخص تعریف کنیم این است که یک باتری چیست و چگونه با انواع دیگر مخازن انرژی فرق دارد. بطور ساده، یک باتری یک ابزار الکتروشیمیایی برای ذخیره سازی انرژی است که با تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی کار می کند. لیندن و ردی باتری را این طور تعریف می کنند :
دستگاهی که انرژی شیمیایی موجود در مواد فعال را بطور مستقیم با ابزارهای یک کاهش اکسیداسیون الکتروشیمیایی به انرژی برق تبدیل می کند.
از لحاظ الکتریکی تعریف لیندن و ردی به این معناست که زمانی که یک جریان برای سلول اعمال شد است، یک واکنش شیمیایی که بین آند و کاتد در درون سلول باتری روی می دهد، که بواسطه آن لیتیوم-یون (آنیون ها ) از طریق الکترولیت بین آند و کاتد جریان می یابند و بنبراین یک جریان الکتریکی را تولید می کند که می تواند برای کاربردهای مختلف به صورت کار (توان) تبدیل شود. باتری در راه حل های ذخیره انرژی منحصر به فرد است از این نظر که انرژی تولید می شود و در یک دستگاه مشابه ذخیره می شود. این فرایند باتری برقی را تاحدودی در کاربردهای ذخیره انرژی منحصر به فرد می سازد که تقریبا تمامی تجهیزات دیگر انرژی در یک مکان دیگر تولید می کنند و دستگاه ذخیره ساز تنها انرژی را ذخیره می کند. برای مثال دیزل و بنزین مایع، هیدرو فشرده، هوای فشرده و دیگر فن آوری های مشابه مثال هایی از انرژی هستند که در یک مکان ایجاد شده و سپس در مکان دیگر ذخیره شده اند و برای تولید برق در مکان دیگر استفاده شده است. برای مثال در موتور احتراق داخلی، بنزین در یک مخزن ذخیره شده و سپس بداخل یک واحد تزریق سوخت پمپاژ شده است(یا یک دستگاه کاربراتور)که سپس برای تولید انرژی و جابجایی استوانه ها احتراق یافته است.
لیتیوم یون پارامترهای شیمی سلولی ۷ کتاب راهنمای طراحی باتری لیتیوم یون شیمی
اسید سرب
مشخصه های مرتبط با شیمی / مواد شیمیایی اسید سرب (PbA, LA, یا LAB) یکی از قدیمی ترین و رایج ترین پارامترهای شیمی بکار رفته در کاربردهای ذخیره سازی انرژی امروزی می باشند. اسید سرب یک باتری برق معتبر است اما با چرخه عمر پائینی مواجه است که تنها به ۳۰۰ تا ۵۰۰ سیکل در باتری اسید سرب استاندارد می رسد. باتری های اسید سرب نام خود را از ترکیب صفحات سرب که آند و کاتدها را شکل می دهند و الکترولیت اسید سولفوریک در که آنها غوطه ور شده اند برگرفته اند. امروزه اسید سرب باتری استاندارد بکار رفته در کاربردهای راه اندازی موتور، روشنایی و جرقه زنی (SLI) بخاطر قابلیت توان بالای آن استفاده شده است. خودروهای برقی اولیه (EVs) نیز از اسید سرب استفاده می کردند چون به آسانی در دسترس بود و ارزان ترین باتری در بازار محسوب می شد. باتری اسید سرب همچنین در پشتیبانی از تجهیزات برقی که در آن اندازه و وزن جزو مسائل نبوده و حساسیت هزینه مهم بود بکار گرفته می شد. همچنین در دسترس ترین باتری بوده و تنظیم اهداف هزینه برای مواد شیمیایی دیگر ادامه می یابد.
مشخصه های شیمی / مواد شیمیایی پایه فلز نیکل
دیگر ماده شیمایی باتری که در دهه ۱۹۹۰ و اوایل سده ۲۰۰۰ مورد توجه قرار گرفت شیمی مبتنی بر نیکل است که شامل نیکل کادمیم، نیکل هیدرید فلز می باشد. این مواد شیمیایی / فرآیند شیمی به حجم های خیلی بالا با برنامه های کاربردی توان قابل حمل ولیه دست یافتند و در نتیجه برای نیکل هیدرید فلز، خودروهای برقی هیبرید بکار رفتند. مواد شیمیایی مبتنی بر نیکل ولتاژ بالاتر، ظرفیت بیشتر و سیکل های بیشتری از باتری های اسید سرب معمولی را ارائه کردند اما با چندین چالش مواجه شدند. برخی از چالش های مواد شیمیایی مبتنی بر نیکل شامل چگالی انرژی کمتر و ولتاژ پائین تر در مقایسه با باتری لیتیوم یون است و باتری نیکل هیدرید فلز با تأثیر حافظه مواجه می شود که انرژی موجود آنها را در طی زمان کاهش می دهد. اثر حافظه این مواد شیمیایی را می توان تا حدی با دشارژ کام دوره ای کاهش داد. مواد شیمیایی مبتنی بر نیکل نیز با سطوح خیلی بالای خودتخلیه شدگی مواجه می شوند( جدول ۳).
لیتیوم یون پارامترهای شیمی سلولی ۷ کتاب راهنمای طراحی باتری لیتیوم یون شیمی
نیکل کادمیم
باتری های نیکل کادمیم (NiCd) رایج ترین باتری مورد استفاده در کاربردهای برق قابل حمل نظیر قطعات الکترونییک مصرف کننده، شارژرهای همراه، ارتباطات راه دور، منابع تأمین برق بی وقفه و عمدتا در تجهیزات خودروی ریلی و قطار می باشند. در واقع، حدود ۴۰ درصد از کل باتری های نیکل کادمیم در یکی از کاربردهای مبتنی بر قطار برای تأمین برق و تهویه مطوع گرفته تا تأمین برق تجهیزات تابلوی برق و بسیاری از بارهای الکتریکی دیگر واقع در قطار بکار می روند.
نیکل هیدرید فلز
نیکل هیدرید فلز در کاربردهای برق قابل حمل رواج یافته اما در واقع با معرفی خودروی برقی هیبرید به جایگاه خوبی دست یافت. خودروی برقی هیبرید یک زمینه کاربردی خیلی خوب برای باتری نیکل هیدرید فلز است چون دو برابر اسید سرب چگالی انرژی و توان دارد. سلول های نیکل هیدرید فلز معمولی بین ۳۰ و ۸۰ وات در ساعت بر کیلوگرم چگالی انرژی دارند.
مشخصه های شیمی / مواد شیمیایی پایه سدیم
مجموعه دیگری از ویژگیهای شیمی / مواد شیمیایی که اخیراَ مورد توجه قرار گرفته اند باتری های مبتنی بر سدیم می باشند. باتری های سدیم غالبا به عنوان باتری های حرارتی شناخته شده اند چون باید در دماهای خیلی زیاد کار کنند تا الکترولیت های سدیم در یک حالت مذاب ( مایع) حفظ شوند. یکی از اولین ترین پیشرفت ها توسط یک تیم تحقیقی در افریقای جنوبی با نام پروژه افریقایی تحقیق باتری زولیت (ZEBRA) حاصل شد. کار این گروه در نهایت به مبنای بیشتر باتری های سدیمی موجود در بازار منجر شد. شرکت هایی نظیر فن آوری های ZEBRA ،جنرال الکتریک، SONICK-FIAMM باتری های هالید فلزی سدیم از نوع ZEBRA را تولید می کنند( جدول ۴).
لیتیوم یون پارامترهای شیمی سلولی ۷ کتاب راهنمای طراحی باتری لیتیوم یون شیمی
سلول های لیتیوم–یون
اولین ماده شیمیایی تجاری لیتیوم یون در دهه ۱۹۹۰ برمبنای کار دکتر گونوک به بازار عرضه شد. از زمان معرفی این باتری در سال ۱۹۹۱ تا اوایل سده ۲۰۰۰، فروش باتری لیتیوم یون در پاسخ به تقاضای روزافزون افزایش یافته و در سال ۲۰۱۳ با تولید سالیانه ۷۰۰ میلیون سلول نوع پلیمری کوچک و ۶۶۰ میلیون سلول استوانه ای کوچک در دنیا به بالاترین حجم تولید سلول رسید.
مشخصه های شیمی / مواد شیمیایی کاتدی
لیتیوم-یون یک اصطلاح خیلی کلی است که به طیف وسیعی از مواد شیمیایی مختلف اشاره می کند، و هر کدام از آنها ویژگی های عملکردی کاملا متفاوتی دارد. رایج ترین ترکیبات مواد شیمیایی بکار رفته در سلول های لیتیوم-یون شامل : LFP, NMC, LCO, NCA, و LMOمی باشد. و در این ۵عنصر اصلی، هر تولیدکننده سلول ممکن است از آنها در ترکیبات مختلف برای دست یابی به نتایج عملکردی مختلف استفاده کند یا در برخی موارد تولیدکننده سلول ممکن است واقعاَ مواد شیمیایی مختلف را ترکیب کند تا به مزایای مختلف هر ماده شیمیایی در طراحی یک سلول دست یابد.
مواد آندی
سمت منفی کاتد بنام آند شناخته شده است. امروزه، بیشتر آندها از ترکیبی از یک یا دو ماده گرافیت، یا کربن های نرم یا سخت ساخته شده اند.درجات و انواع مختلفی از گرافیت، با گرافن وجود دارند که مبنای آنرا شکل می دهند. اما کیفیت و انتخاب ماده نقش خیلی مهمی را در عملکرد سلول ها ایفا می کند.
جدا کننده ها
عنصر بعدی در سلول لیتیوم یون که باید در نظر گرفته شود جداکننده یا حائل است. یک جداکننده یک قطعه نازک از مواد غالبا سرامیکی یا پلاستیکی است که آند را از کاتد جدا می کند. در عمل، ماده حائل باید قادر به مقاومت در برابر الکترولیت های مبتنی بر هیدروکربن غالبا خورنده (HC) باشد که در سلول های لیتیوم یون استفاده شده اند و در عین حال دو الکترولیت را در درون سلول از هم جدا نگه می دارد. هدف اصلی جداکننده، تفکیک آند از کاتد است. اگر دو نیمه الکترود با هم تماس داشته باشیند، یک اتصال کوتاه داخلی روی خواهد داد که سبب خرابی یک سلول می شود. بنابراین ،جداکننده اهمیت کلیدی در هر طرحی سلول لیتیوم یون دارد.
الکترولیت ها
الکترولیت معمولاَ یک محلول ژل مانند یا مایع است و به صورت یک رسانا عمل می کند که به سلول های یون لیتیوم اجازه می دهند تا بین آند و کاتد عبور کنند. الکترولیت معمولا یک ترکیب مبتنی بر HC است که شامل چندین ماده افزودنی است که قابلیت کارکردی متفاوتی را در درون سلول فراهم می کند. استفاده از مواد افزودنی یکی از اسرار تولیدکننده سلول و یکی از زمینه های کلیدی مالکیت فکری سازندگان سلول است. الکترولیت های معمولی ممکن است ترکیبی از کربنات های آلکیل نظیر کربنات اتیلین، دیتیل، دیمتیل و کربنات های اتیل متیل و نمک های لیتیوم (LiPF6) باشند.
لیتیوم یون پارامترهای شیمی سلولی ۷ کتاب راهنمای طراحی باتری لیتیوم یون شیمی
ویژگی های ایمنی
مانند بسیاری از فن آوری های دیگر، سلول های لیتیوم یون برخی پالش های ایمنی ذاتی را دارند. در اصل، شما یک مخزن انرژی را دارید که در شرایط خاص می تواند آزاد شود. مقدار انرژی آزاد شده به اندازه (ظرفیت)سلول لیتیوم یون بستگی دارد. علاوه بر این،همواره پتانسیل آلودگی یا خطاها در طی فرایند تولید سلول وجود دارد، که می تواند به خرابی اولیه یا آزاد شدن انرژی منجر شوند.
انواع و اندازه های سلول لیتیوم- یون
اساساَ سه نوع اصلی شکل سلول لیتیوم یون وجود دارند: سلول های استوانه ای کوچک،منشوری بزرگ و کیسه ای(یا پلیمری). تاکنون بیشترین حجم فرمت سلول لیتیوم یون در تولید امروزی ۱۸۶۵۰ سلول استوانه ای با تقریبا ۶۶۰ میلیون سلول تولید شده در سال بوده است. اصطلاح ۱۸۶۵۰ به این معناست که سلول قطر ۱۸ میلی متر و طول ۶۵ میلی متر دارد. زمانی که صحبت از زمینه های خودروسازی می شود، تقریبا تمامی تولیدکنندگان بزرگ خودرو سلول های استوانه ای کوچک را عمدتا برای خودروهای برقی میکروهیبرید و تجهیزات برقی خودروی برقی هیبرید مناسب دانسته اند ،به استثنای تسلا که از سلول های ۱۸۶۵۰ با حجم بالا استفاده کرده است. برای خودروی برقی هیبرید با قابلیت اتصال به برق (PHEV)و تجهیزات خودروی برقی باتری (BEV)، اکثریت تولیدکنندگان خودرو از سلول های منشوری استوانه ای یا مستطیلی بزرگ یا سلول های کیسه ای تخت استفاده می کنند.
تولیدکنندگان سلول لیتیوم-یون
امروزه، صدها تولیدکننده سلول لیتیوم در بازار حضور دارند. در این بخش، بطور مختصر آنچه که بطور کلی به برخی بازیگران کلیدی در این بازار مربوط می شود را مرور می کنیم. این کار با هدف یک معرفی مختصر برخی از تولیدکنندگان انجام می شود، در این بین تولیدکنندگان متعددی وجود دارند بنابراین فرض نمی کنیم که این بخش یک لیست جامع از تولیدکنندگان را پوشش دهد. ما برخی از مقدمات شروع کار را با مواد شیمیایی ابتکاری در فصل پایانی ذکر می کنم.
لیتیوم یون پارامترهای شیمی سلولی ۷ کتاب راهنمای طراحی باتری لیتیوم یون شیمی
دستورالعمل های طراحی و بهترین شیوه ها
* اسید سرب برای تجهیزاتی که به برق نوع انتظار نیاز دارند، پالس های توان بالا، نیازهای سیکل پائین و محدودیت های وزنی یا حجمی زیادی ندارند و به هزینه های خیلی زیاد نیاز ندارند مناسب است.
* نیکل هیدرید فلز (NiMh) بزرگترین باتری بکار رفته در خودروهای برقی امروزی می باشد. نیکل هیدرید فلز و نیکل کادمیم بخاطر چگالی انرژی بیشتر در مقایسه با اسید سرب رواج یافتند. یکی از چالش های مربوط به مواد شیمیایی مبتنی بر نیکل اثر حافظت ست که مواد شیمیایی با آن مواجه هستند.
* مواد شیمیایی مبتنی بر سدیم چگالی انرژی مشابه با مواد شیمیایی مبتنی بر نیکل را دارند، اما به عملیات در دماهای بالا برای حفظ ذرات خود در یک فرم مذاب نیاز ندارند.
*لیتیوم یون بسرعت در چندین مورد کاربردی باتری رشد یافت که قبلا ازمواد شیمیایی دیگری استفاده می شد. لیتیوم یون دو برابر انرژی و چگالی توان بیشتری را نسبت به مواد شمیایی اسید سرب دارد.
* فاکتورهای فرم متعددی برای باتری های لیتیوم یون وجود دارند. سه فرم اصلی سلول های نوع استوانه ای، منشوری و کیسه ای می باشند.
* امروزه رایج ترین مواد شیمیایی کاتد فسفات آهن لیتیوم، اکسید کبالت لیتیوم، اکسیدمنگنز لیتیوم، کبالت منگنز نیکل و آلومینیوم کبالت نیکل می باشند.
* مواد اصلی آند که بکار رفته اند گرافیت و کربن می باشند که هر دو نوع کربن سخت و نرم وجود دارد.
* بسیاری از تولیدکنندگان سلول این مواد را برمبنای نیازهای بازار، تجهیزات و موارد کاربردی و نیازهای عملکردی ارزیابی و انتخاب می کنند.
لطفا به جای کپی مقالات با خرید آنها به قیمتی بسیار متناسب مشخص شده ما را در ارانه هر چه بیشتر مقالات و مضامین ترجمه شده علمی و بهبود محتویات سایت ایران ترجمه یاری دهید.
