EN
Quick Links
האנודה בתוך סוללת ליתיום-יון מבצעת כמה תהליכים חשובים למדי במהלך מחזורים של טעינה ופריקה, והיא מורכבת בעיקר מגרפיט או סיליקון בימינו. הגרפיט נשאר החומר הנפוץ ביותר עבור רוב האנודות מכיוון שהוא פועל טוב מבחינה אלקטרוכימית ולא עולה יותר מדי כסף. מה שמייחד את הגרפיט הוא המבנה השכבתי שלו שמאפשר ליוני הליתיום לנוע פנימה וחוצה ללא קושי רב, וכך ממשיך את פעילות הסוללה בצורה חלקה. לסיליקון יש פוטנציאל מדהים לאחסון אנרגיה גדול בהשוואה לגרפיט, אך יש לו חיסרון. כשסיליקון עובר מחזורים של טעינה, הוא נוטה להתרחב במידה רבה, וההרחבת זו יכולה לקצר את משך החיים של הסוללה עד שהיא מתקלקלת. מדענים חוקרים את הבעיה הזו כבר שנים. לאחרונה התגלה כי שילוב של מצע אוקסיד סיליקון עם האנודות של הגרפיט עוזר לאנודות להחזיק מעבר לפריקה, מה שמשפר את הביצועים לאורך זמן בכל מערכת הסוללה.
סוג החומר הקתודי המשמש קובע במידה רבה את כמות האנרגיה שאkker ניתן לאגור ואת היכולת שלה להתמודד עם חום. שתי אפשרויות נפוצות בשוק כיום הן אוקسيد ליתיום-קובלט (LCO) ופוספט ברזל ליתיום (LFP). בעוד ש-LCO מספק יכולות ausgezeichnetות ביחס לאגירת אנרגיה, הוא נוטה להיות בעייתי כאשר הטמפרטורות עולות, מה שעושה אותו פחות בטוח באופן כללי. מאידך, חומרים מסוג LFP בטוחים בהרבה יותר ומסתגלים טוב יותר לחום, אם כי הם פשוט לא מצפינים כמות גדולה של אנרגיה מבחינת צפיפות האנרגיה. בהסתכלות על מה שקורה כיום בתחום הסוללות, רבים מייצרים פונים לכיוון שילובים של NMC הכוללים ניקל, מנגן וקובלט. חומרים אלו נראים כאילו הם מצליחים להשיג איזון טוב באמצע בין תפוקת הכוח לתכונות הבטחה. לפי נתוני תעשייה, בערך 30% מהסוללות המופקות ברחבי העולם כוללות כיום סוג כלשהו של הרכב NMC, מה שמראה שחברות מעריכות ביתר שאת שיפורים בביצועים וגם תכונות ניהול תרמי אמינות.
האלקטרוליטים בתוך סוללות ליתיום-יון פועלים בעיקר כדרך עיקרית שעליה היונים נעים הלוך ושוב בין חומרי האנודה לקתודה, משהו הכרחי לחלוטין לביצועים טובים של הסוללה. לאורך רוב ההיסטוריה שלהן, הסוללות האלה הסתמכו על אלקטרוליטים נוזליים מאחר שהם מוליכים יונים בצורה מצוינת. אך בשנים האחרונות צוברות תאוצה דאגות בקשר לבעיות ביטחון - יותר מדי תקריות של סוללות שנמסות ואף שריפות אילצו חוקרים לפנות לפיתוח אלטרנטיבות מוצקות. אלקטרוליטים מוצקים מציעים ביטחון טוב יותר מאחר שהם לא בוערים בקלות, מה שפוחת את סיכויי הפיצוצים המסוכנים בסוללות שאנו שומעים עליהם מדי פעם. עבודות אחרונות שפורסמו במקורות כמו אלקטרוכימיקה אקטא מראות שהמדענים מתקדמים בהצלחה בשיפור מוליכות היונים בכלל וביציבות הכוללת של האלקטרוליטים המוצקים. אם המאמצים האלה יצליחו, זה עלול להוביל לסוללות בטוחות יותר בכל מיני מכשירים - מהטלפונים החכמים ועד לרכביו חשמליים בקרוב המידדי.
המפרידים הפנימיים בבטריות ליתיום יון תופסים תפקיד חשוב בהפסקת מעגלי קצר על ידי יצירת מחסום בין האנודה לקתודה, תוך העברת יונים דרכם. בשנים האחרונות, הייתה קיימת חדשנות רבה במטרה לשכלל את תפקודם של מפרידים אלו ולשפר את הבטחה שלהם. חומרים כגון אופציות מוקשות בקרמיקה מציעים התנגדות לחום טובה בהרבה, מה שפירושו שהם לא מתקלקלים בקלות כשהטמפרטורה עולה. על פי ממצאים שפורסמו בJournal of Membrane Science, המפרידים המתקדמים הללו אכן מפחיתים את ההתנגדות הפנימית בתוך תא הבטריה. זה גורם לא רק לפעולת בטחה אלא גם גורם לבטריה כולה לפעול בצורה יעילה יותר. מחקרים רבים תומכים בכך, ומציגים עד כמה חשוב תכנון מפריד טוב כדי להאריך את חיי המכשירים שמנועים בטכנולוגיית ליתיום יון.
היכרות עם אופן הפעולה של חיבורי סדרה ומקביל של תאים היא קריטית כדי לה sac максימום מהכורים. כאשר מחברים תאים בשרשרת, הם מחוברים אחד לשני בזה אחר זה, מה שמעלה את מתח הפלט מבלי לשנות את הקיבולת הכוללת. סידור זה פועל טוב במקרי שימוש בהם יש צורך במתחים גבוהים, לדוגמה ברכב חשמלי או במערכות סולאריות מסוימות. מאידך, חיבורים במקביל שומרים על רמת המתח דומה למה שמייצר תא בודד, אך מגדילים את הקיבולת הכוללת. זה הופך אותם למתאימים למשהו כמו מערכות אגירת סולאר אנרגיה שצריכות לפעול זמן רב יותר לפני שהטעינה נגמרת. הבחירה באמת תלויה בצרכים הספציפיים של היישום.
דמיינו סדרות הגדרות כמו הוספת נתיבים נוספים בכביש מהיר כך שיותר מכוניות (או מתח) יוכלו לזוז בו בו-זמנית. מערכות מקבילות פועלות אחרת - הן דומות לרחבות כביש קיים כדי לאפשר משאיות גדולות יותר (מה שמייצג עלייה בכושר האיחסון). ניקח לדוגמה מכוניות - רוב יצרני רכב חשמליים מעדיפים חיבורים סדרתיים מכיוון שהמנועים החשמליים זקוקים לעוד מתח כדי להתחיל לפעול כראוי. אך כשמדובר באיחסון פתרונות אנרגיה סולארית, חברות נוטות להעדיף חיבורים מקבילים מאחר והמערכות הללו מספקות שטח איחסון גדול בהרבה, מה שנשמע הגיוני אם אנו רוצים שהמערכות לאנרגיה מתחדשת יאחסנו מספיק כוח גם בימים מעוננים.
שמירה על הטמפרטורה הנכונה היא חשובה מאוד כדי להבטיח שהסוללות ימשיכו לעבוד בצורה תקינה ובטוחה. במהלך מחזורי הטעינה והפריקה של הסוללות, נוצרת פנימה חום. אם לא מטפלים בכך, החום שנצבר יכול להשפיע לרעה על ביצועי הסוללה לאורך זמן, ואף לגרום situations. לכן, מהנדסים תכננו מערכות מיוחדות כדי לשמור על קור ליבה של חבילות הסוללות. ישנן שתי גישות עיקריות לקרור שלהן. גישות פאסיביות שמתבססות על חומרים בעלי מוליכות טובה או על מסלולים תרמיים משופרים בתכנון עצמו. קירור אקטיבי מוסיף רכיבים פיזיים למערכת, כמו מנורות קטנות שפוחות אוויר על פני התאים או מערכות סירקולציה של נוזל שמטרתן למשוך את החום מחלקים רגישים לפני שהוא עלול לגרום לבעיות.
שיפורים טכנולוגיים עדכניים שיפרו משמעותית את פתרונות הניהול התרמי, ואנו יכולים לראות זאת בפועל. קחו לדוגמה רכבים חשמליים - רבים מהם מצוידים כיום במערכות קירור מתקדמות המותקנות בתוך חבילות הסוללות שלהן. מערכות אלו מותאמות להפעלה חלקה גם כאשר הטמפרטורות משתנות במידה ניכרת, מה שמאריך את חיי הסוללות ומעדפת את הצורך להחלפתן. הן גם מונעות מצבים מסוכנים הנקראים '런away תרמי'. על פי מחקרים שונים ובדיקות בשטח, טכנולוגיות הקירור הללו אכן תורמות להבדל משמעותי בביצועי הסוללות. חבילות הסוללות מוגנות ופועלות כמתוכנן לאורך מחזור החיים שלהן, מבלי להיתקל בתקלות פתעיות או ירידה בקיבולת.
מערכות ניהול סוללות, או בקיצור BMS, חשובות מאוד לשמירה על הבטחה ועל תפקוד תקין של חבילות הסוללות, שכן הן בודקות כל הזמן דברים כמו רמות מתח וחום של הסוללות. ללא תצפית מתאימה, יכולים להתרחש בעיות כמו חימום יתר או קפיצות מתח חריגות,דבר שלא ירצה איש כשמדובר בחבילות סוללות. ברוב מערכות ה-BMS יש נקודות התראה מובנות למדידת טמפרטורה ומתח. כאשר המספרים האלה עוברים את התחומים הרגילים, המערכת מפעילה אמצעי זהירות כדי למנוע כשלים פוטנציאליים או מצבים מסוכנים. לדוגמה, סוללות ליתיום יון - רבים מייצרים קובעים שהמנועים לקרר יופנו כשהטמפרטורה מגיעה ל-60 מעלות צלזיוס. מחקר חדש של האוניברסיטה של קליפורניה הראה שמעקב אחר BMS טוב מאריך את חיי הסוללה ב-30% בערך, ובעזרת זה גם מגדיל את הבטחה בהפעלה. שליטה בפרמטרים המרכזיים האלה אומרת שסוללות המנוצות על ידי אנרגיה שמשית נמשכות זמן רב יותר ופועלת טוב יותר לאורך זמן, מה שמאוד חשוב ליישומים של אנרגיה מתחדשת.
מערכות ניהול סוללות (BMS) משחקות תפקיד מפתח בשמירה על תפקוד אחיד ומסודר של כל תאי הסוללה במערכות סוללות סולאריות, בעיקר באמצעות שליטה מדויקת בתהליכי פריקה וטעינה. כאשר האנרגיה מופצת בצורה שווה בכל הסוללה, מערכות אלו תורמות לשיפור משמעותי בכמות האנרגיה הסולארית שנשמרת. מחקרים מצביעים על כך שНастройка נכונה של מערכת BMS יכולה להגביר את יעילות האחסון בכ-15 אחוזים. מבחינת השימוש בפועל, הדבר ניכר בשתי דרכים: שיפור בביצועים הכלליים של המערכת, וגם הארכת חיי הסוללה. בין אם מתקינים פאנלים סולאריים בבית ובין אם מדובר במערכות גדולות יותר, התקנה של מערכת BMS איכותית עושה את כל ההבדל. ללא מערכת כזו, אנשים נאלצים להחליף סוללות בתדירות רבה מדי, במקום להינות משנות רבות של תפקוד עקבי מהמערכת הסולארית.
כימיה של סוללות היא חשובה במיוחד מבחינת הביצועים שלהן, במיוחד במערכות סולאריות. רוב הסוללות הרגילות של ליתיום-יון מכילות בתוכן אוקسيد ליתיום-קובלט או אוקسيد ליתיום-מנגן. אך חבילות סוללה המותאמות לתחום הסולארי נוטות להשתמש בסוג אחר - ליתיום ברזל פוס페이ט (LiFePO4), מאחר וחומר זה מציע תכונות ביטחון טובות יותר ואריכות טווח משמעותית לאורך זמן. ההבדל בהרכב הכימי מאפשר לסוללות סולאריות אלו לעמוד במחזורים רבים יותר של טעינה ופריקה בהשוואה לסוללות ליתיום-יון רגילות. מחקרים מצביעים על כך ש-LiFePO4 מספקת לא רק מחזור חיים ארוך יותר אלא גם עמידות טובה יותר בטמפרטורות גבוהות - תכונה שמאוד חשובה למערכות אגירת סולאריות, שכן הן נדרשות לפעול במחזורים קבועים לאורך שעות היום. כל אלו תורמים לביצועים משופרים ואריכות חיים ממושכת, ולכן לא מפתיע שכמה מהרוכשים בוחרים בטכנולוגיית LiFePO4 כשמתקינים מערכות סולאריות ב domiciles.
בעת בניית חבילות סוללות למערכות סולאריות ביתיות, יש הרבה דברים שחשובים כדי שיעבדו טוב לאורך זמן. הדברים המרכזיים שעליהם מביטים כוללים את מספר הפעמים שהסוללה יכולה להיטען ולפרוק לפני שהיא נבלת, מהירות הטעינה שלה, ומהו תפוקת הכוח שהיא מספקת במהלך מעגלי הטעינה והפריקה. כל הפקטורים האלה משפיעים על היעילות והעמידות של הסוללה הסולארית בפועל. עיצובים טובים צריכים להתאים את עצמם לצריכת האנרגיה המשתנה של הבית מבלי לאבד את היתרון ביעילות. לדוגמה, Take Tesla's Powerwall – המוצר הזה זכה בפופולריות בקרב בעלי בתים שמחפשים פתרונות לאחסון אנרגיה מהימנים. הוא מאחסן את האור השמשי העודף שנוצר במהלך היום ומשחרר אותו חזרה לבית בכל פעם שמחירים חשמל עולים או כשאין גישה לרשת החשמל. התבוננות ביישומים מהעולם האמיתי כמו זה עוזרת להדגיש למה בחירות עיצוב מסוימות כל כך חשובות להארכת חיי הסוללה ולשיפור הביצועים הכולל של מערכת הסולארית להתקנות ביתיות.
עולם הסוללות עובר שינוי מהפכני עם התפתחויות חדשות באנודות סיליקון. אלו מציעות יכולת אחסון מתקדמת בהשוואה לאנודות גרפיט המסורתיות. לסיליקון יש פוטנציאל לשמור כמות של יונים של ליתיום הגבוהה פי עשרה מהיכולת של גרפיט, מה שאומר שסוללות יכולות להיות בעלות ספק כוח גבוה בהרבה. יצרני מכשירים צרכניים וחברות מכוניות חשמליות כבר אימצו את הטכנולוגיה של אנודות סיליקון, מאחר שמכשורים שלהם נמשכים לאורך זמן רב יותר בין טעינות, וכן מציגים ביצועים מתקדמים יותר. מחקר שפורסם ב- Journal of Power Sources גילה שהשדרוג הזה אכן מעלה את הקיבולת בכ-40 אחוז, מה שעוזר לשפר את הביצועים במכשירים שדורשים כמות גדולה של חשמל. מעבר למכשורים שלנו ולמכוניות, הטכנולוגיה הזו גם מתקדמת את מערכות הסוללות לאמצעי אחסון סולריים. עוד ועוד בתי מגורים מתחילים לאמץ פתרונות אלו לשמירה על האנרגיה הסולרית שנאספת ביום, לצורך שימוש בלילה או בימים ענקיים.
אלקטרוליטים מוצקים מייצגים קפיצת מדרגה משמעותי ביחס לאלקטרוליטים הנוזליים הישנים, ומביאים עימם שיפורים בבטחה ובביצועים הכלליים של סוללות היום. היתרונות העיקריים? אין עוד דליפות! בנוסף, הם אינם סובלים מהתופעות המסוכנות של התרצה תרמלית הרבות בסוללות קיימות. שינוי בגישה זו מאפשר לייצרנים להסתמך פחות על נוזלים דליקים, מה שמוביל לחבילות סוללה יציבות בהרבה מידה. מחקר מתוך כתב העת Journal of Materials Chemistry A מראה שאופציות האלקטרוליטים המוצקים נמשכות לאורך זמן רב יותר ומסתגלות לטמפרטורות גבוהות בצורה טובה יותר - נושא משמעותי במיוחד לטלפונים, מחשבים ניידים, וכמובן לרכב חשמלי. מה שמייחד אותן עוד יותר הוא היכולת לשרוד תנאים קיצוניים מבלי להתפרק. אנחנו מתחילים לראות אותן גם במערכות אגירת סולאריות ביתיות, כאשר אמינות היא קריטית כשמסמיכים על טכנולוגיית ליתיום יון מתקדמת לצורך אספקת החשמל היומיומי.