چرا ولتاژ اسمی سلولهای باتری لیتیوم یون 3.7 ولت است؟

وقتی باتری ها را از تلفن های هوشمند ، بانک های برق یا وسایل نقلیه برقی جدا می کنیم ، همیشه با مارک ولتاژ اسمی برجسته "3.7 ولت" روبرو می شویم. به نظر می رسد این تعداد "کد ژنتیکی" باتری های لیتیوم یون است ، اما منشأ آن در تعامل یک قرن بین علوم مواد ، اصول الکتروشیمیایی و شیوه های صنعتی است. در این مقاله رمز و راز ولتاژ 3.7 ولت از شش بعد به زبان ساده پرده برداری می شود.

I. "نردبان انرژی" جهان اتمی: ولتاژ از کجا آمده است؟

ولتاژ باتری های لیتیوم اساساً ناشی از واکنشهای ردوکس است که بین مواد کاتد و آند در هنگام شارژ و تخلیه رخ می دهد. متداول ترین کاتد اکسید کبالت لیتیوم (Licoo₂) و آند گرافیت را به عنوان نمونه بگیرید:

• در حین شارژ: یون های لیتیوم (li⁺) "فرار" از شبکه کریستالی Licoo₂ و "شنا" از طریق الکترولیت تا در بین لایه های گرافیتی قرار بگیرند. این فرآیند شبیه به بلند کردن یک شیء سنگین به ارتفاع است و نیاز به مصرف انرژی دارد (انرژی الکتریکی تبدیل شده به انرژی شیمیایی).
• در حین تخلیه: یون های لیتیوم "به عقب" از لایه های گرافیت به شبکه کریستالی Licoo₂ "عقب می کشند". مانند یک جسم سنگین که از یک ارتفاع در حال سقوط است و انرژی را آزاد می کند (انرژی شیمیایی تبدیل به انرژی الکتریکی).

این تفاوت انرژی بین "بلند کردن" و "افتادن" از نظر جسمی به عنوان ولتاژ تجلی می یابد. محاسبات شیمیایی کوانتومی نشان می دهد که پتانسیل استخراج لیتیوم یون لیتیوم حدود 4.1 ولت (نسبت به لیتیوم فلزی) است ، در حالی که پتانسیل متقابل لیتیوم یون گرافیت نزدیک به {2}} 1 ولت است. پس از کسر تلفات انرژی در حین شارژ و تخلیه (اثرات قطبی سازی) ، پلت فرم ولتاژ قابل استفاده واقعی در محدوده 3 {5}}} 2 ولت قرار می گیرد.

ii. "نسبت طلایی" ترکیبات مواد: چرا 3.7 ولت را انتخاب کنید؟

دانشمندان با صدها ترکیب مواد آزمایش کرده اند ، اما سیستم 3.7 ولت از این رو برجسته است زیرا باعث تعادل در "تثلیث غیرممکن" چگالی انرژی ، ایمنی و هزینه می شود:

ترکیب Licoo₂ + گرافیت مانند "جنگجو شش ضلعی" است: اگرچه کبالت گران است ، اما ساختار لایه ای پایدار و ضریب انتشار لیتیوم متوسط ​​آن باعث می شود که باتری نه مستعد تخریب مانند limn₂o₄ باشد و نه در معرض "احتراق" مانند NCA باشد. پلت فرم ولتاژ 3.7 ولت ضمن جلوگیری از تلفات بیش از حد قطبش ، حداکثر تولید انرژی را به حداکثر می رساند.

iii "وابستگی مسیر" از انتخاب تاریخی: تنظیم شده توسط الکترونیک مصرفی

استاندارد سازی ولتاژ 3.7 ولت در اصل شکل گیری معکوس از طراحی منبع تغذیه توسط الکترونیک مصرفی است. آیفون نسل اول در سال 2007 باتری اکسید لیتیوم کبالت را با ولتاژ اسمی 3.7 ولت اتخاذ کرد که به الگوی طراحی های بعدی گوشی های هوشمند تبدیل شد. این استاندارد سه مزیت اصلی را به همراه می آورد:

1 ، مدیریت شارژ ساده: استاندارد 5 ولت رابط USB را می توان از طریق یک مبدل ساده DC-DC به ولتاژ برش شارژ 4.2 ولت کاهش داد و نیاز به مدارهای پیچیده را از بین برد.

2 ، طراحی مدار حفاظت: ولتاژ برش تخلیه 3.

3 ، بهینه سازی سری چند سلولی: دو سلول 3.7 ولت در سری می توانند به 7.4 ولت برسند ، مناسب برای دستگاه های ولتاژ بالا مانند لپ تاپ های بدون مدارهای تقویت کننده اضافی.

این تحرک طراحی امروز ادامه دارد. حتی در میدان وسیله نقلیه الکتریکی ، بسته های باتری متشکل از صدها سلول 3.7 ولت از طریق توپولوژی های پیچیده هنوز این میراث تاریخی را به جلو می برد. بسته باتری Tesla Model S شامل سلولهای 7 ، {3}} (هر 3.7 ولت) است که ولتاژ کل به 400 ولت رسیده است.

IV "طبیعت پویا" از سکوهای ولتاژ: بینش از منحنی های شارژ شارژ

اندازه گیری های واقعی منحنی های تخلیه بار باتری لیتیوم یون نشان می دهد که 3.7 ولت یک مقدار ثابت نیست بلکه تابعی از وضعیت شارژ (SOC) است. گرفتن یک سیستم معمولی NCM523\/گرافیت به عنوان نمونه:

• در حین شارژ: ولتاژ به سرعت از 3 افزایش می یابد. {1}} V به 3.7 ولت (حدود 30 ٪ SOC) ، سپس وارد یک بازه شارژ ولتاژ ثابت در 4.2 ولت می شود.
• در حین تخلیه: ولتاژ به آرامی از 4.2 ولت به 3.7 ولت (حدود 70 ٪ SOC) کاهش می یابد و به دنبال آن یک منحنی افت ولتاژ شیب دار.

به عنوان نقطه تورم منحنی شارژ شارژ ، 3.7 ولت با نقطه بحرانی میزان انتشار یون لیتیوم مطابقت دارد. در این مرحله ، سایت های فعال موجود در مواد الکترود نه کاملاً اشباع شده و نه بیش از حد لیتیوم تخلیه شده ، در حالت بهینه کار می کنند. مانند "سرعت" در حین دویدن ، خیلی سریع منجر به خستگی می شود ، منجر به ناکارآمدی می شود و 3.7V دقیقاً "نقطه شیرین" برای راندمان تبدیل انرژی است.

V. "ملاحظات واقع بینانه" از شیوه های صنعتی: بازی هزینه و فرآیند

تشکیل ولتاژ 3.7 ولت نیز به شدت تحت تأثیر فرآیندهای تولید و هزینه ها است:

جداکننده و سازگاری الکترولیت: سیستم 3.7 ولت برای تخلخل جداکننده و هدایت یونی الکترولیت ، از تجزیه و تحلیل الکترولیت به دلیل ولتاژ بیش از حد یا کاهش تراکم انرژی به دلیل ولتاژ کافی جلوگیری می کند.

فرآیند پوشش الکترود: توزیع اندازه ذرات اکسید کبالت لیتیوم و ضخامت پوشش های گرافیتی به مرور زمان بهینه شده است و یک مسابقه بهینه با سیستم 3.7V تشکیل می دهد. افزایش اجباری ولتاژ ممکن است نیاز به طراحی مجدد خطوط تولید داشته باشد.

بلوغ زنجیره تأمین: پس از دو دهه توسعه ، زنجیره تأمین سیستم 3.7 ولت بسیار بالغ است و یک حلقه بسته کامل از استخراج مواد اولیه تا بازیافت باتری تشکیل می دهد. هرگونه تغییر در سکوی ولتاژ باعث تنظیم قابل توجه زنجیره صنعتی خواهد شد.

vi روندهای آینده: "وراثت و دستیابی به موفقیت" 3.7 ولت

با وجود تسلط بر بازار بیش از دو دهه ، تکامل تکنولوژیکی باعث ایجاد الگوی ولتاژ جدید می شود:

مواد کاتدی با ولتاژ بالا: با افزایش محتوای نیکل (به عنوان مثال ، NCM811) یا اتخاذ مواد مبتنی بر منگنز غنی از لیتیوم ، ولتاژ برش شارژ را می توان به بالاتر از 4.5 ولت افزایش داد ، به طور بالقوه به ولتاژ سلول بالاتر از 4.

آنگاه های کامپوزیت سیلیکون-کربن: ترکیب ذرات نانو سیلیکون در گرافیت می تواند سکوی تخلیه را به زیر {2}} 3 ولت کاهش دهد بدون اینکه عملکرد چرخه را به طور قابل توجهی قربانی کند ، در نتیجه پنجره ولتاژ را گسترش می دهد.

فن آوری الکترولیت حالت جامد: استفاده از الکترولیتهای سولفید یا اکسید حالت جامد ممکن است محدودیت های پنجره الکتروشیمیایی الکترولیتهای آلی سنتی را از بین ببرد و سیستم های ولتاژ با ولتاژ بالا 5 ولت را قادر سازد.

این تحولات فن آوری ، استانداردهای ولتاژ باتری لیتیوم یون را تعریف می کند ، اما به عنوان یک نقطه عطف که گذشته و آینده را بر عهده دارد ، 3.7V همچنان نقش مهمی در آینده قابل پیش بینی دارد. مانند دوره انتقال از وسایل نقلیه موتور احتراق داخلی به وسایل نقلیه برقی ، سیستم 3.7 ولت به عنوان "موتور انتقالی" انقلاب انرژی جدید خدمت می کند.

نتیجه گیری: فلسفه تکنولوژیکی پشت 3.7 ولت

از دنیای میکروسکوپی شیمی کوانتومی گرفته تا کاربردهای ماکروسکوپی وسایل نقلیه برقی ، ولتاژ سلول 3.7 ولت درک عمیق بشریت از تبدیل انرژی را محاصره می کند. این نه تنها تقاطع علوم مواد ، تئوری الکتروشیمیایی و تمرین مهندسی است بلکه یک نمونه مهم از وابستگی به مسیر تکامل تکنولوژیکی است. هنگامی که ما از راحتی زندگی بی سیم با دستگاه های تلفن همراه در دست لذت می بریم ، نباید تلاش های دقیق مهندسان بی شماری را در Nanoscale و خرد عمیق تعبیه شده در انتخاب پلت فرم ولتاژ فراموش کنیم. با پیشرفت انقلاب انرژی جدید ، 3.7 ولت ممکن است سرانجام به یک پاورقی تاریخی تبدیل شود ، اما پارادایم های فناوری و منطق نوآورانه ای که ایجاد کرده است ، به هدایت جهت آینده فناوری ذخیره سازی انرژی ادامه خواهد داد.