ما هي أنواع بطاريات ليثيوم فوسفات الحديد؟

مصنع بطاريات ليثيوم فوسفات الحديد ، والتي يشار إليها باسم LiFePO₄ أو LFP، تمثل فئة متميزة من كيمياء أيونات الليثيوم التي تستخدم الحديد والفوسفات كمادة الكاثود. في حين أن جميع بطاريات LFP تشترك في الخصائص الكيميائية الأساسية التي توفر الاستقرار الحراري المتأصل ودورة حياة طويلة، إلا أنها ليست منتجًا متجانسًا. تحدد الاختلافات في بنائها وعامل الشكل والتكامل الداخلي أنواعًا محددة مناسبة لتطبيقات مختلفة.

1. التصنيف حسب عامل شكل الخلية

يعد الشكل المادي وبناء خلايا LFP الفردية عامل تمييز أساسي، حيث يؤثر على كثافة طاقة البطارية، والإدارة الحرارية، وقابلية التوسع، وعملية التصنيع.

1.1. الخلايا الأسطوانية

تتميز هذه الخلايا بغلاف معدني أسطواني صلب ومألوف، يشبه في مظهره الخلايا القلوية المنزلية الشائعة ولكنه أكبر في الحجم، مثل تنسيقات 18650 أو 21700.

الهيكل والصفات: يتم لف الأقطاب الكهربائية في "جيلي رول" ويتم وضعها داخل غلاف أسطواني من الفولاذ أو الألومنيوم. يوفر هذا الهيكل المتانة الميكانيكية ويسمح بالتصنيع الآلي عالي السرعة. يمكن للشكل الأسطواني أن يخلق تعبئة فعالة في بعض السياقات، لكن الفجوات بين الخلايا في الوحدة يمكن أن تقلل من كثافة الطاقة الحجمية الإجمالية.

التطبيقات الشائعة: يُستخدم عامل الشكل هذا بشكل متكرر في التطبيقات التي يتم فيها تقييم المتانة العالية واتساق التصنيع المؤكد. تشمل الأمثلة المحركات الكهربائية في بعض المركبات، وأدوات الطاقة، وبعض محطات الطاقة المحمولة حيث يمكن للقوة الكامنة في الخلية أن تتحمل الضغوط الداخلية.

1.2. الخلايا المنشورية

يتم وضع الخلايا المنشورية في علبة صلبة مستطيلة الشكل من الألومنيوم أو الفولاذ.

الهيكل والسمات: تكون الأقطاب الكهربائية إما مكدسة أو ملفوفة في تكوين مسطح. يسمح الشكل المستطيل باستخدام المساحة بكفاءة عند تجميعها معًا في حزمة بطارية، والمساحة الميتة وتحقيق كثافة تعبئة عالية. وهذا يجعلها مناسبة للتطبيقات التي يمثل فيها الحجم عائقًا حاسمًا. كما تسهل الأسطح الكبيرة المسطحة الإدارة الحرارية.

التطبيقات الشائعة: هذا هو عامل الشكل السائد في العديد من السيارات الكهربائية الحديثة، حيث يتم تحسين المساحة داخل هيكل السيارة. كما أنها تستخدم على نطاق واسع في أنظمة تخزين الطاقة السكنية والتجارية، حيث أن شكلها الذي يشبه الكتلة يبسط التجميع في وحدات كبيرة مثبتة على حامل.

1.3. خلايا الحقيبة

تستخدم الخلايا الحقيبةية، المعروفة أيضًا باسم الخلايا الصفائحية، رقائق مرنة متعددة الطبقات كغلاف خارجي لها، على غرار العبوة محكمة الغلق بالفراغ.

الهيكل والسمات: بدون غلاف معدني صلب، توفر خلايا الحقيبة تصميمًا خفيف الوزن وموفر للمساحة. يمكن أن تكون رفيعة نسبيًا ومصممة لتناسب مساحات معينة. الاعتبار الأساسي هو أنها تتطلب دعمًا خارجيًا داخل حزمة البطارية لمنع التورم والحفاظ على السلامة الهيكلية تحت الضغط.

التطبيقات الشائعة: مرونتها في الشكل وخفة الوزن تجعلها مناسبة للتطبيقات التي يتم فيها إعطاء الأولوية لهذه العوامل، كما هو الحال في بعض الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية، والمركبات الكهربائية منخفضة السرعة، وتطبيقات الفضاء الجوي المحددة حيث يكون كل جرام مهمًا.

2. التصنيف حسب التكامل والتصميم الوظيفي

بعيدًا عن الخلية الفردية، غالبًا ما يتم تصنيف بطاريات LFP بناءً على مستوى التكامل والوظيفة الجاهزة للاستخدام.

2.1. الخلايا والوحدات الفردية

على المستوى الأساسي، تعتبر خلايا LFP الفردية هي اللبنات الأساسية. الوحدة عبارة عن تجميع لخلايا متعددة متصلة على التوالي و/أو بالتوازي، غالبًا مع إطار للدعم الهيكلي وأحيانًا تتضمن دائرة مراقبة بدائية. يتم بيعها عادةً إلى الشركات المصنعة للمعدات الأصلية أو شركات تكامل الأنظمة التي تصمم حزم بطاريات مخصصة مع أنظمة إدارة البطارية ومرفقاتها الخاصة.

2.2. حزم البطاريات المتكاملة مع BMS

يشير هذا النوع إلى وحدة متكاملة تمامًا لا تتضمن خلايا LFP فحسب، بل تتضمن أيضًا نظامًا شاملاً لإدارة البطارية وأنظمة الإدارة الحرارية وصمامات الأمان والغلاف الخارجي القوي. يعد BMS مكونًا مهمًا يراقب جهد الخلية ودرجة الحرارة وحالة الشحن، ويضمن الشحن المتوازن، ويحمي البطارية من العمل خارج نافذتها الآمنة.

التطبيقات الشائعة: تشمل هذه الفئة جميع منتجات LFP التي تواجه المستهلك تقريبًا، مثل أنظمة تخزين الطاقة الكاملة لتركيبات الطاقة الشمسية ومحطات الطاقة المحمولة للتخييم والطاقة الاحتياطية والبطاريات البديلة لعربات الجولف والتطبيقات البحرية.

3. التصنيف حسب التطبيق والتكوين المحدد

غالبًا ما يحدد تطبيق الاستخدام النهائي طبقة ثالثة من التصنيف، حيث يتم تصميم التكوين الداخلي والميزات الخارجية لغرض محدد.

3.1. بطاريات التشغيل والإضاءة والإشعال

هذه بطاريات LFP مصممة لتحل محل بطاريات الرصاص الحمضية في المركبات. لقد تم تكوينها لتوفير أمبيرات تدوير عالية لبدء تشغيل المحركات بينما تكون أخف وزنًا بشكل ملحوظ ولها دورة حياة أطول من نظيراتها من حمض الرصاص. وهي تستخدم عادة في السيارات والدراجات النارية والقوارب والمركبات الترفيهية.

3.2. بطاريات تخزين الطاقة ذات الدورة العميقة

تم تصميم هذا النوع للتطبيقات التي يتم فيها تفريغ البطارية وإعادة شحنها بانتظام من خلال جزء كبير من سعتها. لقد تم تحسينها لدورة الحياة بدلاً من ذروة إنتاج الطاقة. تشمل الأمثلة بطاريات أنظمة الطاقة الشمسية خارج الشبكة، وأجهزة تنظيف الأرضيات الكهربائية، ومحركات التصيد. يمكن تهيئتها للعمل بالجهد المنخفض (12 فولت، 24 فولت، 48 فولت) أو الجهد العالي، وفقًا لمتطلبات النظام.