وبلاگ
باتری لیتیومی چیست؟
باتری لیتیومی چیست؟ نوعی فناوری باتری قابل شارژ است که از خواص منحصر به فرد لیتیوم، سبک‌ترین فلز در بین تمام فلزات، بهره می‌برد. باتری‌های لیتیومی از لیتیوم فلزی به عنوان ماده آند استفاده می‌کنند. این باتری‌ها به دلیل هزینه بالا به ازای هر واحد و چگالی انرژی بالا، در مقایسه با سایر باتری‌ها کاملاً منحصر به فرد هستند.
باتری لیتیومی بر اساس اصل جذب و دفع یون‌های لیتیوم از یک ماده الکترود مثبت و یک ماده الکترود منفی عمل می‌کند که رایج‌ترین نوع آن باتری لیتیوم-یونی است. باتری‌های لیتیوم-یونی در طول سال‌ها به طور فزاینده‌ای محبوب شده‌اند و دلیل استفاده‌ی گسترده از آنها …
تاریخچه کوتاهی از باتری لیتیوم-یون
ایده باتری لیتیوم-یونی اولین بار در دهه ۱۹۷۰ مطرح شد، زمانی که شیمیدان انگلیسی، استنلی ویتینگهام، در حال اختراع باتری‌ای بود که می‌توانست به مرور زمان خود را شارژ کند. او سعی کرد از دی‌سولفید تیتانیوم و فلز لیتیوم به عنوان الکترود استفاده کند، اما این کار باعث اتصال کوتاه باتری‌ها و انفجار آنها می‌شد.
در طول دهه ۱۹۸۰، آزمایش‌های بیشتری که توسط جان گودیناف و سپس آکیرا یوشینو انجام شد، ثابت کرد که حذف فلز لیتیوم، باتری را ایمن‌تر می‌کند. و اینگونه بود که توسعه باتری لیتیوم-یون آغاز شد.
در دهه ۱۹۹۰، فناوری لیتیوم-یون شروع به جلب توجه مردم کرد و به سرعت محبوبیت خود را افزایش داد. این زمانی بود که اولین سلول‌های تجاری توسط شرکت سونی تولید شدند. نگرانی‌های ایمنی در مورد باتری لیتیوم-یون باعث توسعه باتری لیتیوم-یون شد. در حالی که باتری‌های لیتیوم-یون چگالی انرژی بالاتری دارند، باتری لیتیوم-یون هنگام شارژ و دشارژ با استفاده از دستورالعمل‌های ایمنی خاص بسیار ایمن است.
امروزه، پنج تولیدکننده برتر باتری لیتیوم-یون عبارتند از؛
سامسونگ SDI (کره)
CATL (چین)
شرکت ال‌جی کمیکال (کره)
پاناسونیک (ژاپن)
بی وای دی
تفاوت بین باتری‌های لیتیومی و لیتیوم-یونی چیست؟
تفاوت اصلی بین سلول‌های لیتیومی و سلول‌های لیتیوم-یونی این است که باتری‌های لیتیوم-یونی قابل شارژ هستند، در حالی که همتایان آنها این قابلیت را ندارند. سلول‌های لیتیوم-یونی چرخه‌های شارژ/دشارژ دارند که تا هزاران بار ادامه می‌یابد. اگر این دو نوع باتری را بدون استفاده روی قفسه بگذارید، باتری‌های لیتیوم-یونی حدود دو یا سه سال دوام می‌آورند، در حالی که باتری لیتیومی عمر مفید بیشتری تا 10 تا 12 سال دارد.
باتری‌های لیتیومی از چه ساخته شده‌اند؟
باتری لیتیوم-یون از چهار جزء اصلی تشکیل شده است:
- این شامل آندی است که جریان الکتریکی را از طریق یک مدار خارجی عبور می‌دهد؛ آند یون‌های لیتیوم را هنگام شارژ باتری ذخیره می‌کند.
- دوم کاتد است که وظیفه تعیین ولتاژ و ظرفیت باتری را بر عهده دارد؛ این کاتد منبع یون‌های لیتیوم است.
- سپس، الکترولیت وجود دارد که به عنوان مجرای یون‌های لیتیوم بین کاتد و آند عمل می‌کند؛ این الکترولیت از مواد افزودنی، حلال‌ها و نمک‌ها تشکیل شده است.
- در نهایت، جداکننده را داریم که یک مانع فیزیکی با عملکرد دور نگه داشتن کاتد و آند از یکدیگر است.
باتری‌های لیتیوم-یونی چگونه کار می‌کنند؟
همانطور که گفته شد، جداکننده در باتری‌های لیتیومی، یون‌های لیتیوم را از طریق الکترولیت از کاتد به آند و برعکس منتقل می‌کند. با حرکت یون‌های لیتیوم، الکترون‌های آزاد در آند فعال می‌شوند که باعث ایجاد بار در جمع‌کننده جریان مثبت می‌شود. سپس، جریانی از آن جریان الکتریکی از طریق دستگاه تغذیه‌شده (گوشی موبایل، لپ‌تاپ‌ها و غیره) به جمع‌کننده جریان منفی جریان می‌یابد. جریان الکترون‌ها درون باتری توسط جداکننده مسدود می‌شود.
وقتی دستگاه‌های الکترونیکی خود را برای شارژ به برق وصل می‌کنید، کاتد یون‌های لیتیوم آزاد می‌کند و آند آنها را دریافت می‌کند تا شارژ مجدد باتری تضمین شود. در حالی که در طول فرآیند دشارژ، یون‌های لیتیوم توسط آند آزاد شده و توسط کاتد دریافت می‌شوند و در نتیجه جریانی از الکترون‌ها از یک سر به سر دیگر تولید می‌شود.
اجزای داخلی باتری لیتیوم-یون
اگر باتری لیتیومی را باز کنید (توصیه نمی‌شود)، موارد زیر را مشاهده خواهید کرد؛
- سلول‌های لیتیوم-یون : آنها می‌توانند به صورت منشوری، استوانه‌ای یا کیسه‌ای (معروف به لیتیوم پلیمر) باشند.
- نمایشگر وضعیت شارژ باتری: این یک کامپیوتر کوچک است که فرآیند شارژ باتری را کنترل می‌کند.
- ولتاژ تَپ: وظیفه نظارت بر ظرفیت انرژی تک تک سلول‌های باتری‌ها را بر عهده دارد.
- رابط نوت‌بوک: جریان روان اطلاعات و برق را به داخل و خارج باتری امکان‌پذیر می‌کند.
- مدار تنظیم‌کننده و مبدل ولتاژ: آنها سطوح ایمن جریان و ولتاژ را حفظ می‌کنند.
- حسگرهای دما: برای نظارت بر دمای باتری.
تفاوت بین باتری لیتیومی و باتری معمولی چیست؟
یک باتری لیتیوم-یونی معمولی از نظر ظاهری مشابه یک باتری معمولی است، اما تفاوت آنها در ایمنی باتری و عملکرد باتری است. باتری‌های لیتیوم-یونی چگالی انرژی بالاتری نسبت به باتری‌های معمولی دارند، به این معنی که آنها قادر به ذخیره انرژی بیشتری در همان اندازه باتری هستند.
عملکرد بهتر گاهی اوقات می‌تواند منجر به نگرانی‌های ایمنی مانند آزاد شدن انرژی ذخیره شده به صورت انفجاری شود. علاوه بر این، باتری‌های لیتیوم-یونی قابل شارژ، میزان خود-دشارژ پایینی دارند، بسیار کمتر از سایر انواع باتری‌های قابل شارژ، که به عمر بهتر باتری کمک می‌کند.
شما نمی‌توانید باتری‌های معمولی مانند باتری لیتیوم-یون را شارژ کنید. همچنین، باتری لیتیوم-یون ولتاژ کاری بالایی دارد، بنابراین برای دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل مانند MP3، دوربین‌های دیجیتال، تلفن‌های همراه و بسیاری موارد دیگر مناسب است.
انواع مختلف باتری لیتیومی چیست؟
بله، وسایل الکترونیکی از باتری‌های لیتیومی استفاده می‌کنند، اما همه آنها از یک نوع استفاده نمی‌کنند زیرا هر دستگاه باتری‌ای دارد که با آن سازگار است. ما شش نوع مختلف باتری لیتیومی را بررسی خواهیم کرد . انواع مختلف باتری‌های لیتیومی برای ذخیره انرژی به واکنش‌های شیمیایی و مواد منحصر به فرد خاص بستگی دارند. انواع باتری لیتیومی که داریم به شرح زیر است:
- تیتانات لیتیوم: برخلاف سایر ترکیبات شیمیایی، این باتری‌ها گرافیت موجود در آند را با تیتانات لیتیوم جایگزین می‌کنند و از NMC یا LMO به عنوان کاتد استفاده می‌کنند. این امر باعث می‌شود باتری فرآیند شارژ سریع‌تر و عمر طولانی‌تری داشته باشد.
- لیتیوم نیکل کبالت آلومینیوم اکسید: این باتری‌ها چرخه عمر طولانی دارند و انرژی ویژه بالایی را با توان ویژه مناسب ارائه می‌دهند. معمولاً می‌توانند مقادیر زیادی جریان را برای مدت طولانی‌تری تحویل دهند.
- اکسید کبالت منگنز لیتیوم نیکل: این نوع باتری دارای سه عنصر به عنوان مواد کاتدی (کبالت، منگنز و نیکل) است. منگنز انرژی ویژه پایینی دارد، اما بسیار پایدار است، در حالی که نیکل انرژی ویژه بالایی دارد اما پایدار نیست. بنابراین، ترکیب این دو، شیمی پایداری با انرژی ویژه بالا ایجاد می‌کند.
- اکسید منگنز لیتیوم (LMO): این باتری از اکسید منگنز لیتیوم به عنوان ماده کاتدی خود استفاده می‌کند. با این ترکیب شیمیایی، می‌تواند یک ساختار سه‌بعدی ایجاد کند که کنترل جریان را افزایش می‌دهد، مقاومت داخلی را کاهش می‌دهد و جریان یون را تقویت می‌کند، در عین حال پایداری حرارتی و ایمنی را افزایش می‌دهد.
- اکسید کبالت لیتیوم: باتری اکسید کبالت لیتیوم توان ویژه پایین و انرژی ویژه بالایی دارد. این بدان معناست که آنها می‌توانند برای مدت طولانی کار کنند و نیرو ارائه دهند، اما در کاربردهای با بار زیاد محدود هستند.
- فسفات آهن لیتیم: باتری فسفات آهن لیتیم (lifepo4) از یک الکترود کربن گرافیتی به عنوان آند و فسفات به عنوان ماده کاتد استفاده می‌کند. این باتری‌ها عمر طولانی‌تر، عملکرد الکتروشیمیایی خوب و پایداری حرارتی دارند.
کدام نوع باتری لیتیومی بهترین است؟
انواع مختلفی از باتری‌های لیتیومی وجود دارد و هر کدام مزایا و معایب خود را دارند. آنها همچنین در زمینه‌های خاصی عملکرد فوق‌العاده‌ای دارند.
بنابراین، نیازهای شما در زمینه توان، تحمل ایمنی، بودجه و کاربرد، بهترین انتخابی را که مناسب شما باشد، به شما ارائه می‌دهد.
با این حال، می‌توان گفت که باتری‌های LiFePO4 (LFP) با آستانه‌ی فرار حرارتی حدود ۵۱۸ درجه فارنهایت (۲۷۰ درجه سانتیگراد) ایمن‌ترین باتری‌ها هستند.
کاربردهای باتری‌های لیتیومی چیست؟
هیچ محدودیتی در مورد کاربرد باتری‌های لیتیوم-یونی در دنیای واقعی وجود ندارد، زیرا توسط شرکت‌های مختلف آزمایش شده و در لوازم الکترونیکی قابل حمل یا دستگاه‌های کوچک (لپ‌تاپ، دوربین فیلمبرداری، سیستم‌های ذخیره انرژی و حتی در باتری خودروهای الکتریکی ) مورد استفاده قرار گرفته است. اینها کاربردهای برتر باتری‌های لیتیومی هستند؛
- پاوربانک‌های قابل حمل: قبلاً ثابت شده است که باتری‌های لیتیومی برای تأمین انرژی لپ‌تاپ‌ها، رایانه‌ها و تلفن‌های ما کار بزرگی انجام می‌دهند. آنها همچنین از باتری‌های اسید سربی کوچک‌تر و سبک‌تر هستند. به لطف گزینه‌های باتری لیتیومی سفارشی، انتقال فناوری موجود به یک پاوربانک قابل حمل مؤثرتر می‌تواند بدون استرس انجام شود.
- سیستم‌های نظارتی یا دزدگیر در مکان‌های دورافتاده: نبود برق سیم‌کشی شده، امنیت اکثر مردم را محدود می‌کند. با این حال، می‌توانید با یک سیستم دزدگیر یا نظارتی که با باتری‌های لیتیوم-یونی کار می‌کند، هر مکانی را که می‌خواهید به طور ایمن تحت نظر داشته باشید.
- ذخیره انرژی خورشیدی: به دلیل فرآیند شارژ سریع و نحوه شارژ آنها، باتری‌های لیتیومی انتخاب مناسبی برای پنل‌های خورشیدی هستند زیرا به شما این امکان را می‌دهند که روزانه بیشترین بهره را از ذخیره انرژی بالقوه از نور خورشید ببرید.
- عملکرد دریایی سبک: ترکیب برق و آب می‌تواند مشکلات خاصی را ایجاد کند. فرقی نمی‌کند که نیاز به تأمین انرژی کل قایق تفریحی خود داشته باشید یا یک موتور کوچک ترولینگ؛ می‌توانید برای انجام این کار به باتری‌های لیتیومی تکیه کنید.
- توان قابل اعتماد برای وسایل نقلیه الکتریکی و تفریحی: شما می‌توانید برای تأمین انرژی وسیله نقلیه الکتریکی یا تفریحی خود به باتری‌های لیتیومی تکیه کنید، زیرا اندازه و وزن کم آنها باعث افزایش راندمان می‌شود. بنابراین، اگر به فکر کاوش در مکان‌های دورافتاده هستید و می‌خواهید در حین انجام این کار ایمن و راحت باشید، باید باتری‌های لیتیوم-یونی را برای تأمین انرژی وسیله نقلیه خود انتخاب کنید.
- یو پی اس یا پشتیبان برق اضطراری: از آنجایی که باتری‌های لیتیومی به ذخیره انرژی به طور موثر معروف هستند، انتخاب ایده‌آلی برای یو پی اس یا پشتیبان برق اضطراری هستند تا شما را از بی‌ثباتی برق یا قطعی برق محافظت کنند.
باتری‌های لیتیومی چقدر دوام می‌آورند؟
اول از همه، در مورد اینکه باتری لیتیومی چقدر می‌تواند در قفسه دوام بیاورد صحبت خواهیم کرد. عوامل مختلفی بر عمر یک باتری لیتیوم-یونی تأثیر می‌گذارند، از جمله وضعیت شارژ، دمای باتری و محل نگهداری آن. با این حال، محدوده‌ی مشخصی برای مدت زمان دوام باتری لیتیوم-یونی وجود دارد. اگر از دستورالعمل‌های پیشنهادی برای مراقبت از باتری خود استفاده کرده باشید، باید ۲/۳ سال عمر مفید داشته باشد.
همچنین می‌توانید نکاتی را در نظر داشته باشید تا به باتری‌های لیتیوم-یونی خود کمک کنید تا عمر بیشتری داشته باشند. این نکات عبارتند از:
- باتری‌های لیتیوم-یونی تمایلی به تخلیه عمیق ندارند؛ در عوض، تخلیه جزئی را ترجیح می‌دهند. در بین باتری‌های لیتیوم-یونی، این باتری‌ها یکی از بهترین‌ها هستند زیرا اثر حافظه ندارند، به این معنی که با تخلیه جزئی، کارایی باتری تحت تأثیر قرار نمی‌گیرد.
- از آنجایی که باتری‌های لیتیومی به مرور زمان کهنه نمی‌شوند، اگر باتری جدیدی می‌خرید، مطمئن شوید که واقعاً نو است تا از ظرفیت انرژی آن مطمئن شوید.
- مطمئن شوید که باتری‌های لیتیوم-یونی را از گرما دور نگه می‌دارید، زیرا دمای بالا باعث تخلیه و آسیب به باتری می‌شود.
آیا باتری‌های لیتیومی عمر طولانی‌تری نسبت به باتری‌های آلکالاین دارند؟
باتری آلکالاین یک باتری قابل شارژ است که با هر بار شارژ کمی از ولتاژ آن کاسته می‌شود. بنابراین، در مقایسه با باتری‌های لیتیوم-یونی چه عملکردی دارد؟
باتری‌های لیتیومی قابل شارژ به دلیل دوام بهترشان نسبت به همتایان قلیایی خود شناخته شده‌اند، زیرا می‌توانند تا 10 چرخه بیشتر از آنها دوام بیاورند. باتری‌های قلیایی ممکن است انتخاب مقرون به صرفه‌تری باشند (یکی از مزایای آنها)، اما به اندازه باتری‌های لیتیوم-یونی دوام نمی‌آورند.
مزایای باتری‌های لیتیومی چیست؟
باتری‌های لیتیوم-یونی به دلیل مزایای قابل توجهشان نسبت به سایر فناوری‌ها، کاربرد گسترده‌تری نسبت به سایر باتری‌ها دارند. این مزایا عبارتند از:
- آنها برای تحمل چرخه‌های شارژ و دشارژ زیاد توسعه داده شده‌اند.
- آنها به حفظ شارژ خود معروف هستند. یک باتری لیتیوم-یونی هر ماه تنها ۵٪ از شارژ خود را از دست می‌دهد، در مقایسه با باتری‌های نیکل-هیدرید فلز (NiMH) که ماهانه حدود ۲۰٪ از شارژ خود را از دست می‌دهند.
- به طور کلی، باتری لیتیومی از سایر باتری‌های هم‌اندازه سبک‌تر است. دلیل این سبکی آنها این است که الکترودهای آنها از کربن و لیتیوم سبک ساخته شده‌اند.
- آنها چگالی انرژی بسیار بالایی دارند. در یک کیلوگرم باتری، یک باتری لیتیومی می‌تواند ۱۵۰ وات ساعت انرژی ذخیره کند. یک باتری سرب-اسید ۲۵ وات ساعت انرژی را در همان کیلوگرم ذخیره می‌کند؛ با فناوری سرب-اسید، برای ذخیره مقدار دقیق انرژی که یک کیلوگرم باتری لیتیوم-یونی می‌تواند ذخیره کند، به ۶ کیلوگرم باتری نیاز است. در نهایت، یک باتری نیکل-فلز هیدرید (NiMH) حدود ۷۰ وات ساعت انرژی را در یک کیلوگرم باتری ذخیره می‌کند.
اگر می‌خواهید از مزایای باتری‌های لیتیومی نسبت به فناوری‌های جایگزین مطلع شوید، صفحات مقایسه ما را بررسی کنید:
- باتری‌های سرب-اسید در مقابل باتری‌های لیتیومی
- باتری‌های AGM در مقابل باتری‌های لیتیومی
آیا باتری‌های لیتیومی معایبی هم دارند؟
برخی خطرات و نگرانی‌ها در مورد باتری‌های لیتیوم-یونی وجود دارد که همه باید از آنها آگاه باشند؛
- احتمال کمی وجود دارد که اگر با سرعت بسیار زیاد روی یک سطح جامد بیفتد، احتمالاً آتش بگیرد.
- خالی شدن کامل باتری لیتیوم-یونی می‌تواند باعث خراب شدن آن شود.
- دمای بالا برای طول عمر آن مضر است. نگهداری این باتری‌ها در دماهای بالا باعث می‌شود که با سرعت بیشتری تخریب شوند.
- تخریب آنها بلافاصله پس از خروج از کارخانه شروع می‌شود. بنابراین، انتظار می‌رود که اکثر باتری‌های لیتیومی تنها دو تا سه سال از تاریخ تولید خود دوام بیاورند.
- در این باتری‌ها یک الکترولیت قابل اشتعال وجود دارد که می‌تواند باعث آتش‌سوزی باتری در مقیاس کوچک شود. این مورد در گوشی سامسونگ نوت ۷ مشاهده شد و باعث شد تولیدکنندگان تولید و عرضه بیشتر آن را متوقف کنند.
- باتری‌های لیتیومی در هواپیماها مجاز نیستند زیرا این احتمال وجود دارد که آنها سطح گرمای عجیبی تولید کنند و منجر به آتش‌سوزی غیرقابل خاموشی شوند. به همین دلیل است که مقامات هوانوردی، باتری‌های لیتیومی-یونی را ممنوع کرده‌اند.
آیا باتری‌های لیتیومی سازگار با محیط زیست هستند؟
نمی‌توان در مورد قابلیت اطمینان باتری‌های لیتیومی توسط سازندگان خودروهای برقی و تجهیزات الکترونیکی بحث کرد. جای تعجب نیست که تقاضای زیادی برای آنها وجود دارد و جایگزین بسیار خوبی برای باتری‌های قلیایی هستند زیرا شارژرهای کارآمدی با چگالی انرژی بالاتر و البته به راحتی قابل استفاده هستند.
باتری‌های لیتیوم-یونی به اندازه باتری‌های دیگر که می‌توانند از فلزات سمی مانند نیکل-کادمیوم یا سرب تشکیل شوند، حاوی فلزات سمی نیستند. به همین دلیل است که آنها به عنوان زباله‌های بی‌خطر شناخته می‌شوند.
نتیجه‌گیری
حالا که با این حجم از تحلیل و داده‌ها آشنا شدید، باید همه چیز را در مورد باتری‌های لیتیومی بدانید؛ هزینه‌ها، تاریخچه، مزایا و معایب آنها، بایدها و نبایدهایی که برای افزایش طول عمر آنها و جلوگیری از مشکلاتی مانند انفجار باید رعایت کنید.
سوالات متداول
۱. آیا می‌توان از باتری‌های لیتیومی به جای باتری‌های قلیایی استفاده کرد؟
اگرچه باتری‌های لیتیومی از فناوری باتری گران‌تری استفاده می‌کنند، اما توانایی آنها در نگه‌داشتن ولتاژ بالا به این معنی است که جایگزین بهتری برای باتری‌های قلیایی استاندارد شما هستند.
۲. آیا باتری‌های لیتیومی تا به حال نشتی دارند؟
مشکلی در نگهداری باتری‌های لیتیومی وجود ندارد زیرا نشتی ندارند. لیتیوم در تماس با هوا یا آب مشتعل می‌شود. احتمال نشتی آنها کمتر است زیرا انتشار گاز مشکلی برای الکترولیت مایع موجود ایجاد نمی‌کند.
۳. آیا باتری‌های لیتیومی نیاز به تهویه دارند؟
باتری‌های لیتیومی مانند سایر باتری‌ها گاز تولید نمی‌کنند، اما برای جلوگیری از هدر رفتن گرما، باید تهویه مناسبی برای آنها فراهم کنید.
۴. باتری‌های لیتیوم-یونی در چه دمایی منفجر می‌شوند؟
اگر باتری لیتیومی برای مدت طولانی گرم شود، می‌تواند خطرناک باشد. باتری‌های لیتیوم-یونی انرژی زیادی دارند و وقتی داغ می‌شوند، حلال آلی مورد استفاده به عنوان الکترولیت را آزاد می‌کنند؛ این گرما می‌تواند باعث انفجار آنها شود و کل باتری را با خود ببرد. اتصال کوتاه‌هایی که هنگام تماس پایانه‌های باتری با فلزات رخ می‌دهند نیز می‌توانند منجر به انفجار شوند. باتری‌های لیتیومی در دمای ۵۳۸ درجه فارنهایت منفجر می‌شوند.