معضلات باتری های لیتیم – یون و کاستی های آن در تامین انرژی

آیا باتری های لیتیم – یون، گزینه های ایده آلی هستند؟

تا سال های طولانی، باتری های نیکل – کادمیوم تنها باتری مناسب برای تجهیزات قابل حمل بودند؛ تمام تجهیزات مخابراتی از ارتباطات بی سیم گرفته تا رایانه ها، با این نوع باتری ها کار می کردند. نسل جدید باتری های نیکل – فلز- هیدرید و باتری های لیتیم – یون در اوایل دهه 1990 ظهور کردند. رقابت میان این دو باتری به شدت زیاد بود. امروزه شاهد آن هستیم که باتری های مبتنی بر یون – لیتیم، بیشتر شناخته شده هستند و دنیای باتری ها و شیمی را متحول ساخته اند.

نگاهی بر تاریخچه فناوری باتری های لیتیم – یون

شروع کار با باتری لیتیمی در سال 1912 آغاز شد اما درست در اوایل دهه 1970 بود که اولین باتری های لیتیم غیر قابل شارژ به صورت تجاری در دسترس قرار گرفتند. لیتیم  سبک ترین فلز است، بیشترین پتانسیل الکتروشیمیایی را دارد و بیشترین چگالی انرژی را در مقایسه با وزن خود فراهم می کند.

تلاش برای تولید باتری های لیتیم – یون قابل شارژ به دلیل مشکلات ایمنی توقف شد. به دلیل ناپایداری ذاتی فلز لیتیم ، به ویژه در هنگام شارژ، تصمیم بر آن شد که تحقیقات به موضوعات ابداع یک باتری لیتیم، مبتنی بر عناصر غیر فلزی تغییر پیدا کند؛ این کار با استفاده از یون های لیتیم دنبال شد. اگر چه چگالی انرژی در این شیوه نسبت به فلز لیتیم، اندکی کمتر است، اما باتری های لیتیم – یون، بی خطر هستند؛ این در شرایطی است که برخی اقدامات احتیاطی در هنگام شارژ و تخلیه رعایت شود. در سال 1991، شرکت سونی اولین باتری لیتیم – یون را تجاری سازی کرد. تولیدکنندگان دیگر باتری در جهان نیز این کار را دنبال کردند.

نکات مهم درباره باتری های لیتیم – یون

چگالی انرژی باتری های لیتیم – یون به طور معمول دو برابر باتری های استاندارد نیکل – کادمیوم است. برای این باتری ها، تراکم انرژی بالاتری وجود دارد؛ مشخصات بار موجود در باتری، خوب است و از نظر تخلیه، رفتاری مشابه نیکل – کادمیوم دارد. ولتاژ بالای سلول باتری، 6/3 ولت است و امکان طراحی باتری را صرفاً با یک سلول فراهم می کند. بیشتر تلفن های همراه امروزی با یک سلول کار می کنند. یک مجموعه مبتنی بر باتری نیکل، به تعداد سه سلول 2/1 ولتی که به شکل سری متصل شده اند، نیاز دارد.

نگهداری باتری های لیتیم – یون بسیار کم هزینه، آسان و بی دردسر است. این مزیتی است که سایر باتری ها نمی توانند آن را تأمین کنند؛ علم شیمی، آن را ثابت کرده است. برای طولانی شدن عمر باتری، هیچ منبع ذخیره سازی خاصی وجود ندارد.علاوه بر این، میزان تخلیه این باتری ها در مقایسه با باتری نیکل – کادمیوم، کمتر از نصف است و باعث می شود یون- لیتیم برای کاربردهای دقیق اندازه گیری سوخت، مناسب باشد. سلول های یون- لیتیم هنگام دفع، مضرات کمتری در پی دارند.

محدودیت ها و چالش های باتری های لیتیم – یون

باتری های لیتیم – یون با وجود مزایای زیادی که دارند، دارای اشکالاتی هم هستند. این باتری ها شکننده بوده و برای حفظ عملکرد ایمن، به مدار محافظ نیاز دارند. مدار محافظ که در هر بسته مجزا تعبیه شده است، افزایش بیش از حد ولتاژ هر سلول را هنگام شارژ، محدود کرده و از افت ولتاژ سلول در هنگام تخلیه نیزجلوگیری می کند.

علاوه بر این، درجه حرارت سلول برای جلوگیری از شدید دما در این باتری ها کنترل می شود. حداکثر جریان شارژ شدن و دِشارژ (تخلیه) در اکثر بسته ها به 1 کولن (1C) تا 2 کولن (2C) محدود می شود (کولن، واحد اندازه گیری بار الکتریکی است). با رعایت این اقدامات احتیاطی، احتمال وقوع رسوب لیتیم  فلزی به دلیل اضافه بار تقریباً از بین می رود.

یکی دیگر از مهم ترین چالش ها در مورد باتری های لیتیم – یون، افزایش سن کارکرد واقعی باتری است. این مسئله ای است که از سوی بسیاری از تولیدگنندگان، نادیده گرفته می شود. بعد از گذشت یک سال، چه در حین استفاده از باتری و چه پس استفاده، مشکلات ظرفیت، به خوبی نمایان می شوند! باتری پس از دو یا سه سال به طور آشکاری از کار می افتد! این می تواند ناشی از دمای زیاد محیط باتری باشد. این وضعیت در مورد باتری های نیکل-فلز-هیدرید هم رخ می دهد. نسل جدید باتری های لیتیم – یون که ابداع شده اند، باتری هایی هستند که تا حداکثر 5 سال می توان کارایی آنها را انتظار داشت.

تولید کنندگان و طراحان باتری های لیتیم – یون، به طور مداوم در حال بهبود این فناوری هستند. ترکیبات شیمیایی جدید و پیشرفته هر شش ماه یکبار یا بیشتر، تقریباً به این حوزه معرفی می شوند. با چنین پیشرفت سریعی، می توان مشکلات ذکر شده در فوق را تا حد قابل توجهی اصلاح نمود.

نکات مهم در نگهداری از باتری های لیتیم – یون

نگهداری در مکان خنک، روند استهلاک باتری های لیتیم – یون را کندتر می کند. تولید کنندگان عموماً دمای ذخیره سازی باتری ها را تا حدود 15 درجه سانتیگراد (59 درجه فارنهایت) توصیه می کنند. علاوه بر این، باتری باید در حین ذخیره سازی تا حدی شارژ شود. تولید کننده ها، 40 درصد شارژ را برای باتری های یون – لیتیم پیشنهاد می کند.

مزایای باتری های لیتیم – یون

• چگالی انرژی بالا – پتانسیل عملی برای ظرفیت های بالاتر
• با یک بار شارژ منظم، نیاز تأمین انرژی را مرتفع می سازد
• خود تخلیه شدن (تخلیه خود به خودی شارژ باتری ها) به میزان نسبتاً کم – این ویژگی، در مقایسه با باتری های پایه نیکل، کمتر از نصف است.
• تعمیر و نگهداری کم برای باتری های لیتیم – یون
• عدم نیاز به تخلیه دوره ای باتری ها
• سلول های ویژه باتری های یون – لیتیم می توانند شدت جریان بسیار بیشتری را برای برنامه های کاربردی قوی تر فراهم کنند.

محدودیت ها و معایبت باتری های لیتیم – یون

برای حفظ ولتاژ و جریان در محدوده ایمن، به مدار محافظ نیاز دارد.

حتی اگر از باتری های لیتیم – یون استفاده نشود، دارای مقداری استهلاک هستند – ذخیره در یک مکان خنک با شارژ 40٪، اثر فرسودگی را کاهش می دهد.

محدودیت های حمل و نقل دارند

ساخت باتری های یون – لیتیم گران است – هزینه آن حدود 40 درصد بیشتر از باتری ها نیکل – کادمیوم است.

فناوری های باتری های لیتیم – یون، کاملاً تأئید نشده است؛ فلزات و مواد شیمیایی در طراحی این نوع باتری ها به طور مداوم در حال تغییر هستند.

فناوری باتری های لیتیم – یون – پلیمر یا باتری لیتیم – پلیمر

علاوه بر فناوری که درباره آن در قسمت بالا برای باتری های لیتیم – یون توضیح دادیم، نوع دیگری از باتری ها هم هستند که به دلیل شباهت به این مدل، لازم است یک تعریف ساده از آن داشته باشیم.

باتری لیتیم -پلیمر از نظر نوع الکترولیت مورد استفاده، با سایر باتری های معمولی متمایز شده است. در طرح اصلی این فناوری که به دهه 1970 باز می گردد، از یک پلیمر جامد خشک به عنون الکترولیت استفاده شده است. این الکترولیت شبیه یک فیلم پلاستیکی است که برای الکتریسیته نارسانا است اما اجازه تبادل یونی (اتم های بار الکتریکی یا گروه های اتم) را می دهد. الکترولیت پلیمر، جایگزین صفحات جدا کننده متخلخل قدیمی که با الکترولیت مرطوب و مایع ساخته شده بودند، می شود.

متأسفانه، باتری ها لیتیم -پلیمر خشک، رسانایی ضعیفی دارند. مقاومت داخلی آنها بسیار زیاد است و نمی توانند کاربردهای قوی نظیر تجهیزات رایانه، دستگاه های ارتباطی مدرن و … پوشش دهند.

این باتری ها بسیار ایمن هستند و قیمت ارزان تری دارند. زمان شارژ شدن هم با احتمال نشتی کمتری مواجه هستند. این باتری های لیتیم – پلیمر در مقایسه با باتری های لیتیم – یون، چگالی انرژی کمتر و کاهش تعداد چرخه شارژ-تخلیه دارند. قسمت ساخت این باتری ها بالا است و نسبت به انرژی تولید شده، به سرمایه بیشتری نیاز دارند.

با سانیوا آشنا شوید.