مجله اینترنتی واوک

باتری‌های یون‌-‌لیتیومی

باتری‌های یون‌-‌لیتیومی؛ محبوبِ خطرناک!

سال‌هاست که پژوهشگران روی باتری‌ها مشغول به کار هستند تا فناوری‌های بهتری پیدا کنند. امروزه گوشی‌ها و تبلت‌ها از تمام جنبه‌ها پیشرفت کرده‌اند و به نوعی به یک رایانه کوچک با امکانات اضافی مثل دوربین و جی‌پی‌اس و… تبدیل شده‌اند. یکی از بخش‌هایی که به نظر می‌رسد از قافله‌ی پیشرفت جا مانده، باتری است. در کنار آزمایش‌های مختلف برای یافتن باتری‌هایی با ساختار الکتروشیمیایی جدید، باتری‌های لیتیوم-یونی هم زیر میکروسکوپ‌های محققان قرار داشته‌اند و کمی بهینه شده‌اند.

باتری لیتیوم-یونی Lithium-ion battery یا LIB یک خانواده از باتری‌های قابل شارژ است که برای اولین‌بار به خاطر استفاده شرکت‌­های بزرگ الکترونیکی در اوایل دهه ۱۹۹۰، محبوبیت­شان افزایش یافت. دلیل اصلی معروف و محبوب بودن باتری لیتیوم–یونی، چگالی انرژی است. منظور از چگالی انرژی این است که به ازای واحد وزن مثلاً یک گرم، چقدر انرژی در باتری ذخیره می‌شود. ۱۱۰ تا ۱۶۰ وات‌ساعت انرژی در یک کیلوگرم باتری لیتیوم-یونی ذخیره می‌شود که در مقایسه با دیگر انواع، یک رکورد است. لیتیوم-یون به ملاحظات نگه­داری و مراقبت نیازی ندارد. در هر ماه تنها ۱۰ درصد شارژ آن به خودی خود خالی می‌شود. بین ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ بار می‌توان آن را پر و خالی کرد تا نهایتاً ۲۰ درصد ظرفیت آن برایمان باقی بماند. با این خصوصیات یک گزینه‌ی بهینه برای وسایل همراه و حتی دیگر ابزارها مثل پهپادها، ربات‌ها و حتی خودروهای الکتریکی است.

باتری‌ها از سه بخش تشکیل شده­‌اند : قطب منفی، قطب مثبت و یک الکترولیت (ترکیب شیمیایی مایع بین قطب مثبت و منفی). در باتری لیتیوم-یونی، همان‌طور که نام باتری گویای آن است، این یون‌های لیتیوم هستند که با جابجایی خود در الکترولیت، عمل شارژدهی یا شارژ شدن را ممکن می‌کنند. سر مثبت باتری از جنس آلومینیوم و سر منفی از جنس مس است. وقتی باتری کاملاً دشارژ شده باشد، تمام یون‌های لیتیوم در اطراف الکترود مثبت یا کاتد جمع شده‌اند. معمول‌ترین ماده‌ای که  برای الکترود منفی به کار می‌رود، گرافیت است که به دلیل ساختار صفحه‌ای اتم‌های کربن که آرایش شش ضلعی دارند، هادی الکتریسیته است.

در مقایسه با نسل‌های قدیمی‌تر باتری‌ها یعنی باتری نیکل-کادمیم و باتری نیکل- هیدرید فلز، باتری‌های لیتیم-یونی وزن و حجم سبک‌تری حدود ۳ تا ۵ برابر دارند. آن­ها به دشارژ کامل نیاز ندارند و می‌توان از جریان الکتریکی بالاتر برای شارژ و دشارژ بدون آسیب به باتری استفاده کرد. در هنگام دشارژ افت ولتاژ کمی دارند و به دوره break-in نیاز ندارند.

 

آتش گرفتن باتری‌های یون‌-‌لیتیومی

پدیده‌ای مهم و خطرناک

باتری لیتیوم-یونی انرژی زیادی تولید می‌کند اما در مقابله با باتری‌های نیکل-هیدرید ایمنی آن‌ها پایین است. برای نمونه این نوع باتری‌ها زود آتش می‌گیرند. اما نسل جدید باتری‌های لیتیوم-یونی با حل «مشکل کاتدی» هر نیازی را برآورده می‌کنند و بیشتر باتری‌های لیتیوم-یونی، برخلاف مدل‌های قدیمی‌ترشان، شامل یک کنترل‌کننده الکتریکی هستند که جریان تخلیه شارژ و قدرت شارژ را تنظیم می‌کنند تا باتری‌ها بیش از اندازه، داغ و یا منفجر نشوند.
پدیده‌ای که کمتر اتفاق می‌افتد اما به هر حال مهم و خطرناک است: فرض کنید گوشی در دست کاربر و کنار گوش او باشد، آتش گرفتن ناگهانی بسیار خطرناک است. نکته این است که لیتیوم از عناصر فعال گروه یک جدول تناوبی عنصرهاست. شاید دیده باشید که دو هم‌گروه لیتیوم یعنی سدیم و پتاسیم، وقتی روی سطح آب می‌افتند، چه واکنش شدیدی نشان می‌دهند، کار به آتش گرفتن و پرتاب شدن تکه‌های پتاسیم به بیرون ظرف هم می‌کشد! دقیقاً به همین علت است که الکترولیت باتری‌های لیتیوم-یونی باید عاری از آب باشد. الکترولیت معمولاً محلول یکی از نمک‌های لیتیوم در حلالی آلی است.
غشا برای جدا کردن دو بخش باتری به کار رفته، لذا یک آسیب هر چند کوچک، باعث می‌شود که درون باتری پدیده‌ی اتصال کوتاه اتفاق بیافتد. شاید اتصال کوتاه سیم‌های برق منزل را دیده باشید، جرقه و گرمای زیاد محصول آن است. اما در باتری لیتیوم-یونی، تولید گرمای زیاد در داخل باتری، پایان کار نیست، گرمای تولید شده مسبب واکنش‌های بعدی که گرمازا هستند می‌شود و در یک زمان نسبتاً کوتاه، متوجه می‌شوید که باتری آتش گرفته و حتی منفجر می‌شود.
در عمل به محض اینکه متوجه بلند شدن دود شُدید؛ گوشی، لپ‌تاپ یا باتری ربات خود را سریعاً به گوشه‌ای پرتاب کنید چرا که نمی‌توان جلوی آتش گرفتن آن را گرفت. جدا کردن شارژر از باتری در حال شارژ، دردی دوا نمی‌کند! باتری سریعاً و در عرض چند ثانیه به مرحله‌ی آتش گرفتگی می‌رسد! البته اگر زود متوجه دود آن شده باشید، شاید بتوانید گوشی و لپ‌تاپ خود را از مرگ نجات دهید. پیشگیری بهتر از درمان است، لذا اگر متوجه برآمدگی بیش از حد باتری شدید، بهتر است گوشی و لپ‌تاپ خود را به خطر نیاندازید و باتری را تعویض نمایید.

 

چرا باتری‌های لیتیوم-یونی؟

در طول چند دهه گذشته، بعد از آزمایش و خطاهای بسیار، دو نوع از باتری‌ها یعنی لیتیوم-پلیمری و لیتیوم–یونی، بهترین گزینه برای باتری‌های موبایل انتخاب شدند. می‌خواهیم بدانیم مزیت هر کدام از این باتری‌ها بر دیگری چیست و هر یک چه محدودیت‌هایی دارند؟ در ابتدا خوب است به این نکته توجه کنیم که اگرچه این دو نوع از باتری‌های قابل شارژ اختلاف‌هایی دارند اما شباهت‌های بسیاری نیز دارند. در این جا به مزایا و معایب هر کدام از باتری‌های لیتیوم-پلیمری و لیتیوم-یونی نگاهی می‌اندازیم.

 

باتری‌های یون‌-‌لیتیومیویژگی‌های باتری‌های لیتیوم‌-یونی

باتری‌های لیتیوم-یونی جزو اولین باتری‌های مورد استفاده در گوشی‌های هوشمند بوده‌اند و مدت زمان حضور طولانی داشته‌اند. این باتری‌ها از یک الکترود مثبت (اکسید کبالت لیتیوم، فسفات آهن لیتیوم یا اکسید منگنز لیتیوم)، الکترود منفی (معمولا گرافیت) و یک الکترولیت (کربنات اتیلن، کربنات دی‌اتیل) استفاده می‌کنند.
مزیت‌ها: باتری‌های لیتیوم-یونی چگالی انرژی بالایی دارند، عمر طولانی دارند و معمولاً قابل تعویض توسط کاربر هستند. فاقد «اثر حافظه» (با این اثر باتری‌ها با گذر زمان سخت‌تر شارژ می‌شوند) و بسیار باصرفه هستند. آن‌ها مقدار انرژی زیادی را در یک واحد کوچک ذخیره می‌کنند.
معایب: باتری‌های لیتیوم-یونی معمولاً وزن سنگین‌تری دارند، اضافه کردن مدار محافظ به هزینه آن‌ها می‌افزاید، سطح خود تخلیه شارژ نسبتاً بالایی دارند و عمدتاً به شکل مستطیلی در دسترس هستند.

 

ویژگی باتری‌های لیتیوم-پلیمری

باتری‌های لیتیوم-پلیمری کمی بعد از همتایان لیتیوم-یونی خود به صحنه آمدند. آن‌ها اساساً اجزای بسیار مشابهی با باتری‌های لیتیوم-یونی دارند و تفاوت اصلی در ماده جداساز آن است، یعنی همان ماده‌ای که از درون آن یون‌ها بین دو الکترود حرکت می‌کنند. در باتری‌های لیتیوم-پلیمری یا li-po، ماده جداساز از پلیمر میکرو متخلخل تشکیل شده‌است که در یک ژل الکترولیتی پوشیده شده‌است.
مزیت‌ها: باتری‌های لیتیوم-پلیمری سطح خود دشارژی پایینی دارند، بسیار سبک هستند و در اشکال مختلفی در دسترس هستند.
معایب: باتری‌های لیتیوم-پلیمری چگالی انرژی پایینی دارند، گران قیمت هستند، عمر مفید کوتاه‌تری دارند و توسط کاربر قابل تعویض نیستند.
محبوب‌ترین باتری‌های لیتیوم-پلیمری آن‌هایی است که جدیداً تولید شده‌اند و شما در لپ‌تاپ‌‌ها و ماشین‌های الکتریکی جدید مشاهده می‌کنید. البته باید بدانید که بسیاری از شرکت‌ها در واقع به شما باتری لیتیوم-پلیمری واقعی نمی‌فروشند، بلکه به جای آن از یک باتری لیتیوم-یونی-پلیمری یا یک باتری لیتیوم -یونی با پوشش انعطاف‌پذیرتر استفاده می‌کنند.

 

باتری‌های یون‌-‌لیتیومیباتری‌های لیتیوم-یونی در چه بخش‌هایی کابرد دارند؟

بازار باتری‌های لیتیوم-یونی طی دهه‌های اخیر به نحو قابل ملاحظه‌ای پیشرفت داشته است به‌گونه‌ای که فروش آن در سال ۱۹۹۹ به ۴۰۰ میلیون عدد رسیده است. تقاضا برای این باتری با ارزش، با عملکرد و ایمنی بالا به صورت افزاینده‌ای رو به رشد است. این محصول با سرعت در حال تسخیر بازار باتری برای کاربردهای مختلف است. ازجمله موارد مهم کاربرد باتری‌های لیتیومی عبارتند از: شارژرهای همراه (Power Bank)، تجهیزات الکترونیکی (‌انواع موبایل، نوت‌بوک و تبلت‌ها و…)، انواع موتورسیکلت‌های الکتریکی، انواع خودروهای الکتریکی، انواع منابع ذخیره انرژی الکتریکی سامانه‌ای تجدیدپذیر خانگی، انواع منابع ذخیره‌ساز انرژی بادی، ذخیره‌ساز انرژی درمراکز توزیع و انتقال نیروی برق و نیروگاه‌ها، تامین‌کننده‌های توان پیوسته (UPS)، آنتن‌ها و مراکز ارتباطات راه دور، انواع باتری استارتری (راه‌انداز) لیتیومی خودرویی، لامپ و چراغ‌های مورد استفاده کارکنان و تجهیزات معادن و انواع باتری سیستم‌های روشنایی خورشیدی خیابان‌ها و جاده‌ها.