صبا باطری

تاریخچه باطری های لیتیوم یون:

M. Stanley Whittingham مفهوم الکترودهای intercalation را در دهه 1970 کشف کرد و اولین باتری لیتیوم یون قابل شارژ را اختراع کرد که بر اساس یک کاتد دی سولفید تیتانیوم و یک آند لیتیوم-آلومینیوم بود که در سال 1977 ثبت اختراع شد و به Exxon اختصاص یافت. جان گودناف در سال 1980 این کار را با استفاده از اکسید کبالت لیتیوم به عنوان کاتد گسترش داد. یک نمونه اولیه باتری لیتیوم یونی توسط آکیرا یوشینو در سال 1985 بر اساس تحقیقات قبلی جان گودناف، ام استنلی ویتینگهام، راچید یازامی و کویچی میزوشیما در طول دهه 1970 تا 1980 ساخته شد، و سپس یک لی تجاری تجاری. باتری -یون توسط تیم سونی و آساهی کاسی به رهبری یوشیو نیشی در سال توسعه یافت. باتری‌های لیتیوم یون معمولاً برای وسایل نقلیه الکترونیکی قابل حمل و الکتریکی استفاده می‌شوند و محبوبیت آنها برای کاربردهای نظامی و هوافضا در حال افزایش است.

باتری لیتیوم یون چگونه کار میکند؟

باتری از یک آند، کاتد، جداکننده، الکترولیت و دو جمع کننده جریان (مثبت و منفی) تشکیل شده است. آند و کاتد لیتیوم را ذخیره می کنند. الکترولیت یون های لیتیوم با بار مثبت را از آند به کاتد و بالعکس از طریق جداکننده حمل می کند. حرکت یون های لیتیوم باعث ایجاد الکترون های آزاد در آند می شود که باعث ایجاد بار در جمع کننده جریان مثبت می شود. سپس جریان الکتریکی از کلکتور جریان از طریق دستگاهی که تغذیه می شود (تلفن همراه، کامپیوتر و غیره) به جمع کننده جریان منفی می رسد. جداکننده جریان الکترون ها را در داخل باتری مسدود می کند.

در حالی که باتری در حال تخلیه و ارائه جریان الکتریکی است، آند یون های لیتیوم را به کاتد آزاد می کند و جریانی از الکترون ها را از یک طرف به سمت دیگر تولید می کند. هنگام وصل کردن دستگاه، برعکس این اتفاق می افتد: یون های لیتیوم توسط کاتد آزاد می شوند و توسط آند دریافت می شوند.

باتری های لیتیوم یون مانند انواع دیگر باتری‌ها از پیل‌های الکتروشیمیایی از دو الکترود و یک ماده الکترولیت تشکیل شده‌اند. در فرایند شارژ باتری‌های لیتیوم یون در الکترود مثبت لیتیوم به یون لیتیوم مثبت و در الکترود منفی یون لیتیوم به لیتیوم فلزی تبدیل شده و در بین لایه‌های الکترود قرار می‌گیرد. تحقیقات زیادی در جهت توسعه هر یک از الکترودها و الکترولیت در باتری‌های لیتیم یون صورت گرفته است و با ورود نانومواد در این تحقیقات تحولات شگرفی در عملکرد باتری های لیتیومی به وجود آمده است. این سیر تکاملی با ساخت نانومواد جدید همچنان ادامه دارد.

ذخیره کردن و آزاد کردن انرژی باتری لیتیوم یون مانند سایر انواع باتری از طریق انتقال الکترون از یک سر به سر دیگر انجام می‌شود معمولا در انواع باتری لیتیوم یون سر مثبت باتری از جنس آلومینیوم و سر منفی باتری از مس ساخته شده است. وقتی باتری کاملاً دیس شارژ شده باشد، تمام یون‌های لیتیوم در اطراف الکترود مثبت یا کاتد جمع می شوند. مایع درون باتری الکترولیت خوانده می‌شود. این ماده بین دو الکترود باتری جریان دارد. در باتری‌های لیتیوم یون، این مایع حاوی یون‌های لیتیوم است.

مزایای باتری لیتیوم یون:

۱- چگالی انرژی بالا: این باتری ها پتانسیل ظرفیت های بالاتر از یون را هم دارد.

۲- نیاز نداشتن به شارژ طولانی مدت در اولین استفاده: در باتری های لیتیوم یون همان شارژ معمولی باتری برای شروع کارکرد آن کافی است.

۳- تخلیه شارژ خود به خودی نسبتا پایین: این مقدار برای باتری های لیتیوم یون حدود نصف باتری هایی است که در آن ها از نیکل استفاده شده است.

۴- نیاز به دشارژ شدن دوره ای ندارند: باتری های لیتیوم یون چون حافظه ای ندارند احتیاج به دشارژ شدن هم ندارند.

۵- بعضی از مدل های آن ها می توانند جریان بسیار بالایی را برای کاربرد هایی مثل ابزار های برقی فراهم کنند.

معایب باتری لیتیومی:

قبل از اینکه بتوان معایب این محصول را نام برد، باید در نظر داشت که آن را با چه محصول دیگری مقایسه می کنیم. به عنوان منبع تغذیه خودرو، واقعاً باید آن‌ها را نه با انواع دیگر باتری‌ ها بلکه با بنزین مقایسه کنیم. با وجود پیشرفت‌ های قابل توجه در طول سال‌ ها، باتری‌ های قابل شارژ هنوز فقط کسری از مقدار انرژی گاز معمولی را ذخیره می‌کنند. می توان گفت، باتری‌ ها چگالی انرژی بسیار کمتری دارند (انرژی کمتری را در واحد جرم ذخیره می‌کنند). این یعنی می‌ توانید در عرض چند دقیقه خودروی با سوخت گاز را «شارژ مجدد» (سوخت‌گیری مجدد) کنید، در حالی که به طور کلی شارژ مجدد باتری‌ ها در یک خودروی الکتریکی ساعت‌ ها طول می‌ کشد.

علاوه بر این، باید به خاطر داشته باشید که این معایب با مزایایی از جمله اقتصادی بودن انرژی بیشتر خودرو های برقی و کمتر بودن نسبی آلودگی هوا متعادل می‌ شوند. اگر باتری لیتیومی وسیله‌ ای برای تخلیه گاز های تولید شده در هنگام شارژ (عمدتاً مونوکسید کربن، دی اکسید کربن و هیدروژن) نداشته باشد، ممکن است مانند بالشتک‌ های کوچک باد شود. 

انواع باتری های لیتیوم یون:

۱- باتری لیتیوم یون LCO

اولین نوع باتری‌های لیتیوم یون بود که در سال 1991 تجاری سازی شد و از آند گرافیتی (C6) و کاتد LiCoO2 ساخته شده است. انرژی ویژه بالای این نوع باتری (150-190 Wh / kg) باعث می شود که باتری‌های لیتیوم یون LCO یک انتخاب محبوب برای وسایل قابل حمل مانند تلفن همراه، تبلت و لپ تاپ باشد.

باتری‌های لیتیوم یون LCO دارای طول عمری برابر با 500 تا 1000 سیکل شارژ و دشارژ هستند و از طرفی ایمنی ذاتی این باتری‌ها پایین بوده و احتمال آتش سوزی در آن‌ها وجود خواهد داشت. دلیل این اتفاق، پایداری حرارتی پایین اکسید کبالت است که در دمای 150 درجه سانتیگراد از حالت پایدار خود خارج خواهد شد.

این باتری به طور خاص از سال ۲۰۱۱ در بوینگ ۷۸۷ Dreamliner شروع به کار کرده ‌است تا در هنگام پرواز اضطراری و نیروی پشتیبانی، انرژی مورد نیاز را در طی پروازها تامین کند. با این حال، وقوع حوادث ناموفق، از جمله ناپایداری حرارتی، نگرانی‌های جدی را برای این نوع از باتری ها ایجاد کرده و منجر به زمین گیر شدن همه‌ی هواپیماهای استفاده کننده از این باتری، برای چندین ماه در اوایل سال ۲۰۱۳ شد.

به دلایل ذکر شده در بالا، صنعت خودروهای الکتریکی هیچ علاقه‌ای به باتری‌های LCO نشان نمی‌دهد چرا که علاوه بر نگرانی‌های امنیتی، طول عمر نسبتاً کم و کمبود عنصر گران‌قیمت و کمیاب کبالت، مسیر خودروهای الکتریکی را به کلی از باتری‌های لیتیوم یون LCO منحرف گردانیده است.

۲- باتری لیتیوم یون LMO

باتری لیتیوم یون LMO برای اولین بار در سال 1996 تجاری شد. این باتری دارای کاتدی با فرمول شیمیایی LiMn2O4 است که ساختاری سه بعدی(با ساختار spinel) برای ورود خروج یون ها تشکیل می‌دهد. این ساختار کریستالی برای حرکت یون‌های لیتیوم بسیار مناسب است و موجب می‌گردد تا مقاومت الکتریکی این کاتد کاهش یافته و موجب کم شدن مقاومت درونی باتری شود.

این کاتد‌های LMO با آندهای گرافیتی و یا آندهای LTO ترکیب می‌شوند تا ساختار کامل باتری لیتیوم یون تشکیل گردد. لازم به ذکر است که باتری‌های لیتیوم یون LMO طول عمر بیشتر از باتری‌های LCO دارند و به صورت معمول بین 1000 تا 1500 سیکل شارژ و دشارژ را تحمل می‌کنند. این باتری‌‌ها دارای چگالی انرژی 100 تا 140Wh/kg است که از مقدار چگالی انرژی باتری‌های LCO کمتر است.
بر خلاف باتری‌های لیتیوم یونLCO، کاتد LMO دارای پایداری حرارتی بالایی در حدود 250 درجه سانتیگراد است که موجب می‌شود که ایمنی این باتری‌ها بالاتر باشد. کاتد LMO از مواد ارزان قیمت و فراوان ساخته شده و علاوه بر آن مشکلی برای محیط زیست هم ایجاد نمی‌کند. از این باتری‌ها معولا در دوچرخه‌های الکتریکی و ابزار پزشکی استفاده می‌شود.

۳- باتری لیتیوم یون LFP

باتری‌های لیتیوم یون LFP دارای کاتد LiFePO4 هستند که آند آن‌ها از گرافیت ساخته شده است. این باتری‌ها در سال 1999 تجاری سازی شده و به دلیل پایداری، امنیت، عناصر فراوان موجود در طبیعت و غیر سمی بودنشان توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. باتری‌های لیتیتیوم یونLFP قابلیت گذراندن 2000 سیکل کامل شارژ و دشارژ را دارا بوده و حتی قابلیت عمری فراتر از این مقدار برای این باتری پیش‌بینی می‌شود.

یکی از مهمترین مشخصه‌های این باتری، ولتاژ ثابت آن در حین استفاده از آن است که این ولتاژ ثابت به وجود دو فاز گوناگون در هنگام لیتیوم دار شدن کاتد بر‌می‌گردد. این ویژگی فوقالعاده، باعث شده تا برخلاف انرژی پایین این باتری، خودرو‌های الکتریکی از این نوع باتری لیتیوم یون استفاده کنند. لازم به ذکر است که چگالی انرژی باتری‌های لیتیوم یون LFP در بازه‌ی 90 تا 140 Wh/kg بوده که در برابر باتری‌های LCO و NCA مقداری پایین به حساب آید.

یکی از کاربردهای ‌اصلی این باتری‌ها، استفاده‌ از آن‌ها در دوچرخه‌های الکتریکی و منابع تغذیه(off-grid وgrid-connected) است که پایداری در ولتاژ خروجی، باعث این کاربردها شده است.

۴- باتری‌های لیتیوم یون NCA

باتری‌های لیتیوم یون NCA دارای کاتد LiNiCoAlO2 و آند گرافیتی هستند که در سال 1999 معرفی شدند. کاتد NCA معمولا از 80 درصد نیکل، 15 درصد کبالت و 5 درصد آلمینیوم ساخته شده‌اند که از نظر میزان به کار رفته‌ی عنصر کبالت به عنوان یک ماده ی کمیاب، از باتری‌های LCO وضع بهتری دارند.

باتری‌های لیتیوم یون NCA داری چگالی انرژی بالایی در حدود 200 تا 250 Wh/kg است که توانایی 1000 تا 1500سیکل شارژ و دشارژ را دارد. به دلیل چگالی انرژی بالای این باتری‌ها، سازندگان خودرو‌های الکتریکی مانند تسلا، از ساختار NCA در باتری‌های خود استفاده می‌کنند.

۵- باتری‌های لیتیوم یون NMC

در باتری‌های لیتیوم یون NMC از کاتد LiNiMnCoO2 و آند گرافیتی استفاده می‌شود. این باتری‌ها در مقایسه با باتری‌های لیتیوم یون NCA دارای چگالی انرژی پایین تری هستند که محدوده ی انرژی آن‌ها در حدود 140 تا 200 Wh/kg می‌باشد. این باتری‌ها طول عمری معادل با 1000 تا 2000 سیکل کاری دارند.

بر اساس میزان درصد نیکل، کبالت و منگنز به کار رفته در کاتد این باتری‌ها، خواص این باتری قابل تغییر است و برای کاربردهای مختلف قابل استفاده است. با افزایش میزان نیکل، چگالی انرژی افزایش پیدا می‌کند درحالی که افزایش منگنز، چگالی توان را زیاد خواهد کرد.

باتری‌های لیتیوم یون بر پایه‌ی کاتد NMC، در سال 2004 وارد بازار شدند و شرکت های بزرگی چون تیوتا و نیسان از این باتری‌ها برای خودروهای الکتریکی خود استفاده می‌کنند. همچنین این باتری‌ها در وسایل الکتریکی دیگر مانند ابزار پزشکی و وسایل قابل حمل(portable) استفاده می‌شوند و پیش‌بینی‌ها حاکی از آن است که باتری‌های لیتیوم یون NMC، تا سال 2030 مربوط به اینگونه از باتری‌ها خواهد بود.

باتری لیتیوم پلیمر

فناوری باتری لیتیوم پلیمر جدیدتر از لیتیوم یون است. این فناوری تا دهه 1970 مطرح نشده بود و اخیراً به صورت گسترده به صنعت گوشی‌های هوشمند راه پیدا کرده است. این فناوری به طور فزاینده‌ای در گوشی‌های هوشمندی که از فناوری های شارژ بسیار سریع استفاده می‌کنند، محبوب شده است.

دلیل این محبوبیت این است که باتری‌های Li-Poly کمی قوی‌تر از Li-Ion هستند. فناوری لیتیوم پلیمر نیز از یک الکترود مثبت و منفی استفاده می‌کند، اما با این تفاوت که از یک الکترولیت خشک، ماده شیمیایی متخلخل یا ژل مانند، به جای مایع در آن استفاده شده است. در نتیجه، باتری‌های پلیمری می‌توانند انعطاف‌پذیری بیشتر و طراحی‌های قوی‌تری ارائه دهند.

همچنین در این باتری‌ها احتمال بروز نشتی الکترولیت و پدیده نشتی انرژی حرارتی بسیار کمتر خواهد بود؛ بنابراین می‌توان گفت این باتری‌ها به طور کلی ایمن‌تر هستند. با این حال، این باتری‌ها هم کاملاً از مشکلات ناشی از سوراخ شدن، بروز فشار یا گرم شدن بیش از حد مصون نیستند.

یکی از اشکالات اصلی این فناوری، هزینه ساخت بسیار بالاتر آن است که به معنای گران‌تر بودن گجت‌ها و گوشی‌های هوشمند استفاده‌کننده آن در مقایسه با انواع Li-ion خواهد بود. چرخه عمر باتری لیتیوم پلیمر نیز کوتاه‌تر است و باتری‌ها انرژی کمتری را نسبت به یک باتری Li-ion با همان ظرفیت، ذخیره می‌کنند.

اگر می‌خواهید باتری دستگاه شما برای مدت طولانی دوام بیاورد، استفاده از باتری لیتیوم پلیمر چندان ایده‌آل نیست. در دستگاه‌هایی که از این باتری‌ها استفاده می‌کنند، معمولاً از مدارهای حفاظتی استفاده می‌شود تا ولتاژ را در محدوده ایمن نگه دارد.

مزایا و معایب باتری لیتیوم-پلیمر

باتری‌های لیتیوم پلیمری مزایای زیادی دارند. برخی از مزایا و معایب مهم این نوع باتری‌ها به شرح زیر است:

مزایا

۱. ایمنی فوق‌العاده

باتری‌های لیتیوم پلیمر کاملا ایمن هستند. آن‌ها دارای بسته‌بندی انعطاف‌پذیر بوده و با آلومینیوم ساخته می‌شوند که از هر نوع انفجار یا شرایط خطرناک محافظت می‌کند.

۲. وزن کمتر (قابلیت حمل آسان)

باتری‌های لیتیوم پلیمری به راحتی قابل‌حمل هستند، زیرا وزن بسیار کمی دارند. علت این مسئله این است که در ساخت آن، فلز سنگین یا الکترولیت مایع به کار نرفته است.

۳. ماهیت همه‌کاره

باتری‌های لیتیوم پلیمری ماهیت همه‌کاره دارند و در اشکال و اندازه‌های مختلف موجود می‌باشند. هیچ محدودیتی در سفارشی‌سازی شکل و ابعاد آن وجود ندارد و دست سازندگان از این نظر کاملاً باز است.

۴. نشتی شارژ کم

باتری‌های لیتیوم پلیمری از نظر تخلیه و نشتی بسیار مرغوب هستند. نشتی داخلی این باتری بسیار کم است، به این معنی که زمانی که از آن استفاده نمی‌شود، نشتی شارژ در آن بسیار ناچیز خواهد بود.

۵. ضخامت کم با ظرفیت بالا

باتری‌های لیتیوم پلیمری نازک هستند و این موضوع باعث می‌شود تا استفاده از آن‌ها در گوشی‌های جدید راحت‌تر باشد. آن‌ها در ضخامت‌های کمتر از 1 میلی‌متر نیز در دسترس هستند. با وجود ضخامت و ابعاد کم، این باتری‌ها ظرفیت بالایی داشته و 10 الی 15٪ قوی‌تر از بسیاری از باتری‌های دیگر با همان اندازه هستند.

معایب

۱. قیمت بالا

باتری‌های لیتیوم-پلیمر در مقایسه با سایر انواع باتری با اندازه‌ها و مشخصات یکسان، قیمت بالایی دارند. قیمت آن‌ها حتی از باتری‌های لیتیوم یون نیز بالاتر است. اما انتظار می‌رود که این قیمت‌ها با شروع تولید انبوه این باتری‌ها کاهش یابد و به سطح قابل‌رقابتی با سایر باتری‌ها برسد.

۲. چگالی انرژی کمتر

باتری‌های لیتیوم پلی از نظر چگالی انرژی با وجود چرخه شارژ کمتر در مقایسه با باتری‌های لیتیوم یون، کارایی کمتری دارند.

۳. طول عمر کوتاه‌تر

طول عمر باتری‌های Li-Poly در مقایسه با باتری‌های Li-ion بسیار کوتاه‌تر است و از این رو این باتری‌ها ماندگاری بالایی ندارند. البته با رعایت نکات مربوط به افزایش عمر باتری های موبایل، می‌توان تا حدی این عیب را جبران کرد.

تفاوت‌های کلیدی باتری لیتیوم-یون با باتری لیتیوم-پلیمر

از جنبه‌های مختلفی می‌توان باتری‌های لیتیوم-یون و لیتیوم-پلیمر را با هم مقایسه نمود. در این بخش، تفاوت‌های کلیدی این دو باتری از جنبه‌های مختلف بررسی خواهد شد:

۱. قیمت

باتری‌های لیتیوم یون در مقایسه با باتری‌های لیتیوم پلیمر از نظر قیمت مناسب‌تر هستند. با این حال، هر دو نوع باتری در مقایسه با سایر فناوری‌ها، جزو گزینه‌های گران‌قیمت محسوب می‌شوند.

۲.  همه‌کاره بودن

باتری‌های لیتیوم پلیمر تطبیق‌پذیری بیشتری نسبت به باتری‌های لیتیوم یونی دارند. زیرا هیچ محدودیتی در ساخت اشکال و اندازه‌های مختلف آن‌ها وجود ندارد. آن‌ها را می‌توان به روش‌های مختلف قالب‌گیری کرده و برای اهداف مختلف استفاده کرد.

۳. قدرت

هر دو باتری لیتیوم یون و لیتیوم پلیمر برای مصارف انرژی بالا مناسب هستند. با این حال، باتری‌های لیتیوم یون کارآمدتر و محبوب‌تر از لیتیوم پلیمر بوده و سطح انرژی و قدرت بالاتری دارند و برای مصارف سنگین مناسب‌ترند.

۴. سبک بودن

باتری‌های لیتیوم پلیمر از نظر سبک‌وزن بودن، نسبت به باتری‌های لیتیوم یون مطلوب‌ترند. به دلیل طراحی قوی، باتری‌های لیتیوم پلیمری کمترین احتمال نشتی را دارند.

۵. نشتی داخلی

اگرچه چرخه عمر باتری لیتیوم پلیمر کوتاه‌تر است و این باتری‌ها انرژی کمتری نسبت به باتری‌های لیتیوم یونی با اندازه مشابه ذخیره می‌کنند اما نشتی داخلی پایینی دارند، به این معنی که اگر برای مدتی از آن‌ها استفاده نشود، باتری‌ها خیلی خالی نمی‌شوند.

۶. قابلیت حمل

هر دو باتری Li-ion و Li-poly قابل‌حمل هستند. با این حال، باتری‌های لیتیوم پلیمری به دلیل داشتن طراحی فشرده و نازک بودن، قابلیت حمل بیشتری دارند.

باتری‌ لیتیوم-یون بهتر است یا لیتیوم-پلیمر؟

اکنون که محاسن و معایب هر دو فناوری باتری را می‌دانید، انتخاب یکی از آن‌ها به استفاده شما بستگی خواهد داشت. اکثر گوشی‌های هوشمند امروزی به باتری‌های لیتیوم یون مجهز هستند، بنابراین گزینه‌های زیادی برای انتخاب باقی نمی‌ماند.

اما در مورد پاور بانک‌ها و لپ تاپ‌ها همچنان گزینه‌های مختلفی وجود دارد. اگر فردی هستید که زیاد سفر می‌کنید یا در محیط‌های سخت کار می‌کنید، پاور بانک‌ها یا لپ‌تاپ‌های دارای باتری‌های لیتیوم پلیمر به دلیل ماهیت سبک و مستحکم، می‌توانند گزینه مناسبی برای شما باشند.

به عنوان مثال پاوربانک ای دیتا مدل P10000QCD که یک پاور بانک 10 هزار میلی‌آمپری است، و ای دیتا مدل P20000QCD که یک نمونه 20 هزار میلی‌آمپری می‌باشد، به دلیل استفاده از باتری‌های لیتیوم پلیمر، از وزن کمی برخوردار بوده و امکان شارژ سریع یا همان Fast Charge نیز در آن‌ها وجود دارد.