باتری لیتیوم یون
کار پایونیر با باتری لیتیومی در سال 1912 تحت مدیریت GN Lewis آغاز شد، اما تا اوایل دهه 1970 بود که اولین باتریهای لیتیومی غیرقابل شارژ به صورت تجاری در دسترس قرار گرفتند. لیتیوم سبک ترین فلز است، دارای بیشترین پتانسیل الکتروشیمیایی است و بیشترین چگالی انرژی را برای وزن فراهم می کند.
تلاش برای ساخت باتری های لیتیومی قابل شارژ به دلیل مشکلات ایمنی شکست خورد. به دلیل ناپایداری ذاتی فلز لیتیوم، به ویژه در هنگام شارژ، تحقیقات به سمت باتری لیتیومی غیرفلزی با استفاده از یونهای لیتیوم سوق داده شد. اگرچه چگالی انرژی کمی کمتر از فلز لیتیوم است، لیتیوم یون ایمن است، مشروط بر اینکه اقدامات احتیاطی خاصی در هنگام شارژ و تخلیه انجام شود. در سال 1991، شرکت سونی اولین باتری لیتیوم یون را تجاری کرد. سایر تولیدکنندگان نیز از این روند پیروی کردند.
چگالی انرژی لیتیوم-یون معمولاً دو برابر نیکل-کادمیم استاندارد است. پتانسیل برای چگالی انرژی بالاتر وجود دارد. ویژگی های بار نسبتاً خوب هستند و از نظر تخلیه مانند نیکل-کادمیم رفتار می کنند. ولتاژ بالای سلول 3.6 ولت امکان طراحی بسته باتری تنها با یک سلول را فراهم می کند. اکثر تلفن های همراه امروزی روی یک سلول کار می کنند. یک بسته مبتنی بر نیکل به سه سلول 1.{7}} ولتی نیاز دارد که به صورت سری متصل شوند.
لیتیوم یون باتری کم تعمیر و نگهداری است، مزیتی که اکثر شیمی های دیگر نمی توانند ادعا کنند. هیچ حافظه ای وجود ندارد و برای افزایش عمر باتری نیازی به دوچرخه سواری برنامه ریزی شده نیست. علاوه بر این، خود تخلیه در مقایسه با نیکل-کادمیم کمتر از نصف است، و لیتیوم-یون را برای کاربردهای مدرن سنج سوخت مناسب می کند. سلول های لیتیوم یونی در صورت دفع آسیب کمی ایجاد می کنند.
علیرغم مزایای کلی آن، لیتیوم یون دارای معایبی است. شکننده است و برای حفظ عملکرد ایمن به مدار حفاظتی نیاز دارد. مدار حفاظتی که در هر بسته تعبیه شده است، حداکثر ولتاژ هر سلول را در هنگام شارژ محدود می کند و از افت بیش از حد ولتاژ سلول در هنگام تخلیه جلوگیری می کند. علاوه بر این، دمای سلول برای جلوگیری از افراط دما نظارت می شود. حداکثر جریان شارژ و دشارژ در اکثر بسته ها بین 1 تا 2 درجه سانتیگراد محدود است. با رعایت این اقدامات احتیاطی، احتمال آبکاری لیتیوم فلزی به دلیل شارژ بیش از حد عملاً از بین می رود.
پیری در اکثر باتری های لیتیوم یونی یک نگرانی است و بسیاری از تولید کنندگان در مورد این موضوع سکوت می کنند. مقداری کاهش ظرفیت پس از یک سال قابل توجه است، چه باتری در حال استفاده باشد یا نه. باتری اغلب پس از دو یا سه سال از کار می افتد. لازم به ذکر است که سایر مواد شیمیایی نیز اثرات تخریبی مرتبط با افزایش سن دارند. این امر به ویژه برای نیکل-فلز-هیدرید در صورت قرار گرفتن در معرض دمای بالای محیط صادق است. در عین حال، بسته های لیتیوم یونی شناخته شده است که در برخی از کاربردها به مدت پنج سال خدمت کرده اند.
تولیدکنندگان به طور مداوم در حال بهبود لیتیوم یون هستند. ترکیبات شیمیایی جدید و پیشرفته هر شش ماه یا بیشتر معرفی می شوند. با چنین پیشرفت سریعی، ارزیابی میزان پیری باتری اصلاح شده دشوار است.
نگهداری در جای خنک روند پیری لیتیوم یون (و سایر مواد شیمیایی) را کند می کند. تولید کنندگان دمای ذخیره سازی 15 درجه (59 درجه فارنهایت) را توصیه می کنند. علاوه بر این، باتری باید تا حدی در طول ذخیره سازی شارژ شود. سازنده توصیه می کند شارژ 40٪.
مقرون به صرفه ترین باتری لیتیوم یونی از نظر نسبت هزینه به انرژی، استوانه ای 18650 است (اندازه 18 میلی متر در 65.2 میلی متر). این سلول برای محاسبات تلفن همراه و سایر برنامه هایی که به هندسه بسیار نازک نیاز ندارند استفاده می شود. اگر به یک بسته باریک نیاز دارید، سلول لیتیوم یون منشوری بهترین انتخاب است. این سلول ها از نظر انرژی ذخیره شده هزینه بیشتری دارند.
مزایا
چگالی انرژی بالا - پتانسیل برای ظرفیت های بالاتر.
در زمان نو نیازی به بتونه کاری طولانی مدت ندارد. یک شارژ معمولی تمام چیزی است که لازم است.
خود دشارژ نسبتا کم - خود تخلیه کمتر از نصف باتری های مبتنی بر نیکل است.
تعمیر و نگهداری کم - نیازی به تخلیه دوره ای نیست. هیچ حافظه ای وجود ندارد
سلول های تخصصی می توانند جریان بسیار بالایی را به برنامه هایی مانند ابزارهای برقی ارائه دهند.
محدودیت ها
برای حفظ ولتاژ و جریان در محدوده ایمن به مدار حفاظتی نیاز دارد.
با توجه به پیری، حتی در صورت عدم استفاده - نگهداری در جای خنک با 40 درصد شارژ، اثر پیری را کاهش می دهد.
محدودیت های حمل و نقل - حمل و نقل مقادیر بیشتر ممکن است تحت کنترل نظارتی باشد. این محدودیت برای باتری های دستی شخصی اعمال نمی شود.
گران بودن تولید - حدود 40 درصد هزینه بالاتر از نیکل کادمیوم.
به طور کامل بالغ نشده اند - فلزات و مواد شیمیایی به طور مداوم در حال تغییر هستند.
باتری لیتیوم پلیمری
لیتیوم پلیمر خود را از سیستم های باتری معمولی در نوع الکترولیت مورد استفاده متمایز می کند. طرح اصلی که به دهه 1970 برمی گردد، از الکترولیت پلیمری جامد خشک استفاده می کند. این الکترولیت شبیه یک لایه پلاستیکی است که جریان الکتریکی را هدایت نمی کند اما اجازه تبادل یون ها (اتم های باردار الکتریکی یا گروه هایی از اتم ها) را می دهد. الکترولیت پلیمری جایگزین جداکننده متخلخل سنتی می شود که با الکترولیت آغشته شده است.
طراحی پلیمر خشک با توجه به ساخت، استحکام، ایمنی و هندسه پروفیل نازک، سادهسازی را ارائه میدهد. با ضخامت سلولی به اندازه یک میلی متر ({1}}.039 اینچ)، طراحان تجهیزات از نظر شکل، شکل و اندازه به تخیل خود سپرده می شوند.
متأسفانه، لیتیوم پلیمر خشک از رسانایی ضعیف رنج می برد. مقاومت داخلی بسیار زیاد است و نمیتواند جریان مورد نیاز برای تامین انرژی دستگاههای ارتباطی مدرن و چرخاندن هارد دیسکهای تجهیزات محاسباتی سیار را ارائه دهد. گرم کردن سلول تا دمای 60 درجه (140 درجه فارنهایت) و بالاتر رسانایی را افزایش می دهد، نیازی که برای کاربردهای قابل حمل نامناسب است.
برای به خطر انداختن، مقداری الکترولیت ژل شده اضافه شده است. سلول های تجاری از یک غشای جداکننده/الکترولیت تهیه شده از همان پلی اتیلن متخلخل سنتی یا جداکننده پلی پروپیلن پر شده با پلیمر استفاده می کنند که پس از پر شدن با الکترولیت مایع ژل می شود. بنابراین سلول های پلیمری لیتیوم یون تجاری از نظر شیمی و مواد بسیار شبیه به قطعات مشابه الکترولیت مایع خود هستند.
لیتیوم-یون-پلیمر به آن سرعتی که برخی از تحلیلگران انتظار داشتند جذب نشده است. برتری آن نسبت به سایر سیستم ها و هزینه های ساخت پایین محقق نشده است. هیچ پیشرفتی در افزایش ظرفیت حاصل نشده است - در واقع، ظرفیت کمی کمتر از باتری استاندارد لیتیوم یون است. لیتیوم یون پلیمر بازار خود را در هندسه های نازک ویفری مانند باتری های کارت های اعتباری و سایر کاربردهای مشابه می یابد.
مزایا
مشخصات بسیار پایین - باتری هایی شبیه به مشخصات کارت اعتباری امکان پذیر است.
ضریب فرم انعطاف پذیر - تولید کنندگان به قالب های سلول استاندارد محدود نمی شوند. با حجم بالا می توان هر اندازه معقولی را به صرفه تولید کرد.
الکترولیت های سبک وزن ژل شده با از بین بردن پوسته فلزی، بسته بندی ساده را امکان پذیر می کنند.
ایمنی بهبود یافته - مقاوم تر در برابر شارژ بیش از حد؛ شانس کمتری برای نشت الکترولیت
محدودیت ها
چگالی انرژی کمتر و کاهش تعداد چرخه در مقایسه با لیتیوم یون.
گران قیمت برای ساخت.
بدون اندازه های استاندارد اکثر سلول ها برای بازارهای مصرفی با حجم بالا تولید می شوند.
نسبت هزینه به انرژی بالاتر از لیتیوم یون
محدودیت در محتوای لیتیوم برای سفرهای هوایی
مسافران هوایی این سوال را می پرسند: "چه مقدار لیتیوم در یک باتری مجاز است به هواپیما بیاورم؟" ما بین دو نوع باتری تفاوت قائل می شویم: فلز لیتیوم و لیتیوم یون.
اکثر باتری های لیتیوم فلزی غیر قابل شارژ هستند و در دوربین های فیلم استفاده می شوند. بسته های لیتیوم یون قابل شارژ هستند و لپ تاپ ها، تلفن های همراه و دوربین های فیلمبرداری را تغذیه می کنند. هر دو نوع باتری، از جمله بستههای یدکی، به عنوان دستی مجاز هستند، اما نمیتوانند از محتوای لیتیوم زیر بیشتر باشند:
2 گرم برای باتری های لیتیوم فلزی یا آلیاژی لیتیوم
8 گرم برای باتری های لیتیوم یون
باتریهای لیتیوم یونی بیش از 8 گرم اما حداکثر 25 گرم را نمیتوان در چمدان دستی حمل کرد، در صورتی که برای جلوگیری از اتصال کوتاه به صورت جداگانه محافظت میشوند و به دو باتری یدکی برای هر نفر محدود میشوند.
چگونه می توانم محتوای لیتیوم باتری لیتیوم یون را بدانم؟از دیدگاه تئوری، هیچ لیتیوم فلزی در یک باتری لیتیوم یون معمولی وجود ندارد. با این حال، مقدار لیتیوم معادلی وجود دارد که باید در نظر گرفته شود. برای یک سلول لیتیوم یونی، این مقدار 0.3 برابر ظرفیت نامی (بر حسب آمپر ساعت) محاسبه می شود.
مثال:یک سلول Li-ion 2Ah 18650 دارای 0.6 گرم محتوای لیتیوم است. در یک باتری لپ تاپ معمولی 60 وات ساعتی با 8 سلول (4 سلول به صورت سری و 2 سلول به صورت موازی)، این مقدار به 4.8 گرم می رسد. برای اینکه زیر حد 8-گرم سازمان ملل باقی بمانید، بزرگترین باتری که می توانید به همراه داشته باشید 96 وات ساعت است. این بسته می تواند شامل سلول های 2.2Ah در آرایش 12 سلولی (4s3p) باشد. اگر به جای آن از سلول 2.4Ah استفاده می شد، بسته باید به 9 سلول (3s3p) محدود شود.
محدودیت در حمل و نقل باتری های لیتیوم یون
هر کسی که باتری های لیتیوم یون را به صورت عمده حمل می کند، مسئول رعایت مقررات حمل و نقل است. این امر در مورد محموله های داخلی و بین المللی از طریق زمین، دریا و هوا اعمال می شود.
سلولهای لیتیوم یونی که محتوای لیتیوم معادل آنها بیش از 1.5 گرم یا 8 گرم در هر بسته باتری است، باید به عنوان "مواد خطرناک متفرقه کلاس 9" ارسال شوند. ظرفیت سلول و تعداد سلول های یک بسته، محتوای لیتیوم را تعیین می کند.
برای بسته هایی که کمتر از 8 گرم لیتیوم دارند استثنا قائل می شوند. با این حال، اگر یک محموله حاوی بیش از 24 سلول لیتیومی یا 12 بسته باتری لیتیوم یونی باشد، علائم و اسناد حمل و نقل ویژه مورد نیاز است. هر بسته باید دارای علامت باتری لیتیومی باشد.
تمام باتریهای لیتیوم یونی بدون توجه به محتوای لیتیوم باید مطابق با مشخصات ذکر شده در UN 3090 آزمایش شوند (راهنمای آزمایشها و معیارهای سازمان ملل، بخش III، بخش 38.3). این اقدام احتیاطی از حمل و نقل باتری های معیوب محافظت می کند.
سلول ها و باتری ها باید برای جلوگیری از اتصال کوتاه از هم جدا شده و در جعبه های محکم بسته بندی شوند.