راهنمای مطالعه
باتری لیتیوم یون که به انگلیسی با نام های lithium-ion battery یا Li-ion battery شناخته می شود نوعی باتری قابل شارژ است که معمولاً برای وسایل الکترونیکی قابل حمل و ماشین های الکتریکی استفاده می شوند و هر روز محبوبیت آنها برای استفاده در صنایع مختلف منجمله صنایع نظامی و همچنین صنایع هوافضا در حال افزایش است. همچنین به علت مزایای فوق العاده باتری های لیتیوم یون در سالهای اخیر اکثر شرکت های تولید کننده دستگاه یو پی اس UPS به استفاده از باتری های لیتیومی بجای باتری های سیلد اسید روی آورده اند.
در این مقاله از یو پی اس کاران قصد داریم توضیحات کاملی در مورد اینکه باتری لیتومی چیست و چطور کار می کند، همچنین تاریخچه این نوع باتری و اینکه چه مزایا و معایبی دارد بپردازیم.
باتری های لیتیوم یون مثل سایر باتری ها با استفاده از فعل و انفعالات شیمیایی جریان DC تولید می کنند. وقتی باتری شارژ و دشارژ میشود یون های لیتیوم بین الکترودهای مثبت و منفی (کاتد و آند) جا به جا می شوند. به طور کلی، مواد تشکیل دهنده کاتد بر پایه اکسید فلزات کبالت، نیکل و یا منگنز است و آند در باتری های لیتیوم یون گرافیت می باشد.
هر دوی کاتد و آند با استفاده از ساختار لایه لایه ساخته می شوند که یون های لیتیوم بین این لایه ها قرار دارند. در زمان شارژ شدن باتری های لیتیوم یون، یون های لیتیوم از کاتد به سمت آند حرکت می کنند و در زمان استفاده از باتری یا در واقع در زمان تخلیه باتری، یون های لیتیوم از سمت آند به طرف کاتد حرکت می کنند.
استفاده روزافزون از لوازم الکترونیکی قابل حمل در میان مردم مانند استفاده از گوشی موبایل و کامپیوتر و لپ تاپ ها تقاضا را برای باتری‌های قابل شارژ افزایش داد که در این میان باتری‌های لیتیم یون از دیگر انواع باتری‌ها عملکرد و بازده مناسب‌تری داشته و بیشترین میزان تولید را در میان دیگر انواع باتری‌های قابل شارژ داشته اند.
تاریخچه ساخت باتری لیتیوم یون
اولین بار باتری های لیتیومی توسط جی. ان. لوییس در سال 1912 معرفی شدشد اما تا دهه 1970 طول کشید تا اولین باتری های لیتیومی غیر قابل شارژ وارد بازار شوند. در سال 1985 یک نمونه اولیه باتری لیتیوم یون توسط Akira Yoshino ساخته شد ، براساس تحقیقات قبلی توسط John Goodenough ، M. Stanley Whitingham ، Rachid Yazami و Koichi Mizushima طی دهه های 1970 تا 1980 و سپس نمونه تجاری باتری لیتیوم یون توسط تیم Sony و Asahi Kasei به رهبری یوشیو نیشی در سال 1991 ساخته شد.
فلز لیتیوم سبک ترین فلز در میان تمام عناصر است و بالاترین پتانسیل الکتروشیمیایی را دارد و بیشترین مقدار چگالی انرژی را نسبت به وزن خود تولید می کند. عنصر لیتیم بسیار فعال و واکنش پذیر می باشد به همین دلیل این عنصر به شکل آزاد در طبیعت یافت نمی شود.
باتری های لیتیومی در کنار تمام مزایا مشکلاتی هم دارند مانند ایمنی باتری های لیتیوم یون. تا حال حاضر متاسفانه تلاشهای فراوان در راستای حل این مشکل موفق نبوده است. به خاطر ناپایداری ذاتی فلز لیتیوم، به خصوص هنگام شارژ شدن، به همین دلیل تحقیقات به سمت باتری لیتیوم غیر فلزی و تنها با استفاده از یون های لیتیوم تغییر مسیر داده است. اگرچه چگالی انرژی یون لیتیوم نسبت به فلز لیتیوم کمی کمتر است، در عوض لیتیوم یون به شرط رعایت برخی اقدامات احتیاطی هنگام شارژ و دشارژ بی خطر است. در سال 1991 شرکت سونی اولین باتری لیتیوم یون را ارائه کرد. بعد از آن شرکتهای بزرگ یکی بعد از دیگری از استفاده از باتری های لیتیوم یون را در محصولات خود قرار دادند.
باتری لیتیوم یون چگونه کار می کند؟
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
چگالی انرژی در باتری های لیتیوم یون به طور معمول دو برابر باتری های نیکل کادمیوم است و پتانسیل خیلی بالاتر از این مقدار را هم دارد. مشخصات بارگیری خوبی دارد و در زمینه تخلیه بار خیلی مشابه نیکل کادمیوم عمل می کند. ولتاژ سلولی بالا (اختلاف بار بین دو تا الکترود) با مقدار 6/3 ولت این امکان را فراهم می کند که در طراحی باتری بتوان از یک سلول استفاده کرد.
منظور از سلول هم در واقع یک آنود و یک کاتد است که توسط الکترولیت از هم جدا شده اند. اکثر موبایل های امروزی باتری هایی با یک سلول دارند در حالی که برای باتری نیکلی باید سه عدد سلول 2/1 ولتی را به صورت سری به هم وصل کنید. باتری های لیتیوم یون به کمترین میزان تعمیر و نگهداری نیاز دارند و این مزیتی هست که کمتر باتری شیمیایی میتواند مدعی آن باشد.
باتری های لیتیومی حافظه شارژ ندارند ( اگر بیاد داشته باشید، در سال های اولیه تولید موبایل بدلیل اینکه باتری های موبایل لیتیومی نبود شارژ اولیه باتری خیلی مهم بود، بخاطر اینکه باتری های اولیه موبایل ها حافظه شارژ داشتند) و به هیچ چرخه برنامه ریزی شده ای هم برای افزایش طول عمر باتری نیاز نیست. به علاوه تخلیه خود به خودی باتری در آنها کمتر از نصف باتری های مشابه مثل باتری های نیکل- کادمیوم است که باتری لیتیومی را بسیار مناسب کاربردهای مختلف کرده است. مهمتر از همه لیتیوم یون بعد از دور انداختن آسیب بسیار کمی به طبیعت وارد می کند.
- چگالی انرژی بالا : پتانسیل ظرفیت های بالاتر از یان را هم دارد.
- عدم نیاز به شارژ طولانی مدت در اولین استفاده: در باتری های لیتیوم یون همان شارژ معمولی باتری برای شروع کارکرد آن کافی است
- تخلیه شارژ خود به خودی نسبتا پایین: این مقدار برای باتری های لیتیوم یون حدود نصف باتری هایی است که در آنها از نیکل استفاده شده است.
- نیاز به دشارژ شدن دوره ای ندارند: باتری های لیتیوم یون چون حافظه ای ندارند.
- یک سری خاص از آن می توانند جریان بسیار بالایی را برای کاربردهایی مثل ابزارهای برقی فراهم کنند.
معایب و محدودیت های باتری لیتیوم یون
در کنار همه این مزایا لیتیوم یون معایبی هم دارد. شکننده است و برای حفظ عملکرد ایمن به مدار محافظ نیاز دارد. این مدار محافظ پیک ولتاژ هر سلول را هنگام شارژ محدود می کند و از پایین آمدن بیش از حد ولتاژ سلول در تخلیه جلوگیری می کند. ضمنا دمای سلول هم چک میشود تا خیلی بالا نرود. ماکسیمم شارژ و تخلیه جریان در بیشتر این باتری ها بین 1 و 2 هست.
با رعایت این اقدامات احتیاطی ، احتمال وقوع لیتیوم پلِیتینگ فلزی و یا اصطلاحا آبکاری فلز به دلیل اضافه بار تقریباً از بین می رود. تشکیل لیتیوم فلزی در اطراف آند باتری های لیتیوم یون در هنگام شارژ را لیتیوم پلیتینگ می گویند. آبکاری که به آن رسوب نیز گفته می شود ، می تواند باعث شود که این باتری های قابل شارژ به مرور زمان دچار اختلال شوند. این مساله یکی از دلایل خرابی باتری است.
- برای اینکه ولتاژ و جریان را در محدوده ایمن نگه دارد به مدار محافظ احتیاج دارد.
- در مورد تاثیر عمر باتری بر ظرفیت آن، جدا از اینکه از آن استفاده شده باشد یا نه، نگهداری آن در جای خنک در حالی که باتری که حداقل 40 درصد شارژ داشته باشد مفید خواهد بود.
- محدودیت های حمل و نقل : حمل و نقل مقادیر بالای آن ممکن است مشمول قوانین نظارتی شود.
- تولید گران قیمت : تقریبا 40 درصد گران تر از تولید نیکل-کادمیوم
- هنوز به طور کامل پیشرفت نکرده : فلزات و ترکیبات شیمیایی پیوسته در حال تغییر و اصلاح هستند.
- چگالی انرژی بالا : پتانسیل ظرفیت های بالاتر از یان را هم دارد.
- عدم نیاز به شارژ طولانی مدت در اولین استفاده: در باتری های لیتیوم یون همان شارژ معمولی باتری برای شروع کارکرد آن کافی است
- تخلیه شارژ خود به خودی نسبتا پایین: این مقدار برای باتری های لیتیوم یون حدود نصف باتری هایی است که در آنها از نیکل استفاده شده است.
- نیاز به دشارژ شدن دوره ای ندارند: باتری های لیتیوم یون چون حافظه ای ندارند.
- یک سری خاص از آن می توانند جریان بسیار بالایی را برای کاربردهایی مثل ابزارهای برقی فراهم کنند.
عمر باتری لیتیوم یون
عمر باتری لیتیومی نگرانی دیگری است که اکثر کارخانه های سازنده در مورد آن سکوت می کنند. یک باتری لیتیوم یون بعد از یک سال دچار کاهش ظرفیت می شود، چه از آن استفاده شده باشد و یا نشده باشد. بعد از دو یا سه سال باتری به طور مداوم دچار مشکل می شود. البته باید دقت کرد که بقیه باتری های شیمیایی هم این تاثیر مخرب عمر باتری بر ظرفیت آن را دارند. ترکیب شیمیایی هیدرید فلزی نیکل در دماهای بالای محیط این تاثیر را نشان می دهد. به هر حال باتری های لیتیوم یون با وجود این شرایط هم حدود 5 سال کار می کنند.
تولید کنندگان باتری های لیتیومی دائما در حال بهبود کارکرد آنها هستند. هر شش ماه ترکیبات شیمیایی جدید و بهبود یافته تر معرفی می شوند. با چنین پیشرفت سریعی تخمین اینکه گذر زمان و عمر باتری چطور بر کارکرد آن اثر میگذارد سخت است.
- برای اینکه ولتاژ و جریان را در محدوده ایمن نگه دارد به مدار محافظ احتیاج دارد.
- در مورد تاثیر عمر باتری بر ظرفیت آن، جدا از اینکه از آن استفاده شده باشد یا نه، نگهداری آن در جای خنک در حالی که باتری که حداقل 40 درصد شارژ داشته باشد مفید خواهد بود.
- محدودیت های حمل و نقل : حمل و نقل مقادیر بالای آن ممکن است مشمول قوانین نظارتی شود.
- تولید گران قیمت : تقریبا 40 درصد گران تر از تولید نیکل-کادمیوم
- هنوز به طور کامل پیشرفت نکرده : فلزات و ترکیبات شیمیایی پیوسته در حال تغییر و اصلاح هستند.
- چگالی انرژی بالا : پتانسیل ظرفیت های بالاتر از یان را هم دارد.
- عدم نیاز به شارژ طولانی مدت در اولین استفاده: در باتری های لیتیوم یون همان شارژ معمولی باتری برای شروع کارکرد آن کافی است
- تخلیه شارژ خود به خودی نسبتا پایین: این مقدار برای باتری های لیتیوم یون حدود نصف باتری هایی است که در آنها از نیکل استفاده شده است.
- نیاز به دشارژ شدن دوره ای ندارند: باتری های لیتیوم یون چون حافظه ای ندارند.
- یک سری خاص از آن می توانند جریان بسیار بالایی را برای کاربردهایی مثل ابزارهای برقی فراهم کنند.
علت کاربرد وسیع باتری لیتیوم یون
علت پرکاربرد شدن استفاده از یک نوع باتری در وسایل و دستگاه های پرتابل چگالی انرژی قابل نگهداری شدن توسط آن نوع باتری می باشد منظور از چگالی انرژی این است که به ازای هر واحد وزن باتری مثلاً هر گرم یا کیلوگرم از باتری ، چه قدر انرژی در باتری ذخیره خواهد شد.
در یک کیلوگرم باتری لیتیوم یون 110 تا 160 وات‌ساعت انرژی ذخیره میشود که در مقایسه با انواع دیگر باتری بسیار بالا می باشد . باتری لیتیوم یون به تعمیر و نگهداری نیاز نداشته و دشارژ خودبخودی آن در هر ماه ۱۰ درصد میباشد. سایکل این نوع باتری یعنی تعداد دفعات شارژ و دشارژ باتری بین ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ بار می باشد.
در گذشته و در حال حاضر بیشتر از باطری های سرب اسید ( باتری سیلد اسید ) در یو پی اس استفاده می شد اما در حال حاضر با توجه به مزایای زیاد، به سمت استفاده از باتری لیتیوم یون یو پی اس در حال تغییر می باشد. طول عمر باتری های لیتیوم یون در یو پی اس آنلاین، دوبرابر باتری سیلد اسید بوده و می تواند تا 15 سال مورد استفاده قرار گیرد، برخی از تولید کنندگان در انواع یو پی اس لاین اینتراکتیو نیز از باتری های لیتیوم یون استفاده می کنند.
معضل زیست محیطی باتری های لیتیوم یون
با این خصوصیات باتری های لیتیومی بهترین گزینه برای تلفن های همراه و لب تاپ ها و دیگر ابزارهای باتری دار مثل پهپادها، ربات‌ها و حتی خودروهای الکتریکی می باشد اما در حال حاضر بازیافت کردن باتری های لیتیوم یون نیز به یک معظل زیست محیطی تبدیل شده است که باید به این موضوع توجه خاصی داشته باشیم پیشنهاد می کنیم مقاله بازیافت باتری لیتیوم یون , همچنین مقاله ایمنی باتری لیتیومی را هم در این رابطه مطالعه کنید.
باتری لیتیوم پلیمر
باتری لیتیوم پلیمر در واقع از سیستم های باتری مرسوم و از نوع الکترولیت دار مشتق می شود. طراحی اولیه این باتری ها که به دهه 1970 برمیگردد از یک الکترولیت پلیمر جامد خشک استفاده می کند. این الکترولیت شبیه یک پرده نازک پلاستیکی است که رسانا نبوده اما اجازه میدهد که یون ها (اتم و یا گروهی از اتم هایی که به صوت الکتریکی باردار شده اند) جا به جا شوند. در واقع الکترولیت پلیمر جایگزین همان جداکننده متخلخل سنتی است که در الکترولیت های مایع و اسیدی مثل باتری های سیلد اسید مورد استفاده قرار می گیرد.
طراحی پلیمر خشک در واقع سبب ساده تر و بهتر شدن روند ساخت، امنیت بیشتر و امکان باریک تر شدن ظاهر باتری ها می شود. با توجه به اینکه هر یک سلول آند-کاتد آن حدود یک میلیمتر می باشد، طراحان تجیزات تنها باید تخیل خود را برای کاربردی ترین و بهترین شکل و فرم و سایز به کار اندازند.
متاسفانه لیتیوم پلیمر خشک رسانایی خیلی کمی دارد و مقاومت داخلی آن بسیار بالاست و نمی تواند جریان بزرگی را که برای تامین انرژی وسایلی مثل موبایل و تبلت را تولید کند. گرم کردن سلول آند کاتدی تا 60 درجه سانتی گراد و بالاتر میتواند رسانش آن را افزایش دهد اما این راه حل برای ابزار قابل حمل مثل موبایل مناسب نیست.
برای بهبود این مشکل در باتری ها، الکترولیت های ژله ای اضافه شد. این سلول های آند-کاتدی تجاری، از یک جداکننده یا پوسته الکترولیت که از یک جداکننده پلی پروپیلن یا پلی اتیلن متخلخل سنتی که با یک پلیمر پر شده تهیه شده اند که با اکترولیت مایع اطراف آنها به ژل آغشته می شوند. بنابراین این سلول های پلیمری لیتیوم یون تجاری هم در شیمی و هم در مواد تشکیل دهنده بسیار شبیه همتاهای الکترولیت مایع خود هستند.
پلیمر لیتیوم یون با سرعتی که انتظار می رفت مورد استقبال قرار نگرفت و وارد بازار نشد. برتری آن به سایر سیستم ها و هزینه های کم تولید آن به خوبی درک نشد. پیشرفتی در راستی افزایش ظرفیت باتری فعلا اتفاق نیفتاده، در واقع ظرفیت باتری های لیتیوم یون کمی از میزان استاندارد هم پایین تر است. اما باتری های لیتیوم پلیمر جایگاه مناسب خود در بازار را در صنعت باتری های بسیار نازک لایه ای مانند باتری کارت های اعتباری و موارد مشابه پیدا کرده است.
مزایای باتری های لیتیوم پلیمر
قابلیت لایه شدن: باتری لیتیوم پلیمر می توانند اینقدر باریک ساخته شوند که برای استفاده در وسیله ای به اندازه کارت های بانکی هم قابل ساخت و استفاده باشند.
- انعطاف پذیری بالا: سازندگان به فرمت های استاندارد تولید باتری محدود نیستند. در حجم بالا هر سایز منطقی از این نوع باتری را می توان بطور اقتصادی تولید کرد.
- سبکی و وزن کم: در این باتری ها الکترولیت های ژله ای با حذف پوسته فلزی طراحی را بسیار ساده کرده اند.
- امنیت بالاتر: مقاومت بیشتر نسبت به اضافه بار بیش از حد که باعث کاهش خطر نشت الکترولیت در این نوع باتری می گردد.
معایب و محدودیت های باتری های لیتیوم پلیمر
- چگالی انرژی پایین تر و تعداد سیکل کمتر در مقایسه با لیتیوم یون
- ساخت نسبت گران تر از لیتیوم یون
- نداشتن اندازه استاندارد : اکثر باتری ها برای بازارهای مصرف کننده با حجم بالا تولید می شوند.
- نسبت بالاتر هزینه به انرژی در قایسه با لیتیوم یون
محدودیت های حمل هوایی باتری لیتیومی
عموما برای مسافران پروازها این سوال را مطرح می شود که حمل وسایل الکترونیکی که دارای باتری لیتیومی هستند به داخل هواپیما مجاز است یا خیر؟
با توجه به بروز شدن قوانین و همچنین متفاوت بودن قوانین ایرلاین ها با یکدیگر حتما قبل از پرواز از طریق وبسایت و یا تماس با اطلاعات هر ایرلاین این موضوع را چک کنید.
به عنوان مثال قوانین مربوط به حمل باتری در داخل هواپیماهای خطوط هوایی قطر را در اینجا می توانید مشاهده کنید بنابر قوانین هواپیمایی قطر
- خودروهای کوچک دارای باتری لیتیومی را، صرف‌نظر از رتبه وات-ساعت باتری لیتیومی این وسایل، نمی‌توان به عنوان بار ثبت شده یا بار کابین پذیرفت. از نمونه‌های این خودروها می‌توان به اسکوتر، تک-چرخ، هاوربورد، دوچرخه برقی کوچک و چرخ تعادل اشاره کرد.
- مسافران می‌توانند حداکثر 15 دستگاه الکترونیکی قابل حمل حاوی باتری لیتیوم یون حمل کنند. رتبه وات-ساعت باتری‌ها نباید از 100 (یا 2 گرم فلز لیتیوم) بیشتر باشد.
سوالات متداول
پر تکرار ترین سوالات در مورد باتری های لیتیومی
باتری های لیتیومی lithium battery نوعی باتری قابل شارژ هستند که در وسایل الکتریکی قابل حمل مورد استفاده قرار می گیرند و از یون های لیتیوم برای انتقال بین آند و کاتد استفاده می شود
باتری های لیتیومی شامل دو دسته بندی اصلی لیتیوم یون و لیتیوم پلیمر هستند
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.
9 thoughts on “باتری لیتیوم یون چیست؟ و چطور کار می کند”
مقدار مورد برای شارژ کردن باتری در هر گجت رو چگونه بفهمیم
متشکرم
سلام وقت بخیر
ممنون از نظرتون دوست عزیز
سلام باتری های پاور بانک لیتیوم هستن؟
سلام وقت بخیر بله دوست عزیز پاوربانک ها و تقریبا در حال حاضر تمام تجهیزات الکترونیکی که باتری قابل شارژ دارند از باتری لیتیومی استفاده می کنند
سلام چه مقدار باتری لیتیومی می شه توی پرواز داخلی با خودت داشته باشی؟
سلام دوست عزیز
عموما پرواز های داخلی و خارجی شرایط استاندارد و یکسانی دارند اما با توجه به اینکه ممکنه در زمانهای مختلف قوانین متفاوتی قرار داده بشه بهتر هست که با اطلاعات پرواز فرودگاه و یا داخل سایت هواپیمایی مورد نظر چک بفرمایید
سلام مقاله خیلی کاملی در مورد باتری لیتیومی بود عالی
سلام ممنون هادی عزیز از اینکه براتون مفید بوده خوشحالیم