لیتیوم قابل شارژ چیست؟

قابل شارژ لیتیوم به باتری هایی اطلاق می شود که از فناوری یون لیتیوم{0}} برای ذخیره و آزادسازی انرژی الکتریکی از طریق چرخه های شارژ و دشارژ مکرر استفاده می کنند. این باتری‌ها یون‌های لیتیوم را بین دو الکترود حرکت می‌دهند-معمولاً یک آند گرافیت و یک کاتد اکسید فلز{3}}که به آنها اجازه می‌دهد تا صدها تا هزاران بار شارژ شوند.

اصطلاح "باتری لیتیومی" در واقع شامل دو دسته مجزا با قابلیت های اساسی متفاوت است. باتری‌های لیتیومی اولیه منابع انرژی یک‌بار مصرف هستند که برای دستگاه‌هایی طراحی شده‌اند که به توان خروجی پایدار و طولانی مدت نیاز دارند. اینها را در آشکارسازهای دود، پیس میکرها و کنترل از راه دور خاص پیدا خواهید کرد. پس از اتمام، آنها باید دور ریخته و جایگزین شوند.

باتری‌های لیتیومی قابل شارژ، که به درستی باتری‌های لیتیوم-یون یا لیتیوم- نامیده می‌شوند، یک فناوری کاملاً متفاوت را نشان می‌دهند. تفاوت اصلی در برگشت پذیری واکنش های شیمیایی آنها نهفته است. وقتی تلفن یا لپ‌تاپ خود را برای شارژ وصل می‌کنید، یون‌های لیتیوم از کاتد به آند برمی‌گردند و انرژی را برای استفاده بعدی ذخیره می‌کنند. این جریان یونی دو طرفه، فناوری لیتیوم قابل شارژ را از همتایان یکبار مصرف خود متمایز می کند.

همه دستگاه هایی که از انرژی لیتیوم استفاده می کنند نمی توانند باتری های قابل شارژ را بپذیرند. مشخصه های ولتاژ بین دو نوع-سلول های لیتیوم اولیه معمولاً 3.0 ولت ارائه می کنند، در حالی که سلول های لیتیومی قابل شارژ- 3.6-3.7 ولت را ارائه می دهند. این تفاوت ولتاژ به این معنی است که شما نمی توانید به سادگی یک نوع را با نوع دیگر بدون بررسی سازگاری دستگاه تعویض کنید.

Lithium Rechargeable

در داخل هر باتری لیتیومی قابل شارژ، یک سیستم به دقت مهندسی شده از چهار جزء ضروری قرار دارد که به طور هماهنگ کار می کنند. آند، که معمولاً از گرافیت ساخته می شود، به عنوان الکترود منفی عمل می کند. کاتد-الکترود مثبت-از موادی مانند اکسید کبالت لیتیوم (LCO)، فسفات آهن لیتیوم (LFP) یا اکسید کبالت منگنز لیتیوم نیکل (NMC) استفاده می‌کند. بین این الکترودها یک الکترولیت مایع حاوی نمک های لیتیوم جریان دارد و یک جداکننده متخلخل از تماس مستقیم بین آند و کاتد جلوگیری می کند در حالی که اجازه عبور یون را می دهد.

در هنگام تخلیه، یون های لیتیوم از آند خارج شده و از طریق الکترولیت به کاتد می روند. به طور همزمان، الکترون ها در مدار دستگاه شما جریان می یابند و نیروی الکتریکی مورد نیاز شما را تامین می کنند. جداکننده به جای ایجاد یک اتصال کوتاه خطرناک، الکترون ها را مجبور می کند تا مسیر طولانی را از طریق دستگاه شما طی کنند.

شارژ مجدد کل این فرآیند را معکوس می کند. هنگامی که یک شارژر را وصل می کنید، جریان الکتریکی یون های لیتیوم را از کاتد به آند برمی گرداند. یون ها اساساً به موقعیت های اولیه خود باز می گردند و برای چرخه تخلیه بعدی آماده می شوند. این درون‌سازی برگشت‌پذیر-اصطلاح فنی برای یون‌هایی که خود را بین لایه‌های الکترود قرار می‌دهند- قابلیت شارژ مجدد را که این باتری‌ها را تعریف می‌کند، فعال می‌کند.

سیستم مدیریت باتری (BMS) به عنوان مغز باتری در طول این فرآیند عمل می کند. این واحد کنترل الکترونیکی به طور مداوم ولتاژ سلول، دما و جریان جریان را کنترل می کند. هنگامی که سلول‌ها به 4.2 ولت (حداکثر استاندارد برای اکثر شیمی‌های لیتیوم{3}) رسیدند، با قطع کردن مدار شارژ از شارژ بیش از حد جلوگیری می‌کند. همچنین در برابر تخلیه بیش از حد-که می‌تواند با ایجاد انحلال مس در کلکتورهای فعلی به باتری برای همیشه آسیب برساند، محافظت می‌کند.

فناوری لیتیوم قابل شارژ یکپارچه نیست-چند شیمی مجزا بر اساس ویژگی‌های عملکردی خاص، کاربردهای متفاوتی دارند.

اکسید لیتیوم کبالت (LCO)باتری‌ها بر وسایل الکترونیکی قابل حمل اولیه تسلط داشتند و هنوز هم قدرت اکثر تلفن‌های هوشمند و لپ‌تاپ‌ها را تامین می‌کنند. آنها چگالی انرژی تا 200-260 Wh/kg را ارائه می‌دهند که آنها را برای کاربردهای حساس به وزن عالی می‌کند. با این حال، از نظر حرارتی پایداری کمتری نسبت به سایر گزینه ها دارند و معمولاً 500-1000 چرخه شارژ را ارائه می دهند.

لیتیوم فسفات آهن (LFP)باتری ها مقداری چگالی انرژی (100-180 Wh/kg) را برای ایمنی و طول عمر قابل توجه قربانی می کنند. ساختار بلوری پایدار آنها در برابر فرار حرارتی مقاومت می کند، و آنها به طور معمول 2000-5000 چرخه را قبل از کاهش تا 80٪ ظرفیت، به دست می آورند. وسایل نقلیه الکتریکی و ذخیره انرژی ثابت به طور فزاینده ای از این شیمی علیرغم ولتاژ پایین آن (3.2 ولت اسمی در مقابل 3.7 ولت برای LCO) طرفدار دارند.

لیتیوم پلیمر (LiPo)باتری ها به جای مایع از یک الکترولیت پلیمری مانند ژل{0}}یا جامد استفاده می کنند. این امکان بسته بندی انعطاف پذیر در کیسه های نازک را فراهم می کند که با شکل دستگاه مطابقت دارد. آنها را در گوشی‌های هوشمند، تبلت‌های باریک، و وسایل نقلیه کنترل‌شده رادیویی{3}}که در آنها وزن بسیار مهم است، پیدا خواهید کرد. آنها معمولاً 1000-2000 چرخه ارائه می دهند.

نیکل منگنز کبالت (NMC)باتری ها تراکم انرژی (150-220 Wh/kg)، قابلیت نیرو، و طول عمر (1000{4}}2000 چرخه) را متعادل می کنند. این تطبیق پذیری آنها را در خودروهای برقی محبوب می کند، جایی که تولیدکنندگان می توانند نسبت نیکل- منگنز- کبالت را تنظیم کنند تا ظرفیت انرژی یا توان خروجی را بر اساس الزامات طراحی خودرو اولویت بندی کنند.

درک اینکه چه چیزی طول عمر باتری لیتیومی قابل شارژ را تعیین می کند، مستلزم نگاهی فراتر از شمارش چرخه ساده به نحوه استفاده واقعی باتری ها است.

چرخه شارژ زمانی رخ می دهد که از 100٪ ظرفیت باتری استفاده می کنید، البته نه لزوماً در یک تخلیه مداوم. استفاده از 50% یک روز و 50% روز بعد به عنوان یک چرخه کامل محسوب می شود. باتری‌های سلولی استوانه‌ای-با کیفیت بالا-که شبیه باتری‌های AA هستند اما بزرگ‌تر-می‌توانند 3000-5000 چرخه را قبل از کاهش ظرفیت به 80% باتری اصلی ارائه دهند. سلول های منشوری (مسطح، مستطیلی) معمولاً 1000-2000 چرخه را مدیریت می کنند، در حالی که باتری های لیتیوم پلیمری کیسه ای اغلب کوتاه تر می شوند.

این اعداد روش های شارژ مناسب را فرض می کنند. دوچرخه‌سواری جزئی-شارژ مجدد قبل از اتمام کامل-در واقع عمر باتری را در مقایسه با تخلیه کامل مکرر افزایش می‌دهد. باتری‌های لیتیومی مدرن از «اثر حافظه» که باتری‌های نیکل{4}} قدیمی‌تر را آزار می‌دهد، رنج نمی‌برند، بنابراین می‌توانید در هر نقطه‌ای بدون جریمه عملکرد شارژ کنید.

دما به طور چشمگیری هم بر عملکرد فوری و هم بر سلامت درازمدت تأثیر می‌گذارد. کارکردن در دمای 40 درجه (104 درجه فارنهایت) به جای 20 درجه (68 درجه فارنهایت) می تواند طول عمر کل را تا 40 درصد کاهش دهد. دمای سرد باعث آسیب دائمی نمی‌شود، اما ظرفیت موجود را موقتاً کاهش می‌دهد-باتری که قدرت کامل را در 20 درجه ارائه می‌کند تنها 70٪ در 10- درجه (14 درجه فارنهایت) ارائه می‌کند.

شرایط ذخیره سازی نیز مهم است. باتری کاملاً شارژ شده که در دمای بالا ذخیره می‌شود، سریع‌ترین عمر را دارد. برای ذخیره‌سازی طولانی‌مدت، سازندگان توصیه می‌کنند با ظرفیت 40 تا 50 درصد شارژ کنید و باتری‌ها را در محیط‌های خنک نگه دارید. باتری ذخیره شده در دمای 25 درجه (77 درجه فارنهایت) با شارژ 40 درصد ممکن است پس از یک سال 96 درصد ظرفیت خود را حفظ کند، در حالی که باتری ذخیره شده در دمای 40 درجه (104 درجه فارنهایت) می تواند 35 درصد در همان دوره از دست بدهد.

باتری‌های لیتیومی قابل شارژ طیف فوق‌العاده‌ای از فناوری مدرن را تامین می‌کنند که هر برنامه از ویژگی‌های خاص این فناوری بهره می‌برد.

لوازم الکترونیکی مصرفی-تلفن‌های هوشمند، لپ‌تاپ‌ها، تبلت‌ها و هدفون‌های بی‌سیم همگی به چگالی انرژی بالای فناوری لیتیوم بستگی دارند. یک باتری تلفن هوشمند مدرن 10 تا 15 وات ساعت را در فضایی کوچکتر از کارت اعتباری قرار می دهد، چیزی که با باتری های قدیمی تر غیرممکن است. این دستگاه ها معمولاً از شیمی LCO یا NMC برای حداکثر زمان اجرا در حداقل فضا استفاده می کنند.

وسایل نقلیه الکتریکی-صنعت خودرو از باتری‌های لیتیومی استقبال کرده است و تقاضای جهانی باتری EV از سال 2024 بیش از 1 تراوات{2}}ساعت سالانه است. بیشتر خودروهای برقی از باتری‌های NMC یا LFP استفاده می‌کنند. NMC چگالی انرژی بالاتری را برای برد طولانی‌تر ارائه می‌کند، در حالی که LFP حاشیه ایمنی بهتر و عمر تقویم طولانی‌تری را ارائه می‌کند. بسته‌های باتری خودروهای الکتریکی حاوی هزاران سلول جداگانه هستند که با هم کار می‌کنند تا 50 تا 100 کیلووات ساعت انرژی ذخیره کنند.

ابزار قدرت-دریل‌های شارژی، اره‌ها و سایر تجهیزات برقی در 15 سال گذشته از فناوری نیکل{1}}کادمیم به لیتیوم تغییر یافته است. ولتاژ بالاتر (سیستم‌های 18 ولت یا 20 ولت در مقابل. 12 ولت برای NiCd) و چگالی توان، عملکرد حرفه‌ای- بدون سیم را ممکن می‌سازد. این برنامه‌ها به باتری‌ها با کشش جریان بالا فشار وارد می‌کنند، بنابراین سازندگان از NMC یا شیمی{9}}LFP با دشارژ بالا استفاده می‌کنند.

سیستم های ذخیره انرژی-تاسیسات خورشیدی و شبکه-ذخیره‌سازی مقیاس به طور فزاینده‌ای به باتری‌های لیتیومی تکیه می‌کنند تا طبیعت متناوب انرژی‌های تجدیدپذیر را هموار کنند. سیستم‌های مسکونی معمولاً از شیمی LFP استفاده می‌کنند و ایمنی و طول عمر را بر حداکثر چگالی انرژی اولویت می‌دهند. از سال 2023، باتری‌های لیتیوم{5} یون بیش از 80 درصد از 190+ گیگاوات-ساعت ذخیره‌سازی باتری در سطح جهان را تشکیل می‌دادند.

تجهیزات پزشکی-دستگاه‌های قابل کاشت مانند ضربان‌سازها و پمپ‌های انسولین به باتری‌هایی نیاز دارند که هم قابل اعتماد و هم ماندگار هستند-. برخی از سلول‌های لیتیوم اولیه با رتبه‌بندی 10+ سال استفاده می‌کنند، در حالی که دستگاه‌های قابل حمل خارجی به طور فزاینده‌ای از لیتیوم قابل شارژ برای راحتی بیمار و مزایای زیست‌محیطی استفاده می‌کنند.

Lithium Rechargeable

شارژ صحیح باتری های لیتیومی قابل شارژ مستلزم درک ولتاژ و جریان مورد نیاز خاص آنها است که به طور قابل توجهی با سایر انواع باتری متفاوت است.

شیمی یون لیتیوم{0}} استاندارد نیاز به شارژ تا 4.2 ولت در هر سلول با کنترل دقیق ولتاژ دارد. فرآیند شارژ معمولی از رویکرد دو مرحله‌ای پیروی می‌کند: شارژ کردن جریان ثابت (CC) جریان ثابتی را تا زمانی که سلول‌ها به 4.2 ولت برسند، ارائه می‌کند، سپس شارژ ولتاژ ثابت (CV) این ولتاژ را حفظ می‌کند در حالی که جریان به تدریج کاهش می‌یابد. هنگامی که جریان به حدود 3-5٪ از ظرفیت باتری کاهش یابد، شارژ کامل می شود.

شما مطلقاً نمی توانید از شارژرهای طراحی شده برای انواع دیگر باتری استفاده کنید. شارژرهای اسید سرب، پالس های ولتاژ بالا را اعمال می کنند که باتری های لیتیومی را از بین می برد. به طور مشابه، شارژرهای نیکل-کادمیم یا نیکل{4}}هیدرید فلز از پروفیل های ولتاژ ناسازگار با شیمی لیتیوم استفاده می کنند. همیشه از شارژری استفاده کنید که به طور خاص برای باتری‌های لیتیوم{6} یونی طراحی شده است، که در حالت ایده‌آل با ترکیب شیمیایی باتری شما مطابقت دارد.

قابلیت شارژ سریع به طرز چشمگیری بهبود یافته است. در حالی که باتری‌های لیتیومی اولیه به 3{8}}4 ساعت برای شارژ نیاز داشتند، سلول‌های مدرن با طراحی الکترود بهبودیافته می‌توانند نرخ شارژ تا 1C (یک برابر ظرفیت در ساعت) یا بالاتر را بپذیرند. برخی از باتری‌های خودروهای الکتریکی اکنون از شارژ سریع 350 کیلوواتی DC پشتیبانی می‌کنند و در عرض 10 دقیقه به برد 100+ مایل می‌افزایند. با این حال، شارژ سریع مکرر، تخریب را در مقایسه با شارژ آهسته‌تر تسریع می‌کند و باعث می‌شود که-معادل راحتی در برابر طول عمر باشد.

BMS با نظارت بر ولتاژهای سلولی در بسته‌های چند سلولی، نقش مهمی در هنگام شارژ دارد. از آنجایی که تغییرات تولید به این معنی است که سلول‌ها هرگز یکسان رفتار نمی‌کنند، BMS تضمین می‌کند که همه سلول‌ها از طریق فرآیندی به نام تعادل سلولی به طور یکسان شارژ شوند. این از شارژ یا تخلیه بیش از حد هر سلول منفرد جلوگیری می‌کند، که ظرفیت بسته را کاهش می‌دهد و به طور بالقوه مشکلات ایمنی ایجاد می‌کند.

در حالی که باتری‌های لیتیومی قابل شارژ معمولاً زمانی که به درستی طراحی و استفاده می‌شوند ایمن هستند، چگالی انرژی بالای آنها به این معنی است که خرابی‌ها می‌تواند چشمگیر باشد.

فرار حرارتی نشان دهنده نگرانی اولیه ایمنی است. اگر دمای داخلی به دلیل اتصال کوتاه داخلی، نقص تولید یا آسیب خارجی تقریباً از 80-90 درجه بالاتر رود، یک واکنش خودتقویت کننده می‌تواند آغاز شود. گرما باعث تجزیه الکترولیت می شود و گرما و گاز بیشتری تولید می کند که به طور بالقوه منجر به آتش سوزی یا پارگی می شود. باتری‌های مدرن شامل چندین ویژگی ایمنی{6}}دریچه‌های کاهش فشار، فیوزهای حرارتی، و حفاظت پیشرفته BMS برای جلوگیری از این سناریو هستند.

آسیب فیزیکی به باتری های لیتیومی خطرات جدی ایجاد می کند. سوراخ کردن یک سلول می تواند باعث اتصال کوتاه داخلی با فرار حرارتی فوری شود. خرد کردن یا خم شدن سلول های کیسه ای به جداکننده آسیب می رساند و به طور بالقوه امکان تماس مستقیم الکترود را فراهم می کند. هرگز از باتری های آسیب دیده استفاده نکنید و آنها را به درستی در مراکز بازیافت تعیین شده دور بیندازید.

شارژ بیش از حد و تخلیه بیش از حد-هر دو به باتری ها آسیب می رساند و خطراتی ایجاد می کند. شارژ بالای 4.2 ولت (یا 4.35 ولت برای برخی شیمی های جدیدتر) می تواند مواد الکترود را بی ثبات کند و باعث آبکاری لیتیوم روی آند شود و دندریت هایی ایجاد کند که ممکن است جداکننده را سوراخ کند. تخلیه کمتر از 2.5 ولت در هر سلول می تواند مس را از کلکتورهای جریان حل کند و به طور دائم ظرفیت را کاهش دهد و خطرات اتصال کوتاه داخلی را ایجاد کند.

باتری ها را در مکان های خنک و خشک دور از مواد قابل اشتعال نگهداری کنید. هرگز آنها را در معرض دمای بیش از 60 درجه (140 درجه فارنهایت) قرار ندهید و از گذاشتن باتری در وسایل نقلیه گرم در تابستان خودداری کنید. برای حمل و نقل، مقررات باتری‌های لیتیوم{4} یونی را به عنوان کالاهای خطرناکی طبقه‌بندی می‌کنند که برای حمل و نقل هوایی بالاتر از آستانه ظرفیت معین، به بسته‌بندی و برچسب‌گذاری خاصی نیاز دارند.

نه، شما به شارژری نیاز دارید که به طور خاص برای شیمی یون لیتیوم{0}} طراحی شده باشد. این شارژرها ولتاژ را دقیقاً به 4.2 ولت در هر سلول تنظیم می کنند و به طور خودکار از جریان ثابت به شارژ ولتاژ ثابت تغییر می کنند. استفاده از شارژرهایی که برای باتری‌های{4}}اسید یا نیکل{5} ساخته شده‌اند، به باتری‌های لیتیومی آسیب می‌رساند و ممکن است خطراتی برای ایمنی ایجاد کند.

باتری‌های لیتیوم{0} یون با کیفیت معمولاً 1000-5000 چرخه شارژ کامل را بسته به شرایط شیمیایی و استفاده ارائه می‌کنند. از نظر تقویمی، انتظار 3-10 سال عمر مفید را داشته باشید. شیمی LiFePO4 طولانی ترین عمر چرخه را در 3000-5000 چرخه ارائه می دهد، در حالی که اکسید لیتیوم کبالت استاندارد معمولاً 500-1000 چرخه را قبل از کاهش قابل توجه ظرفیت ارائه می دهد.

تمام باتری‌های لیتیومی به دلیل واکنش‌های شیمیایی ناخواسته که حتی در حالت استراحت رخ می‌دهند، دچار پیری تقویمی می‌شوند. نگهداری باتری ها در دمای بالا یا شارژ کامل این تخریب را تسریع می کند. برای بهترین نتیجه در حین نگهداری، 40-50% شارژ کنید و در محیط خنک نگهداری کنید. باتری ای که به درستی ذخیره شود می تواند پس از یک سال بیش از 95 درصد ظرفیت خود را حفظ کند.

این تمایز بسیاری از افراد را گیج می کند.باتری لیتیومی چیستمعمولاً به سلول‌های اولیه (غیر{0}}قابل شارژ) با استفاده از لیتیوم فلزی اشاره دارد. باتری‌های لیتیوم- قابل شارژ هستند و حاوی لیتیوم فلزی نیستند-فقط لیتیوم به شکل یونی که در مواد الکترود ذخیره شده است. این دو نوع به دلیل ولتاژهای مختلف و شیمی داخلی قابل تعویض نیستند.

Lithium Rechargeable

فناوری باتری لیتیومی قابل شارژ به سرعت در حال پیشرفت است. تحقیقات در مورد الکترولیت‌های حالت جامد با حذف الکترولیت‌های مایع قابل اشتعال، چگالی انرژی بالاتر و ایمنی بهتر را نوید می‌دهد. آندهای سیلیکونی می توانند ظرفیت را 30-40% نسبت به گرافیت سنتی افزایش دهند. شیمی لیتیوم-گوگرد ممکن است در نهایت چگالی انرژی بیش از 500 Wh/kg را ارائه دهد که تقریباً دو برابر فناوری فعلی است.

این باتری ها به طور اساسی نحوه ذخیره و استفاده از انرژی الکتریکی را تغییر داده اند. از{1}}تلفن‌های جیبی گرفته تا نصب‌های شبکه‌ای-، فناوری لیتیوم قابل شارژ، شیوه‌های زندگی مدرن و تجدیدپذیر{3}}را امکان‌پذیر می‌سازد. ترکیب این فناوری از چگالی انرژی بالا، هزینه معقول و قابلیت شارژ مجدد، آن را به راه حل غالب ذخیره انرژی در برنامه های بی شمار تبدیل کرده است. با ادامه افزایش مقیاس های تولید و ظهور مواد شیمیایی جدید، باتری های لیتیومی قابل شارژ احتمالاً برای دهه های آینده دستگاه ها و وسایل نقلیه ما را تامین می کنند.