تفاوت بین باتری لیتیومی و قلیایی چیست؟

زمستان گذشته از یک مدیر تدارکات در یک سردخانه در ویسکانسین تماس گرفتم. او 8 سنسور نظارت بر محیط زیست را به دلیل آسیب باتری از دست داده بود، و ناامید بود زیرا نمی توانست بفهمد چه مشکلی رخ داده است. تیم او از مواد قلیایی Duracell ProCell استفاده کرده بود و یک برنامه سه ماهه جایگزین را اجرا می کرد که باید به اندازه کافی محافظه کارانه بود. سنسورها برای باتری ها رتبه بندی شدند، فواصل نگهداری مستند شدند، همه چیز روی کاغذ درست به نظر می رسید.

 

مشکل دما بود. باتری های قلیایی در دمای 18- درجه، که استانداردی برای ذخیره سازی کالاهای یخ زده است، آنطور که برگه های داده آنها نشان می دهد، رفتار نمی کنند. ظرفیت به 10 تا 20 درصد کاهش می یابد و زمانی که سلول های قلیایی در محیط های سرد تا حدی تخلیه می شوند، نشت می کنند. الکترولیت هیدروکسید پتاسیم طی چند هفته از طریق تماس های حسگر خورد. زمانی که کسی واحدها را برای تعمیر و نگهداری برنامه ریزی شده باز کرد، خوردگی به مدار گسترش یافته بود. ضرر کل، حدود 12000 دلار.

او حساب‌های مربوط به هزینه‌های واحد را انجام داده بود، مشخصات سازگاری را بررسی کرده بود، و تمام مراحل عادی تهیه را دنبال کرده بود. هیچ یک از اینها مشکل دما را نشان نداد زیرا هیچ کس فکر نمی کند هنگام خرید باتری های AA در مورد عملکرد سرد سؤال کند.

این گفتگو اساساً دلیل نوشتن این مطلب است. تفاوت بین لیتیوم و قلیایی در سطح شیمی پیچیده نیست، اما پیامدهای عملکردی تحت محتوای مقایسه عمومی مدفون می‌شوند که به هیچ‌کس در تصمیم‌گیری خرید واقعی کمک نمی‌کند.

نسخه کوتاه

نسخه طولانی‌تر شامل درک اینکه چرا این تفاوت‌ها وجود دارند و زمانی که واقعاً برای برنامه‌های خاص شما اهمیت دارند، است. بیشتر اشتباهات خریدی که من می بینم ناشی از استفاده از نوع باتری اشتباه در مورد استفاده است که در آن نقاط ضعف آن آشکار می شود.

ظرفیت تحت بار: جایی که تفاوت واقعی نشان داده می شود

بیشتر مقایسه‌های باتری بر روی چگالی انرژی و ولتاژ متمرکز است. این اعداد مهم هستند، اما جایی نیستند که شرکت ها ضرر کنند. مسئله ای که در واقع بر هزینه های عملیاتی تأثیر می گذارد این است که چه مقدار از ظرفیت نامی را می توانید در قرعه کشی فعلی دستگاه خود استفاده کنید.

یک سلول AA قلیایی حدود 3000 میلی آمپر ساعت رتبه بندی می شود. این رتبه از آزمایش دشارژ در جریان کم، معمولاً 25 میلی آمپر یا کمتر به دست می آید. اسکنرهای دستی که اکثر انبارها از آن استفاده می کنند 500-800 میلی آمپر هستند. رادیوهای دو طرفه مشابه یا بالاتر می کشند. در تخلیه 800 میلی آمپر، آن سلول قلیایی 3000 میلی آمپر ساعتی چیزی حدود 1000 میلی آمپر ساعت انرژی قابل استفاده ارائه می دهد. شما برای ظرفیتی پرداخت می کنید که نمی توانید به آن دسترسی داشته باشید.

دلیل آن مقاومت داخلی است. یک سلول قلیایی تازه دارای مقاومت داخلی در حدود 0.15Ω است که به اندازه کافی کم است و اهمیت زیادی ندارد. اما شیمی قلیایی دارای یک ویژگی است که به اندازه کافی در زمینه های خرید مورد بحث قرار نمی گیرد: مقاومت داخلی با تخلیه سلول افزایش می یابد. تا زمانی که از 90 درصد ظرفیت تئوری استفاده کرده اید، مقاومت داخلی به 0.75Ω یا بالاتر رسیده است. تحت کشش جریان بالا، این مقاومت بخش قابل توجهی از انرژی ذخیره شده باقیمانده را به جای خروجی مفید به گرما تبدیل می کند. باتری به معنای خالی شدن آن از بین نمی رود. مرده است به این معنا که دیگر نمی تواند جریان را با ولتاژ مفید ارائه کند.

شیمی لیتیوم این مشکل را تقریباً به همان اندازه ندارد. مقاومت داخلی در طول چرخه تخلیه نسبتاً ثابت می ماند، به این معنی که یک سلول لیتیومی 3500 میلی آمپری در واقع نزدیک به 3500 میلی آمپر ساعت را ارائه می دهد، چه 100 میلی آمپر برای کنترل از راه دور و چه 2 آمپر برای ابزار برقی.

من سال گذشته با یک مرکز توزیع کار کردم که ماه ها در حال عیب یابی اسکنرهای "معیب" Zebra TC52 بود. برگه مشخصات 8{7}}ساعت زمان اجرا را نوشته بود، آنها 3 ساعت می‌شدند، و همه تصور می‌کردند مشکلی در سخت‌افزار وجود دارد. معلوم شد اسکنرها خوب هستند. باتری های قلیایی تحت بار، ظرفیت نامی خود را ارائه نمی دهند. با تغییر به Li-ion قابل شارژ، همان اسکنرها 7+ ساعت شروع به کار کردند. تفاوت کاملاً در باتری ها بود.

عملکرد دما

این مشخصاتی است که شرکت ویسکانسین را غافلگیر کرد و احتمالاً نادیده گرفته‌شده‌ترین عامل در انتخاب باتری برای کاربردهای صنعتی است.

در دمای اتاق، هر دو قلیایی و لیتیوم عملکردی نزدیک به مشخصات رتبه بندی خود دارند. با کاهش دما، شکاف به طور چشمگیری باز می شود. شیمی قلیایی به خصوص به سرما حساس است زیرا واکنش های الکتروشیمیایی کند می شوند و مقاومت داخلی بیشتر می شود. با 0 درجه، 50-70٪ از ظرفیت رتبه بندی شده را مشاهده می کنید. در 18- درجه، که یک نقطه تنظیم معمول برای ذخیره سازی منجمد است، قلیایی ممکن است 10-20٪ ظرفیت خود را حفظ کند که به طور موثر برای اکثر برنامه ها بی فایده است. در -40 درجه، اساساً صفر است.

لیتیوم 70-80% ظرفیت را در -18 درجه حفظ می‌کند و همچنان 50-60% را در -40 درجه ارائه می‌کند. آزمایش میدانی منتشر شده در backpackinglight.com نشان داد که قلیایی حدود 25 دقیقه در دمای 0 درجه فارنهایت در شرایط بار یکسان که لیتیوم 150 دقیقه دوام می آورد، دوام می آورد. این یک تفاوت 6× در زمان اجرا در دنیای واقعی از دما به تنهایی است، مستقل از مسائل ظرفیت زیر بار.

مفهوم عملی: اگر از تدارکات زنجیره سرد، زیرساخت‌های خارج از منزل، حمل‌ونقل یخچال‌دار یا هر تأسیساتی در آب و هوای شمالی استفاده می‌کنید که ممکن است تجهیزات در معرض دمای انجماد قرار گیرند، باتری‌های قلیایی گزینه‌ای برای صرفه‌جویی در هزینه نیستند. آنها یک مشکل قابلیت اطمینان هستند که نسبت به صرفه جویی در قیمت واحد هزینه بیشتری در خرابی، تعویض اضطراری و آسیب تجهیزات ایجاد می کند.

نکته دیگر نیز قابل ذکر است: اگر در محیط‌های{0}}کنترل‌شده با آب و هوا با دمای پایدار بین 15 تا 30 درجه کار می‌کنید، مزیت تحمل لیتیوم به سرما را نخواهید دید و دلیلی برای پرداخت هزینه برای آن وجود ندارد.

کل هزینه مالکیت

مقایسه قیمت واحد جایی است که اکثر خرید باتری اشتباه می کند. به نظر می‌رسد که ریاضیات واضح است-هزینه AAهای قلیایی 0.50-1.00 دلار، معادل‌های لیتیوم قابل شارژ 5 تا 10 دلار، چرا کسی باید 10 برابر بیشتر برای باتری بپردازد؟

زیرا هزینه هر-واحد آن چیزی نیست که در طول چرخه عمر استقرار پرداخت می‌کنید.

نقطه سربه سر در 6 استفاده، عدد بحرانی است. هر دستگاهی که بیش از 6 بار در طول عمر مفید خود از باتری ها عبور می کند، هزینه کمتری برای کار با لیتیوم قابل شارژ نسبت به دستگاه قلیایی دارد. بعد از آن شکاف به سرعت افزایش می یابد. برای تجهیزات استفاده روزانه، شما به قیمت لیتیوم نگاه می‌کنید که تقریباً 2٪ از قیمت قلیایی در یک دوره 10 ساله است.

اما صادقانه بگویم، هزینه باتری خود اغلب حتی عامل اصلی نیست. من امکاناتی را دیده‌ام که در آنها کار مبادله 3 تا 4 برابر بیشتر از هزینه خرید باتری است. یک عملیات 120 اسکنر تعویض باتری دو بار در هفته بیش از 1200 ساعت در سال صرف تعویض باتری می کند. با 25 دلار در ساعت کار بارگیری، این 30 دلار است،000+ کار برای کاری که به طور کامل با لیتیوم قابل شارژ و شارژ داک ناپدید می شود.

داده‌های بازگشت سرمایه از تبدیل‌های واقعی

من تعدادی اعداد از پروژه‌هایی را که با آن‌ها درگیر بوده‌ایم یا مستنداتی در مورد آنها داریم به اشتراک می‌گذارم. اینها در مقیاس صنعتی هستند، نه کاربردهای مصرف کننده، اما دینامیک تصمیم گیری در هر حجمی که سالانه بیش از چند صد دلار برای باتری خرج می کنید، اعمال می شود.

یک شرکت 3PL مستقر در تگزاس یک ناوگان 50-لیفتراک را از سرب-اسید به لیتیوم- تبدیل کرد. فرمت باتری متفاوت از سلول های AA، اما مقایسه شیمی یکسان. سرمایه‌گذاری اولیه قابل توجه بود، اما پیش‌بینی 8 ساله نشان داد که 2.9 میلیون دلار صرفه‌جویی در مقابل ادامه کاهش 56 درصدی سرب اسید در کل هزینه‌های مربوط به باتری را نشان می‌دهد. دوره بازپرداخت 31 ماه بود. این صرفه جویی از حذف یک اتاق باتری اختصاصی 480 فوت مربع، کاهش کار تعمیر و نگهداری روزانه از 4.5 ساعت به حدود 20 دقیقه و کاهش زمان خاموشی تجهیزات از 12٪ زمان شیفت به حدود 2٪ حاصل شد. این از مطالعه موردی UgoWork است که در سال 2024 منتشر شد.

در مقیاس کوچکتر، یک مرکز توزیع که ما مستقیماً با آن کار می کردیم دارای 120 اسکنر دستی بود که از طریق 480 AA قلیایی در هفته کار می کردند. هزینه سالانه باتری 18720 دلار به اضافه 1248 ساعت کار تعویض بود. آنها به لی-یون با شارژ اسکله به قیمت 14400 دلار از قبل باتری{11}}به اضافه زیرساخت شارژ تبدیل شدند. هزینه برق جاری حدود 960 دلار در سال است. بازپرداخت در 9 ماه رسید. پس از آن، آنها سالانه تقریباً 17000 دلار صرفه جویی می کنند و هیچ اختلال عملیاتی ناشی از تعویض باتری وجود ندارد.

این الگو ثابت است: سرمایه گذاری اولیه بالاتر، بازپرداخت سریع تر از اکثر تجهیزات سرمایه، پس انداز قابل توجه مداوم پس از رسیدن به نقطه سر به سر.

خطر نشت

این مورد در بحث انتخاب باتری توجه کافی را به خود جلب نمی کند، احتمالاً به این دلیل که تعیین کمیت آن تا زمانی که برای شما اتفاق نیفتد دشوار است.

باتری های قلیایی از هیدروکسید پتاسیم به عنوان الکترولیت خود استفاده می کنند. KOH خورنده است. وقتی سلول‌های قلیایی نشت می‌کنند-و نشت می‌کنند، بیشتر از آنچه تولیدکنندگان دوست دارند اذعان کنند-الکترولیت به تماس‌های فلزی حمله می‌کند و می‌تواند در مدار پخش شود. گاهی اوقات می توانید آسیب را تمیز کرده و دستگاه را نجات دهید. گاهی اوقات تجهیزات از بین می روند.

خطر نشت با افزایش سن، تخلیه جزئی و چرخه دما افزایش می یابد. تجهیزاتی که بین استقرار بدون استفاده قرار می گیرند، به ویژه آسیب پذیر هستند. من شخصاً دیده‌ام که پالت‌های رادیوهای اضطراری به دلیل نشت باتری‌های قلیایی در طول 18 ماه ذخیره‌سازی انبار، حذف شده‌اند. رادیوها منتظر استقرار واکنش در بلایا بودند که هرگز نیامد، و زمانی که کسی کیس ها را برای تعمیرات برنامه ریزی شده شکافت، خوردگی بیش از حد گسترش یافته بود تا آنها را نجات دهد.

این یک مشکل یک برند- نیست. مدتی را صرف باتری‌های r/باتری یا هر انجمن مهندسی الکترونیک کنید و شکایت‌های نشتی در مورد هر مارک قلیایی بزرگ پیدا خواهید کرد{2}}دوراسل، انرجایزر، مارک‌های فروشگاه، مهم نیست. خواه این مشکل کاهش کنترل کیفیت در سراسر صنعت باشد یا فقط افزایش گزارش آنلاین که مشکلات موجود را بیشتر نمایان می کند، این الگو وجود دارد. اگر می خواهید خودتان آن را تأیید کنید؛ پیدا کردن رشته ها کار سختی نیست

شیمی لیتیوم از الکترولیت‌های غیرآبی-استفاده می‌کند. لیتیوم اولیه (غیر{2}}قابل شارژ) و لیتیوم-یون (قابل شارژ) هر دو در شرایط عادی خطر نشت نزدیک به- صفر دارند. برای هر تجهیزاتی که بین استفاده‌ها بیکار است-سیستم‌های اضطراری، دستگاه‌های پشتیبان، ابزارهای فصلی، تجهیزات ایمنی-این ویژگی به تنهایی می‌تواند حق بیمه قیمت را نسبت به قلیایی توجیه کند.

خود-دوران تخلیه و ذخیره سازی

این منطقه ای است که قلیایی مزیت واقعی دارد و برای کاربردهای خاص اهمیت دارد.

باتری‌های قلیایی خود-2-3 درصد در سال تخلیه می‌شوند. می توانید آنها را در قفسه ای قرار دهید و 7-10 سال بعد با بیشتر ظرفیت موجود بازگردید. لیتیوم اولیه با ماندگاری 15 تا 20 ساله حتی بهتر است{10}}حدود 1% سالانه خود تخلیه{12}}. لیتیوم یون قابل شارژ در این معیار بدتر است و 3 تا 5 درصد در ماه از دست می دهد، به این معنی که نمی توانید موجودی لیتیوم یون را ذخیره کنید و آن را فراموش کنید.

برای ذخایر اضطراری که باید سال‌ها تا زمان استقرار دست نخورده بمانند-کیت‌های بلایا، ارتباطات پشتیبان، تجهیزات ایمنی{1}}لیتیوم اولیه بهترین گزینه است. ماندگاری 15-20 ساله همراه با-خطر نشتی تقریباً صفر، علیرغم نرخ تخلیه خود{6} مشابه، قلیایی را شکست می‌دهد، زیرا تمایل به نشتی قلیایی آن را برای ذخیره‌سازی طولانی‌مدت بدون مراقبت نامناسب می‌کند.

اگر موجودی لیتیوم{0}}یون قابل شارژ را نگهداری می‌کنید، وضعیت ذخیره‌سازی شارژ بیش از آن چیزی است که اکثر مردم تصور می‌کنند. ذخیره یون لی- با شارژ کامل، کاهش ظرفیت را تسریع می‌کند. در دماهای بالا، سلول‌های یونی لیتیوم{4}} که در حالت شارژ 100 درصد ذخیره می‌شوند، می‌توانند تا 35 درصد ظرفیت خود را در ماه از دست بدهند. روش صحیح ذخیره سازی در 40-60٪ SOC با چرخه های چک دوره ای است. شرکت‌ها را دیده‌ام که هزاران دلار از موجودی باتری‌هایی را که با این فرض که شارژ کامل به معنای آماده‌سازی است، با شارژ کامل ذخیره می‌شد، از دست داده‌اند.

برنامه{0}}انتخاب خاص

به‌جای توصیه‌های کلی، در اینجا نحوه تقسیم‌بندی انتخاب بر اساس موارد استفاده آمده است:

اشتباهات تدارکاتی که من مدام می بینم

ارزیابی هزینه واحد بدون مدلسازی TCO.این رایج ترین است. تدارکات صرفه جویی 0.05 دلار برای باتری را جشن می گیرد در حالی که تصمیم اساسی برای استفاده از مواد قلیایی 10 برابر بیشتر از لیتیوم در طول دوره استقرار هزینه دارد. قبل از مذاکره در مورد قیمت، یک مدل واقعی TCO بسازید-شامل کار مبادله، دفع، و خطر آسیب به تجهیزات.

استفاده از مشخصات ظرفیت از شرایط دبی اسمیهنگامی که برگه مشخصات دستگاه می گوید زمان اجرا 8 ساعت است، این بر اساس ظرفیت باتری در شرایط آزمایش سازنده است، نه جریان عملیاتی واقعی شما. زمان اجرای واقعی در بار عملیاتی واقعی می تواند 40 درصد مشخصات یا کمتر باشد. اگر زمان اجرا مهم است، منحنی های تخلیه را در جریان فعلی خود درخواست کنید، نه هر شرایط آزمایشی بهینه ای که سازنده استفاده کرده است.

نادیده گرفتن دما در مشخصاتتجهیزات در سردخانه یا محیط های بیرونی مستقر می شوند، قلیایی از کار می افتد، همه تجهیزات یا برنامه نگهداری را مقصر می دانند. انتخاب باتری از ابتدا اشتباه بود. اگر دمای کار با هر نظمی به زیر 5 درجه برسد، قلیایی انتخاب اشتباهی است.

باتری‌های غیر{0}OEM در تجهیزات حیاتی.یک مورد مستند از بیمارستان کودکان سراسر کشور وجود دارد که در آن تجهیزات نظارت بر بیمار ظرف 30 روز پس از نصب باتری‌های جایگزین شخص ثالث{1}} توسط کارکنان از کار افتاده است. سلول های غیر OEM فاقد مدارهای حفاظتی مناسب بودند و به تجهیزات آسیب رساندند. خط‌مشی بیمارستان اکنون فقط باتری‌های OEM{5}} را برای همه دستگاه‌های مراقبت ویژه الزامی می‌کند. این در مجله AAMI Biomedical Instrumentation & Technology منتشر شده است. برای هر برنامه‌ای که خرابی خطر ایمنی یا عواقب مالی قابل توجهی را به همراه دارد، صرفه‌جویی در باتری‌های پس از فروش ارزشی ندارد.

ذخیره سازی لیتیوم قابل شارژ با شارژ کاملتخریب را سریعتر از دوچرخه سواری تسریع می کند. اگر موجودی لی-یون را نگهداری می‌کنید، در 40-60% SOC ذخیره کنید و چرخه‌های بررسی را اجرا کنید.

تامین کنندگان واجد شرایط باتری

اگر در حال ارزیابی تامین کنندگان هستید، در اینجا چه چیزی باید بپرسید:

• منحنی های تخلیه در شرایط بارهای متعدد. تأمین‌کننده‌ای که فقط می‌تواند داده‌های ظرفیت را با نرخ تخلیه بهینه ارائه کند، یا محصول خود را درک نمی‌کند یا عملکرد ضعیف- تخلیه بالا را پنهان می‌کند. در هر صورت، نه کسی که می‌خواهید باتری‌ها را برای برنامه‌های پر مصرف- مشخص کند.
• داده های عملکرد دما در محدوده عملیاتی واقعی شما. مشخصات دمای اتاق{1}} را برای تجهیزاتی که به سردخانه می روند نپذیرید.
• داده‌های مقاومت داخلی برای سلول‌های جدید و پیش‌بینی‌های پایان عمر-. این به شما می‌گوید که با بالا رفتن سن باتری تحت بارگیری چگونه عمل می‌کند، نه فقط زمانی که تازه است.
• گواهینامه های ایمنی{0}}UN38.3 برای حمل و نقل، UL و IEC 62133 برای ایمنی لیتیوم. اینها باید الزامات پایه باشند.
• شرایط گارانتی به جای زمان تقویم به عمر چرخه مرتبط است. ضمانت‌های مبتنی بر تقویم-برای باتری‌ها بی‌معنی هستند. اصطلاحات مبتنی بر چرخه -اطمینان را در عملکرد واقعی نشان می‌دهند.
• مشارکت واقعی بازیافت، نه اظهارات مبهم در مورد دفع. لیتیوم 95 درصد قابل بازیافت با ارزش مواد باقیمانده است، اما این تنها در صورتی مهم است که برنامه واقعی برای گرفتن آن وجود داشته باشد.

کاری که ما انجام می دهیم

Polinovel بسته های باتری لیتیومی را برای کاربردهای صنعتی، تجاری و تخصصی تولید می کند. تیم مهندسی ما با گروه‌های تدارکات و عملیات برای مدل‌سازی TCO برای موارد استفاده خاص، آزمایش عملکرد در شرایط استقرار واقعی به جای مفروضات برگه داده و راه‌حل‌های مشخصات مطابق با نیازهای واقعی کار می‌کند.

ما نمی‌خواهیم به شما بگوییم که لیتیوم همیشه پاسخ درست است-کاربردهای زیادی وجود دارد که در آنها قلیایی منطقی‌تر است، و اگر برای شرایط شما صادق باشد، به شما خواهیم گفت. کاری که ما انجام خواهیم داد این است که اعداد واقعی را اجرا کنیم و داده هایی را برای تصمیم گیری در اختیار شما قرار دهیم.

اگر در حال ارزیابی یک انتقال باتری هستید یا می‌خواهید بررسی کنید که آیا رویکرد فعلی شما بهینه است یا خیر، از طریق polinovelpowbat.com تماس بگیرید و درخواست ارزیابی TCO کنید. ما معمولاً در عرض یک هفته به تحلیل اولیه می پردازیم.