امتیاز دهید
  • 5.00 / 5 5
(2 نظر)

باتری‌ لیتیوم-یون (Li-ion):

ساختار فیزیکی و شیمیایی :

یکی از رایج‌ترین باتری‌هایی که امروزه در انواع وسایل الکترونیکی مثل گوشی‌های موبایل، تبلت، لپ‌تاپ و پاوربانک‌ استفاده میگردد، باتری‌ لیتیوم-یون میباشد.

شکل ۱ ساختمان داخلی یک باتری‌ لیتیوم-یون سایز AA (اصطلاحاً قلمی) را نشان میدهد:

ساختمان داخلی باتری‌ لیتیوم-یون

شکل ۱: ساختمان داخلی باتری‌ لیتیوم-یون

از نظر ساختار شیمیایی داخلی، باتریهای لیتیوم-یون بر حسب نوع کاربرد دارای تنوع زیادی از لحاظ ترکیب مواد شیمیایی درونی هستند. به عنوان نمونه در یک نوع رایج در بازار، کاتد از اکسید کبالت و آند از گرافیت (فرم کریستالی کربن) تشکیل شده است که با غشای جداکننده‌ای از جنس پلاستیک از یکدیگر جدا شده‌اند. الکترولیت این باتریها محلولی از لیتیوم و مواد دیگر می‌باشد.

شکل ۲ ساختار شیمیایی باتری‌ لیتیوم-یون دارای آهن و فسفر را نشان می‌دهد:
باتری لیتیوم-یون دارای ترکیبات آهن و فسفر

شکل ۲: باتری لیتیوم-یون دارای ترکیبات آهن و فسفر

شکل ۳ واکنشهای اکسیداسیون و احیاء را به ترتیب در کاتد و آند در حین فرآیند شارژ یک باتری‌ لیتیوم-یون دارای کبالت نشان می‌دهد. لازم به ذکر است که در حین دشارژ، جهت واکنشهای شیمیایی برعکس خواهد شد:
واکنشهای اکسیداسیون و احیاء در حین شارژ یک باتری لیتیوم - یون دارای کبالت

شکل ۳: واکنشهای اکسیداسیون و احیاء در حین شارژ یک باتری لیتیوم-یون دارای کبالت

انواع رایج :

جدول زیر مشخصات فنی و ویژگیهای انواع رایج باتری لیتیوم-یون را نشان می‌دهد:

ردیف

کاتدآندنام تجاری باترینشانهویژگی

۱

LiCoO۲گرافیتلیتیوم – کبالتLCO
ویژگی‌های باتری لیتیوم-یون نوع لیتیوم-کبالت

ویژگی‌های باتری لیتیوم-یون نوع لیتیوم-کبالت

۲

­­­­ LiMn۲O۴

گرافیت

لیتیوم – منگنز

LMO

ویژگی‌های باتری لیتیوم-یون نوع لیتیوم-منگنز

ویژگی‌های باتری لیتیوم-یون نوع لیتیوم-منگنز

۳

LiNiMnCoO۲

گرافیت

لیتیوم – کبالت منگنز نیکل

NMC

ویژگی‌های باتری لیتیوم-یون نوع لیتیوم-کبالت منگنز نیکل

ویژگی‌های باتری لیتیوم-یون نوع لیتیوم-کبالت منگنز نیکل

۴LiFePO۴گرافیتلیتیوم – فسفات آهنLFP
ویژگی‌های باتری لیتیوم-یون نوع لیتیوم-فسفات آهن

ویژگی‌های باتری لیتیوم-یون نوع لیتیوم-فسفات آهن

۵

LiNiCoAlO۲گرافیت

لیتیوم – آلومینیوم کبالت نیکل

NCA

ویژگی‌های باتری لیتیوم-یون نوع لیتیوم-آلومینیوم کبالت نیکل

ویژگی‌های باتری لیتیوم-یون نوع لیتیوم-آلومینیوم کبالت نیکل

۶گرافیتLi۴Ti۵O۱۲تیتانات لیتیوم

LTO

ویژگی‌های باتری لیتیوم-یون نوع تیتانات لیتیوم

ویژگی‌های باتری لیتیوم-یون نوع تیتانات لیتیوم

شکل ۴ مقایسه انرژی ویژه یا چکالی وزنی انرژی (Specific Energy با تعریف انرژی قابل ذخیره بر حسب وات-ساعت بر واحد وزن بر حسب کیلوگرم) را نشان می‌دهد:

مقایسه چگالی وزنی انرژی انواع باتری لیتیوم-یون با یکدیگر و با باتری‌های قدیمی

شکل ۴: مقایسه چگالی وزنی انرژی انواع باتری لیتیوم-یون با یکدیگر و با باتری‌های قدیمی

از شکل فوق می‌توان دید که انرژی ویژه انواع مختلف باتری لیتیوم-یون با یکدیگر تفاوت زیادی داشته و در حال حاضر نوع آلومینیوم کبالت نیکل (NCA) در این زمینه از بقیه بهتر می‌باشد. همچنین، انرژی ویژه باتری‌های قدیمی مانند سرب-اسید، نیکل-کادمیوم و نیکل-متال هیدرید عمدتاً بسیار کمتر از باتری‌های مدرن امروزی است.

باتری لیتیوم-پلیمر نیز نوع خاصی از باتری لیتیوم-یون محسوب می‌گردد که در بخش خود توضیح داده شده است.

اثر دما بر ظرفیت باتری لیتیوم-یون :

نگهداری در شرایط دمایی بالا و شارژ کامل، اثر مخربی بر ظرفیت این نوع باتری دارد که جدول زیر، نشان دهنده این موضوع می‌باشد:
اثر مخرب افزایش دما بر ظرفیت باتری لیتیوم-یون

شکل ۵: اثر مخرب افزایش دما بر ظرفیت باتری لیتیوم-یون

به عنوان مثال اگر باتری در دمای صفر درجه سانتی‌گراد در حالی که به میزان %۴۰ ظرفیت شارژ شده نگهداری شود، پس از یک سال %۹۸ و اگر به طور کامل شارژ شود، پس از یک سال %۹۴ ظرفیت آن حفظ قابل استفاده خواهد بود.

اما اگر همین باتری در دمای ۴۰ درجه سانتی گراد با %۴۰ ظرفیت نگهداری شود، پس از یک سال %۸۵ ظرفیت و اگر به صورت کامل شارژ شود، تنها %۶۵ ظرفیت آن قابل استفاده خواهد بود.

یکی از اشتباهات رایج و مهلک در مورد باتری‌های لپ‌تاپ این است که در حالی که لپ‌تاپ با برق شهر تغذیه می‌شود، باتری آن مدتها بدون استفاده به صورت متصل به آن رها می‌گردد که معادل شرایط دمای بالا و شارژ کامل است که مطابق جدول فوق، باتری به سرعت ظرفیت خود را از دست خواهد داد. بنابراین توصیه می‌گردد در صورت عدم استفاده از باتری و استفاده از برق شهر برای روشن کردن وسایلی مانند لپ‌تاپ، حتماً باتری آنها خارج گردد تا گرمای عملکرد وسیله و شارژ دایمی، موجب کاهش ظرفیت باتری نگردد.

کاورهای پلاستیکی و چرمی گوشی‌های موبایل و تبلت که به نوعی عایق حرارتی محسوب می‌گردند نیز موجب افزایش دمای باتری و کاهش ظرفیت آن می‌شوند و توصیه می‌گردد که داخل محیط‌های بسته و بدون تهویه مانند کیف یا چمدان، تا حد امکان این وسایل داخل کاور گذاشته نشوند.

اثر ولتاژ شارژ بر ظرفیت و عمر باتری لیتیوم-یون :

افزایش ولتاژ شارژ اثری دو جانبه بر ظرفیت و عمر مفید این نوع باتری دارد. زیرا از یک طرف سبب پرشدن بیشتر باتری و از طرف دیگر سبب کاهش تعداد سیکل‌های شارژ/دشارژ می‌گردد. شکل‌های ۵ و ۶ این مطلب را به خوبی نشان می‌دهند.
ولتاژ استاندارد یک سلول لیتیوم -یون ۳/۷ ولت می‌باشد و از جدول شکل ۵ دیده می‌شود که به ازای کاهش (یا افزایش) هر ۰/۱ ولت ولتاژ شارژر نسبت به مقدار استاندارد ۴/۲ ولت، تعداد سیکلهای شارژ و دشارژ دو برابر (یا نصف) و میزان پر شدن باتری نسبت به ظرفیت نامی تقریباً %۱۰ کاهش (یا افزایش)می‌یابد.
به عنوان مثال، در صورت شارژ یک سلول لیتیوم – یون ۳/۷ ولتی با ولتاژ شارژ استاندارد ۴/۲ ولت، %۱۰۰ ظرفیت باتری پر شده و تعداد سیکل‌های شارژ/دشارژ بین ۳۰۰ تا ۵۰۰ سیکل خواهد بود. اما در صورت افزایش ولتاژ شارژ به ۴/۳ ولت، باتری به میزان %۱۱۰ ظرفیت نامی پرشده، اما تعداد سیکل‌های شارژ/دشارژ نصف و به مقدار ۱۵۰ تا۲۵۰ سیکل کاهش می‌یابد. در مقابل در صورت کاهش ولتاژ شارژر به ۴/۱ ولت، باتری به میزان %۹۰ ظرفیت نامی پرشده، اما تعداد سیکل‌های شارژ/دشارژ دو برابر و به مقدار ۶۰۰ تا ۱۰۰۰ سیکل افزایش خواهد یافت.
جدول اثر دوگانه ولتاژ شارژر بر ظرفیت و عمر باتری لیتیوم - یون

شکل ۶: جدول اثر دوگانه ولتاژ شارژر بر ظرفیت و عمر باتری لیتیوم-یون

شکل ۶ نمودار اثر ولتاژ شارژر را روی یک باتری نوعی با ظرفیت ۱۰۰۰ میلی‌آمپرساعت نشان می‌دهد که اثر بسیار مخرب افزایش ولتاژ شارژ بر عمر این نوع باتری کاملاً مشهود است. بنابراین توصیه می‌گردد که همیشه از شارژرهای استاندارد ساخت سازندگان معتبر استفاده گردد.
نمودار اثر دوگانه ولتاژ شارژر بر ظرفیت و عمر باتری لیتیوم - یون

شکل ۷: نمودار اثر دوگانه ولتاژ شارژر بر ظرفیت و عمر باتری لیتیوم-یون

منحنی شارژ باتری لیتیوم-یون :

جهت استفاده بهینه از ظرفیت این نوع باتری، لازم است که فرآیند شارژ از منحنی خاصی مطابق شکل ۷ پیروی نماید. این منحنی از چهار بخش اصلی زیر تشکیل شده است:

۱) بخش جریان ثابت (Constant Current):

در این بخش که اصلی‌ترین و مهم‌ترین بخش شارژ باتری است، ولتاژ با شیبی افزایش پیدا می‌کند که به طور هم زمان، جریان شارژ ثابت بماند و این روند مطابق شکل ۸ تا پرشدن باتری به میزان تقریبی %۸۰ ظرفیت نامی ادامه پیدا می‌نماید.

۲) بخش ولتاژ ثابت (Constant Voltage) یا شارژ اشباع (Saturation Charge):

در ادامه بخش قبل جهت تکمیل ظرفیت باتری تا مقدار نامی، ولتاژ در مقدار ۴/۲ ولت تثبیت شده و با تکمیل ظرفیت باتری، جریان شارژ به تدریج کاهش می‌یابد.

۳) پایان شارژ (Charge Termination):

پس از رسیدن جریان شارژ به کمتر از %۳ مقدار نامی، ولتاژ شارژ قطع و فرآیند شارژ خاتمه می‌یابد که از این لحظه به بعد، خود دشارژی (Self-Discharge) باتری آغاز می‌گردد. لازم به ذکر است که پیوستگی منحنی ولتاژ به دلیل موازی بودن اتصال الکتریکی شارژر با باتری و برابری این دو تا لحظه قبل از قطع ولتاژ شارژر و دیده‌شدن ولتاژ سلول از این لحظه به بعد می‌باشد.

۴) شارژ جبرانی یا شارژ تکمیلی (Topping Charge or Trickle Charge):

پس از اتمام مرحله سوم در صورت باقی‌ماندن باتری در شارژ، جهت جبران ظرفیت از دست رفته در اثر خود دشارژی باتری، پس از کاهش ولتاژ سلول به مقدار کمتر از مقدار نامی ۳/۷ ولت، مجدداً مطابق مرحله ۲ ولتاژ شارژ ثابت ۴/۲ ولت توسط شارژر اعمال و تا کاهش جریان شارژ به کمتر از %۳ مقدار نامی، شارژ جبرانی انجام می‌گردد.

منحنی چهار بخشی شارژ باتری لیتیوم - یون

شکل ۸: منحنی چهار بخش شارژ باتری لیتیوم-یون

در شکل ۸، هر سه منحنی ظرفیت، ولتاژ و جریان شارژ یک باتری لیتیوم-یون رایج نوعی با ظرفیت ۱۸۰۰میلی‌آمپرساعت دیده می‌شود که مرحله نخست جریان ثابت تا ظرفیت ۱۴۰۰ میلی آمپرساعت معادل تقریبی %۸۰ ظرفیت نامی باتری ادامه یافته و پس از آن، مرحله دوم ولتاژ – ثابت آغاز می‌گردد.

 

منحنی های ولتاژ، جریان و ظرفیت باتری لیتیوم - یون در حین فرآیند شارژ

شکل ۹: منحنی های ولتاژ، جریان و ظرفیت باتری لیتیوم-یون در حین فرآیند شارژ

سایز و چیدمان :

رایج‌ترین شکل باتری لیتیوم-یون در بازار به شکل تک سلول با کد ۱۸۶۵۰ به شکل استوانه است که دارای قطر ۱۸ میلیمتر و طول ۶۵ میلیمتر و ظرفیت آن بسته به تکنولوژی ساخت و جنس آند و کاتد و الکترولیت، بین ۲۵۰۰ تا ۳۵۰۰ میلی‌آمپرساعت برای هر سلول می‌باشد.

شکل ۹ نمای داخل پاوربانک مدل RP-PB044 روپاور را نشان می‌دهد که سلول‌های ۱۸۶۵۰ ساخت ال‌جی با ظرفیت ۳۳۵۰ میلی‌آمپرساعت و با آرایش موازی و به رنگ بنفش درون آن مشخص می‌باشند.

پاوربانک 10050 میلی آمپر ساعت ورزشی دارای باتری لیتیوم-یون ال‌جی

شکل ۱۰: پاوربانک ۱۰۰۵۰ میلی آمپر ساعت ورزشی دارای سلول‌های باتری لیتیوم-یون ال‌جی با ظرفیت ۳۳۵۰ میلی‌آمپرساعت

لازم به ذکر است که در ساخت تمام پاوربانک‌ های برند روپاور از سلول‌های باتری‌ لیتیوم-یون برندهای پیشرو در این زمینه مانند ال‌جی و پاناسونیک استفاده شده است.


مطلب قبلی اثر فتوولتاییک چیست؟
مطلب بعدی باتری لیتیوم-پلیمر (Li-po)

دیدگاهتان را بنویسید