چرا باتری‌های لیتیوم-یونی رایج و محبوب هستند؟

چرا باتری‌های لیتیوم-یونی رایج و محبوب هستند؟

باتری‌های لیتیوم-یونی به عنوان یکی از پرکاربردترین و محبوب‌ترین انواع باتری‌ها به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد خود شناخته شده‌اند. این باتری‌ها به طور قابل توجهی سبک‌تر از دیگر انواع باتری‌های قابل شارژ با اندازه مشابه هستند، زیرا الکترودهای آن‌ها از لیتیوم و کربن سبک وزن ساخته شده است. لیتیوم به عنوان یک عنصر بسیار واکنش‌پذیر، چگالی انرژی بالایی را فراهم می‌آورد که قابلیت تبدیل به شارژ خروجی را دارد.

چگالی انرژی باتری‌های لیتیوم-یونی

چگالی انرژی این باتری‌ها قابل توجه است: یک باتری لیتیوم-یونی معمولی قابلیت ذخیره‌سازی 150 وات بر ساعت انرژی در هر کیلوگرم را دارد. در مقایسه، یک باتری NiMH (نیکل-هیدرید فلز) تنها 100 وات بر ساعت و باتری‌های اسید-سرب تنها 25 وات بر ساعت انرژی در هر کیلوگرم را ذخیره می‌کنند. این تفاوت نشان می‌دهد که ۶ کیلوگرم باتری اسید-سرب انرژی معادل ۱ کیلوگرم باتری لیتیوم-یونی را ذخیره می‌کند، که تفاوتی چشم‌گیر است.

مزایای باتری‌های لیتیوم-یونی

1. مصرف انرژی پایین: بسته‌های باتری لیتیوم-یونی تنها ۵ درصد از شارژ خود را در ماه از دست می‌دهند، در حالی که این میزان برای باتری‌های نیکل-هیدرید فلز حدود ۲۰ درصد است.
2. عدم نیاز به تخلیه کامل: این باتری‌ها حافظه‌ای ندارند و نیازی به تخلیه کامل قبل از شارژ مجدد نیست.
3. ماندگاری بالا: باتری‌های لیتیوم-یونی می‌توانند صدها چرخه‌ی شارژ/دشارژ را تحمل کنند و کیفیت اولیه خود را از دست ندهند.

چالش‌ها و محدودیت‌ها

هرچند باتری‌های لیتیوم-یونی ویژگی‌های مثبت زیادی دارند، اما نقاط ضعفی نیز وجود دارد:

• تاریخ مصرف: این باتری‌ها به محض خروج از کارخانه تاریخ مصرفشان آغاز می‌شود و معمولاً تنها دو تا چهار سال دوام دارند، چه از آن‌ها استفاده شود و چه نه.البته ممکن است باتری های باکیفیت بالا چندین سال ماندگاری و کیفیت خود را حفظ کنند .
• حساسیت به دما: دمای بالا می‌تواند باعث تخریب سریع این باتری‌ها شود.
• خطر تخلیه کامل: اگر این باتری‌ها به طور کامل تخلیه شوند، احتمال آسیب‌دیدگی آن‌ها وجود دارد. به همین دلیل از ماژول های BMS یا مدیریت شارژ باید استفاده کرد .

نگاهی به درون یک باتری لیتیوم-یونی لپ تاپ 

بسته‌های باتری لیتیوم-یونی در اشکال و اندازه‌های مختلف وجود دارند، اما در بخش داخلی خود تقریباً مشابه هستند. اگر بخواهیم نگاهی به داخل یک باتری لیتیوم-یونی بیندازیم، عوامل زیر قابل مشاهده‌اند:

• سلول‌های لیتیوم یونی: این سلول‌ها شبیه باتری‌های استوانه‌ای AA و یا مربعی/مستطیلی هستند.
• سنسورهای دما: برای نظارت بر دمای باتری.
• مدار ولتاژ: برای حفظ سطوح ایمنی ولتاژ و جریان.
• کانکتور نوت‌بوک: برای انتقال برق و اطلاعات به داخل و خارج باتری.
• تپ ولتاژ: برای کنترل ظرفیت انرژی سلول‌ها.
• نظارت‌کننده وضعیت شارژ BMS: که به عنوان یک کامپیوتر کوچک عمل می‌کند و فرآیند شارژ را مدیریت می‌نماید.

باتری‌های لیتیوم-یونی در نتیجه مزایای کارآمد و عملکرد بالایشان، انتخاب اول بسیاری از دستگاه‌های الکترونیکی مدرن هستند.

ویژگی‌ها و ایمنی باتری‌های لیتیوم-یونی  -Lithium-ion Cell

باتری‌های لیتیوم-یونی، مانند بسیاری از باتری‌های دیگر، اقدامات ایمنی خاصی دارند تا عملکرد آن‌ها در شرایط مختلف بهینه باشد. یکی از مهم‌ترین قابلیت‌ها این باتری‌ها، نظارت بر وضعیت شارژ و دما است. در صورتی که باتری در حین شارژ یا استفاده داغ شود، سیستم نظارت‌کننده به طور خودکار جریان برق را قطع می‌کند تا دما به سطح ایمن بازگردد. به عنوان مثال، اگر لپ‌تاپ خود را در ماشین و زیر نور مستقیم خورشید رها کنید، ممکن است پس از دسترسی به آن، دستگاه تا کاهش دما روشن نشود.

جلوگیری از آسیب به باتری

اگر سلول‌های باتری به طور کامل تخلیه شوند، کل باتری دچار آسیب خواهد شد و ممکن است دیگر قابل استفاده نباشد. سیستم نظارت کننده بر وضعیت شارژ باتری، قادر است تعداد چرخه‌های شارژ و دشارژ را ردیابی کرده و اطلاعات لازم را به بخش سنجش شارژ باتری در لپ‌تاپ ارسال کند تا کاربر از وضعیت باتری مطلع شود.

اجزای ساختاری باتری

صفحه‌ی جداکننده در باتری یک ورق نازک با منافذ میکروسکوپی است که الکترودهای مثبت و منفی را از هم جدا می‌کند. بدنه‌ی بیرونی باتری‌های لیتیوم-یونی معمولاً از فلز ساخته شده است. این انتخاب اهمیت زیادی دارد، چرا که باتری تحت فشار قرار دارد. غلاف فلزی به همراه یک منفذ حساس به فشار، در صورت گرما و فشار بیش از حد، می‌تواند فشار اضافی را آزاد کند و از انفجار جلوگیری کند. اگرچه بعد از این اتفاق احتمالاً باتری غیرقابل استفاده خواهد شد و باید از استفاده‌ی دوباره از آن اجتناب کرد.

وسایل ایمنی اضافی

سوئیچ ضریب دمای مثبت (PTC) نیز یکی دیگر از ابزارهای حفاظتی است که از داغ شدن بیش از حد باتری‌های لیتیوم-یونی جلوگیری می‌کند.

لاف فلزی باتری‌های لیتیوم-یونی شامل یک مارپیچ بلند است که سه ورقه‌ی نازک به هم فشرده را در بر می‌گیرد:

1. الکترود مثبت
2. الکترود منفی
3. جداکننده

در داخل این غلاف، حلال‌های آلی غوطه‌ور است که به عنوان الکترولیت عمل می‌کند. اتر یکی از حلال‌های رایج در این زمینه است.

جداکننده، یک ورق بسیار نازک با منافذ میکروسکوپی و پلاستیکی است که صفحات الکترود مثبت و منفی را از هم جدا می‌کند و در عین حال، اجازه‌ی عبور یون‌ها را می‌دهد. الکترود مثبت از اکسید لیتیوم کبالت (LiCoO₂) و الکترود منفی از کربن ساخته شده است.

هنگامی که باتری شارژ می‌شود، یون‌های لیتیوم از طریق مایع الکترولیت از الکترود مثبت به الکترود منفی حرکت می‌کنند و به کربن متصل می‌شوند. در حالت دشارژ، این یون‌ها از کربن به LiCoO₂ برمی‌گردند.

حرکت یون‌های لیتیوم در باتری‌های لیتیوم-یونی با ولتاژ نسبتاً بالایی اتفاق می‌افتد، به طوری که هر سلول تقریباً 3.7 ولت انرژی تولید می‌کند. این مقدار به‌طور قابل توجهی بالاتر از 1.5 ولت معمولی در سلول‌های قلیایی AA (باتری قلمی‌های 1.5 ولتی) است.

دلایل انفجار باتری‌های لیتیوم-یونی

احتمالاً شما نیز گزارش‌هایی از انفجار لپ‌تاپ‌هایی با باتری‌های لیتیوم-یونی را خوانده‌اید. همان‌طور که در مقدمه ذکر شد، احتمال چنین رویدادی بسیار کم است، اما مراقبت صحیح از باتری‌ها می‌تواند این خطر را تقریباً به صفر برساند. اما چرا باتری‌های لیتیوم-یونی منفجر می‌شوند؟

به طور کلی، اگر باتری به قدری داغ شود که مایع الکترولیت را مشتعل کند، احتمال انفجار وجود دارد. شواهدی از جمله ویدئوها و عکس‌ها نشان می‌دهند که خطر آتش‌سوزی باتری می‌تواند جدی باشد. این حوادث معمولاً ناشی از اتصال کوتاه داخلی در باتری هستند.

سلول‌های لیتیوم-یونی دارای یک صفحه‌ی جداکننده هستند که الکترودهای مثبت و منفی را از هم جدا می‌کند. اگر این جداکننده سوراخ شود و الکترودها به یکدیگر تماس پیدا کنند، باتری به سرعت گرم می‌شود. برای درک این موضوع می‌توانید دو سکه را در دو سر یک باتری قلمی قرار دهید و گرما را تجربه کنید.

هنگامی که جداکننده آسیب می‌بیند و الکترودها به هم متصل می‌شوند، اتصال کوتاهی رخ می‌دهد که باعث تولید گرما می‌شود. این گرما می‌تواند حلال آلی مورد استفاده به عنوان الکترولیت را شعله‌ور کند. از آنجا که باتری‌های لیتیوم-یونی بسیار پرانرژی هستند، دما به سرعت بالا می‌رود و این گرما می‌تواند به سلول‌های دیگر سرایت کند و باعث آتش‌سوزی کل بسته شود.

نکاتی برای افزایش ماندگاری باتری‌های لیتیوم-یونی

از آنجایی که باتری‌های لیتیوم-یونی از گزینه‌های گران‌قیمت بازار محسوب می‌شوند، توجه به نکات زیر می‌تواند به افزایش عمر آن‌ها کمک کند:

1. اجتناب از تخلیه کامل: باتری‌های لیتیوم-یونی تخلیه جزئی را به تخلیه کامل ترجیح می‌دهند. بنابراین، از به صفر رساندن باتری گوشی یا سایر وسایل خود خودداری کنید. این نوع باتری‌ها "حافظه" ندارند، اما اگر ولتاژ یک سلول به میزان زیادی کاهش یابد، ممکن است کل باتری آسیب ببیند. از شارژرهای مخصوص هر وسیله تنها برای همان دستگاه استفاده کنید.
2. توجه به تاریخ تولید: عمر باتری‌های لیتیوم-یونی معمولاً بین دو تا چهار سال است، حتی اگر در یک محیط بدون استفاده قرار داشته باشند. بنابراین، هنگام خرید باتری جدید، اطمینان حاصل کنید که واقعاً نو باشد و تاریخ تولید آن را بررسی کنید.
3. اجتناب از محیط‌های گرم: باتری‌ها را در محیط‌های گرم نگهداری نکنید چون این شرایط می‌تواند به عمر آن‌ها آسیب برساند.