مکانیزم و مزایا و معایب باتری لیتیوم یونی
باتری های لیتیوم یونی یکی از مهم ترین اختراعات در تاریخ خودروسازی به شمار می روند، زیرا امکان ساخت خودروهای برقی را فراهم کرده اند. خودروهای الکتریکی می توانند آینده ای را در جهانی رقم بزنند که در تلاش برای کاهش انتشار گازهای گلخانه ای است. شرکت سونی در سال ۱۹۹۱ باتری های لیتیوم یونی را تجاری سازی کرد.
باتری های لیتیوم یونی به واحدهای قابل شارژی اشاره دارند که عمدتاً در دستگاه های الکترونیکی قابل حمل و خودروهای برقی استفاده می شوند. استفاده از این باتری ها به طور پیوسته در زمینه های هوافضا و نظامی نیز در حال گسترش است.
بله، این باتری ها قابل شارژ هستند. یکی از دلایل محبوبیت بسیار بالای آن ها، قابلیت شارژ مجدد و ظرفیت ذخیره سازی بالای آن هاست. این باتری ها می توانند مقدار زیادی انرژی را در ساختاری کوچک ذخیره کنند، که دقیقاً همان چیزی است که صنایع خودروسازی و سایر صنایع به دنبال آن هستند.
آینده خودروهای برقی به باتری های لیتیوم یونی وابسته است.
یک واحد از این باتری می تواند ۲۰۰ وات ساعت انرژی را در یک کیلوگرم جرم ذخیره کند، یعنی چگالی انرژی ۲۰۰ وات ساعت بر کیلوگرم. این ظرفیت انرژی جهشی بزرگ نسبت به باتری های قدیمی اسید-سرب است. تحقیقات مختلفی در حال انجام است تا قدرت این باتری ها بیش از پیش بهبود یابد.
مکانیزم عملکرد باتری لیتیومی بر اساس طبیعت بسیار واکنش پذیر یون های لیتیوم است. این یون ها در واقع اتم های لیتیومی هستند که یک الکترون از دست داده اند و به همین دلیل دارای بار الکتریکی مثبت هستند.
هنگام تخلیه باتری، آند (الکترود با بار مثبت) این یون ها را تولید می کند. سپس این یون ها از طریق یک جداکننده و الکترولیت مایع به کاتد (الکترود با بار منفی) می رسند.
یون ها در کاتد با الکترون ها دوباره ترکیب می شوند و تا زمانی که باتری به شارژر متصل نشود، در همان حالت باقی می مانند. اتصال به شارژر این فرایند را به صورت معکوس تکرار می کند. ترکیب یون ها با الکترون ها جریان الکتریکی تولید می کند که می تواند برای تأمین انرژی دستگاه های مختلف استفاده شود.
پاسخ ساده است: به دلیل مزایای متعدد آن. باتری لیتیوم یونی دو مزیت منحصربه فرد دارد که در فناوری های رقیب دیده نمی شود:
اگر هر نوع باتری قابل شارژ با ظرفیت مشابه را مقایسه کنید، باتری های لیتیوم یونی سبک ترین خواهند بود. عناصر اصلی آن ها لیتیوم و کربن هستند که هر دو سبک وزن اند.
با این حال، دلیل اصلی وزن کم آن ها، واکنش پذیری بالای لیتیوم است که امکان ذخیره مقدار زیادی انرژی در پیوندهای اتمی آن را فراهم می کند. به همین دلیل، چگالی انرژی این باتری ها در مقایسه با سایر انواع باتری ها بالاتر است.
به عنوان مثال، یک واحد ۱ کیلوگرمی استاندارد از باتری لیتیوم یونی می تواند ۱۵۰ وات ساعت شارژ ذخیره کند، در حالی که ظرفیت یک باتری نیکل-متال هیدرید (NiMH) با همان وزن حدود ۶۰ تا ۷۰ وات ساعت است. باتری اسید-سرب در این مورد کم توان ترین است، زیرا ظرفیت آن تنها ۲۵ وات ساعت در هر کیلوگرم است.
باتری های لیتیوم یونی انرژی بیشتری را در بدنه ای کوچک تر ذخیره می کنند.
باتری لیتیوم یونی شارژ خود را حفظ می کند، که این ویژگی آن را از سایر انواع باتری ها متمایز می کند. در حالی که یک باتری NiMH ماهانه ۲۰٪ از شارژ خود را از دست می دهد، این مقدار برای باتری لیتیوم یونی تنها ۵٪ است. این باتری می تواند چرخه های متعددی از شارژ و تخلیه را تحمل کند و نیازی به تخلیه کامل قبل از شارژ مجدد ندارد.
با وجود اینکه باتری های لیتیوم یونی عمر طولانی ندارند و در دماهای بالا خطرناک هستند، اما در زمینه الکترونیک و خودروهای برقی هیچ رقیبی برای آن ها وجود ندارد.
باتری های لیتیوم یونی با وجود مزایای فراوان، معایبی نیز دارند که در ادامه به آن ها اشاره می کنم:
باتری های لیتیوم یونی با گذر زمان و پس از تعداد مشخصی چرخه شارژ و تخلیه (معمولاً ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ چرخه)، ظرفیت خود را از دست می دهند و کارایی شان کاهش می یابد.
این باتری ها در صورت قرار گرفتن در معرض گرمای شدید یا شارژ بیش از حد، ممکن است دچار نشت، آتش سوزی یا حتی انفجار شوند. این مشکل به دلیل واکنش پذیری بالای لیتیوم است.
تولید باتری های لیتیوم یونی به دلیل مواد اولیه گران قیمت (مانند لیتیوم و کبالت) و فرآیند پیچیده ساخت، هزینه بر است که قیمت نهایی محصولات وابسته به آن ها را افزایش می دهد.
استخراج لیتیوم و سایر مواد معدنی مورد نیاز برای این باتری ها، اثرات مخربی بر محیط زیست دارد، از جمله مصرف آب زیاد و آلودگی خاک. همچنین، بازیافت این باتری ها هنوز به طور گسترده و کارآمد انجام نمی شود.
اگر این باتری ها بیش از حد تخلیه شوند یا به روش نادرست شارژ شوند (مثلاً با شارژرهای غیراستاندارد)، ممکن است آسیب ببینند و ظرفیت شان به طور دائم کاهش یابد.
مواد اولیه مانند کبالت و لیتیوم در مناطق محدودی از جهان یافت می شوند، که این موضوع می تواند به مشکلات عرضه و افزایش قیمت منجر شود.
این معایب نشان می دهند که با وجود برتری های باتری های لیتیوم یونی، نیاز به تحقیق و توسعه برای رفع این چالش ها و یافتن جایگزین های بهتر همچنان وجود دارد.
خطر ایمنی در دماهای بالا از معایب باتری لیتیوم یونی می باشد
علاوه بر خودروهای برقی و دستگاه های الکترونیکی، باتری های لیتیوم یونی در سیستم های ذخیره سازی انرژی خورشیدی و بادی نیز به کار گرفته می شوند تا انرژی تولیدشده را برای استفاده در زمان های دیگر ذخیره کنند.
یکی از مشکلات این باتری ها، استخراج لیتیوم است که تأثیرات زیست محیطی قابل توجهی دارد. همچنین، بازیافت این باتری ها هنوز به طور گسترده توسعه نیافته است.
در پایان، باتری های لیتیوم یونی با ترکیب منحصربه فرد قدرت بالا، اندازه کوچک و کارایی بی نظیر، نه تنها صنعت خودروهای برقی را متحول کرده اند، بلکه به عنوان ستون فقرات فناوری های مدرن، آینده ای پاک تر و پایدارتر را نوید می دهند؛ هرچند چالش هایی مانند ایمنی و بازیافت همچنان نیازمند توجه و نوآوری های بیشتر است.
گردآوری: بخش خودرو بیتوته
