ما هي بطاريات ليثيوم أيون
بطاريات الليثيوم أيون هي نوع شائع من كيمياء البطاريات. الميزة الرئيسية التي توفرها هذه البطاريات هي أنها قابلة لإعادة الشحن. وبسبب هذه الميزة، فهي موجودة في معظم الأجهزة الاستهلاكية اليوم التي تستخدم البطارية. ويمكن العثور عليها في الهواتف والمركبات الكهربائية وعربات الغولف التي تعمل بالبطارية.
كيف تعمل بطاريات الليثيوم أيون؟
تتكون بطاريات الليثيوم أيون من خلية ليثيوم أيون واحدة أو عدة خلايا. كما أنها تحتوي على لوحة دوائر واقية لمنع الشحن الزائد. تسمى الخلايا بالبطاريات بمجرد تركيبها في غلاف مزود بلوحة دوائر واقية.
هل بطاريات الليثيوم أيون هي نفسها بطاريات الليثيوم؟
لا، تختلف بطارية الليثيوم وبطارية الليثيوم أيون اختلافًا كبيرًا. والفرق الرئيسي هو أن الأخير قابل لإعادة الشحن. الفرق الرئيسي الآخر هو مدة الصلاحية. يمكن أن تدوم بطارية الليثيوم لمدة تصل إلى 12 عامًا دون استخدام، بينما تتمتع بطاريات الليثيوم أيون بعمر افتراضي يصل إلى 3 سنوات.
ما هي المكونات الرئيسية لبطاريات الليثيوم أيون
تحتوي خلايا أيون الليثيوم على أربعة مكونات رئيسية. هذه هي:
الأنود
يسمح الأنود للكهرباء بالانتقال من البطارية إلى دائرة خارجية. كما يقوم بتخزين أيونات الليثيوم عند شحن البطارية.
الكاثود
الكاثود هو الذي يحدد سعة الخلية وجهدها. ينتج أيونات الليثيوم عند تفريغ البطارية.
المنحل بالكهرباء
المنحل بالكهرباء عبارة عن مادة تعمل كقناة لتنقل أيونات الليثيوم بين الكاثود والأنود. وتتكون من الأملاح والمواد المضافة والمذيبات المختلفة.
الفاصل
القطعة الأخيرة في خلية أيون الليثيوم هي الفاصل. إنه بمثابة حاجز مادي لإبقاء الكاثود والأنود منفصلين.
تعمل بطاريات الليثيوم أيون عن طريق نقل أيونات الليثيوم من الكاثود إلى الأنود وبالعكس عبر المنحل بالكهرباء. أثناء تحرك الأيونات، تقوم بتنشيط الإلكترونات الحرة في الأنود، مما يؤدي إلى إنشاء شحنة عند مجمع التيار الموجب. تتدفق هذه الإلكترونات عبر الجهاز، أو الهاتف أو عربة الجولف، إلى المجمع السالب ثم تعود إلى الكاثود. يتم منع التدفق الحر للإلكترونات داخل البطارية بواسطة الفاصل، مما يجبرها نحو نقاط الاتصال.
عندما تقوم بشحن بطارية ليثيوم أيون، سيطلق الكاثود أيونات الليثيوم، وتتحرك نحو القطب الموجب. عند التفريغ، تنتقل أيونات الليثيوم من القطب الموجب إلى الكاثود، مما يولد تدفقًا للتيار.
متى تم اختراع بطاريات الليثيوم أيون؟
تم تصميم بطاريات الليثيوم أيون لأول مرة في السبعينيات من قبل الكيميائي الإنجليزي ستانلي ويتنجهام. خلال تجاربه، قام العلماء بالتحقيق في كيمياء مختلفة لبطارية يمكنها إعادة شحن نفسها. تضمنت تجربته الأولى ثاني كبريتيد التيتانيوم والليثيوم كأقطاب كهربائية. ومع ذلك، فإن البطاريات سوف تنفجر وتنفجر.
وفي الثمانينات، قبل عالم آخر، جون ب. جوديناف، هذا التحدي. وبعد فترة وجيزة، بدأ الكيميائي الياباني أكيرا يوشينو، البحث في هذه التكنولوجيا. أثبت يوشينو وجوديناف أن معدن الليثيوم كان السبب الرئيسي للانفجارات.
في التسعينيات، بدأت تكنولوجيا أيونات الليثيوم في اكتساب المزيد من الاهتمام، وسرعان ما أصبحت مصدرًا شائعًا للطاقة بحلول نهاية العقد. كانت هذه هي المرة الأولى التي تقوم فيها شركة Sony بتسويق هذه التكنولوجيا تجاريًا. أدى سجل السلامة الضعيف لبطاريات الليثيوم إلى تطوير بطاريات الليثيوم أيون.
في حين أن بطاريات الليثيوم يمكن أن تحتوي على كثافة طاقة أعلى، إلا أنها غير آمنة أثناء الشحن والتفريغ. من ناحية أخرى، تعتبر بطاريات الليثيوم أيون آمنة تمامًا للشحن والتفريغ عندما يلتزم المستخدمون بإرشادات السلامة الأساسية.
ما هي أفضل كيمياء ليثيوم أيون؟
هناك أنواع عديدة من كيمياء بطاريات الليثيوم أيون. المتاحة تجاريا هي:
- تيتانات الليثيوم
- أكسيد الألومنيوم والنيكل الليثيوم والكوبالت
- أكسيد النيكل الليثيوم والمنغنيز والكوبالت
- أكسيد الليثيوم المنغنيز (LMO)
- أكسيد الكوبالت الليثيوم
- فوسفات حديد الليثيوم (LiFePO4)
هناك أنواع عديدة من المواد الكيميائية لبطاريات الليثيوم أيون. كل واحد له إيجابياته وسلبياته. ومع ذلك، فإن بعضها مناسب فقط لحالات استخدام محددة. على هذا النحو، سيعتمد النوع الذي تختاره على احتياجاتك من الطاقة، والميزانية، وتحمل السلامة، وحالة الاستخدام المحددة.
ومع ذلك، فإن بطاريات LiFePO4 هي الخيار الأكثر توفرًا تجاريًا. تحتوي هذه البطاريات على قطب كربون من الجرافيت، والذي يعمل بمثابة الأنود، والفوسفات باعتباره الكاثود. لديهم دورة حياة طويلة تصل إلى 10000 دورة.
بالإضافة إلى ذلك، فهي توفر استقرارًا حراريًا رائعًا ويمكنها التعامل بأمان مع الزيادات القصيرة في الطلب. تم تصنيف بطاريات LiFePO4 لعتبة حرارية تصل إلى 510 درجة فهرنهايت، وهي الأعلى من أي نوع من بطاريات الليثيوم أيون المتوفرة تجاريًا.
مزايا بطاريات LiFePO4
بالمقارنة مع بطاريات حمض الرصاص وغيرها من بطاريات الليثيوم، تتمتع بطاريات ليثيوم فوسفات الحديد بميزة كبيرة. يتم شحنها وتفريغها بكفاءة، وتدوم لفترة أطول، ويمكن أن تكون عميقةcleدون أن تفقد القدرة. وتعني هذه المزايا أن البطاريات توفر توفيرًا كبيرًا في التكاليف طوال عمرها مقارنة بأنواع البطاريات الأخرى. وفيما يلي نظرة على المزايا المحددة لهذه البطاريات في المركبات ذات الطاقة المنخفضة السرعة والمعدات الصناعية.
بطارية LiFePO4 في المركبات منخفضة السرعة
السيارات الكهربائية منخفضة السرعة (LEVs) هي مركبات ذات أربع عجلات تزن أقل من 3000 رطل. يتم تشغيلها بواسطة البطاريات الكهربائية، مما يجعلها خيارًا شائعًا لعربات الجولف والاستخدامات الترفيهية الأخرى.
عند اختيار خيار البطارية لسيارة LEV الخاصة بك، فإن أحد أهم الاعتبارات هو طول العمر. على سبيل المثال، يجب أن تتمتع عربات الجولف التي تعمل بالبطارية بالطاقة الكافية للتجول في ملعب جولف مكون من 18 حفرة دون الحاجة إلى إعادة الشحن.
هناك اعتبار مهم آخر وهو جدول الصيانة. يجب ألا تحتاج البطارية الجيدة إلى أي صيانة لضمان أقصى قدر من الاستمتاع بنشاطك الترفيهي.
يجب أن تكون البطارية أيضًا قادرة على العمل في الظروف الجوية المتنوعة. على سبيل المثال، ينبغي أن يسمح لك بلعب الجولف في حرارة الصيف وفي الخريف عندما تنخفض درجات الحرارة.
يجب أن تأتي البطارية الجيدة أيضًا بنظام تحكم يضمن عدم ارتفاع درجة حرارتها أو تبريدها كثيرًا، مما يؤدي إلى إضعاف قدرتها.
واحدة من أفضل العلامات التجارية التي تلبي كل هذه الشروط الأساسية والمهمة هي ROYPOW. تم تصنيف خط بطاريات الليثيوم LiFePO4 الخاص بهم لدرجات حرارة تتراوح من 4 درجات فهرنهايت إلى 131 درجة فهرنهايت. تأتي البطاريات مزودة بنظام إدارة بطارية مدمج وهي سهلة التركيب للغاية.
التطبيقات الصناعية لبطاريات الليثيوم أيون
تعد بطاريات الليثيوم أيون خيارًا شائعًا في التطبيقات الصناعية. الكيمياء الأكثر شيوعًا المستخدمة هي بطاريات LiFePO4. بعض المعدات الأكثر شيوعًا لاستخدام هذه البطاريات هي:
- الرافعات الشوكية ذات الممرات الضيقة
- الرافعات الشوكية المتوازنة
- 3 رافعات شوكية ذات عجلات
- مكدسات اسلكية
- الدراجين النهاية والوسط
هناك العديد من الأسباب وراء تزايد شعبية بطاريات الليثيوم أيون في البيئات الصناعية. أهمها هي:
قدرة عالية وطول العمر
تتمتع بطاريات الليثيوم أيون بكثافة طاقة أكبر وطول عمر أكبر مقارنة ببطاريات الرصاص الحمضية. يمكنهم أن يزنوا ثلث الوزن وينتجوا نفس الناتج.
دورة حياتهم هي ميزة رئيسية أخرى. بالنسبة للعملية الصناعية، فإن الهدف هو إبقاء التكاليف المتكررة قصيرة الأجل عند الحد الأدنى. مع بطاريات الليثيوم أيون، يمكن أن تدوم بطاريات الرافعة الشوكية ثلاث مرات، مما يؤدي إلى توفير كبير في التكاليف على المدى الطويل.
ويمكنها أيضًا العمل على عمق تفريغ أكبر يصل إلى 80% دون أي تأثير على قدرتها. وهذا له ميزة أخرى في توفير الوقت. لا تحتاج العمليات إلى التوقف في منتصف الطريق لتبديل البطاريات، مما قد يؤدي إلى توفير آلاف ساعات العمل على مدار فترة كبيرة بما فيه الكفاية.
شحن عالي السرعة
مع بطاريات الرصاص الحمضية الصناعية، يكون وقت الشحن الطبيعي حوالي ثماني ساعات. وهذا يعادل وردية عمل مدتها 8 ساعات كاملة حيث تكون البطارية غير متاحة للاستخدام. وبالتالي، يجب على المدير حساب وقت التوقف هذا وشراء بطاريات إضافية.
مع بطاريات LiFePO4، لا يمثل هذا تحديًا. وخير مثال على ذلك هوبطاريات ليثيوم ROYPOW الصناعية LifePO4والتي يتم شحنها أسرع بأربع مرات من بطاريات الرصاص الحمضية. فائدة أخرى هي القدرة على البقاء فعالاً أثناء الخروج من المستشفى. غالبًا ما تعاني بطاريات الرصاص الحمضية من تأخر في الأداء أثناء تفريغها.
لا يعاني خط ROYPOW للبطاريات الصناعية أيضًا من مشكلات في الذاكرة، وذلك بفضل نظام إدارة البطارية الفعال. غالبًا ما تعاني بطاريات الرصاص الحمضية من هذه المشكلة، مما قد يؤدي إلى عدم وصولها إلى طاقتها الكاملة.
مع مرور الوقت، فإنه يسبب الكبريت، والذي يمكن أن يقلل من عمرها القصير بالفعل إلى النصف. تحدث المشكلة غالبًا عند تخزين بطاريات الرصاص الحمضية دون شحنها بالكامل. يمكن شحن بطاريات الليثيوم على فترات قصيرة وتخزينها بأي سعة فوق الصفر دون أي مشاكل.
السلامة والتعامل
تتمتع بطاريات LiFePO4 بميزة كبيرة في البيئات الصناعية. أولا، لديهم استقرار حراري كبير. يمكن لهذه البطاريات أن تعمل في درجات حرارة تصل إلى 131 درجة فهرنهايت دون التعرض لأي ضرر. ستفقد بطاريات الرصاص الحمضية ما يصل إلى 80% من دورة حياتها عند درجة حرارة مماثلة.
قضية أخرى هي وزن البطاريات. للحصول على سعة بطارية مماثلة، تزن بطاريات الرصاص الحمضية أكثر بكثير. على هذا النحو، غالبًا ما يحتاجون إلى معدات محددة ووقت تركيب أطول، مما قد يؤدي إلى تقليل ساعات العمل التي يقضيها الإنسان في العمل.
قضية أخرى هي سلامة العمال. بشكل عام، تعتبر بطاريات LiFePO4 أكثر أمانًا من بطاريات الرصاص الحمضية. وفقًا لإرشادات إدارة السلامة والصحة المهنية (OSHA)، يجب تخزين بطاريات الرصاص الحمضية في غرفة خاصة مزودة بمعدات مصممة للتخلص من الأبخرة الخطرة. وهذا يؤدي إلى تكلفة إضافية وتعقيد في العملية الصناعية.
خاتمة
تتمتع بطاريات الليثيوم أيون بميزة واضحة في البيئات الصناعية وفي السيارات الكهربائية منخفضة السرعة. أنها تستمر لفترة أطول، وبالتالي توفير أموال المستخدمين. كما أن هذه البطاريات لا تحتاج إلى صيانة، وهو أمر مهم بشكل خاص في البيئة الصناعية حيث يكون توفير التكاليف أمرًا بالغ الأهمية.
مقالة ذات صلة:
هل بطاريات فوسفات الليثيوم أفضل من بطاريات الليثيوم الثلاثية؟
هل تأتي عربات ياماها للجولف مزودة ببطاريات الليثيوم؟
هل يمكنك وضع بطاريات الليثيوم في سيارة النادي؟
