باتری لیتیوم یون چیست و آیا در باتری‌های شارژی استفاده میشود؟

باتری لیتیوم-یون (Li-ion) در زندگی روزمره ما در بسیاری از گجت‌ها به کار رفته‌است. در این مقاله به بررسی ساختار، کاربری، سیکل شارژ، عمر مصرف، دمای کاری و …. باتری لیتیوم یون می‌پردازیم.

باتری‌های لیتیوم یون یک خانواده بزرگ از باتری‌های قابل شارژ هستند که ظرفیت انرژی بالایی دارند و در وسایل الکتریکی استفاده می‌شوند.

ساختار باتری لیتیوم یون

ساختار یک باتری به ‌این صورت است که ‌از یک کاتد و یک آند و یک محلول الکترولیتی برای برقراری جریان در این ساختار شیمیایی تهیه می‌شود. در باتری‌های لیتیوم یون الکترولیت مثبت از یک ترکیب لیتیومی مانند لیتیوم کبالت اکسید و الکترولیت منفی از کربن ساخته‌ شده‌است ، فاصله بین آن‌ها با یک الکترولیت پوشیده و از هم جدا شده‌اند. هنگام تخلیه، یون‌‌های لیتیوم از الکترود منفی به سمت الکترود مثبت و در جهت مخالف حرکت می‌کنند.

برخلاف باتری‌های غیرقابل شارژ که بدلیل ترکیب شیمیایی مواد الکترود در هنگام تخلیه برگشت‌ناپذیر، دچار تغییر شده و یکبار استفاده می‌شوند و دور انداخته می‌شوند، باتری‌های قابل شارژ با استفاده‌ از جریان الکتریکی اعمال شده می‌توانند چندین بار تخلیه و شارژ شوند. ترکیب شیمیایی اصلی الکترودها را می‌توان با جریان الکتریکی معکوس، بازیابی کرد.

ویژگی های باتری لیتیوم یون

باتری لیتیوم یون نسبت به سایر باتری‌ها از ظرفیت بالاتری برخوردار است و به دلیل استفاده‌ از مواد سازنده متفاوت بسیار سبک‌تر از سایر باتری‌ها است. باتری‌های لیتیومی به دلیل استفاده ‌از نانو موادها طول عمر بیشتری دارند و خطرات استفاده ‌از آن‌ها نیز به شدت کاهش پیدا کرده‌است.

باتری‌های لیتیوم یون بسیار حساس می‌باشند و با کوچکترین تغییرات در دما و یا کشیده شدن جریان بیش از حد از باتری ، منفجر می‌شوند! تا زمانیکه صفحات داخلی این نوع باتری خورده نشود، می‌توان این باتری را استفاده و آن را شارژ کرد. آنها برای شارژ دوباره به دشارژ کامل نیاز ندارند و نمی بایست کاملا تخلیه گردند و برای عمر بیشتر باتری‌ها باید همیشه در حالت پر و نیمه پر قرار داده شود.

عمر باتری‌های لیتیوم یونی تا ۱۰۰۰ چرخه شارژ کامل بدون از دست دادن ظرفیت است. البته ‌اگر سیکل شارژ آن‌ها درست رعایت نشود و یا مدتی بدون شارژ بمانند، حالت خود تخریب پیدا می‌کنند و به همین دلیل در بسیاری از موارد خرید باتری لیتیوم یون عقلانی و به صرفه نیست.

باتری‌‌های لیتیوم-یون می‌‌توانند در محدوده دمایی ۲۰ تا ۴۵ درجه سلسیوس شارژ می‌شوند. البته‌ این باتری‌ها مقاومت کمی نسبت به شارژ بیش از حد ظرفیت خود دارند. ‌اگر این باتری‌ها را بیشتر از ظرفیت آن‌ها شارژ کنید نشت می‌کنند و خراب می‌شوند لذا در زمان شارژ آن‌ها بهتر است تا از شارژرهای هوشمند استفاده کنند که خود روند شارژ را پس از تکمیل متوقف کنند.

بدترین شرایط برای این نوع باتری‌ها نگهداری آنها در حالت شارژ کامل و دمای بالا می‌باشد. برای مثال گذاشتن گوشی موبایل یا باتری زاپاس در هوای گرم داخل ماشین ویا استفاده‌ از لپتاپ با منبع تغذیه و باتری. ولتاژی که باتری با آن شارژ می‌شود هم نقش مهمی در طول عمر باتری دارد. ولتاژ بالا باعث افزایش ظرفیت باتری می‌شود ولی طول عمر باتری را کاهش می‌دهد و معیار تاثیرگذار دیگر در طول عمر باتری‌های لیتیوم-یون میزان جابجایی الکتریسیته در ساعت است.

باتری های لیتیون یون شارژی

باتری‌های شارژی لیتیوم-یونی ۳.۷ ولتی هستند و به‌ندرت در سایز AA و AAA تولید می‌شوند و بیشتر در سایز استاندارد ۱۸۶۵۰ و برای دستگاه‌های خاصی که با ولتاژ ۳.۷ ولت کار می‌کنند ساخته می‌شوند. هرچند فناوری Li-on  در دنیای باتری‌های قلمی ‌تقریبا جایی ندارد؛ اما در باتری‌های لپ‌تاپ‌ها، تلفن‌های هوشمند، خودروهای الکتریکی، ساخت پاوربانک، چراغ قوه های قابل شارژ ، جاروبرقی شارژی، دوربین‌های DSLR ، دستگاه ریش تراش، فلزیاب صنعتی، تلفن بیسیم خانگی، دستگاه واکی تاکی صنعتی و نظامی و… دیگر مصارف بسیار متداول است.

موارد استفاده باتری های لیتیوم یون

متداول‌‌ترین باتری‌‌ها در اتومبیل‌های مدرن، باتری لیتیوم-یون است. در وسایل نقلیه ‌الکتریکی از دو نوع باتری لیتیوم-یون استفاده می‌‌شود: اکسید فلز و فسفات. این پیل‌‌ها در قالب ماژول‌ نصب می‌‌شوند. به عبارت دیگر، برای ساختن یک جعبه، یک نوع باتری نصب می‌‌شود. برای مثال، در اتومبیل الکتریکی BMW تعداد ۹۶ پیل نصب می‌‌شود. تعدادی از پیل‌‌ها در چارچوبی قرار داده می‌‌شوند که ‌از باتری‌‌ها در برابر لرزش و گرمای خارجی محافظت می‌‌کند. ترکیبی از پیل‌‌ها را ماژول می‌‌نامند. تعدادی از این نوع ماژول‌‌ها، جعبه خنک‌‌کننده و سیستم مدیریت باتری به صورت یک جعبه باهم ترکیب می‌‌شوند.

از آنجایی که ‌این باتری‌‌ها چگالی توان بالایی دارند، معمولاً در الکترونیک از آن‌ها استفاده می‌‌شود. این باتری‌‌ها می‌‌توانند ۱۵۰ وات-ساعت انرژی را در یک کیلوگرم از جرم خود ذخیره کنند.

مزایای استفاده از باتری های لیتیوم یون:

• وزن کم
• چگالی انرژی بالا
• قابلیت شارژ مجدد و عدم وابستگی شدید طول عمر به تعداد دفعات شارژ
• گستره دمایی خوب و تحمل دمای بالا تا ۶۰ درجه و آسیب ندیدن ظرفیت باتری در این دما
• امکان ساخته شدن در شکل فیزیکی ظریف و نازک
• عملکرد فوق‌العاده در دستگاه‌های نیازمند جریان بالا

معایب باتری لیتیومم یون:

• استاندارد نبودن ولتاژ (۳.۷ ولت) برای مصارف متداول و تاثیر پذیری شدید و کاهش ظرفیت باتری و خراب شدن آن در صورت افزایش یا کاهش ولتاژ آن از محدوده نرمال
• نا توانی در استفاده به عنوان باتری شارژی

اگر ولتاژ باتری به کمتر از ۲.۴ ولت برسد می‌تواند باعث اکسید شدن الکترودهای آن شده و در اثر واکنش شیمیایی داخلی کل ظرفیت یا بیشترش را از دست بدهد. متاسفانه باتری‌ها در انبار فروشگاه ها در اثر دشارژ خودبخودی به‌این وضعیت دچار می شوند. افزایش ولتاژ باتری (بیش از ۴.۳ ولت) یا جریان دادن به یک باتری کاملا پر هم می تواند باعث خوردگی الکترودهای آن شده و  همه ظرفیت باتری را از بین ببرد.

• مقاومت داخلی بالا

مقاومت داخلی باتری‌ها، علاوه بر محدود شدن جریان خروجی در صورت اتصال کوتاه باعث داغ شدن باتری و انفجار آن خواهد شد.

• صدمه زدن به دستگاه‌های متداول درصورت استفاده‌ سهوی
• نیاز داشتن به شارژر مخصوص
• کمیاب بودن