باتری لیتیومی چیست و چگونه کار میکند؟

باتری لیتیومی از اوایل دهه ۹۰ میلادی توسط سونی به لوازم الترونیکی راه پیدا کرد ولی با سرعت جایگاه خود را در بازار تثبیت کرد و با سرعتی سرسام‌آور در حال تسخیر بازار است.

از گوشی، لپ‌تاپ، آیپد، دوربین دیجیتال گرفته تا دوچرخه برقی، موتور سیکلت برقی، خودرو الکتریکی و حتی هواپیما‌ها و ماهواره‌ها تمام و یا بخش موثری از انرژی مصرفی خود را به واسطه باتری لیتیومی دریافت میکنند.

باتری لیتیومی در هر اندازه‌ای که باشد از یک یا چند سل تشکیل میشود. برای نمونه یک باتری قلمی لیتیومی یک سل است، در حالیکه باتری لپ‌تاپ میتواند از چند تا چند ده سل تشکیل شده باشد و باتری خودرو الکتریکی از چند هزار سل تشکیل میشود.

سل‌ها میتوانند مانند باتری‌های قلمی به شکل استوانه و یا کتابی و در هر اندازه‌ای باشند. از در کنار هم قرار دادن چند سل یک ماژول باتری ساخته میشود و یک سیستم باتری ممکن است از چندین ماژول ساخته شود.

یک سل باتری لیتیومی نیز همانند باتری‌های دیگر، از آند، کاتد، جداکننده و الکترولیت تشیکل میشود.

آند و کاتد محل ذخیره لیتیوم هستند و الکترولیت بستر انتقال یون‌های لیتیوم از آند به کاتد و برعکس را فراهم میکند. وظیفه جدا کننده این است که یون لیتیوم را عبور دهد ولی از عبور الکترون‌های آزاد جلوگیری کند. هنگامی که الکترون‌های انباشته شده در آند از طریق مداری که به باتری متصل میشود به سمت کاتد حرکت کنند جریان الکتریسیته مورد نیاز برای تامین انرژی وسایل برقی ما فراهم میشود. در فرایند شارژ باتری این پروسه به شکل معکوس انجام میشود. در انیمیشن زیر میتوانید این فرایندها را مشاهده نمایید.

Animation created by Sarah Harman and Charles Joyner

Office of Energy Efficiency & Renewable Energy 

 بر اساس این که باتری لیتیومی بر پایه چه ساختار شیمیایی‌ای طراحی شده باشد مواد تشکیل دهنده آن تغییر میکند ولی در همه آنها لیتیوم نقش اساسی دارد.

جدول زیر مواد تشکیل دهنده شش نوع باتری لیتیومی را نشان میدهد:

دو مشخصه اصلی تعریف کننده باتری «چگالی انرژی Energy density» و «چگالی توان Power density» است.

واحد چگالی انرژی Wh/kg «وات ساعت بر کیلوگرم» است و بیانگر مقدار انرژی‌ای است که میتوان در هر کیلوگرم باتری ذخیره کرد و واحد چگالی توان W/kg است و بیانگر توانی است که هر کیلوگرم باتری شارژ شده برای مصرف در اختیار قرار میدهد.

برای فهم بیشتر میتوانید یک استخر را در نظر بگیرید. «چگالی انرژی» بیانگر ظرفیت آبی است که میتواند در استخر قرار بگیرد و «چگالی توان» بیانگر تخلیه استخر با «بیشترین سرعت ممکن» است.

محدودیت‌های باتری‌های لیتیومی

تعداد دفعاتی که میتوان یک باتری لیتیومی را شارژ و مصرف کرد محدود است و با فناوری‌های کنونی در حد چندصد تا چندهزار بار است و باتری به تدریج توانایی ذخیره کردن و آزاد کردن انرژی خود را از دست میدهد.

از طرفی مدت عمر باتری لیتیومی نیز محدود و در حد چند سال است. یعنی حتی اگر باتری در قفسه بماند و از آن استفاده نشود نیز به تدریج کارایی خود را از دست میدهد. پس در هنگام خرید باتری لیتیومی و یا وسایل حاوی این باتری باید به تاریخ تولید باتری توجه داشت.

باتری‌های لیتیومی در دماهای بسیار پایین عملکرد خوبی ندارند و در دماهای بسیار بالا هم با خطر هر چند محدود آتش گرفتن و انفجار روبرو هستند. البته آمار ثبت شده نشان میدهد که آتش گرفتن تنها در دو یا سه عدد در یک میلیون باتری اتفاق افتاده است.

چرا تقاضا برای مصرف باتری لیتیومی روبه رشد است؟

باتری‌های لیتیومی به نسبت سایر انواع باتری از «چگالی انرژی» و «چگالی توان» بالاتری برخوردارند، عمر طولانی‌تری دارند و تعداد دفعات شارژ آنها از بیشتر باتری‌های دیگر بیشتر است. پس با اینکه قیمت اولیه آنها گرانتر است ولی مصرف کننده در درازمدت هزینه کمتری صرف باتری میکند.

کنترل توان دریافتی از باتری لیتیومی بسیار آسانتر و دقیقتر است، پس برای کاربردهایی که به دقت بیشتری نیاز دارند، مانند صنایع الکترونیک و خودروهای الکتریکی، مناسب‌تر است.

پژوهشها بر روی ارتقای فناوری و کم کردن قیمت تمام شده باتری‌های لیتیومی با سرعت ادامه دارد بطوریکه بنابر گزارش BloombergNEF قیمت هر کیلووات ساعت باتری لیتیومی از ۶۶۸ دلار در سال ۲۰۱۳ به ۱۳۷ دلار در سال ۲۰۲۰ رسیده است و پیش‌بینی میشود که این قیمت تا سال ۲۰۲۳ به ۱۰۰ دلار در هر کیلووات ساعت برسد.

نکاتی برای استفاده بهینه از باتری لیتیومی

دمای بالا برای باتری لیتیومی مضر است و علاوه بر خطر آتش‌گرفتن، کارایی باتری را کم کرده و یا آنرا تخریب میکند. از قرار دادن باتری در جاهای گرم مانند جاگذاشتن آن در داخل خودروی در معرض آفتاب باید پرهیز کرد.

باتری لیتیومی دل خوشی از شارژ ۱۰۰ درصدی و تخلیه کامل ندارد. بنابراین توصیه میشود پیش از صفر شدن باتری آنرا شارژ کرده و پیش از ۱۰۰ درصد شدن باتری آنرا از شارژر جدا نمایید. البته به تدریج بسیاری از لوازمی که از این نوع باتری استفاده میکنند به نرم افزارها و سخت افزارهایی برای پیشگیری از این حالت‌ها مجهز میشوند.