لیتیوم یون در مقابل لیتیوم پلیمر / کدامیک بهتر است؟

برای سال‌ها، نیکل-کادمیوم (Ni-Cad) تنها باتری مناسب برای تجهیزات قابل حمل بود: از ارتباطات بی‌سیم گرفته تا محاسبات سیار. نیکل-فلز-هیدرید (Ni-MH) و لیتیوم-یون (Li-Ion) در اوایل دهه ۱۹۹۰ پدیدار و دست بکار مبارزه برای جلب مشتری شدند. امروزه، لیتیوم یون سریع‌ترین و امیدوارکننده ترین شیمی باتری است.

۱. باتری لیتیوم یون

نخستین کار با باتری لیتیومی در سال ۱۹۱۲ تحت رهبری جی.‌اِن.لوئیس تا اوایل دهه ۱۹۷۰ ادامه داشت که اولین باتری‌های لیتیومی غیرقابل شارژ به صورت تجاری در دسترس قرار گرفتند. لیتیوم سبک‌ترین فلز و دارای بیشترین پتانسیل الکتروشیمیایی است که بیشترین چگالی انرژی را برای وزن فراهم می‌کند.

تلاش برای ساخت باتری‌های لیتیومی قابل شارژ به دلیل مشکلات ایمنی شکست خورد و به دلیل ناپایداری ذاتی فلز لیتیوم، به ویژه در هنگام شارژ، تحقیقات به سمت باتری لیتیومی غیرفلزی با استفاده از یون‌های لیتیوم تغییر یافت. اگرچه چگالی انرژی لیتیوم یون کمی کمتر از فلز لیتیوم است ولی مشروط بر اینکه اقدامات احتیاطی خاصی برای شارژ و تخلیه‌اش انجام شود ایمن است. در سال ۱۹۹۱، اولین باتری لیتیوم یون توسط شرکت سونی تجاری شد و بقیه تولیدکنندگان هم از این روند پیروی کردند.

چگالی انرژی لیتیوم-یون معمولاً دو برابر نیکل-کادمیوم استاندارد است (پتانسیل چگالی انرژی بالاتری دارد). ویژگی‌های بار نسبتاً خوب هستند و از نظر تخلیه مثل نیکل-کادمیوم رفتار می‌کنند. ولتاژ بالای باتری ۳.۶ ولت امکان طراحی بسته باتری تک‌سلولی را فراهم می‌کند. اکثر تلفن‌های همراه امروزی روی تک‌سلول کار می‌کنند. یک بسته مبتنی بر نیکل به سه باتری ۱.۲ ولتی نیاز دارد که به صورت سری متصل شوند.

باتری لیتیوم یون نیازمند تعمیر و نگهداری چندانی نیست، مزیتی که اکثر شیمی‌های دیگر نمی‌توانند ادعا کنند. هیچ اثر حافظه‌ای وجود ندارد و برای افزایش عمر باتری نیازی به چرخه برنامه‌ریزی شده نیست. علاوه بر این، خود‌تخلیه لیتیوم-یون در مقایسه با نیکل-کادمیوم کمتر از نصف است که آن را برای کاربردهای مدرنِ گیج سوخت مناسب می‌کند. سلول‌های لیتیوم یونی در صورت دفع آسیب کمی ایجاد می‌کنند.

علیرغم مزایای کلی، لیتیوم یون دارای معایبی هم هست؛ از جمله: شکننده است و برای حفظ عملکرد ایمن به مدار حفاظتی نیاز دارد. مدار حفاظتی که در هر بسته تعبیه شده، نهایت ولتاژ هر سلول را در هنگام شارژ محدود  و از افت بیش از حد ولتاژ باتری در هنگام تخلیه جلوگیری می‌کند. علاوه بر این، دمای باتری برای جلوگیری از افزایش بیش از حدش نظارت می‌شود. حداکثر جریان شارژ و دشارژ در بیشتر بسته‌ها بین ۲-۱ درجه سانتیگراد محدود است. با رعایت این اقدامات احتیاطی، احتمال آبکاری لیتیوم فلزی به دلیل شارژ بیش از حد عملاً از بین می‌رود.

فرسوگی در اکثر باتری‌های لیتیوم یونی یک نگرانی است و خیلی از تولید کنندگان در مورد این موضوع پاسخی ندارند. مقداری کاهش ظرفیت بعد از یک سال قابل توجه است، چه باتری در حال استفاده باشد یا نه؛ و باتری اغلب بعد از دو یا سه سال از کار می‌افتد. لازم به ذکر است که سایر مواد شیمیایی هم سن اثرات تخریبی مربوط به افزایش سن دارند. این امر به ویژه برای نیکل-فلز-هیدرید در صورت قرار گرفتن در معرض دمای بالای محیط صادق است. در عین حال، بعضی بسته‌های لیتیوم یون، شناخته شده‌اند که در بعضی کاربردها به مدت پنج سال کار کرده‌اند.

تولیدکنندگان به طور مداوم در حال بهبود دادن لیتیوم یون هستند و ترکیبات شیمیایی جدید و پیشرفته هر شش ماه یکبار یا بیشتر معرفی می‌شوند. با چنین پیشرفت سریعی، ارزیابی میزان پیری باتری اصلاح شده دشوار است.

چون نگهداری در جای خنک روند فرسودگی لیتیوم یون (و سایر مواد شیمیایی) را کند می‌کند، سازندگان دمای نگهداری ۱۵ درجه سانتیگراد را توصیه می‌کنند. علاوه بر این، باتری باید در طول نگهداری هم تا حدی شارژ شود؛ به توصیه سازنده تا ۴۰٪.

مقرون به صرفه‌ترین باتری لیتیوم یونی از نظر نسبت هزینه به انرژی، استوانه ای 18650 است (اندازه ۶۲.۵ X ۱۸میلیمتر). این باتری برای محاسبات تلفن همراه و سایر برنامه‌هایی که به ظاهرخیلی ظریفی نیاز ندارند استفاده می‌شود. اگر به یک بسته باریک نیاز دارید، باتری لیتیوم یون منشوری بهترین انتخاب است چون علیرغم هزینه بیشتر، انرژی ذخیره شده بیشتری دارد.

مزایای باتری لیتیوم یون

• چگالی انرژی و پتانسیل بالا برای ظرفیت‌های بالاتر.
• در زمان تازگی، نیازی به شارژ طولانی مدت ندارد، فقط یک شارژ معمولی لازم است.
• خودتخلیه نسبتا پایین دارد که کمتر از نصف باتری‌های مبتنی بر نیکل است.
• نیازمند نگهداری کم و بدون تخلیه دوره ای است؛ هیچ حافظه ای وجود ندارد.
• باتری‌های تخصصی می‌توانند جریان بسیار بالایی را برای کاربردهایی مثل ابزارهای برقی ارائه بدهند.

محدودیت‌های باتری لیتیوم یون

• برای حفظ ولتاژ و جریان در محدوده ایمن به مدار حفاظتی نیاز دارد.
• با توجه به فرسودگی، حتی در صورت عدم استفاده، نگهداری آن در جای خنک با ۴۰٪ شارژ، اثر فرسودگی‌اش را کاهش می‌دهد.
• محدودیت‌های حمل و نقلی: حمل و نقل مقادیر زیاد آن ممکن است تحت کنترل نظارتی باشد. این محدودیت به باتری‌هایی که بطور شخصی حمل می‌شوند اعمال نمی‌شود.
• گران بودن تولید: حدود ۴۰٪ بالاتر از نیکل کادمیوم هزینه برمی‌دارد.
• به طور کامل توسعه یافته نیستند: فلزات و مواد شیمیایی‌اش به طور مداوم در حال تغییراند.

۲. باتری لیتیوم پلیمری

لیتیوم پلیمر به دلیل نوع الکترولیت مورد استفاده در آن از سیستم‌های باتری معمولی متمایز می‌شود. طرح اولیه آن که به دهه ۱۹۷۰ برمی‌گردد، از الکترولیت پلیمری جامد خشک استفاده می‌کند. این الکترولیت شبیه یک فیلم پلاستیک مانند است که جریان الکتریکی را هدایت نمی‌کند اما اجازه تبادل یون‌ها (اتم‌های باردار الکتریکی یا گروه‌هایی از اتم‌ها) را می‌دهد. بعدها الکترولیت پلیمری جایگزین جداکننده متخلخل سنتی  شد که با الکترولیت آغشته بود.

طراحی پلیمر خشک با توجه به ساخت، استحکام، ایمنی و هندسه پروفیل نازک، ساده‌سازی را ارائه می‌دهد. با ضخامت باتری به اندازه یک میلیمتر، دست طراحان تجهیزات از نظر ظاهر، شکل و اندازه بازتر شد.

متأسفانه، لیتیوم پلیمر خشک رسانایی ضعیفی دارد، مقاومت داخلی‌اش خیلی زیاد است و نمی‌تواند انفجارهای جریان مورد نیاز برای تامین انرژی دستگاه‌های ارتباطی مدرن و چرخاندن هارد دیسک‌های تجهیزات محاسباتی سیار را ارائه بدهد. چون گرم کردن باتری تا دمای ۶۰ درجه سانتیگراد و بالاتر رسانایی‌اش را افزایش می‌دهد برای کاربردهای قابل حمل نامناسب است.

برای بهبود این نقصان، مقداری الکترولیت ژل شده به باتری اضافه شده است. سلول‌های تجاری از یک غشای جداکننده/الکترولیت تهیه شده از همان پلی اتیلن متخلخل سنتی یا جداکننده پلی پروپیلن پر شده با پلیمر استفاده می‌کنند که بعد از پر شدن با الکترولیت مایع ژل می‌شود. بنابراین سلول‌های پلیمری لیتیوم یون تجاری از نظر شیمی و مواد بسیار شبیه به قطعات مشابه الکترولیت مایع خود هستند.

لیتیوم یون پلیمر به آن سرعتی که بعضی تحلیلگران انتظار داشتند جذب و برتری‌اش نسبت به سایر سیستم‌ها و هزینه‌های ساخت پایین محقق نشده است. هیچ پیشرفتی در افزایش ظرفیتش حاصل نشده و در واقع، ظرفیتش کمی کمتر از باتری استاندارد لیتیوم یون است. لیتیوم یون پلیمر بازار خود را در کاربردهای نازک ویفری مثل باتری‌های کارت‌های اعتباری و سایر کاربردهای مشابه باز می‌کند.

مزایای باتری لیتیوم پلیمری

• قطر خیلی کم: باتری‌هایی به ضخامت کارت اعتباری
• ضریب فرم انعطاف‌پذیر: تولید کنندگان به قالب‌های باتری استاندارد محدود نمی‌شوند بلکه با حجم بالا می‌شود هر اندازه معقولی را به صرفه تولید کرد.
• بسته‌بندی ساده: الکترولیت‌های سبک‌وزن ژلی بی‌نیاز از پوسته فلزی، بسته بندی ساده را امکانپذیر می‌کنند.
• ایمنی بهبود یافته: مقاوم‌تر در برابر شارژ بیش از حد و امکان کمتر در نشت الکترولیت

محدودیت‌ها

• چگالی انرژی کمتر و کاهش تعداد چرخه در مقایسه با لیتیوم یون
• گران قیمت در ساخت و تولید
• تولید برای بازارهای مصرفی با حجم بالا و بدون اندازه‌های استاندارد
• دارای نسبت هزینه به انرژی بالاتر از لیتیوم یون

محدودیت در حمل و نقل باتری‌های لیتیوم یون

• هر کسی که باتری‌های لیتیوم یون را به صورت عمده حمل می‌کند، مسئول رعایت مقررات حمل و نقل است که در مورد محموله‌های داخلی و بین المللی از طریق زمین، دریا و هوا اعمال می‌شود.
• باتری‌‌های لیتیوم یونی که محتوای لیتیوم معادل آنها بیش از ۸-۱.۵ گرم در هر بسته باتری است، باید به عنوان “مواد خطرناک متفرقه کلاس ۹” ارسال شوند. ظرفیت سلول و تعداد باتری‌های یک بسته، محتوای لیتیوم آن را تعیین می‌کند.
• برای بسته‌هایی که کمتر از ۸ گرم لیتیوم دارند استثنا قائل می‌شوند. با این حال، اگر یک محموله حاوی بیش از ۲۴ باتری لیتیومی یا ۱۲ بسته باتری لیتیوم یونی باشد، علائم و اسناد حمل و نقل ویژه مورد نیاز است. هر بسته باید دارای علامت باتری لیتیومی باشد.
• تمام باتری‌های لیتیوم یونی بدون توجه به محتوای لیتیوم باید مطابق با مشخصات ذکر شده در راهنمای آزمایش‌ها و معیارهای سازمان ملل، آزمایش شوند. این اقدام احتیاطی از حمل و نقل باتری‌ها به صورت غیراستاندارد جلوگیری می‌کند.
• باتری‌ها باید برای جلوگیری از اتصال کوتاه از هم جدا شده و در جعبه‌های محکم بسته بندی شوند.

منبع: Battery University