انواع باتری‌های لیتیوم یون، پلیمر و اسیدی

تفاوت بین باتری لیتیوم یونی و باتری سرب اسیدی چیست؟ کدامیک بهتر است؟

باتری‌های لیتیوم یونی و باتری‌های سرب اسیدی در حال حاضر دو باتری پرمصرف هستند. پس تفاوت این دو باتری چیست و کدام یک بهتر است؟ در ادامه به تفاوت بین باتری‌های لیتیوم یونی و باتری‌های سرب اسید می‌پردازیم.

مقدمه ای بر باتری لیتیوم یونی

باتری‌های لیتیومی نوعی باتری هستند که از فلز لیتیوم یا آلیاژ لیتیوم به عنوان ماده الکترود منفی و از محلول الکترولیت غیرآبی استفاده می‌کنند. در سال 1912، باتری لیتیوم فلزی برای اولین بار توسط گیلبرت ان. لوئیس پیشنهاد و مورد مطالعه قرار گرفت. در دهه 1970، ام.اس.ویتتینگهام پیشنهادات جدیدی ارائه و مطالعاتی در مورد باتری‌های لیتیوم یون آغاز کرد.

باتری‌های لیتیومی را می‌توان به دو دسته عمده تقسیم کرد: باتری‌های لیتیوم فلزی و باتری‌های لیتیوم یونی. باتری‌های لیتیوم یونی حاوی لیتیوم فلزی نیستند و قابلیت شارژ مجدد را دارند.

باتری لیتیوم یونی نوعی باتری ثانویه (باتری قابل شارژ) است که عمدتاً به حرکت یون‌های لیتیوم بین الکترود مثبت و الکترود منفی برای کار متکی است. در طی فرآیند شارژ و دشارژ، Li+ بین دو الکترود به صورت رفت و برگشت حرکت می‌کند و از بین می‌رود. در طول پروسه شارژ، Li+ از الکترود مثبت خارج می‌شود و از طریق الکترولیت به الکترود منفی وارد می‌شود و الکترود منفی در حالت غنی از لیتیوم است. برعکس عملیات فوق نیز در هنگام دشارژ شدن باتری صادق است.

مقدمه‌ای بر باتری‌های سرب اسید

باتری سرب اسیدی (VRLA) (معروف به لید اسید در بازار ایران) یک باتری ذخیره سازی است که الکترودهای آن عمدتاً از سرب و اکسیدهای آن ساخته شده و الکترولیت آن محلول اسید سولفوریک است. در حالت دشارژ باتری سرب اسید، جزء اصلی الکترود مثبت دی اکسید سرب و جزء اصلی الکترود منفی سرب است. در حالت باردار، جزء اصلی الکترودهای مثبت و منفی سولفات سرب است.

ولتاژ اسمی باتری سرب اسیدی تک سلولی 2.0 ولت است که می توان آن را تا 1.5 ولت دشارژ کرد و تا 2.4 ولت شارژ کرد. اغلب 6 باتری سرب-اسید تک سلولی به صورت سری به هم متصل می‌شوند تا یک باتری اسمی 12 ولت سرب اسیدی تشکیل دهند. همچنین 24 ولت، 36 ولت، 48 ولت و غیره نیز وجود دارد. از معروف‌ترین محصولاتی که از این نوع باتری در بازار ایران استفاده شده است می‌توان به اسپیکر بوم پارتی کینگ استار مدل KBS655 اشاره کرد.

تفاوت بین باتری‌های لیتیوم یون و باتری‌های سرب اسید

می دانیم که مقایسه کلی محصولات ذخیره سازی انرژی باید از منظر وزن چگالی انرژی، چگالی انرژی حجمی، عمر مفید، قیمت و قابلیت اجرا انجام شود. پس به هر یک از این عناوین در این مقاله خواهیم پرداخت:

وزن چگالی انرژی

چگالی انرژی باتری‌های لیتیوم یون فعلی معمولاً 200 تا 260 وات ساعت بر گرم است و اسید سرب معمولاً 50 تا 70 وات ساعت در گرم است. چگالی انرژی وزن باتری‌های لیتیومی 3 تا 5 برابر اسید سرب است، به این معنی که با همان ظرفیت، باتری‌های سرب اسید 3 تا 5 برابر باتری‌های لیتیومی هستند، بنابراین باتری‌های لیتیوم یون بر اساس این فاکتور، دارای مزیت مطلق هستند.

چگالی انرژی حجمی

چگالی ظرفیت حجمی باتری‌های لیتیوم یونی معمولاً حدود 1.5 برابر باتری‌های سرب اسیدی است، بنابراین با همین ظرفیت، حجم باتری‌های لیتیومی حدود 30 درصد کمتر از باتری‌های سرب اسیدی است.

چرخه زندگی

در حال حاضر، برای کاربردهای عمومی، معمولا از باتری‌های سه تایی آهن-لیتیوم استفاده می‌کنند. زمان چرخه باتری‌های لیتیومی سه تایی معمولاً بیش از 1000 بار، زمان چرخه باتری‌های لیتیوم فسفات آهن بیش از 2000 بار و زمان چرخه باتری‌های سرب اسید معمولاً فقط 300-350 است. بنابراین، عمر باتری‌های لیتیومی حدود 3-6 برابر باتری‌های سرب اسیدی است.

قیمت

در حال حاضر، قیمت باتری‌های لیتیومی گران‌تر از باتری‌های سرب اسیدی است، حدود 3 برابر، اما همراه با تجزیه و تحلیل عمر مفید، با همان هزینه، چرخه عمر باتری‌های لیتیومی همچنان طولانی تر است.

قابلیت اجرایی

از آنجایی که ایمنی باتری‌های لیتیوم یونی کمی ضعیف‌تر از باتری‌های سرب اسیدی است، لازم است اقدامات احتیاطی مختلفی در حین استفاده، رعایت شود. مانند جلوگیری از آسیب رساندن اجسام خارجی یا ضربه به باتری لیتیومی که ممکن است باعث آتش‌سوزی یا انفجار شود.

کاربردهای مناسب

باتری سرب اسید: استارت ماشین، باتری ماشین الکتریکی، باتری اسپیکرهای قوی که برای فضاهای وسیع مورد استفاده قرار می‌گیرند. به دلیل اینکه ضربات اسپیکر در طی استفاده طولانی مدت، منجر به ریختن بافت باتری‌های لیتیومی می‌شود، برای اسپیکر‌هایی مانند KBS655 و BTS822 و …. ، از باتری‌های سرب اسید استفاده شده است که به دلیل مایع بودن‌شان در برابر ضربه مقاومت بیشتری دارند. البته بایستی در نظر داشته باشیم که استفاده از باتری‌های سرب اسید در شرایط  نامناسب مانند دمای بسیار بالا، زیر نور مستقیم آفتاب، درل کاری بدنه و … منجر به خرابی باتری خواهد شد.

باتری‌های لیتیومی: تلفن‌های همراه، رایانه‌ها، ابزارهای برقی که اکنون در باتری‌های خودروهای الکتریکی نیز استفاده می‌شوند.

مواد تشکیل دهنده

الکترودهای مثبت و منفی باتری‌های اسید سرب اکسید سرب، سرب فلزی و الکترولیت اسید

سولفوریک غلیظ است.

الکترودهای مثبت و منفی باتری لیتیوم عبارتند از لیتیوم کبالتات / لیتیوم فسفات آهن / لیتیوم منگنات، گرافیت، الکترولیت آلی.

باتری لیتیوم یون پلیمری (LIPO)

در حال حاضر، مواد کاتدی رایج برای باتری‌های لیتیوم یونی عبارتند از: اکسید کبالت لیتیوم (باتری LCO)، لیتیوم منگنات (باتری LMO)، لیتیوم یون سه‌گانه (NCA، باتری NMC)، و فسفات آهن لیتیوم (باتری LiFePO4).

باتری لیتیوم آهن فسفات (LiFePO4، LFP)

باتری فسفات آهن لیتیوم نوعی باتری پلیمری لیتیوم یونی است که از LiFePO4 به عنوان ماده کاتد و یک الکترود کربن گرافیتی با پشتی فلزی به عنوان آند استفاده می‌کند.

باتری LiFePO4 که به اختصار باتری LFP نیز نامیده می‌شود نیز نوعی باتری قابل شارژ و ایمن ترین نوع باتری لیتیومی موجود در بازار است. از نظر اندازه، کوچک و وزن، سبک ساخته شده است و عمر آن می‌تواند به هزاران چرخه شارژ و دشارژ برسد.

شایان ذکر است که اکثر محصولات گیمینگ نیز از باتری‌های لیتیوم پلیمری بهره می‌برند.

تفاوت بین باتری‌های LiFePO4 و سایر باتری‌های لیتیوم یونی

برخی از مزایای باتری‌های لیتیوم یون را به ارث برده است. شارژ و دشارژ با جریان بالا، یکی از مزیت‌های باتری‌های LiPo است که به دستگاه اجازه می دهد انرژی بیشتری را در مدت زمان کوتاهی آزاد کند. این باتری‌ها بیشتر در مسابقات اتومبیلرانی و ابزارهای برقی استفاده می‌شوند: تقریباً همه پهپادها و باتری‌های مدل RC از باتری‌های لیتیوم یونی استفاده می‌کنند.

باتری‌های مدل‌های RC معمولاً در دما‌های 15، 30 و 50 درجه سانتیگراد تخلیه می‌شوند. باتری‌های لیتیوم یون پلیمری با سرعت دشارژ بالا می‌توانند به حداکثر 50 درجه سانتیگراد (پیوسته) و 150 درجه سانتیگراد (پالس) برسند. آنها وزن سبک، عمر طولانی دارند و می‌توانند به اشکال مختلف تولید شوند. این ها تنها بخشی از مزایای باتری‌های لیتیوم یونی است و باتری‌های لیتیوم آهن فسفات این مزایا را دارند.

عمر چرخه

از آنجایی که عمر چرخه باتری LFP 4 تا 5 برابر دیگر باتری‌های لیتیوم یونی است، می‌تواند به 2000 تا 3000 چرخه یا بیشتر برسد. باتری LiFePO4 همچنین می‌تواند به 100 % تخلیه (DOD) برسد. این بدان معنی است که برای محصولات ذخیره انرژی، نیازی به نگرانی در مورد تخلیه بیش از حد باتری LFP نیست و حتی می‌توان از آن برای مدت زمان طولانی‌تری استفاده کرد. یک باتری خوب LiFePO4 برای 3 تا 7 سال قابل استفاده است، بنابراین هزینه متوسط ​​آن بسیار مقرون به صرفه است.

DOD برای باتری‌های LiFePO4 چیست؟

باتری LiFePO4 برای گجت‌های پوشیدنی مناسب نیست زیرا چگالی انرژی آن کمتر از سایر باتری‌های لیتیوم یون است. علاوه بر این، محفظه باتری فضای محدودی دارد، بنابراین ظرفیت نسبتاً کمتر است.

پس در مقایسه با یک باتری LiPo دیگر، یک باتری LFP استقامت و سازگاری خوبی با شرایط و فضای داخلی دستگاه‌های پوشیدنی ندارد.

چرا بیشتر باتری‌های لیتیوم فسفات آهن 12 ولت هستند؟

گفته می‌شود که باتری لیتیوم فسفات آهن می‌تواند به خوبی جایگزین باتری سرب اسیدی شود. ولتاژ اسمی یک باتری سرب اسیدی 2 ولت و شش باتری سرب اسیدی که به صورت سری متصل شده‌اند، 12 ولت است.

با این حال، بسته باتری 12 ولت LiFePO4 به طور کلی از 4 سلول باتری متصل به صورت سری تشکیل شده است. ولتاژ اسمی فسفات آهن لیتیوم 3.2 ولت است. هنگام اضافه کردن ولتاژ سری، 12.8 ولت (3.2 ولت * 4 = 12.8 ولت) دریافت می‌کنیم. همچنین 24 ولت (25.6 ولت) و 48 ولت (51.2 ولت) وجود دارد که معمولاً مورد استفاده قرار می‌گیرند.

علاوه بر این، ولتاژ مورد نیاز اکثر کاربردهای صنعتی 12 ولت یا بالاتر است که حداقل استاندارد ولتاژ اسمی باتری‌های صنعتی عمومی است. همچنین کاربردهای زیادی وجود دارد که باید به ولتاژ 220 ولت، حتی 380 ولت یا بالاتر برسند، مانند لیفتراک صنعتی، وینچ، دریل برقی و غیره.

با توجه به اینکه فروش لیفتراک های برقی 24 ولت و 48 ولت به ویژه اخیرا در حال افزایش است، بنابراین نگرانی اصلی این است که باتری چقدر ایمن است. در مقایسه با باتری‌های لیتیوم اکسید کبالت و اکسید لیتیوم منگنز، باتری‌های لیتیوم فسفات آهن بسیار ایمن‌تر هستند. مزیت عمر بالا می‌تواند هزینه‌های نگهداری و تعویض باتری را نیز کاهش دهد.

کاستی‌های دمای سرد

در مقایسه با سایر باتری‌های لیتیوم و سرب اسید، باتری‌های لیتیوم آهن فسفات مقاومت ضعیفی در محیط‌های با دمای پایین دارند. به طور کلی، آنها فقط می‌توانند در دمای -10 تا -20 درجه سانتیگراد تخلیه شوند.

با این حال، مشتریان در مورد باتری‌های LFP و عملکردهای ایمنی بالای آنها فکر مثبت می‌کنند. آنها برخی از امکانات باتری را فدای عملکرد تخلیه در دمای -30 تا -40 درجه سانتیگراد می‌کنند. چون این باتری‌ها بیشتر در تجهیزات نظامی یا اعماق دریا و فضا استفاده می‌شوند.