السلام عليكم،
سأقوم في هذه المقالة بشرح بطارية الليثيوم أيون آلية عملها وتكوينها وطريقة العناية بها وأستخدامها وغيرها من الأمور المثيرة للأهتمام.
نظرة عامة
يشير مصطلح بطارية الليثيوم إلى البطاريات غير القابلة لإعادة الشحن (الخلايا الأولية) والقابلة لإعادة الشحن (الخلايا الثانوية). بطارية الليثيوم أيون هي مصدر جهد كهروكيميائي يعمل على أساس مركبات الليثيوم وتعتبر من أقوى البطاريات. تتميز بطارية الليثيوم أيون بكثافة طاقتها العالية. بسبب كثافة الطاقة العالية لخلايا الليثيوم، فهي مناسبة بشكل خاص للأجهزة المحمولة مثل الهواتف الذكية والكاميرات وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وأيضاً المركبات الكهربائية والهجينة. يعتمد عمر الخدمة خاصتها بشكلٍ كبير على عدد دورات الشحن والتفريغ وعلى ظروف الأستخدام والتخزين. بالإضافة إلى ذلك، يوجد عدة انواع من بطاريات الليثيوم ايون مثل بطاريات ليثيوم بوليمر وبطاريات فوسفات الحديد والليثيوم، كما تتكون البطارية من خليتين أو أكثر.
تتكون بطارية الليثيوم أيون من عدة خلايا حسب الأداء. تتكون الخلية من قطب سالب من الجرافيت (أنود) وقطب موجب من أكسيد فلز الليثيوم (كاثود). بينهما يتواجد محلول "الكهرل" يضمن نقل أيونات الليثيوم بين الأقطاب الكهربائية أثناء عملية الشحن والتفريغ. عنصر آخر مهم هو الفاصل. حيث يتم فصل الأقطاب داخل محلول الكهرل بواسطة فاصل لمنع حدوث ماس كهربائي بين الأقطاب الكهربائية، وهو في نفس الوقت نافذ لأيونات الليثيوم. وبالتالي يتمكن الكاثود من امتصاص عددًا كبيرًا من الأيونات. ينتج عن هذا كثافة طاقة تبلغ 180 واط/كجم وأكثر. أثناء التفريغ، يتم إطلاق أيونات الليثيوم والإلكترونات على جانب الأنود. تتدفق الإلكترونات عبر الدائرة الخارجية وتخلق الطاقة الكهربائية. في الوقت نفسه، تنتقل أيونات الليثيوم عبر محلول الكهرل وعبر الفاصل إلى الكاثود. عند شحن البطارية، تسير نفس العملية بشكلٍ عكسي.
يمكن أن يحتوي أكسيد فلز الليثيوم على نسب متغيرة من معدن النيكل والمنغنيز والكوبالت. تتميز هذه المواد بكثافة طاقتها العالية ما يجعلها الخيار الأول للأجهزة الصغيرة.
يختلف التكوين والمواد المستخدمة في بطارية الليثيوم أيون بأختلاف النوع. في بطارية الليثيوم بوليمر، يتم دمج محلول الكهرل في التركيب الكيميائي لصفيحة بلاستيكية. نتيجة لذلك، يمكن الأستغناء عن الفاصل. يمكن أن ينتج عن تخزين طاقة الليثيوم بوليمر تيارات منخفضة التفريغ فقط. إن الصفيحة البلاسيتكية مسطحة الشكل، وهذا هو سبب استخدام هذه البطارايات بشكلٍ أساسي في الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة. يوجد أيضاً بطارية الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة، وهي عبارة عن جهاز لتخزين الطاقة يتم فيه استبدال محلول الكهرل بزجاج موصل للأيونات. إن هذا النوع مشابه لبطارية ليثيوم كبريت ويوفر كثافة طاقة عالية جداً، حيث تعتبر هذه التقنية جزئاً مهماً من أبحاث تخزين طاقة الليثيوم.
الشحن والأستخدام
يبلغ جهد الشحن لبطارية الليثيوم 4.2 فولت، وأدنى حد للجهد هو 2.5 فولت، أما إذا أقل من ذلك فستتلف الخلية.
لمنع حدوث أي أضرار لخلايا البطارية، تحتوي كل حزمة على إلكترونيات تعمل على حماية ومراقبة نشاط الشحن والتفريغ.
للحفاظ على البطارية، ينبغي عدم شحنها أكثر من 90 بالمئة أو تفريغها إلى أقل من 10 بالمائة.
العناية بالبطارية
يرجع تقدم عمر بطاريات الليثيوم أيون إلى التغيرات الكيميائية في محلول الكهرل وتأكسد الخلايا، أو بالأحرى تأكسد الأقطاب، حيث تفقد القدرة على تخزين أيونات الليثيوم الضرورية لتدفق الكهرباء. تتأثر أكسدة الخلايا بعوامل مختلفة، مثل درجة حرارة وحالة شحن البطارية. في درجات الحرارة المرتفعة وعندما تكون البطارية ممتلئة، تتأكسد الخلايا بشكلٍ أسرع. تحدث هذه الحالة غالباً في أجهزة الكمبيوتر المحمول عندما تكون البطارية مشحونة بالكامل وفي نفس الوقت يكون الجهاز ساخناً وقيد التشغيل، حيث تنتقل الحرارة إلى البطارية. فللحفاط على البطارية قدر الإمكان، يجب ألا تتعرض لدرجة حرارة تفوق 40 درجة مئوية وألا يتعدى شحنها أكثر من 90 بالمئة وألا يقل تفريغها عن 10 بالمئة كحد أقصى. هذه الطريقة ستطيل عمر البطارية إلى عامٍ إضافي، مثلاً من 3 إلى 4 سنوات، وقد تكون الزيادة أقل أو أكثر أعتماداً على العوامل المذكورة.
كثافة الطاقة
تتميز بطاريات الليثيوم بأعلى كثافة طاقة مقارنة بالبطاريات الأخرى، حيث تخزن ما يقرب من ضعف طاقة بطاريات النيكل وهيدريد فلز من نفس الحجم والوزن.
يتم تحديد كثافة الطاقة لبطاريات الليثيوم أيون بشكل أساسي بواسطة مادة القطب الموجب (الكاثود)، والتي تكون غالباً من أكسيد الكوبالت. كما إن بطارية نيكل كوبالت والليثيوم تصل كثافة طاقتها إلى 240 واط/كجم. إن الاتجاه يتجه نحو كثافة طاقة أقل تصل إلى 170 واط/كجم، حيث يمكن للبطاريات أن تتحمل أكثر من 500 دورة شحن وبالتالي ستتمتع بعمر خدمة أطول.
تعليمات الأمان
- يجب أن تكون البطارية مغلقة بإحكام، وتجنب غمرها في الماء أو وضعها في الثلاجة، لأن خلايا الليثيوم تتفاعل بشكلٍ عام مع الماء، خاصة عندما تكون مشحونة بالكامل.
- يجب عدم تعريض محلول البطارية للهواء، لأنه يمكن للبطارية أن تشتعل في حال حدوث قصر في الدارة الداخلية أثناء ملامسة الهواء.
- عدم الأقتراب من البطارية بعد سقوطها وتضررها، لأنها من الممكن أن تشتعل في غضون 30 دقيقة أو ربما أكثر.
- يجب عدم قصر دارة بطارية الليثيوم، وعدم شحن كل خلية إلى أكثر من 4.2 فولت أو تفريغها إلى أقل من 2.5 فولت عند الشحن، وعدم تعريضها لأشعة الشمس.
- ينبغي إخماد البطارية المشتعلة بالرمل وليس بالماء.
- غسل محلول الكهرل المنسكب على الملابس من بطارية الليثيوم أيون بكمية كبيرة من الماء، إذ إن السائل قابل للاشتعال.
- الخواتم والسلاسل والقلادات المعدنية يمكن أن تسبب حروق بالجلد في حال تعرضها لماس كهربائي.
- ينبغي قدر الإمكان إعادة شحن البطارية عندما تكون سعتها المتبقية تبلغ 20 بالمئة.
- البطاريات المتلفة سواء ذات الخلايا الأولية أو الثانوية لا تنتمي مطلقاً إلى النفايات المنزلية، وإنما يجب التخلص منها في صناديق أو ساحات بلدية خاصة بشكلٍ منفصل.
شكراً لكم على القراءة وأتمنى أن يكون المقال قد أفادكم وأسف سلفاً في حال وجود بعض المعلومات المغلوطة في المقالة!
😍
ردحذف