بررسی انواع باتری ها لیتیوم یون و لیتیوم پلیمر

در این مطلب سعی داریم بخ بررسی تفاوت باتری های لیتیوم یون و لیتیوم پلی از لحاظ کارایی، ظرفیت و نوع ساخت آن بپردازیم. همراه ما باشید.

باتری ها امروزه بخش مهمی در زندگی انسان ها را بازی می کنند. تقریبا تمامی وسایل الکتریکی که از برق مستقیم استفاده نمی کنند برای استفاده از آنها نیاز به باتری وجود دارد. البته باتری ها هم دارای تنوع مختلف برای کاربرد های مختلف ساخته شده اند؛ از باتری که برای تنطیم ضربان قلب انسان در علم پزشکی گرفته تا تولید اتوبوس و کامیون ها توسط شرکت تسلا که از باتری استفاده می کنند.
باتری ها به دو بخش قابل شارژ و یکبار مصرف تقسیم می شوند.
امروز نسل 3و 4 باطری ها بسیار پر کاربرد هستند به طور مثال باطری گوشی موبایل ها باطری پاور بانک ها باتری لب تاب ها و غیره

 

بررسی انواع باتری ها

1. نیکل ـ کادمیم (Ni-cd) یا  (nickel-cadmium)
2. هیبرید نیکل ـ فلز (NiMH) یا  (Nickel-Metal Hybride)
3. لیتیوم ـ یون (Lithium-Ion)
4. لیتیوم پلیمر (Li-Ion polymer)

باطرهای شارژ شونده

1.    نیکل ـ کادمیم (Ni-cd) یا  (nickel-cadmium)
2.    هیبرید نیکل ـ فلز (NiMH) یا  (Nickel-Metal Hybride)
3.    لیتیم ـ یون (Lithium-Ion)
4.    لیتیوم پلیمر (Li-Ion polymer)

 

نیکل ـ کادمیم (Ni-cd) یا  (nickel-cadmium)

باتری های نیکل ـ کادمیم سرعت شارژ شدن بالا و طول عمر خوب با بیش از هزار چرخه شارژ دارند؛ اما یک نقص بزرگ دارند به نام اثر حافظه (Memory Effect)؛ یعنی اگه زمانی‌ که شارژ یک باتری NiCd به‌طور کامل تمام نشده باشد و در این حین شارژ مجدد بشود، دانه‌ های کریستالی درون باتری متبلور میشود و رشد می‌کند. این دانه‌ها، ظرفیت باتری را کم میکنند و حذف آن‌ها هم از باتری سخت است. این نوع باتری ها در وسایلی به کار می روند که همیشه استفاده میشوند؛ چون باید حداقل هفته ای یک بار شارژ کامل و دشارژ کامل بشوند، در غیر این صورت روزانه 1% از توان آن ها کم میشود و اگر این باتری ها برای چند روز در حالت شارژ بمانند، آسیب می بینند.

هیبرید نیکل ـ فلز (NiMH) یا  (Nickel-Metal Hybride)

باتری‌های نیکل- هیبرید فلزی(NiMH)  جایگزین بسیار مناسبی برای باتری‌های NiCd هستند؛ چون خصوصیات مشابه آن‌ها را دارند و عیب بزرگ آنها یعنی اثر حافظه را ا ندارند. باتری های NiMH سی تا چهل درصد ظرفیت انبار بیشتری را نسبت به معادل های نیکل ـ کادمیم دارند؛ ولی تعداد چرخه شارژ/دشارژ مجدد کمتری، بین 300 تا 500 چرخه، را پشتیبانی می کنند. برای باتری های NiMH نیازی نیست قبل از شارژ به دشارژ کامل برسند پس میتوان قبل از یک استفاده طولانی کاملا شارژ شوند. از مهم‌ترین نکاتی که هنگام خرید دستگاه هوشمند مثل موبایل ها، تبلت ها و لپ تاپ ها و... به آن توجه شود باتری دستگاه است. امروزه، با افزایش کاربری دستگاه‌های هوشمند، نقش باتری مناسب و کارآمد بیش‌ از پیش نمایان شده است.

 

مقایسه باتری لیتیوم یون و لیتیوم پلیمر

باتری لیتیوم یون Li-Io

باتری‌های لیتیومی باتری‌هایی‌ هستند که از فلز لیتیوم یا ترکیبی از آن به‌عنوان قطب مثبت (آند) استفاده می‌کنند. عمر طولانی و ظرفیت شارژ شدن بالا، این باتری‌ها را گزینه مناسبی برای استفاده در دستگاه‌های هوشمند کرده است.

لیتیوم سبک‌ ترین نوع فلز است که پتانسیل الکتروشیمیایی بالایی دارد . همچنین بیشترین ظرفیت پذیرش انرژی را دارد (تقریبا دو برابر باتری‌های نیکل-کادیوم). یون‌ های لیتیوم هنگام مصرف انرژی از قطب منفی آند به سمت قطب مثبت کاتد حرکت می‌کنند و هنگام شارژ شدن این فرآیند معکوس می‌شود. باتری‌های لیتیومی، که از فلز لیتیوم در تولیدشان استفاده می‌شد، به‌دلیل خاصیت ناپایدار فلز لیتیوم بسیار خطرناک بودند، به‌خصوص هنگامی که باتری شارز می شد. بر همین اساس استفاده از یون‌های لیتیوم به‌جای فلز مرسوم شد. ظرفیت این باتری‌ها که از یون لیتیوم استفاده می‌کردند به نصف کاهش یافت، اما دیگر خطرات باتری‌های لیتیوم فلزی را نداشتند. باتری‌های لیتیوم-یونی ولتاژی حدود 3.6 ولت دارند. این خصیصه باعث می‌شود این باتری‌ها به‌صورت تک‌ سلولی استفاده شوند، در حالی‌ که در صورت استفاده از باتری‌های معمولی (نیکل-کادیوم) باید از سه سلول 1.2 ولتی استفاده کرد که به‌ صورت سری به یکدیگر متصل می‌ شوند. همین امر تاثیر بسزایی در طراحی دستگاه‌ های هوشمند باریک‌تر داشت.
تولید انبوه و کاربردی این نوع باتری از سال 1912 شروع شد. البته استفاده عمومی و کاربردی برای عامه نداشت. تا اینکه در سال 1991 توسط شرکت سونی در دوربین‌های هندی کم و واک من و … از این باتری استفاده شد. به عبارتی در طی دهه 90 میلادی ورودی عمومی باتری‌های لیتیوم یون Li-Io بین کاربران بوده است.
اما باتری های لیتیوم یونی عمر کوتاه‌تری دارند و اگر سیکل شارژ آن‌ها درست رعایت نشود یا پس از مدتی شارژ نشوند، سلول مربوطه از بین خواهد رود. از این رو نسبت به زمان شارژ شدن بسیار حساس خواهند بود. اخیرا مصرف این باتری‌ها در ساخت پاور بانک Power Bank  موبایل ها و بسیاری دیگری از گجت ها بسیار کاربرد پیدا کرده است

 

مشخصات فنی باتری لیتیوم یون:

فعالیت شیمیایی
دارای الکترولیت

دمای کاری
20º C- تا 60º C

کاربری
لپ تاپ، موبایل و کلا گجت‌های مصرفی

ولتاژ کاری
3٫6 و 7٫2 ولت

ظرفیت
تقریبا دو برابر ظرفیت باتری نیکل کادمیوم

نرخ دشارژ
یکنواخت

چرخه شارژ
300 – 400 سیکل برای هربار تخلیه و شارژر کامل

دمای شارژ
0º C تا 60º C

میزان شارژ برای انبار
کمتر از 0٫1 درصد از ظرفیت باتری

دمای نگهداری
 20º C- تا 60º C

بازیافت
خطرناک برای محیط زیست و حتما در زباله‌های قابل بازیافت قرار گیرد.

 

باتری لیتیوم پلیمر Li-Po

باتری‌های لیتیومی-پلیمری در واقع همان باتری‌های لیتیومی-یونی هستند که معماری متفاوتی دارند و از معماری پلیمری استفاده می‌کنند. در این معماری، به‌جای استفاده از مایع الکترولیت، از ژل استفاده می‌شود؛ البته در ساخت ابتدایی این باتری‌ها از الکترولیت فلزی استفاده می‌شد. اولین سری باتری‌های پلیمری با شکست مواجه شدند، چرا که در دمای اتاق فعال نمی‌شدند و برای برقراری جریان می‌بایست تا دمای 60 درجه سانتی‌گراد گرم می‌شدند. برای حل این مشکل، در ساخت باتری‌های پلیمری جدید از ژل‌های الکترولیت استفاده شد تا جریان در دمای اتاق نیز برقرار شود.

تولید این نوع باتری‌ها ریشه در سال‌های 1970 دارند. اولین نوع این باتری از یک الکترولیت پلیمری جامد که ظاهری شبیه به فیلم پلاستیکی داشت؛ تشکیل شده بود. باتری‌های لیتیوم پلیمر توانایی تولید در ابعاد و ضخامت کارت اعتباری را دارند. این نوع باتری‌ها علاوه بر ایمن بودن وزن کمتری هم دارند. در مقایسه باتری لیتیوم پلیمر Li-Po با نوع لیتیوم یون، هزینه تولید لیتیوم پلیمر بیشتر بوده و انرژی خروجی کمتری نسبت به لیتیوم یون دارند.
هر دو نوع باتری لیتیومی-یونی از نظر ساختاری شبیه یکدیگرند، اما باتری‌های پلیمری انرژی بیشتری نسبت به باتری‌های لیتیوم-یونی معمولی ذخیره می‌کنند و از آنها نازک‌ترند، اما هزینه تولیدشان حدود 10 تا 30 درصد بیشتر از باتری‌های یونی معمولی است.

فعالیت شیمیایی
دارای الکترولیت

دمای کاری
راندمان عالی در دمای بسیار پایین و بسیار بالا

کاربری
برخی از تلفن‌های همراه، مدارهای الکترونیکی و کلا کالاهایی که به جریان لحظه‌ای زیاد نیاز ندارند.

ولتاژ کاری
3٫6 و 7٫2 ولت

ظرفیت
بسته به ظرفیت و تراکم شیمیایی، در کل برتری بیشتری نسبت به لیتیوم یون دارد.

نرخ دشارژ
یکنواخت

چرخه شارژ
300 – 400 سیکل

دمای شارژ
0º C تا 60º C

میزان شارژ برای انبار
کمتر از 0٫1 درصد از ظرفیت باتری

دمای نگهداری
20º C- تا 60º C

بازیافت
خطرناک برای محیط زیست و حتما در زباله‌های قابل بازیافت قرار گیرد.

 

نکته مهم:

باتری استفاده شده در پهپادها از نوع لیتیوم پلیمر Li-Po است. به علت اینکه این باتری سبک‌تر است و قابلیت کار در شرایط دمایی مختلف را دارد. اما سوالی که اکثر کاربران با آن مواجه میشوند. این است که باتری لیتیوم پلیمر مخصوص پهپاد با باتری لیتیوم پلیمر معمولی متفاوت است. بلکه از چند سلول تشکیل شده است. دقت داشته باشید در ربات‌های پرنده مانند پهپادها و دیگر ربات‌ها به علت اینکه نیاز به جریان لحظه‌ای زیادی می‌باشد. باید سلول‌های باتری متفاوت باشند، چرا که در لحظه بلند شدن پهپاد بتواند کل جریان مورد نیاز برای موتورها را تامین کند.

 

آتش گرفتن باتری لیتیوم پلیمر Li-Po

باتری لیتیوم پلیمر Li-Po بسیار مستعد به آتش گرفتن و آسیب فیزیکی است. از این رو بدون شک از این رو حتما از شارژر های اورجینال استفاده کنید؛ به هیچ عنوان به باتری ها ضربه نزنید و از حرارت دادن باتری ها پرهیز کنید. همچنین سیکل شارژ را رعایت کنید. یعنی اگر چندین سلول باتری برای مصرفی خاص دارید، دقت کنید که تمامی سلول‌ها در یک سیکل منظم شارژ کامل و تخلیه کامل شوند. همچنین باتری‌ های لیتیوم یونی Li-Ion اگر بعد از مدتی بدون شارژ بمانند، حالت خود تخریب پیدا می‌کنند. پس به این دو نکته کاملا دقت کنید.

 

بازیافت باتری ها

باتری ها دارای مواد شیمیایی مضر برای انسان و طبیعت هستند که در صورت رها کردن آن ها در طبعیت باعث آلودگی بسیار زیاد خواهند شد. باتری‌ ها در خود فلزات سنگینی مانند جیوه و کادمیوم دارند که بسیار سمی‌  هستند که پس از دور ریخته شدن بر اثر فساد و خوردگی ناشی از مواد داخل باتری، جدار فلزی آنها می‌ شکند و این فلزات خطرناک آزاد می‌شوند یا همراه مواد داخل باتری به خاک نفوذ می‌کنند یا این که بر اثر گرما و نور خورشید تبخیر می‌شوند و هوا را آلوده می‌کنند. جیوه که یکی از مواد تشکیل دهنده باتری به شمار می‌رود فلزی بسیار خطرناک است.
به عنوان مثال سرب عنصری است که در باتری موبایل ها وجود دارد و قرار گرفتن در معرض آن غدد درون ریز، سیستم ایمنی و سیستم عصبی بدن را تحت تاثیر قرار می دهد و همچنین به مغز کودکان آسیب وارد می کند.
در بسیاری از کشور ها از  بازیافت وسایل الکترونیکی  علاوه بر سود بسیار زیاد، وسایل مهم تری می سازند که این عمل طبعیت را از خطر آلودگی در امان نگه می دارد . به یاد داشته باشیم که برای دور انداختن آنها از سطل های زباله مجزا، استفاده کنیم تا کمکی به پاکیزه نگه داشتن طبیعت کرده باشیم.

جمع بندی

تا اینجا متوجه شدیم که تفاوتی بسیاری بین این دو باتری وجود ندارد. آنها در ظاهر، سبک بودن، توان تولید انرژی دیگری، هزینه‌های تولیدی تفاوت دارند. به زودی شاهد باتری‌های نسل جدید، با کارایی بیشتر و سبک‌تر و البته هزینه تولیدی که هنوز مشخص نیست، خواهیم بود.