بطاريات الليثيوم أيون ليست "دقيقة" مثل نظيراتها من هيدريد النيكل والمعدن ، ولكنها لا تزال بحاجة إلى بعض الصيانة. التمسك ب خمس قواعد بسيطة، فمن الممكن ليس فقط أن تمتد دورة الحياةليثيوم أيون البطاريات، ولكن أيضًا لزيادة وقت التشغيل أجهزة محمولةبدون إعادة الشحن.

تجنب التفريغ الكامل.لا تحتوي بطاريات الليثيوم أيون على ما يسمى بتأثير الذاكرة ، لذا يمكنها ، وعلاوة على ذلك ، تحتاج إلى الشحن دون انتظار التفريغ إلى الصفر. يحسب العديد من المصنّعين عمر بطارية ليثيوم أيون بعدد دورات التفريغ الكامل (حتى 0٪). للبطاريات عالية الجودة 400-600 دورة. لإطالة عمر بطارية الليثيوم أيون ، اشحن هاتفك كثيرًا. على النحو الأمثل ، بمجرد أن ينخفض ​​مؤشر البطارية عن علامة 10-20 بالمائة ، يمكنك شحن الهاتف. سيؤدي هذا إلى زيادة عدد دورات التفريغ إلى 1000-1100 .
يصف الخبراء هذه العملية بمؤشر مثل عمق التفريغ. إذا تم تفريغ هاتفك إلى 20٪ ، فإن عمق التفريغ يكون 80٪. يوضح الجدول أدناه اعتماد عدد دورات تفريغ بطارية ليثيوم أيون على عمق التفريغ:

تفريغ مرة كل 3 أشهر.الشحن الكامل على مدى فترة طويلة من الزمن يكون سيئًا تمامًا لبطاريات الليثيوم أيون ، مثل التفريغ المستمر إلى الصفر.
نظرًا لعملية الشحن غير المستقرة للغاية (غالبًا ما نقوم بشحن الهاتف حسب الحاجة ، وأين يعمل ، من USB ، من مقبس الحائط ، من بطارية خارجية ، وما إلى ذلك) ، يوصي الخبراء بتفريغ البطارية تمامًا مرة واحدة كل 3 أشهر وبعد ذلك التي تشحن حتى 100٪ وتحتفظ بالشحن من 8 إلى 12 ساعة. يساعد هذا في إعادة ضبط ما يسمى بأعلام البطارية العالية والمنخفضة. يمكنك قراءة المزيد عن هذا.

مخزن مشحون جزئيا. الحالة المثلى للتخزين طويل الأمد لبطارية ليثيوم أيون هي شحن ما بين 30 و 50 بالمائة عند 15 درجة مئوية. إذا تركت البطارية مشحونة بالكامل ، فسوف تنخفض سعتها بشكل ملحوظ بمرور الوقت. وها هي البطارية لفترة طويلةكان يجمع الغبار على الرف الذي يتم تفريغه إلى الصفر ، على الأرجح ، لم يعد مستأجرًا - لقد حان الوقت لإرساله لإعادة التدوير.
يوضح الجدول أدناه مقدار السعة المتبقية في بطارية ليثيوم أيون اعتمادًا على درجة حرارة التخزين ومستوى الشحن عند تخزينها لمدة عام واحد.

استخدم الشاحن الأصلي.قلة من الناس يعرفون أنه في معظم الحالات يكون الشاحن مدمجًا مباشرة في الأجهزة المحمولة ، وأن محول التيار المتردد الخارجي يخفض الجهد فقط ويصحح تيار مصدر الطاقة المنزلي ، أي أنه لا يؤثر بشكل مباشر على البطارية. لا تحتوي بعض الأدوات ، مثل الكاميرات الرقمية ، على شاحن مدمج ، وبالتالي يتم إدخال بطاريات الليثيوم أيون في "شاحن" خارجي. هذا هو المكان الذي يمكن أن يؤثر فيه استخدام شاحن خارجي بجودة مشكوك فيها بدلاً من الشاحن الأصلي سلبًا على أداء البطارية.

تجنب السخونة الزائدة.حسنًا ، أسوأ عدو لبطاريات الليثيوم أيون هو ارتفاع درجة الحرارة - فهي لا تتحمل ارتفاع درجة الحرارة على الإطلاق. لذلك ، لا تعرض الأجهزة المحمولة لأشعة الشمس المباشرة ، ولا تتركها بالقرب من مصادر الحرارة مثل السخانات الكهربائية. أقصى درجات الحرارة المسموح بها، حيث يمكن استخدام بطاريات الليثيوم أيون: -40 درجة مئوية إلى +50 درجة مئوية

أيضا ، يمكنك أن ترى

• ترجمة

نفاد البطارية: لقد رأينا جميعًا حدوث ذلك. في الهواتف وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والكاميرات والآن السيارات الكهربائية ، تكون العملية مؤلمة وبطيئة - إذا كنت محظوظًا. على مر السنين ، تفقد بطارية الليثيوم أيون التي كانت تعمل في السابق أجهزتك لساعات (وحتى أيام!) ببطء قدرتها على تحمل الشحن. في النهاية ، سوف تتصالح مع الأمر ، ربما تلعن ستيف جوبز ، ثم تشتري بطارية جديدة ، أو حتى أداة جديدة.

ولكن لماذا يحدث هذا؟ ماذا يحدث في بطارية تجعلها تتخلى عن أنفاسها الأخيرة؟ الإجابة المختصرة هي أنه بسبب التلف الناتج عن التعرض لفترات طويلة لدرجات حرارة عالية وعدد كبير من دورات الشحن والتفريغ ، فإن حركة أيونات الليثيوم بين الأقطاب الكهربائية تبدأ في النهاية في التعطل.

إجابة أكثر تفصيلاً ستأخذنا من خلال وصف التفاعلات الكيميائية غير المرغوب فيها ، والتآكل ، وخطر ارتفاع درجات الحرارة والعوامل الأخرى التي تؤثر على الأداء ، تبدأ بشرح ما يحدث في بطاريات الليثيوم أيون عندما يعمل كل شيء بشكل جيد.

مقدمة عن بطاريات الليثيوم أيون

في بطارية الليثيوم أيون النموذجية ، سنجد كاثودًا (أو قطبًا سالبًا) مصنوعًا من أكاسيد الليثيوم ، مثل أكسيد الكوبالت الليثيوم. سنجد أيضًا قطبًا موجبًا أو قطبًا موجبًا ، والذي يتكون عادة اليوم من الجرافيت. يعمل الفاصل المسامي الرقيق على إبقاء القطبين منفصلين لمنع الدوائر القصيرة. وإلكتروليت مصنوع من مذيبات عضوية ويعتمد على أملاح الليثيوم ، مما يسمح لأيونات الليثيوم بالتحرك داخل الخلية.

أثناء الشحن كهرباءيتحرك أيونات الليثيوم من الكاثود إلى الأنود. أثناء التفريغ (بمعنى آخر ، عند استخدام البطارية) ، تتحرك الأيونات للخلف نحو الكاثود.

قارن دانيال أبراهام ، العالم في مختبر أرغون الوطني ، الذي يجري بحثًا علميًا في تحلل خلايا أيونات الليثيوم ، هذه العملية بالمياه في النظام الكهرومائي. يتطلب تحرك الماء لأعلى طاقة ، لكنه يتدفق إلى الأسفل بسهولة شديدة. يقول أبراهام إنه في الواقع يوفر الطاقة الحركية ، وبالمثل ، فإن أكسيد الليثيوم - الكوبالت في الكاثود "لا يريد التخلي عن الليثيوم". مثل الماء الذي يتحرك لأعلى ، هناك حاجة للطاقة لتحريك ذرات الليثيوم من الأكسيد إلى القطب الموجب.

أثناء الشحن ، توضع الأيونات بين صفائح الجرافيت التي يتكون منها الأنود. ولكن ، كما قال أبراهام ، "إنهم لا يريدون أن يكونوا هناك ، في أول فرصة سيعودون إليها" بينما تتدفق المياه إلى أسفل المنحدر. هذا هو التفريغ. ستتحمل البطارية طويلة العمر عدة آلاف من دورات تفريغ الشحن هذه.

متى تكون البطارية الفارغة ميتة حقًا؟

عندما نتحدث عن بطارية "ميتة" ، من المهم أن نفهم مقياسين للأداء: الطاقة والطاقة. في بعض الحالات ، تكون السرعة التي يمكنك من خلالها استخلاص الطاقة من البطارية مهمة جدًا. هذه هي القوة. في السيارات الكهربائية ، تمكّن الطاقة العالية من التسارع السريع وكذلك الكبح ، الأمر الذي يتطلب شحن البطارية في غضون ثوانٍ قليلة.

في هاتف خليويمن ناحية أخرى ، تعد الطاقة العالية أقل أهمية من السعة ، أو مقدار الطاقة التي يمكن للبطارية الاحتفاظ بها. تدوم البطاريات عالية السعة لفترة أطول عند شحنها مرة واحدة.

بمرور الوقت ، تتدهور حالة البطارية بعدة طرق يمكن أن تؤثر على كل من السعة والطاقة ، حتى لا تتمكن في النهاية من أداء الوظائف الأساسية.

فكر في الأمر في تشبيه آخر للمياه: شحن البطارية يشبه ملء دلو بماء الصنبور. يمثل حجم الدلو سعة البطارية أو السعة. السرعة التي يمكنك تعبئتها بها - عن طريق تشغيل الصنبور بكامل طاقته أو في هزيلة - هي القوة. لكن الوقت ودرجات الحرارة المرتفعة والدورات المتعددة وعوامل أخرى ستشكل في النهاية ثقبًا في الجرافة.

في تشبيه الجرافة ، تتسرب المياه من خلالها. في البطارية ، تتم إزالة أيونات الليثيوم أو "توصيلها" ، كما يقول أبراهام. نتيجة لذلك ، يفقدون القدرة على التنقل بين الأقطاب الكهربائية. لذلك ، بعد بضعة أشهر ، يجب الآن شحن الهاتف المحمول الذي كان من الضروري شحنه مرة كل يومين كل يوم. ثم مرتين في اليوم. في النهاية ، الكثير من أيونات الليثيوم سوف "تلتصق" ولن تحمل البطارية أي شحنة مفيدة. سيتوقف الدلو عن الاحتفاظ بالمياه.

ما يكسر ولماذا

تم تصميم الجزء النشط من الكاثود (مصدر أيونات الليثيوم في البطارية) بهيكل ذري محدد لضمان الاستقرار والأداء. عندما تنتقل الأيونات إلى القطب الموجب ثم تعود إلى القطب السالب ، فمن الأفضل أن تعود الأيونات إلى مكانها الأصلي من أجل الحفاظ على بنية بلورية مستقرة.

تكمن المشكلة في أن التركيب البلوري يمكن أن يتغير مع كل شحنة وتفريغ. لن تعود الأيونات من الشقة A بالضرورة إلى المنزل ، لكن يمكنها الانتقال إلى الشقة B المجاورة. ثم يجد الأيون من الشقة B مكانه مشغولاً بهذا المتشرد ، وبدون مواجهة ، يقرر الاستقرار في الممر. وهلم جرا.

تدريجيًا ، تعمل "انتقالات الطور" في المادة على تحويل الكاثود إلى بنية بلورية جديدة من الكريستال بخصائص كهروكيميائية مختلفة. يختلف الترتيب الدقيق للذرات التي توفر الأداء المطلوب في البداية.

يلاحظ أبراهام أن هذه التغييرات الهيكلية تحدث بشكل أبطأ بكثير مما تحدث في السيارات الكهربائية في بطاريات السيارات الهجينة ، والتي تكون ضرورية فقط لتزويد الطاقة عندما تتسارع السيارة أو تفرمل. هذا يرجع إلى حقيقة أن جزءًا صغيرًا فقط من أيونات الليثيوم يتحرك في النظام في كل دورة. ونتيجة لذلك ، يسهل عليهم العودة إلى مواقعهم الأصلية.

مشكلة التآكل

يمكن أن يحدث التدهور أيضًا في أجزاء أخرى من البطارية. يتم توصيل كل قطب كهربائي بمجمع تيار ، وهو في الأساس قطعة من المعدن (عادةً نحاس للأنود ، وألمنيوم للكاثود) يجمع الإلكترونات وينقلها إلى دائرة خارجية. لذلك ، لدينا طين مصنوع من مادة "نشطة" مثل أكسيد الكوبالت الليثيوم (وهو سيراميك وليس موصلًا جيدًا جدًا) ، بالإضافة إلى مادة ربط تشبه الغراء مطبقة على قطعة من المعدن.

إذا تم تدمير مادة الترابط ، فإن هذا يؤدي إلى "تقشير" سطح المجمع الحالي. إذا تآكل المعدن ، فلن يتمكن من تحريك الإلكترونات بكفاءة.

يمكن أن ينتج التآكل في البطارية عن التفاعل بين الإلكتروليت والأقطاب الكهربائية. أنود الجرافيت "يطلق الضوء" ، أي بسهولة "يعطي" الإلكترونات للكهارل. هذا يمكن أن يؤدي إلى طلاء غير مرغوب فيه على سطح الجرافيت. وفي الوقت نفسه ، فإن الكاثود شديد "التأكسد" ، مما يعني أنه يقبل بسهولة الإلكترونات من الإلكتروليت ، والذي في بعض الحالات يمكن أن يؤدي إلى تآكل الألومنيوم في المجمع الحالي أو تشكيل طلاء على أجزاء من الكاثود ، كما يقول أبراهام.

الكثير من الخير

الجرافيت ، وهو مادة تستخدم على نطاق واسع لصنع الأنودات ، غير مستقر ديناميكيًا حراريًا في الإلكتروليتات العضوية. هذا يعني أنه من أول شحنة لبطاريتنا ، يتفاعل الجرافيت مع المنحل بالكهرباء. يؤدي هذا إلى إنشاء طبقة مسامية (تسمى واجهة إلكتروليت صلبة أو SEI) والتي تحمي الأنود في النهاية من أي هجوم آخر. يستهلك هذا التفاعل أيضًا عدد كبير منالليثيوم. في عالم مثالي ، قد يحدث رد الفعل هذا مرة واحدة لإنشاء طبقة واقية ، وستكون هذه نهاية الأمر.

ومع ذلك ، في الواقع ، TEI هو مدافع غير مستقر للغاية. يقول أبراهام إنه يحمي الجرافيت جيدًا في درجة حرارة الغرفة ، ولكن في درجات الحرارة المرتفعة أو عندما يتم تقليل البطارية إلى الصفر ("التفريغ العميق") ، يمكن أن يذوب EMT جزئيًا في الإلكتروليت. في درجات الحرارة المرتفعة ، تميل الشوارد أيضًا إلى التحلل ويتم تسريع التفاعلات الجانبية.

عندما تعود الظروف المواتية ، ستتشكل طبقة واقية أخرى ، لكن هذا سوف يلتهم بعض الليثيوم ، مما يؤدي إلى نفس مشاكل الدلو المتسرب. سيتعين علينا شحن هاتفنا الخلوي في كثير من الأحيان.

لذلك ، نحتاج إلى TEI لحماية أنود الجرافيت ، وفي هذه الحالة ، قد يكون هناك الكثير من الخير حقًا. إذا ازدادت سماكة الطبقة الواقية أكثر من اللازم ، فإنها تصبح حاجزًا أمام أيونات الليثيوم ، اللازمة للتحرك بحرية ذهابًا وإيابًا. يؤثر هذا على الطاقة ، والتي يشير أبراهام إلى أنها "مهمة للغاية" للسيارات الكهربائية.

بناء بطاريات أفضل

إذن ما الذي يمكن فعله لإطالة عمر بطارياتنا؟ يبحث الباحثون في المعمل عن مكملات الإلكتروليت التي تعمل مثل الفيتامينات في نظامنا الغذائي ، أي. يسمح للبطاريات بأداء أفضل وتستمر لفترة أطول عن طريق تقليل التفاعلات الضارة بين الأقطاب الكهربائية والإلكتروليت ، كما يقول أبراهام. بالإضافة إلى ذلك ، يبحثون عن هياكل بلورية جديدة وأكثر استقرارًا للأقطاب الكهربائية ، بالإضافة إلى مواد رابطة وإلكتروليتات أكثر استقرارًا.

وفي الوقت نفسه ، يعمل المهندسون في شركات البطاريات والسيارات الكهربائية على العبوات وأنظمة الإدارة الحرارية في محاولة للحفاظ على بطاريات الليثيوم أيون في نطاق درجة حرارة ثابتة وصحية. نحن ، كمستهلكين ، مُتركون لتجنب درجات الحرارة الشديدة والتفريغ العميق ، وما زلنا نتذمر بشأن البطاريات التي يبدو أنها دائمًا ما تموت بسرعة كبيرة.

تُستخدم بطاريات الليثيوم أيون والليثيوم بوليمر اليوم في معظم الأجهزة المحمولة - من المشغلات والهواتف إلى أجهزة الكمبيوتر المحمول

ظهرت بطاريات الليثيوم أيون (بالإضافة إلى بطاريات الليثيوم بوليمر التي تختلف عنها فقط في نوع المنحل بالكهرباء) في السوق منذ وقت طويل - في عام 1992. تم تطوير التكنولوجيا بأدق التفاصيل وتم تحسينها مرارًا وتكرارًا ، وجميع العوامل التي تؤثر على السعة والاستقرار والمتانة معروفة ، ويأخذها مطورو البطاريات والأدوات في الاعتبار ، وينعكس ذلك في أدلة الأجهزة المحمولة والعديد من المنشورات على الإنترنت والصحافة الورقية. ولكن من بين النصائح حول التعامل مع البطاريات التي يمكن سماعها من بائعي المعدات المحمولة أو "المعلمون" المألوفون ، لا يزال بإمكان المرء أن يسمع بكل بساطة كلاً من غير المجدي والمضار بصراحة. دعنا أخيرًا نضع قائمة بالتوصيات الصحيحة لإطالة عمر البطارية.

1. اشحن البطارية بالشاحن الأصلي. استخدم البطاريات الأصلية.

قد تختلف خصائص نظائرها الرخيصة للبطاريات ذات العلامات التجارية والذاكرة بشكل ملحوظ عن النسخ الأصلية في معاييرها. يبدو أن من ذلك - لكن هل تعلم أن تجاوز الاسمي جهد الشحنهل يمكن لبطارية تبلغ 0.15 فولت فقط أن تقلل من عمر البطارية إلى النصف؟

وعندما ينخفض ​​جهد الشحن بمقدار 0.1 فولت ، تقل سعة البطارية المشحونة بحوالي 10٪. بالنسبة لها ، هذا ليس ضارًا ، بل على العكس - لكنك لن تكون راضيًا عن انخفاض عمر البطارية ، أليس كذلك؟

المشكلة هي أنه في الهواتف المحمولة والهواتف الذكية ، يتم وضع أجهزة التحكم في شحن البطارية على لوحة الهاتف نفسه. إنهم "مدربون" على شحن البطارية "الأصلية" فقط ، وإذا كان التناظرية المتوافقة تختلف عن البطارية الأصلية (وغالبًا ما يحدث ذلك) ، فقد يحدث أحد المواقف المذكورة أعلاه. لذلك ، فإن توفير المال ، وفي هذه الحالة ، فإن نصيحة استخدام البطاريات "الأصلية" والشحن لها مبرر عملي للغاية.

2. شحن البطارية بالكامل قبل أول استخدام.

يعد هذا ضروريًا ، أولاً وقبل كل شيء ، حتى يحدد الجهاز الذي يعمل بالطاقة بشكل صحيح سعته الكاملة ويعرض الشحنة المتبقية بدقة. ولكن لا تترك جهازك قيد الشحن "طوال الليل" أو "لمدة 12 ساعة" كما يقترح بعض البائعين. هذا لا طائل منه ، لأن وحدة تحكم الشحن مدمجة في الهاتف ومدمجة في البطارية دائرة كهربائيةتقوم الحماية ببساطة بإيقاف الشحن عند الوصول إلى السعة الكاملة.

"التدريب" ، أو "التراكم" في شكل 3-5 دورات كاملة ، كما أن بطاريات الليثيوم أيون ليست مطلوبة. بعد الشحن الأول ، تصبح بطارية الليثيوم أيون جاهزة تمامًا للاستخدام. ستصبح الإفرازات العميقة مرهقة لها ولن تؤدي إلا إلى تقصير حياتها. قد تكون هناك حاجة إلى دورة كاملة فقط لبعض الأجهزة من أجل إجراء ما يسمى "معايرة" البطارية وعرض شحنتها بشكل صحيح. ومع ذلك ، فإن البطارية نفسها لا تحتاج إليها.

3. مراقبة نظام درجة الحرارة.

لا تخزن أو تستخدم بطاريات الليثيوم أيون في بيئة لا تشعر فيها بالراحة. لا تستطيع بطاريات Li-ion عمليًا العمل بشكل طبيعي في درجات حرارة أقل من -20 درجة مئوية. وعند +30 درجة مئوية وما فوق ، يتم تسريع عمليات الشيخوخة فيها ، مما يؤدي إلى خسارة لا رجعة فيها لجزء من السعة وفشل سابق لأوانه. لذلك ، لا تعرض هواتفك الذكية للتجميد أو السخونة الزائدة.

درجة الحرارة المثلى لشحن وتفريغ البطارية حوالي +20 درجة مئوية. في الوقت نفسه ، فإن التفريغ في درجات حرارة سالبة تصل إلى -18 درجة مئوية لا يضر بالبطارية (ما لم يحدث أسرع بكثير من المعتاد). لكن لا يمكنك شحنه بشكل قاطع في البرد - فهذا ضار وخطير. لذا اشحن بطاريتك في بيئة أكثر راحة.

4. لا تستنزف البطارية تمامًا ولا تطارد الشحن بنسبة 100٪.

على عكس بطاريات هيدريد النيكل والمعدن القديمة ، بالنسبة لبطاريات الليثيوم أيون ، فإن الشحن الكامل والتفريغ العميق يعدان نوعًا من الإجهاد. يمكن للدورات الكاملة المتكررة أن تقصر بشكل ملحوظ من عمر البطارية:

إذا كان ذلك ممكنًا ، فقم بتشغيل جهازك على الفور بعد التحذير من انخفاض مستوى الشحن (10-15٪) ، دون انتظار إيقاف تشغيله بنفسه. في حالة حدوث إيقاف وقائي ، لا تترك البطارية فارغة بأي حال من الأحوال - يجب عليك شحنها بسرعة بنسبة 30-40٪ على الأقل من السعة.

سيكون من الجيد أيضًا عدم شحن البطارية بالكامل ، حتى 100٪. لكن من الناحية العملية ، يصعب تنفيذ هذه التوصية ، على الرغم من أن بعض الشركات المصنعة لأجهزة الكمبيوتر المحمول (Samsung) توفر بالفعل هذا الوضع لأجهزتها.

5. قواعد تخزين البطاريات غير المستخدمة.

حتى عند الاستلقاء على رف أو منضدة المتجر ، تفقد البطاريات جزءًا كبيرًا من سعتها ، وتعتمد سرعة هذه العملية بشكل مباشر على درجة شحنها ودرجة حرارة التخزين:

درجة حرارة التخزين القدرة المتبقية (المورد) للبطارية بعد عام من التخزين:

عند مستوى الشحن الأولي بنسبة 40٪ وعند مستوى الشحن الأولي بنسبة 100٪

0 درجة مئوية 98٪ 94٪

25 درجة مئوية 96٪ 80٪

40 درجة مئوية 85٪ 65٪

60 درجة مئوية 75٪ 60٪ (بعد 3 أشهر)

تدهور خصائص بطاريات الليثيوم الكوبالت الأكثر شيوعًا اعتمادًا على درجة حرارة التخزين وحالة الشحن

وبالتالي ، ليس من المنطقي شراء بطاريات "احتياطيًا". وعند شراء بطارية جديدة يجب معرفة تاريخ تصنيعها.

يوصى باستخدام بطاريات للأجهزة التي نادرًا ما تستخدمها ، ولكنك تريد الاحتفاظ بها في حالة صالحة للعمل:

• شحن يصل إلى 40-50٪ ؛

• إزالة من الجهاز بالطاقة.

• ضعها في كيس بلاستيكي محكم الإغلاق (كل بطارية على حدة ، إذا كانت هناك عدة بطاريات) ؛

• تخزن في الثلاجة (لكن لا تدخلها أبدًا الفريزر!);

• مرة واحدة كل 2-3 أشهر ، أعد الشحن إلى نفس 40-50٪ ، بعد السماح لها بالتدفئة إلى درجة حرارة الغرفة ؛

• الشحن الكامل قبل الاستخدام بعد فترة تخزين طويلة.

تأتي بطاريات الليثيوم أيون والليثيوم بوليمر في مجموعة متنوعة من الأحجام والأشكال ، ولكن قواعد السلوك هي نفسها لجميع الأصناف.

لا تترك البطارية فارغة لفترة طويلة. في غضون أسابيع قليلة ، بسبب التفريغ الذاتي ، سينخفض ​​جهد البطارية الميتة إلى ما دون المستوى الحرج ، إلى 2.2-2.9 فولت. في هذه الحالة ، ستضع دائرة الحماية البطارية في وضع "السكون" وتنطفئ. بعد ذلك ، لن يتمكن الشاحن العادي ، على الأرجح ، من إخراجه من هذه الحالة.

لا تفكك بطارية معيبة أو تحاول إصلاحها بنفسك. أولاً ، بالاقتران مع جهاز التحكم وجهاز الحماية ، فهو جهاز (دارة) معقد للغاية ، ولا يمكن فهمه بدون معدات خاصة. ثانيًا ، قد لا يكون آمنًا. في الوقت نفسه ، يُمنع تمامًا تفكيك (فتح) خلايا بطارية ليثيوم أيون! يجدر أيضًا حماية البطارية من التلف الميكانيكي.

لا تجمد أو تسخن بطاريات الليثيوم أيون ، خاصة فوق 60 درجة مئوية.بالإضافة إلى الفشل السريع ، مع ارتفاع درجة الحرارة أو التلف بشكل كبير ، هناك خطر حدوث انفجار أو احتراق تلقائي لخلية الليثيوم. لذلك ، يمنع منعا باتا لحام خلايا الليثيوم أيون ، ويتم تجميعها في بطاريات في المصنع عن طريق لحام نقطة المقاومة.

تمتلك مصادر الطاقة التي تعتمد على الليثيوم ما يقرب من قرن من التاريخ ، ولكن حتى التسعينيات من القرن الماضي ، لم يكن من الممكن إنتاجها بكميات كبيرة بسبب نقص التكنولوجيا. معدن الليثيوم المستخدم في التطورات المبكرة شديد التفاعل ، مما أدى إلى حرائق متكررة وانفجارات البطاريات التي تعتمد عليه. حقق مهندسو SONY طفرة تكنولوجية من خلال استبدال الليثيوم بكوبالتات الليثيوم الأقل نشاطًا. كما أدخلوا نظام التحكم والحماية BMS (نظام إدارة البطارية) ، الذي يتحكم في المعلمات الكهربائية والفيزيائية لخلايا البطارية ويوقف الشحن أو التفريغ في حالة تعطل التشغيل العادي. منذ ذلك الحين ، تم تحسين التكنولوجيا والمواد بشكل كبير ، وفي الوقت الحالي ، تعد بطاريات الليثيوم أيون أجهزة متطورة للغاية وموثوقة وآمنة. بطبيعة الحال ، مع مراعاة التوصيات المذكورة أعلاه.

كيفية إطالة عمر بطاريات الليثيوم أيون.

تُستخدم بطاريات الليثيوم أيون في الهواتف المحمولة الحديثة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والأجهزة اللوحية. تدريجيا ، قاموا بإخراج البطاريات القلوية من سوق الإلكترونيات المحمولة. في السابق ، كانت جميع هذه الأجهزة تستخدم بطاريات النيكل والكادميوم وهيدريد معدن النيكل. لكن أيامهم ولت ، مثل بطاريات Li─Ion أفضل أداء. صحيح أنها لا تستطيع أن تحل محل القلوية من جميع النواحي. على سبيل المثال ، التيارات التي يمكن أن تنتجها بطاريات النيكل والكادميوم لا يمكن تحقيقها بالنسبة لهم. بالنسبة لقوة الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية ، فإن هذا ليس أمرًا بالغ الأهمية. ومع ذلك ، في مجال الأدوات الكهربائية المحمولة التي تستهلك الكثير من البطاريات القلوية الحالية ، لا تزال قيد الاستخدام. ومع ذلك ، يستمر العمل على تطوير البطاريات ذات التيارات العالية التفريغ بدون الكادميوم. اليوم سنتحدث عن بطاريات الليثيوم أيون وتصميمها وتشغيلها وآفاق تطويرها.

تم إنتاج أولى خلايا البطارية التي تحتوي على أنود الليثيوم في سبعينيات القرن الماضي. كان لديهم كثافة عالية من الطاقة النوعية ، مما جعلهم في الطلب على الفور. لطالما سعى الخبراء إلى تطوير مصدر يعتمد على الفلزات القلوية، وهو نشط للغاية. بفضل هذا ، تم تحقيق الجهد العالي لهذا النوع من البطاريات والطاقة المحددة. في الوقت نفسه ، تم تطوير تصميم هذه العناصر بسرعة كبيرة ، لكن استخدامها العملي تسبب في صعوبات. تمكنوا من التعامل فقط في التسعينيات من القرن الماضي.

خلال هذه السنوات العشرين ، توصل الباحثون إلى استنتاج مفاده أن المشكلة الرئيسية هي قطب الليثيوم. هذا المعدن نشط للغاية وأثناء التشغيل حدث عدد من العمليات ، مما أدى في النهاية إلى الاشتعال. أصبح هذا يسمى تهوية اللهب. لهذا السبب ، في أوائل التسعينيات ، اضطر المصنعون إلى سحب البطاريات المصنعة من أجلها الهواتف المحمولة.

حدث ذلك بعد سلسلة من الحوادث. في وقت المحادثة ، وصل التيار المستهلك من البطارية إلى الحد الأقصى وبدأت التهوية بإخراج اللهب. نتيجة لذلك ، كان هناك العديد من حالات حروق الوجه من قبل المستخدمين. لذلك ، كان على العلماء تحسين تصميم بطاريات الليثيوم أيون.

معدن الليثيوم غير مستقر للغاية ، خاصة عند الشحن والتفريغ. لذلك ، بدأ الباحثون في إنشاء بطارية من نوع الليثيوم دون استخدام الليثيوم. بدأ استخدام أيونات هذا المعدن القلوي. من هنا جاءت أسمائهم.

بطاريات الليثيوم أيون لها طاقة نوعية أقل من. لكنها آمنة إذا تم مراعاة قواعد الشحن والتفريغ.

ردود الفعل التي تحدث في بطارية Li─Ion

كان الاختراق في اتجاه إدخال بطاريات الليثيوم أيون في الإلكترونيات الاستهلاكية هو تطوير البطاريات ، حيث كان القطب السالب مصنوعًا من مادة الكربون. تعتبر الشبكة البلورية للكربون مناسبة تمامًا كمصفوفة لإقحام أيونات الليثيوم. لزيادة جهد البطارية ، تم صنع القطب الموجب من أكسيد الكوبالت. تبلغ إمكانات أكسيد الكوبالت المطبوع 4 فولت تقريبًا.

جهد التشغيل لمعظم بطاريات الليثيوم أيون هو 3 فولت أو أكثر. أثناء التفريغ عند القطب السالب ، يتم إزالة تشابك الليثيوم من الكربون وتحويله إلى أكسيد الكوبالت للقطب الموجب. أثناء عملية الشحن ، تحدث العمليات في الاتجاه المعاكس. اتضح أنه لا يوجد معدن الليثيوم في النظام ، ولكن أيوناته تعمل ، والتي تنتقل من قطب كهربائي إلى آخر ، مما ينتج عنه تيار كهربائي.

ردود الفعل على القطب السالب

تحتوي جميع النماذج التجارية الحديثة لبطاريات الليثيوم أيون على قطب سالب مصنوع من مادة تحتوي على الكربون. تعتمد العملية المعقدة لتحويل الليثيوم إلى كربون إلى حد كبير على طبيعة هذه المادة ، بالإضافة إلى مادة الإلكتروليت. مصفوفة الكربون على الأنود لها هيكل متعدد الطبقات. يمكن طلب الهيكل (الجرافيت الطبيعي أو الاصطناعي) أو طلبه جزئيًا (فحم الكوك ، والسخام ، وما إلى ذلك).

أثناء الإقحام ، تدفع أيونات الليثيوم طبقات الكربون بعيدًا ، مخترقة بينها. يتم الحصول على مقحمات مختلفة. أثناء الإقحام وإزالة التداخل ، يتغير الحجم المحدد لمصفوفة الكربون بشكل طفيف. في القطب السالب ، بالإضافة إلى مادة الكربون ، يمكن استخدام الفضة والقصدير وسبائكها. يحاولون أيضًا استخدام المواد المركبة مع السيليكون وكبريتيدات القصدير ومركبات الكوبالت ، إلخ.

ردود الفعل في القطب الموجب

غالبًا ما تستخدم خلايا الليثيوم الأولية (البطاريات) أكثر من غيرها مواد مختلفة. في البطاريات ، لا يمكن القيام بذلك واختيار المواد محدود. لذلك ، فإن القطب الموجب لبطارية Li─Ion مصنوع من النيكل أو أكسيد الكوبالت. يمكن أيضًا استخدام إسبينيل الليثيوم والمنغنيز.

اليوم ، الدراسات جارية على مواد من مختلط الفوسفات أو أكاسيد للكاثود.كما تمكن المتخصصون من إثبات أن هذه المواد تعمل على تحسين الخصائص الكهربائية لبطاريات الليثيوم أيون. كما يتم تطوير طرق ترسيب الأكاسيد على سطح الكاثود.

يمكن وصف التفاعلات التي تحدث في بطارية ليثيوم أيون أثناء الشحن بالمعادلات التالية:

القطب الموجب

LiCoO 2 → Li 1-x CoO 2 + xLi + + xe -

القطب السالب

C + xLi + + xe - → CLi x

أثناء عملية التفريغ ، تستمر التفاعلات في الاتجاه المعاكس.

يوضح الشكل أدناه بشكل تخطيطي العمليات التي تحدث في بطارية ليثيوم أيون أثناء الشحن والتفريغ.

جهاز بطارية ليثيوم أيون

وفقًا لتصميمها ، يتم تصنيع بطاريات Li─Ion في تصميمات أسطوانية ومنشورية.التصميم الأسطواني عبارة عن لفة من الأقطاب الكهربائية مع مادة فاصلة لفصل الأقطاب الكهربائية. هذه اللفة موضوعة في غلاف من الألمنيوم أو الفولاذ. القطب السالب متصل به.

يتم عرض جهة الاتصال الإيجابية على شكل وسادة في نهاية البطارية.

تصنع بطاريات Li─Ion ذات التصميم المنشوري عن طريق تكديس الألواح المستطيلة فوق بعضها البعض. هذه البطاريات تجعل من الممكن جعل العبوة أكثر كثافة. تكمن الصعوبة في الحفاظ على قوة الضغط على الأقطاب الكهربائية. توجد بطاريات موشورية مع مجموعة لفة من الأقطاب الكهربائية الملتوية في حلزوني.

تم تصميم جميع بطاريات الليثيوم أيون بمعايير لضمان التشغيل الآمن. بادئ ذي بدء ، يتعلق هذا بمنع التسخين والاشتعال. يتم تركيب آلية تحت غطاء البطارية تزيد من مقاومة البطارية مع الزيادة معامل درجة الحرارة. عندما يرتفع الضغط داخل البطارية عن الحد المسموح به ، تكسر الآلية الطرف الموجب والكاثود.

بالإضافة إلى ذلك ، لزيادة أمان التشغيل في بطاريات Li-Ion ، يلزم وجود لوحة إلكترونية. والغرض منه هو التحكم في عمليات الشحن والتفريغ ، لاستبعاد ارتفاع درجة الحرارة وقصر الدائرة.

يتم الآن إنتاج العديد من بطاريات الليثيوم أيون المنشورية. وجدوا التطبيق في الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية. غالبًا ما يختلف تصميم البطاريات المنشورية من مصنع لآخر ، نظرًا لأنه لا يحتوي على توحيد واحد. يتم فصل الأقطاب الكهربائية للقطبية المعاكسة بواسطة فاصل. لإنتاجها ، يتم استخدام مادة البولي بروبيلين المسامية.

دائمًا ما يكون تصميم Li-Ion وأنواع بطاريات الليثيوم الأخرى مغلقًا. هو - هي شرط إلزامي، لأن تسرب المنحل بالكهرباء غير مسموح به. إذا تسربت ، فسوف تتلف الإلكترونيات. بالإضافة إلى ذلك ، يمنع التصميم المحكم دخول الماء والأكسجين إلى البطارية. إذا دخلوا ، فسوف يدمرون البطارية نتيجة للتفاعل مع الإلكتروليت والأقطاب الكهربائية. إنتاج مكونات لـ بطاريات الليثيومويتم تجميعها في صناديق جافة خاصة في جو من الأرجون. في هذه الحالة ، يتم استخدام طرق اللحام المعقدة والختم وما إلى ذلك.

بالنسبة لكمية الكتلة النشطة لبطارية Li-Ion ، يبحث المصنعون دائمًا عن حل وسط هنا. إنهم بحاجة إلى تحقيق أقصى سعة وضمان سلامة التشغيل. العلاقة مبنية على:

A o / A n \ u003d 1.1 ، أين

أ س هي الكتلة النشطة للقطب السالب ؛

و p هي الكتلة النشطة للإلكترود الموجب.

يمنع هذا التوازن تكوين الليثيوم (معدن نقي) ويزيل الاشتعال.

معلمات بطاريات Li-Ion

تتميز بطاريات الليثيوم أيون المنتجة اليوم بكثافة طاقة عالية و جهد التشغيل. الأخير في معظم الحالات من 3.5 إلى 3.7 فولت. كثافة الطاقة من 100 إلى 180 واط / ساعة لكل كيلوجرام أو من 250 إلى 400 لكل لتر. منذ بعض الوقت ، لم يكن بوسع الشركات المصنعة إنتاج بطاريات بسعة تزيد عن بضع ساعات أمبير. الآن تم القضاء على المشاكل التي تعوق التنمية في هذا الاتجاه. لذلك ، بدأ بيع بطاريات الليثيوم بسعة عدة مئات من الأمبير.

يتراوح تيار التفريغ لبطاريات Li─Ion الحديثة من 2C إلى 20C. تعمل في نطاق درجة الحرارة بيئةمن -20 إلى +60 درجة مئوية. هناك موديلات كفؤة عند -40 درجة مئوية. لكن من الجدير بالقول على الفور أن سلسلة خاصة من البطاريات تعمل في درجات حرارة سالبة. تصبح بطاريات الليثيوم أيون العادية للهواتف المحمولة غير صالحة للعمل في درجات حرارة منخفضة.

تبلغ نسبة التفريغ الذاتي لهذا النوع من البطاريات 4-6 بالمائة خلال الشهر الأول. علاوة على ذلك ، يتناقص ويصل إلى نسبة مئوية في السنة. هذا أقل بكثير من بطاريات النيكل والكادميوم وهيدريد معدن النيكل. عمر الخدمة حوالي 400-500 دورة شحن-تفريغ.

الآن دعنا نتحدث عن ميزات تشغيل بطاريات الليثيوم أيون.

تعمل بطاريات الليثيوم أيون

شحن بطاريات Li─Ion

عادة ما يتم الجمع بين شحن بطاريات الليثيوم أيون. أولاً ، يتم شحنها بتيار ثابت قدره 0.2-1 درجة مئوية حتى يكتسبوا جهدًا من 4.1-4.2 فولت. وبعد ذلك يتم الشحن في الجهد المستمر. تستغرق الخطوة الأولى حوالي ساعة والثانية حوالي ساعتين. لشحن البطارية بشكل أسرع ، استخدم وضع النبض. في البداية ، تم إنتاج بطاريات Li─Ion مع الجرافيت وتم تعيين حد جهد يبلغ 4.1 فولت لكل خلية. الحقيقة هي أنه عند الجهد العالي في الخلية ، بدأت ردود الفعل الجانبية ، مما قلل من عمر هذه البطاريات.

تدريجيًا ، تم التخلص من هذه العيوب عن طريق خلط الجرافيت بمواد مضافة مختلفة. تشحن خلايا الليثيوم أيون الحديثة حتى 4.2 فولت دون مشاكل.الخطأ 0.05 فولت لكل خلية. هناك مجموعات من بطاريات Li─Ion للقطاعات العسكرية والصناعية ، حيث يتطلب الأمر زيادة الموثوقية وعمر الخدمة الطويل. لمثل هذه البطاريات تحمل أقصى جهدلكل عنصر 3.90 فولت. لديهم كثافة طاقة أقل قليلاً ، لكن عمر خدمة طويل.

إذا قمت بشحن بطارية ليثيوم أيون بتيار 1 درجة مئوية ، فإن الوقت اللازم لمجموعة كاملة من السعة سيكون 2-3 ساعات. تعتبر البطارية مشحونة بالكامل عندما يرتفع الجهد إلى الحد الأقصى وينخفض ​​التيار إلى 3 بالمائة من القيمة في بداية عملية الشحن. يمكن ملاحظة ذلك في الرسم البياني أدناه.

يوضح الرسم البياني أدناه مراحل شحن بطارية Li─Ion.

تتكون عملية الشحن من الخطوات التالية:

• المرحلة 1. في هذه المرحلة ، يتدفق الماء عبر البطارية الحد الأقصى الحاليتكلفة. يستمر حتى يتم الوصول إلى عتبة الجهد ؛
• المرحلة 2. مع جهد بطارية ثابت ، ينخفض ​​تيار الشحن تدريجياً. تنتهي هذه المرحلة عندما ينخفض ​​التيار إلى 3 بالمائة من القيمة الأولية ؛
• المرحلة 3. إذا تم تخزين البطارية ، فسيكون هناك في هذه المرحلة شحنة دورية للتعويض عن التفريغ الذاتي. يتم ذلك كل 500 ساعة تقريبًا.
  من المعروف من الممارسة أن زيادة تيار الشحن لا يقلل من وقت شحن البطارية. مع زيادة التيار ، يرتفع الجهد بشكل أسرع إلى قيمة العتبة. ولكن بعد ذلك ، تدوم المرحلة الثانية من الشحن لفترة أطول. يمكن لبعض أجهزة الشحن (أجهزة الشحن) شحن بطارية Li─Ion في غضون ساعة. في مثل هذه الذاكرة ، لا توجد مرحلة ثانية ، ولكن في الواقع ، يتم شحن البطارية في هذه المرحلة بنسبة 70 بالمائة.

أما بالنسبة للشحن النفاث ، فهو لا ينطبق على بطاريات الليثيوم أيون. هذا لأن هذا النوع من البطاريات لا يمكنه امتصاص الطاقة الزائدة عند إعادة الشحن. يمكن أن تؤدي إعادة الشحن النفاث إلى انتقال بعض أيونات الليثيوم إلى الحالة المعدنية (التكافؤ 0).

تعوض الشحنات القصيرة جيدًا عن التفريغ الذاتي وفقدان الطاقة الكهربائية. يمكن الشحن في المرحلة الثالثة كل 500 ساعة. كقاعدة عامة ، يتم إجراؤها عندما ينخفض ​​جهد البطارية إلى 4.05 فولت على عنصر واحد. يتم تنفيذ الشحنة حتى يرتفع الجهد إلى 4.2 فولت.

تجدر الإشارة إلى ضعف مقاومة بطاريات الليثيوم أيون للشحن الزائد. نتيجة لتطبيق شحنة زائدة على مصفوفة الكربون (القطب السالب) ، يمكن أن يبدأ ترسب معدن الليثيوم. له نشاط كيميائي مرتفع للغاية ويتفاعل مع المنحل بالكهرباء. نتيجة لذلك ، يبدأ تطور الأكسجين عند القطب السالب ، مما يهدد بزيادة الضغط في العلبة وخفض الضغط. لذلك ، إذا كنت تقوم بشحن خلية Li─Ion تتجاوز وحدة التحكم ، فلا تسمح للجهد بالارتفاع عند الشحن أعلى من الموصى به من قبل الشركة المصنعة للبطارية. إذا كنت تعيد شحن البطارية باستمرار ، فسيتم تقصير عمرها.

يولي المصنعون اهتمامًا جادًا بسلامة بطاريات Li-Ion. تتوقف الشحنة عندما يرتفع الجهد فوق المستوى المسموح به. يتم أيضًا تثبيت آلية لإيقاف الشحن عندما ترتفع درجة حرارة البطارية عن 90 درجة مئوية. بعض الموديلات الحديثةتحتوي البطاريات على مفتاح نوع ميكانيكي في تصميمها. يتم تشغيله عن طريق زيادة الضغط داخل علبة البطارية. تقوم آلية التحكم في الجهد للوحة الإلكترونية بفصل الجرة عن العالم الخارجي بالجهد الأدنى والأقصى.

توجد بطاريات ليثيوم أيون بدون حماية. هذه نماذج تحتوي على المنغنيز في تكوينها. يساهم هذا العنصر ، عند الشحن الزائد ، في تثبيط معدنة الليثيوم وإطلاق الأكسجين. لذلك ، في مثل هذه البطاريات ، تصبح الحماية غير ضرورية.

خصائص تخزين وتفريغ بطاريات الليثيوم أيون

يتم تخزين البطاريات من نوع الليثيوم بشكل جيد جدًا ويكون التفريغ الذاتي سنويًا 10-20٪ فقط ، اعتمادًا على ظروف التخزين. ولكن في الوقت نفسه ، يستمر تدهور خلايا البطارية حتى لو لم يتم استخدامها. بشكل عام ، قد تختلف جميع المعلمات الكهربائية لبطارية ليثيوم أيون لكل حالة محددة.

على سبيل المثال ، يختلف الجهد الكهربي أثناء التفريغ اعتمادًا على درجة الشحن والتيار ودرجة الحرارة المحيطة وما إلى ذلك. يتأثر عمر البطارية بالتيارات وأنماط دورة الشحن والتفريغ ودرجة الحرارة. تتمثل إحدى العيوب الرئيسية لبطاريات Li-Ion في حساسيتها لوضع تفريغ الشحن ، وهذا هو السبب في أنها توفر الكثير من أنواع مختلفةالحماية

توضح الرسوم البيانية أدناه خصائص تفريغ بطاريات الليثيوم أيون. إنهم يعتبرون اعتماد الجهد على تيار التفريغ ودرجة الحرارة المحيطة.

كما يمكن رؤيته ، مع زيادة تيار التفريغ ، يكون انخفاض السعة ضئيلًا. ولكن في نفس الوقت ، يتم تقليل جهد التشغيل بشكل ملحوظ. لوحظت صورة مماثلة عند درجات حرارة أقل من 10 درجات مئوية. تجدر الإشارة أيضًا إلى انخفاض الجهد الأولي للبطارية.

NiCd - بطاريات النيكل والكادميوم
تم إدخال تقنية النيكل القلوي في عام 1899 عندما اخترع والدمار جانجنر أول بطارية من النيكل والكادميوم (NiCD). كانت المواد المستخدمة فيها باهظة الثمن في ذلك الوقت ، وكان استخدامها يقتصر على المعدات الخاصة. تحتوي البطاريات من هذا النوع على أنود نيكل وكادميوم كاثود. في عام 1932 ، تم إدخال المواد الفعالة في قطب النيكل المسامي ، ومن عام 1947 ، بدأ البحث على بطاريات NiCD محكمة الغلق ، حيث تم إطلاق الغازات الداخلية أثناء الشحن داخلها ، ولم يتم إطلاقها في الخارج كما في الإصدارات السابقة. أدت هذه التحسينات إلى بطارية NiCD الحديثة المختومة المستخدمة اليوم.
في الوقت الحالي ، لا تزال بطاريات NiCD هي الأكثر شيوعًا لتشغيل أجهزة الراديو المحمولة والمعدات الطبية وكاميرات الفيديو الاحترافية وأجهزة التسجيل والأدوات القوية. لذا فإن أكثر من 50٪ من جميع بطاريات الأجهزة المحمولة هي نيكل سي دي. ظهور بطاريات أحدث من حيث النظام الكهروكيميائي ، على الرغم من أنه أدى إلى انخفاض في استخدام بطاريات NiCD ، إلا أن تحديد أوجه القصور في أنواع جديدة من البطاريات أدى إلى تجديد الاهتمام ببطاريات NiCD.
تشبه بطارية NiCD العامل القوي والصامت الذي يعمل بجد ولا يسبب الكثير من المتاعب. إنه يفضل الشحن السريع على الشحن البطيء والشحن النبضي على الشحن التيار المباشر. يتم تحقيق التحسن في الكفاءة من خلال توزيع نبضات التفريغ بين نبضات الشحن. تحافظ طريقة الشحن هذه ، التي يشار إليها عادةً باسم الشحن العكسي ، على مساحة سطح نشطة عالية للأقطاب الكهربائية ، مما يزيد من كفاءة البطارية وعمرها. تعمل الشحنة العكسية أيضًا على تحسين الشحن السريع ، مثل يساعد في إعادة تجميع الغازات المنبعثة أثناء الشحن. نتيجة لذلك ، يتم تسخين البطارية بشكل أقل ويتم شحنها بشكل أكثر كفاءة من طريقة الشحن القياسية بالتيار المستمر.
هناك مشكلة أخرى مهمة يتم حلها عند استخدام الشحن العكسي وهي تقليل التكوينات البلورية في خلايا البطارية ، مما يزيد من الكفاءة ويطيل عمرها. أظهرت الأبحاث التي أجريت في ألمانيا أن الشحن العكسي يضيف حوالي 15٪ إلى عمر بطارية NiCD.
من الضار أن تكون بطاريات NiCD في الداخل شاحنفي غضون بضعة أيام. في الواقع ، تعد بطاريات NiCD هي النوع الوحيد من البطاريات الذي يعمل بشكل أفضل عند إخضاعها لتفريغ كامل بشكل دوري. تفضل جميع أنواع البطاريات الأخرى وفقًا للنظام الكهروكيميائي تفريغًا ضحلًا. لذلك ، يعتبر التفريغ الكامل الدوري مهمًا لبطاريات NiCD ، وإذا لم يتم إجراؤه ، تفقد بطاريات NiCD تدريجيًا كفاءتها بسبب تكوين بلورات كبيرة على ألواح الخلايا ، وهي ظاهرة تسمى تأثير الذاكرة.
من بين عيوب بطارية NiCD الحاجة إلى دورية التفريغ الكاملللحفاظ على الخصائص التشغيلية (القضاء على تأثير الذاكرة) ، والتفريغ الذاتي العالي (حتى 10٪ خلال الـ 24 ساعة الأولى) والأبعاد الكبيرة مقارنة بأنواع البطاريات الأخرى. بالإضافة إلى ذلك ، تحتوي البطارية على الكادميوم وتتطلب التخلص منها بشكل خاص. في عدد من الدول الاسكندنافية ، لهذا السبب ، تم بالفعل حظر استخدامه. نظرًا للحجم الكبير والمشاكل المتعلقة بالتخلص من بطارية NiCD ، فإنها تترك سوق الهواتف المحمولة تدريجياً.

NiMh - بطاريات هيدريد النيكل المعدنية
في أواخر الستينيات من القرن العشرين ، اكتشف العلماء عددًا من السبائك القادرة على ربط الهيدروجين الذري بحجم أكبر 1000 مرة من حجمها. يطلق عليهم اسم الهيدريدات ، وعادة ما تكون كيميائيًا مركبات من معادن مثل الزنك والليثيوم والنيكل. عند استخدامها بحكمة ، يمكن للهيدريد تخزين ما يكفي من الهيدروجين لاستخدامه في التفاعلات العكسية داخل البطاريات. لديهم كاثود هيدريد وأنود نيكل بدأ البحث في تكنولوجيا بطاريات NiMH في سبعينيات القرن الماضي وتم إجراؤه كمحاولة للتغلب على أوجه القصور في بطاريات النيكل والكادميوم. ومع ذلك ، فإن مركبات هيدريد المعدن المستخدمة في ذلك الوقت كانت غير مستقرة ولم تتحقق الخصائص المطلوبة. نتيجة لذلك ، تباطأ تطوير بطاريات NiMH. تم تطوير مركبات هيدريد معدنية جديدة مستقرة بدرجة كافية لتطبيقات البطاريات في الثمانينيات.منذ أواخر الثمانينيات ، تم تحسين بطاريات NiMH باستمرار ، خاصة من حيث كثافة تخزين الطاقة. لاحظ مطوروها أن تقنية NiMH لديها القدرة على تحقيق كثافة طاقة أعلى.
يبلغ عدد دورات الشحن / التفريغ لبطاريات NiMH حوالي 500. ويفضل التفريغ الضحل بدلاً من التفريغ العميق. يرتبط عمر البطارية ارتباطًا مباشرًا بعمق التفريغ.
تولد بطارية NiMH قدرًا أكبر من الحرارة أثناء الشحن مقارنةً ببطارية NiCd وتتطلب خوارزمية أكثر تطورًا لاكتشاف متى تكون مشحونة بالكامل إذا لم يتم استخدام التحكم في درجة الحرارة. تم تجهيز معظم بطاريات NiMH بمستشعر درجة حرارة داخلية لتوفير معايير إضافية للكشف عن الشحن الكامل. أيضًا ، لا يمكن شحن بطارية NiMH بهذه السرعة - عادةً ما يكون وقت الشحن ضعف وقت شحن NiCD. يجب التحكم في الشحنة العائمة أكثر من بطاريات NiCd.
تيار التفريغ الموصى به لبطاريات NiMH أقل بكثير من تيار NiCD. لذلك يوصي المصنعون بتيار حمل من 0.2 درجة مئوية إلى 0.5 درجة مئوية (خمس إلى نصف السعة المقدرة). هذا العيب ليس حرجًا إذا كان تيار الحمل المطلوب منخفضًا. للتطبيقات التي تتطلب حمولة عالية الحالية أو لديها الحمل الدافع، مثل أجهزة الراديو المحمولة والأدوات القوية ، يوصى باستخدام بطاريات NiCD.
تتمتع كل من بطاريات NiMH و NiCD بتفريغ ذاتي مرتفع بشكل مقبول. تفقد بطارية NiCD حوالي 10٪ من سعتها خلال الـ 24 ساعة الأولى ، وبعد ذلك يكون معدل التفريغ الذاتي حوالي 10٪ شهريًا. التفريغ الذاتي لبطاريات NiMH أعلى بمقدار 1.5-2 مرة من تفريغ NiCD. يؤدي استخدام مواد الهيدريد التي تعمل على تحسين الترابط الهيدروجيني لتقليل التفريغ الذاتي عادةً إلى تقليل سعة البطارية.
قدرة بطاريات NiMH أكبر بنسبة 30٪ تقريبًا من بطارية NiCD القياسية من نفس الحجم. توفر خلايا NiCD عالية السعة مستوى من السعة قريب من تلك الموجودة في NiMH.
سعر بطاريات NiMH أعلى بحوالي 30٪ من NiCD. ومع ذلك ، فإن السعر ليس هو المشكلة الرئيسية إذا احتاج المستخدم سعة كبيرةوأبعاد صغيرة. وبالمقارنة ، فإن خلايا NiCD عالية السعة تكون أغلى قليلاً من خلايا NiCD القياسية. من حيث السعة / التكلفة ، تعد بطاريات NiCD عالية السعة أكثر اقتصادا من NiMH.

Li-Ion - بطاريات ليثيوم أيون
الليثيوم هو المعدن الأكثر تفاعلًا. بناءً عليه ، تعمل مصادر الطاقة الحديثة لأجهزة الكمبيوتر المحمولة. تستخدم جميع مصادر الطاقة عالية الكثافة تقريبًا الليثيوم بسبب وجوده الخواص الكيميائية. كيلوغرام من الليثيوم قادر على تخزين 3860 أمبير / ساعة. للمقارنة ، مؤشر الزنك هو 820 ، بينما مؤشر الرصاص هو 260. اعتمادًا على نوع الأنود ، يمكن لخلايا الليثيوم أن تولد جهدًا من واحد ونصف إلى 3.6 فولت ، وهو أعلى من أي عنصر آخر.
كانت المشكلة أن الليثيوم نشط للغاية. الليثيوم هو أخف المعادن ، ولكن لديه أيضًا إمكانات كهروكيميائية سلبية للغاية. نتيجة لهذا ، يتميز الليثيوم بأعلى نوعية نظرية طاقة كهربائية. مصادر التيار الثانوية القائمة على الليثيوم لها جهد تفريغ عالي وسعة كبيرة.
تم تنفيذ أول عمل على بطاريات الليثيوم بواسطة G.N. لويس عام 1912. ومع ذلك ، لم تظهر النسخ التجارية الأولى لمصادر الليثيوم الأولية الحالية إلا في عام 1970. تم إجراء محاولات تطوير مصادر تيار الليثيوم القابلة لإعادة الشحن في الثمانينيات ، لكنها لم تنجح بسبب استحالة ضمان مستوى مقبول من الأمان عند التعامل معها.
نتيجة للدراسات التي أجريت في الثمانينيات ، وجد أنه أثناء تدوير مصدر تيار مع قطب كهربائي من الليثيوم المعدني ، تتشكل التشعبات على سطح الليثيوم. إن نمو التغصنات إلى القطب الموجب وحدوث ماس كهربائى داخل مصدر تيار الليثيوم هو سبب فشل الخلية. في هذه الحالة ، يمكن أن تصل درجة الحرارة داخل البطارية إلى درجة انصهار الليثيوم (180 درجة مئوية). نتيجة للتفاعل الكيميائي العنيف بين الليثيوم والإلكتروليت ، يحدث انفجار. على سبيل المثال ، أعيد عدد كبير من بطاريات الليثيوم التي تم شحنها إلى اليابان في عام 1991 إلى الشركات المصنعة بعد أن تم حرق العديد من الأشخاص نتيجة انفجارات في بطاريات الهواتف المحمولة.

مبدأ تشغيل بطارية ليثيوم أيون

حاول مصنعو البطاريات استخدام الليثيوم في شكل أيونات. في محاولة لإنشاء مصدر تيار آمن قائم على الليثيوم ، أدت الأبحاث إلى استبدال معدن الليثيوم القابل للدوران في البطارية بمركبات الليثيوم الخلالية في الكربون وأكاسيد المعادن الانتقالية. وهكذا ، تمكنوا من الحصول على جميع الصفات الكهروكيميائية المفيدة دون العبث بالشكل المعدني المتقلب.
في خلايا الليثيوم أيون ، ترتبط أيونات الليثيوم بجزيئات من مواد أخرى ، وأكثر المواد شيوعًا لصناعة بطاريات الليثيوم أيون هي الجرافيت وأكسيد الكوبالت الليثيوم (LiCoO2). في مثل هذا المصدر الحالي ، في سياق الشحن والتفريغ ، تمر أيونات الليثيوم من قطب كهربائي خلالي إلى آخر والعكس صحيح. على الرغم من أن مواد الأقطاب الكهربائية هذه تحتوي على طاقة كهربائية محددة أقل بعدة مرات من الليثيوم ، إلا أن البطاريات القائمة عليها آمنة تمامًا ، بشرط اتخاذ احتياطات معينة أثناء الشحن والتفريغ. في عام 1991 ، الشركة بداية سونيالإنتاج التجاري لبطاريات الليثيوم أيون وهو حاليًا أكبر مورد لها.
الخصائص المحددة لبطاريات الليثيوم أيون أعلى بمرتين على الأقل من تلك الخاصة ببطاريات النيكل والكادميوم وتتميز جيدًا عند العمل عليها التيارات العاليةوهو أمر ضروري ، على سبيل المثال ، عند استخدام هذه البطاريات في الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة. تتمتع بطاريات الليثيوم أيون بتفريغ ذاتي منخفض نسبيًا (2-5٪ شهريًا).
لضمان السلامة والمتانة ، يجب أن تكون كل بطارية مجهزة الدائرة الكهربائيةضوابط للحد من ذروة الجهد لكل خلية أثناء الشحن ومنع جهد الخلية من الانخفاض إلى ما دون المستويات المقبولة عند التفريغ. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن يكون الحد الأقصى لتيار الشحن والتفريغ محدودًا ويجب التحكم في درجة حرارة الخلية. إذا لوحظت هذه الاحتياطات ، فإن إمكانية تكوين معدن الليثيوم على سطح الأقطاب الكهربائية أثناء التشغيل (والتي غالبًا ما تؤدي إلى عواقب غير مرغوب فيها) يتم التخلص منها عمليًا.
وفقًا لمادة القطب السالب ، يمكن تقسيم بطاريات الليثيوم أيون إلى نوعين رئيسيين:
- مع القطب السالب المعتمد على فحم الكوك (سوني)
- وعلى أساس الجرافيت (معظم الشركات المصنعة الأخرى).
تحتوي مصادر التيار الكهربائي السالب القائمة على الجرافيت على منحنى تفريغ أكثر سلاسة مع انخفاض حاد في الجهد في نهاية التفريغ ، مقارنة بمنحنى التفريغ المسطح لبطارية قطب الكوك. لذلك ، من أجل الحصول على أعلى سعة ممكنة ، عادةً ما يتم ضبط جهد التفريغ النهائي للبطاريات ذات القطب السالب لفحم الكوك أقل (حتى 2.5 فولت) مقارنةً بالبطاريات التي تحتوي على قطب من الجرافيت (حتى 3 فولت). بالإضافة إلى ذلك ، فإن البطاريات ذات القطب السالب من الجرافيت قادرة على توفير تيار حمل أعلى وحرارة أقل أثناء الشحن والتفريغ مقارنة بالبطاريات ذات القطب السالب لفحم الكوك.
يعمل المصنعون باستمرار على تحسين تكنولوجيا بطاريات الليثيوم أيون. هناك بحث مستمر وتحسين لمواد الإلكترود وتكوين الإلكتروليت. في موازاة ذلك ، تُبذل جهود لتحسين أمان بطاريات الليثيوم أيون ، سواء على مستوى مصادر الطاقة الفردية أو على مستوى دوائر التحكم.
بطاريات الليثيوم أيون هي الأغلى المتوفرة في السوق اليوم. يمكن أن يؤدي تحسين تكنولوجيا الإنتاج واستبدال أكسيد الكوبالت بمادة أقل تكلفة إلى انخفاض بنسبة 50٪ في تكلفتها خلال السنوات القليلة المقبلة.
تستمر تقنيات الليثيوم أيون الأخرى في التطور ، كما يتضح من نتائج الأبحاث المنشورة. وبالتالي ، وفقًا لـ FujiFilm ، فإن مادة أكسيد مركب غير متبلور تعتمد على القصدير للقطب السالب الذي طورته هذه الشركة قادرة على توفير 1.5 مرة أعلى السعة الكهربائيةمقارنة بالبطاريات ذات القطب الكهربائي القياسي. تتمثل المزايا المحتملة للبطاريات التي تحتوي على هذه المواد في قدر أكبر من الأمان ، وشحن أسرع ، وخصائص تفريغ جيدة و كفاءة عاليةفي درجة حرارة منخفضة. عادة لا يتم ذكر العيوب في المراحل المبكرة من البحث.
تتمتع بطاريات الليثيوم أيون بكثافة طاقة عالية جدًا. كن حذرًا عند المناولة والاختبار. لا تقصر الدائرة الكهربائية للبطارية ، أو تفرط في الشحن ، أو تدمر ، أو تفكك ، أو تخترق الأشياء المعدنية ، أو توصلها عكس القطبيةلا تعرضهم لدرجات حرارة عالية. هذا قد يسبب لك الأذى الجسدي.

بطاريات ليثيوم بوليمر ليثيوم بوليمر
هذا هو أحدث ابتكار في تكنولوجيا الليثيوم. يتم فصل القطب الموجب عن الكاثود بواسطة حاجز بوليمر ، وهو مادة مركبة مثل بولي أكريلونيتريت يحتوي على ملح الليثيوم. نتيجة لذلك ، يصبح من الممكن تبسيط بنية الخلية ، حيث أن أي تسرب للكهرباء التي تشبه الهلام أمر مستحيل. وبالتالي ، عند نفس الجاذبية النوعية ، يمكن لبطاريات الليثيوم بوليمر ذات الشكل الأمثل تخزين طاقة أكبر بنسبة 22 ٪ من بطاريات الليثيوم أيون المماثلة. يتم تحقيق ذلك عن طريق ملء الأحجام "الميتة" في زوايا المقصورة ، والتي ستظل غير مستخدمة في حالة البطارية الأسطوانية.
بالإضافة إلى هذه المزايا الواضحة ، فإن خلايا الليثيوم بوليمر صديقة للبيئة وأخف وزناً ، بسبب عدم وجود غلاف معدني خارجي.