أصبحت بطاريات الليثيوم أكثر شعبية اليوم من أي وقت مضى. ستجدهم في هاتفك الخلوي وجهاز الكمبيوتر المحمول وأدوات الطاقة اللاسلكية وحتى السيارات الكهربائية. ومع ذلك، لمجرد أن كل هذه الأجهزة الإلكترونية تستخدم بطاريات الليثيوم لا يعني أنها تستخدم نفس النوع من بطاريات الليثيوم، لذليك يمكننا إلقاء نظرة عن كل ما يدور حول بطاريات الليثيوم من خلال المقال التالي عبر موقع موسوعة.
مقدمة بحث عن بطاريات الليثيوم
بطارية الليثيوم هي نوع من البطاريات القابلة لإعادة الشحن التي تستخدم أيونات الليثيوم كحامل شحن. تتميز بطاريات الليثيوم بكثافة طاقة عالية، مما يعني أنها يمكن أن تخزن كمية كبيرة من الطاقة في حجم صغير. كما أنها تتميز بعمر افتراضي طويل، مما يعني أنها يمكن أن تتحمل العديد من دورات الشحن والتفريغ.
بطاريات الليثيوم
تعتمد بطاريات الليثيوم على أيونات الليثيوم لتخزين الطاقة عن طريق خلق فرق جهد كهربائي بين القطبين السالب والموجب للبطارية. طبقة عازلة تسمى “الفاصل” تقسم جانبي البطارية وتحجب الإلكترونات بينما لا تزال تسمح لأيونات الليثيوم بالمرور.
خلال مرحلة الشحن، تتحرك أيونات الليثيوم من الجانب الموجب للبطارية إلى الجانب السالب عبر الفاصل. أثناء تفريغ البطارية، تتحرك الأيونات في الاتجاه المعاكس.
تتسبب حركة أيونات الليثيوم هذه في اختلاف الجهد الكهربائي وهذا الاختلاف في الجهد الكهربائي يسمى “الجهد”، عند توصيل أجهزتك الإلكترونية ببطارية ليثيوم، تضطر الإلكترونات التي يحجبها الفاصل إلى المرور عبر جهازك وتشغيله.
أنواع بطاريات الليثيوم
تعتمد أنواع مختلفة من بطاريات الليثيوم على مواد نشطة فريدة وتفاعلات كيميائية لتخزين الطاقة. كل نوع من بطاريات الليثيوم له فوائده وعيوبه، إلى جانب تطبيقاته الأنسب، تحصل أنواع بطاريات الليثيوم المختلفة على أسمائها من موادها النشطة. على سبيل المثال، النوع الأول الذي سننظر إليه هو بطارية فوسفات حديد الليثيوم، والمعروفة أيضًا باسم LiFePO4، بناءً على الرموز الكيميائية للمواد النشطة، ومع ذلك، فإن العديد من الأشخاص يقصرون الاسم إلى مجرد LFP، لذلك نعرض الأنواع المعروفة من بطاريات الليثيوم فيما يلي:
فوسفات حديد الليثيوم
تستخدم بطاريات فوسفات حديد الليثيوم (LFP) الفوسفات كمادة الكاثود وقطب كربون رسومي مثل الأنود. تتمتع بطاريات LFP بدورة حياة طويلة مع استقرار حراري جيد وأداء كهروكيميائي.
تحتوي خلايا بطارية LFP على جهد اسمي يبلغ 3.2 فولت، لذا فإن توصيل أربعة منها في سلسلة يؤدي إلى بطارية 12.8 فولت. هذا يجعل بطاريات LFP أكثر أنواع بطاريات الليثيوم شيوعًا لاستبدال بطاريات الدورة العميقة بحمض الرصاص.
من الفوائد الأساسية لبطارية فوسفات حديد الليثيوم هي المتانة ودورة الحياة الطويلة والسلامة.
عادةً ما يكون تصنيف بطاريات LFP هو 2000 دورة أو أكثر. على عكس بطاريات حمض الرصاص، فإن عمق التفريغ له تأثير ضئيل على عمر بطاريات LFP، وقد يقوم معظم مصنعي LFP بتقييم بطارياتهم عند عمق 80٪ من التفريغ، ويسمح البعض بالتفريغ بنسبة 100٪ دون إتلاف البطارية.
توفر المواد المستخدمة في بطاريات فوسفات حديد الليثيوم مقاومة منخفضة، مما يجعلها بطبيعتها آمنة ومستقرة للغاية، وقد تبلغ العتبة الجامحة الحرارية حوالي 518 درجة فهرنهايت، مما يجعل بطاريات LFP واحدة من أكثر خيارات بطاريات الليثيوم أمانًا، حتى عند شحنها بالكامل.
ومن عيوب تلك البطارية إن طاقتها المحددة منخفضة نسبيًا، كما يمكن أن يعاني أدائهم أيضًا في درجات حرارة منخفضة، والجمع بين الطاقة المحددة المنخفضة والأداء المنخفض في درجات الحرارة الباردة يعني أن بطاريات LFP قد لا تكون مناسبة تمامًا لبعض تطبيقات التشغيل العالية.
أكسيد الكوبالت الليثيوم
تمتلك بطاريات أكسيد الكوبالت الليثيوم (LCO) طاقة محددة عالية ولكنها منخفضة الطاقة النوعية. هذا يعني أنها لا تعمل بشكل جيد في تطبيقات الحمل العالي، ولكن يمكنها توفير الطاقة على مدى فترة طويلة.
كانت بطاريات LCO شائعة في الإلكترونيات المحمولة الصغيرة مثل الهواتف المحمولة والأجهزة اللوحية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والكاميرات، ومع ذلك، فإنهم يفقدون شعبيتهم لأنواع أخرى من بطاريات الليثيوم بسبب ارتفاع تكلفة الكوبالت والمخاوف بشأن السلامة.
طاقة البطارية المحددة تكون عالية وهذا ما يسمح لهم بتوفير الطاقة على مدى فترة طويلة نسبيًا تحت تطبيقات الحمل المنخفض.
تعاني بطاريات LCO من بعض العيوب الكبيرة مما أدى إلى أن تصبح أقل شعبية في السنوات الأخيرة، حيث إن عمرها قصير نسبيًا، عادة ما يتراوح بين 500-1000 دورة. بالإضافة إلى ذلك، أن الكوبالت مكلف إلى حد ما. البطاريات باهظة الثمن التي لا تدوم لفترة طويلة ليست فعالة من حيث التكلفة.
تتمتع بطاريات LCO أيضًا باستقرار حراري منخفض، مما يؤدي إلى مخاوف تتعلق بالسلامة. علاوة على ذلك، فإن طاقتها النوعية المنخفضة تحد من قدرة بطاريات LCO على الأداء في تطبيقات الحمل العالي.
أكسيد المنغنيز الليثيوم
تستخدم بطاريات أكسيد المنغنيز الليثيوم (LMO) أكسيد المنغنيز الليثيوم كمادة الكاثود. تخلق هذه الكيمياء بنية ثلاثية الأبعاد تعمل على تحسين تدفق الأيونات، وخفض المقاومة الداخلية، وزيادة المناولة الحالية مع تحسين الاستقرار الحراري والسلامة.
توجد بطاريات LMO عادة في أدوات الطاقة المحمولة والأدوات الطبية وبعض المركبات الهجينة والكهربائية.
تشحن بطاريات LMO بسرعة وتوفر طاقة محددة عالية، هذا يعني أنه يمكنهم تقديم تيار أعلى من بطاريات LCO، على سبيل المثال. كما أنها توفر ثباتًا حراريًا أفضل من بطاريات LCO، مما يعني أنها يمكن أن تعمل بأمان في درجات حرارة أعلى.
تتميز بطاريات LMO بالمرونة ، وهذا ما يسمح بضبط الكيمياء الداخلية وتحسين البطارية من أجل التعامل مع تطبيقات الحمل العالي أو تطبيقات العمر الطويل.
وقد يتمثل الجانب السلبي الرئيسي لبطاريات LMO هو عمرها القصير. عادةً ما تدوم بطاريات LMO 300-700 دورة شحن، أي أقل بكثير من أنواع بطاريات الليثيوم الأخرى.
أكسيد الكوبالت المنغنيز الليثيوم
تجمع بطاريات أكسيد الكوبالت الليثيوم نيكل المنغنيز (NMC) بين فوائد العناصر الرئيسية الثلاثة المستخدمة في الكاثود: النيكل والمنغنيز والكوبالت، أما النيكل بمفرده لديه طاقة محددة عالية ولكنه غير مستقر، كما أن المنغنيز مستقر بشكل استثنائي ولكنه يتمتع بطاقة محددة منخفضة، وينتج عن الجمع بينها كيمياء مستقرة مع طاقة محددة عالية.
تحظى بطاريات NMC بشعبية في الأدوات الكهربائية بالإضافة إلى محركات الحركة الإلكترونية للدراجات الإلكترونية والدراجات البخارية وبعض السيارات الكهربائية.
بطاريات NMC لها كثافة طاقة عالية ودورة حياة أطول بتكلفة أقل من البطاريات القائمة على الكوبالت. كما أن لديها ثباتًا حراريًا أعلى من بطاريات LCO، مما يجعلها أكثر أمانًا بشكل عام.
العيب الرئيسي لبطاريات NMC هو أن جهدها أقل قليلاً من البطاريات القائمة على الكوبالت.
أكسيد ألومنيوم النيكل الليثيوم
توفر بطاريات أكسيد ألومنيوم الليثيوم نيكل الكوبالت (NCA) طاقة محددة عالية مع طاقة محددة مناسبة ودورة حياة طويلة. هذا يعني أنه يمكنهم تقديم كمية عالية نسبيًا من التيار لفترات طويلة.
إن القدرة على الأداء في التطبيقات عالية التحميل ذات عمر البطارية الطويل تجعل بطاريات NCA شائعة في سوق السيارات الكهربائية. على وجه التحديد، NCA هي البطارية المفضلة لشركة Tesla.
باستخدام تقنية NCA، فإن البطاريات ليست آمنة مثل معظم تقنيات الليثيوم الأخرى وهي باهظة الثمن بالمقارنة.
تيتانات الليثيوم
تستبدل بطاريات تيتانات الليثيوم (LTO) الجرافيت الموجود في الأنود بتيتانات الليثيوم وتستخدم LMO أو NMC ككيمياء الكاثود.
تيتانات الليثيوم هي بطارية آمنة للغاية ذات عمر طويل يتم شحنها بشكل أسرع من أي نوع آخر من بطاريات الليثيوم.
تستخدم العديد من التطبيقات بطاريات LTO. المركبات الكهربائية ومحطات الشحن، وإمدادات الطاقة المستمرة، وتخزين طاقة الرياح والطاقة الشمسية، وأضواء الشوارع الشمسية، وأنظمة الاتصالات، والمعدات الفضائية والعسكرية ليست سوى بعض حالات الاستخدام.
تقدم بطاريات LTO العديد من الفوائد، بما في ذلك الشحن السريع ودرجة حرارة تشغيل واسعة للغاية وعمر طويل وأمان رائع بسبب ثباتها.
من عيوب لبطارية أنها تقوم بتوفير كثافة طاقة منخفضة، مما يعني أنها تخزن كمية أقل من الطاقة مقارنة بوزنها عند مقارنتها ببعض تقنيات الليثيوم الأخرى. بالإضافة إلى ذلك، فهي باهظة الثمن.
هل تستخدم جميع أنواع البطاريات الليثيوم ؟
لا، ليس كل البطاريات تستخدم الليثيوم بطاريات الليثيوم جديدة نسبيًا وأصبحت شائعة بشكل متزايد في استبدال تقنيات البطاريات الحالية.
أحد المعايير القديمة في البطاريات، خاصة في السيارات، هو بطاريات الدورة العميقة بحمض الرصاص. اكتسب الليثيوم مكانة سريعة في هذا السوق في السنوات الأخيرة، لكن حمض الرصاص لا يزال الخيار الأساسي في السيارات التي تعمل بالغاز بسبب انخفاض التكلفة الأولية.
بالإضافة إلى ذلك، فإن الأنواع الأكثر شيوعًا من البطاريات الجاهزة الموجودة في المتاجر هي البطاريات القلوية. معظم بطاريات AA و AAA المستخدمة اليوم هي بطاريات قلوية تستخدم الزنك وثاني أكسيد المنغنيز للتفاعل الكيميائي لتخزين الطاقة.
ومعظم البطاريات القابلة لإعادة الشحن هي النيكل والكادميوم (NiCad)، كما تستخدم بطاريات NiCad هيدروكسيد أكسيد النيكل والكادميوم المعدني كمواد إلكترودية. على الرغم من أن بطاريات NiCad لم تعد قديمة تمامًا بعد، إلا أنها أصبحت أقل شعبية حيث تسيطر بطاريات الليثيوم على سوق البطاريات القابلة لإعادة الشحن.
استخدام بطاريات الليثيوم
تحتوي بطاريات الليثيوم على العديد من التطبيقات والتي تدخل بشكل واضح في حياتنا، ومنها ما يمكن عرضه من خلال النقاط التالية:
أجهزة تنظيم ضربات القلب: أصبحت بطاريات الليثيوم القابلة لإعادة الشحن شائعة في أجهزة تنظيم ضربات القلب لأنها توفر عمر طويل وتيار تصريف منخفض وكثافة طاقة عالية وخصائص جهد مرغوب فيها، حيث يبلغ عمر بطاريات الليثيوم الناظمة للقلب من سبع إلى ثماني سنوات وغالبًا ما تزن أقل من 30 جرامًا.
الكاميرات الرقمية: لكي تعمل الكاميرا الرقمية بشكل فعال، فإنها تتطلب مصدرًا قويًا وعالي الكثافة للطاقة. لذا فإن معظم الكاميرات عديمة المرآة و DSLRs تستفيد من الفوائد العديدة لاستخدام بطاريات الليثيوم أيون كمصدر للطاقة، كما أن حزم بطاريات الليثيوم القابلة لإعادة الشحن أصغر بكثير من أنواع البطاريات الأخرى، وعمومًا، تتمتع بسعة طاقة أكبر بكثير وأداء بطارية فائق.
الساعات: بطاريات الليثيوم المستخدمة في الساعات صغيرة. على الرغم من حجمها، فإن سعة 3 فولت لديها عمر يصل إلى عقد في ساعة منخفضة الصرف.
تخزين الطاقة الشمسية: الطاقة الشمسية شيء يتطلع العالم إلى الاعتماد عليه أكثر فأكثر. في الولايات المتحدة وحدها، من المتوقع أن توفر الطاقة الشمسية 20٪ من احتياجات الطاقة في البلاد بحلول عام 2050، وقد بطاريات الليثيوم مثالية لتخزين الطاقة ويمكن استخدامها لتخزين الطاقة الزائدة التي تنتجها الألواح الشمسية. دعونا نواجه الأمر، حتى في وسط الصحراء، هناك أيام لا تشرق فيها الشمس، ستكون هناك أيضًا أوقات تحتاج فيها المعدات الشمسية إلى الإصلاح. يعني استخدام بطاريات الليثيوم أيون لتخزين الطاقة أنه لا توجد مناسبات تجد فيها نفسك في الظلام، كما أن أحد أسباب استخدام بطاريات الليثيوم لتخزين الطاقة الشمسية هو أنها تتطابق مع الألواح في كيفية شحنها. مدى سرعتهم في الشحن هو سبب آخر، تتطلب بطاريات الليثيوم شحنًا منخفض المقاومة، وهو ما تنتجه الألواح الشمسية.
خاتمة بحث عن بطاريات الليثيوم
وفي الختام أود أن أوضح أنه من المتوقع أن تستمر بطاريات الليثيوم في النمو والتطور في السنوات القادمة، وذلك نظرًا لمزايا عديدة تقدمها. مع استمرار التقدم في البحث والتطوير.
