-
0
سبد خرید
محصول تعداد 0 (ریال)جمع کل
بررسی کلی باتریهای لیتیوم-یون
بررسی کلی باتریهای لیتیوم-یون(بخش اول)
بررسی کلی باتریهای لیتیوم-یون(بخش اول)
بررسی کلی باتریهای لیتیوم-یون(بخش اول) باتری‌ها از سلول‌های تکی ساخته می‌شوند به عنوان مثال باتری‌هایی که در موبایل‌ها استفاده می‌شوند عموماً فقط یک سلول دارند در حالیکه در لپ تاپ‌ها چندین سلول و در خودروهای الکتریکی، صدها هزار از این سلول‌ها استفاده می‌شوندکه به صورت موازی یا سری پک شده‌اند. بحث مورد نظر ما در این مقاله، موضوع پک کردن باتری‌ها نیست اما به هر حال پک‌ها به لحاظ ویژگی‌های الکتریکی، مکانیکی و نرمافزاری بسیار جذاب و جالب توجه هستند که در مقالات بعدی بیشتر به آنها اشاره خواهد شد.هر سلول یک بسته‌ی مهر و موم شده با شرایط و محیط الکتروشیمیایی داخلی مخصوص به خود است که میتواند همانطور که در شکل ۱، مشاهده می‌شود، به سه شکل استوانه‌ای، پریسماتیک و سل‌های کیسه‌ای تولید شود
شکل۱: انواع سلول‌ها
سلول‌های پریسماتیک و استوانه‌ای دارای پوشش خارجی (غلاف) سفت و سختی از جنس آلومینیوم و استیل زنگ نزن هستند در حالیکه پوشش دربرگیرنده سلول‌های کیسه‌ای از فیلمی سه لایه متشکل از آلومینیوم، با ضخامت تقریبی ۴۰ میکرون، که بین دو لایه‌ی پلاستیکی قرار گرفته ساخته شده‌اند. اینکه چرا این پوشش‌ها از فلزات ساخته شده‌اند یا اینکه چرا لایه‌ای از آلومینیوم باید بکار رود، باید به این موضوع اشاره شود که بدون توجه به محیط خورنده‌ی داخل هر سلول یون لیتیوم، نباید هیچ ماده‌ای به داخل یا خارج سلول تبادل شود زیرا واکنش‌های اضافه‌ای را به دنبال دارند. لذا باتری باید از محیط بیرون کاملا مجزا باشد. دلیل اینکه لایه‌ای از آلومینیوم در این پوشش‌های کیسه‌ای بکار میرود نیز همین موضوع است، زیرا فلزات موانع بهتری را در مقابل ورود مولکول‌های کوچک شبیه اکسیژن ایجاد می‌کنند. این در حالیست که لایه‌های پلاستیکی کارایی مناسبی در مقابل نفوذ گازها ندارند. همانطور که ممکن است حدس زده باشید، مواد کیسه‌ای غیر صلب و خیلی سبکتر از محفظه‌های فلزی هستند، که این موضوع موجب افزایش انرژی در واحد وزن ( انرژی ویژه) این باتری‌ها می‌شود اما از طرف دیگر چون این سل‌ها تنها تحت فشار ۱ اتمسفر بر خلا تهیه شده‌اند، با هر چرخه‌ی شارژ-دشارژ در طول عمر مفیدشان، بیشتر مستعد تغییرات ابعادی هستند. این بدان معنی است که آنها ممکن است به مکانیسم‌های آب‌بندی بیشتری نیاز داشته باشند. همچنین از آنجا که فقط یک کیسه‌ی نازک مواد را داخل سلول نگه میدارد، گاهی اوقات میتوانند غیر ایمن ( یا از ایمنی کمی برخوردار) باشند.
با توجه به موارد مذکور، سلول‌ها میتوانند دامنه‌ی قابل توجهی از نظر اندازه داشته باشند، از قطعات کوچک مورد استفاده در ایرپادها تا موارد خیلی بزرگ موجود در برخی از خودروهای الکتریکی. وقتی که اندازه سلول‌ها تغییر می‌کند، ظرفیت آنها نیز تغییر می‌کند، اما تا وقتی شیمی مورد استفاده در باتری‌ها با اندازه های مختلف یکسان باشد، ولتاژ آنها ثابت است و از این لحاظ تفاوتی ندارند. این به این دلیل است که ولتاژ فقط توسط مراحل مختلف واکنش‌های الکتروشیمیایی تعیین می‌شود و ربطی به اندازه‌ی سلول ندارد.
شکل ۲، مقایسه بین خصوصیات یک سل مورد کاربرد در خودرو را با سل داخل ایرپاد اپل نشان داده است.
شکل۲: ولتاژ ثابت در باتریهای با اندازه متفاوت
یکی از کلیدی‌ترین چالش‌ها در صنعت باتری یون لیتیوم این است که تقریباً هیچ استانداردی برای فاکتورهای شکل سلول وجود ندارد. تنها موردی که وجود دارد باتریهای استوانه‌ای هستند که طرح‌های قدیمی آنها در لپتاپ‌ها و مصرف کننده‌های الکترونیکی قدیمی استفاده می‌شدند (۱۸۶۵۰)، اما اخیراً باتریهای استوانه‌ای با اندازه‌ی جدید (۲۱۷۰، ۴۶۸۰) توسط تولید کنندگان ارائه شده است. تلاشهایی در جهت استاندارد سازی سلول‌های پریسماتیک مورد استفاده در خودروهای الکتریکی، نیز صورت گرفته است اما سلول‌های کیسه‌ای به همان صورت اولیه‌ی خود باقی مانده‌اند.
آشنایی با مفاهیم V، Ah، A، Wh، W، SOC، OMG، LOL، C-rate و کارآیی
ظرفیت را می‌توان به مقدار آبی که در یک سطل می‌توان ریخت تشبیه کرد ( از ظرفیت در مدارهای الکتریکی به عنوان معیاری از توان استفاده می‌شود) و ولتاژ را می‌توان با ارتفاع قیاس کرد. انرژی موجود در یک سل، همان مقدار آبی است که در یک سطل در ارتفاع خاصی نگه داشته می‌شود، به همین دلیل خیلی شبیه به انرژی پتانسیل مکانیکی است ( PE=mgh) براساس این توضیحات می بینید که دو سیستم موجود در شکل 3، دارای انرژی‌های یکسان هستند:
شکل۳: بررسی انرژی در دو سیستم متفاوت
جریان سرعتی است که یون‌های باردار و الکترون‌ها دارند، اما هیچ اطلاعاتی در مورد ولتاژ (ارتفاع) در اختیار ما قرار نمی‌دهد در حالیکه توانِ یک سیستم، با ولتاژ و جریان ارتباط دارد به طور مثال، توان در دو سیستم موجود در شکل ۴، با هم برابر است.
شکل۴: بررسی اثر جریان و ولتاژ بر توان یک سیستم
همانطور که می‌دانید جریان بر حسب آمپر و ظرفیت بر حسب آمپر ساعت اندازه‌گیری می‌شوند. این موضوع این مفهوم را می‌رساند که اگر شما آب را با یک سرعت یکنواخت (آمپر) در یک مدت زمان مشخصی (ساعت) بریزید، مقدار مشخصی آب ریخته‌اید ( این همان ظرفیت بر حسب میلی آمپر ساعت است). از آنجایی که جریان، اندازه‌گیری میزان بار متحرک در هر ثانیه است، لذا ظرفیت همان میزان اندازه‌ی بار است. در بحث مورد نظر ما، منظور از بار، یون‌های لیتیوم و الکترون‌ها است (هر یون لیتیوم با یک الکترون جفت می‌شود، لذا مقدار یکسانی دارند) که در هر مرحله‌ی شارژ/دشارژ در دو جهت حرکت می‌کنند. می‌توان ظرفیت را بر حسب کولن نیز بیان کرد، اما از آنجایی که وقتی بر حسب کولن بیان شود تعداد صفر‌های زیادی را به همراه دارد (ضرب در ۳۶۰۰)، استفاده از این واحد زیاد طرفدار ندارد.
چون ولتاژ هر سلول با توجه به واکنش‌های الکتروشیمیایی داخل آن سلول تعیین می‌شود، مقادیر ولتاژ از پیش تعیین شده است. در سلول‌های لیتیوم-یون معمولی، بیشینه‌ی ولتاژ V2/4 ، کمینه‌ی ولتاژ V5/2 و ولتاژ اسمی تقریباً V7/3 می‌باشد. اما این‌ها قابل تغییر هستند و به مواردی مثل شیمیِ سلول، تولید کننده و اینکه سلول برای چه موردی طراحی شده است بستگی دارند. اما اگر در یک سلول تجاری با ولتاژ بالاتر از V5 مشاهده کردید، احتمالاً آن را با یک چند سلی که به صورت سری به هم وصل شده‌اند اشتباه گرفته‌اید ( یا سل در حال انفجار است؟؟) امروزه هیچ سلی نمی‌تواند با این ولتاژ بالا شارژ شود ( و احتمالاً به این زودی‌ها هم اتفاق نخواهد افتاد). در واقع نمودار ولتاژ مقابل ظرفیت دشارژ شبیه شکل 5 است.
شکل۵: نمودار ولتاژ-ظرفیت
انرژی برابر است با سطح زیر نمودار ولتاژ-ظرفیت، اما چون انتگرال‌گیری سطح زیر نمودار کار چندان ساده‌ای نیست، می‌توان از ولتاژ اسمی استفاده کرد. با ضرب کردن ولتاژ اسمی در ظرفیت می‌توان انرژی را به دست آورد. اگر دو باتری با شیمیِ یکسان ( طراحی الکترود یکسان) داشته باشیم که یکی در خودروهای الکتریکی و دیگری هم در ایرپادها به کار روند، در نمودار ولتاژ- ظرفیت، قسمت ولتاژ ثابت می‌ماند ولی در محور xها به دلیل تفاوت در ظرفیت، تفاوت می‌بینیم (شکل 6-چپ). اگر شما ظرفیت‌ها را نرمالیزه کنید، که به آن حالت شارژ[۱] (SOC) می‌گوییم، نمودار ولتاژ مربوط به دوباتری یکسان می‌شود و شما نمی‌توانید با دیدن نمودار ولتاژ-SOC آن دو باتری را از هم تمیز دهید، این نمودار در شکل 6-راست ارائه شده است.
شکل6: نمودار ولتاژ-SOC
در آخر می‌خواهیم کارایی را بررسی کنیم. شما ممکن است شنیده باشید که باتریهای یون لیتیوم سیستم‌هایی با کارایی بالا هستند، اما شما ممکن است اعداد متفاوتی از ۸۵% تا ۹۹۹/۹۹ شنیده باشید. کدام یک از این اعداد درست است؟؟ ما در حال حاضر مفهوم ظرفیت و انرژی را می‌دانیم، اجازه بدهید در این قسمت یک نمودار شارژ-دشار در شکل۷، مربوط به یک سل را بررسی کنیم.
شکل۷: نمودار شارژ دشارژ یک سل
ولتاژ شارژ یک باتری همیشه از ولتاژ دشارژش بالاتر است و در بین ولتاژ شارژ/دشارژ، ولتاژ مدار باز (OCV) را داریم (خط چین داخل شکل7). ولتاژ مدار باز وقتی خود را نشان می‌دهد که هیچ انرژی به سلول ورود و خروج نشود. ولتاژ مدار باز همان ولتاژی است که باتری دوست دارد در حالت استراحت خود در آن قرار بگیرد و در هر نقطه‌ای که عملیات شارژ دشارژ سلول قطع شود، باتری به ولتاژ مدار باز برمی‌گردد، این موضوع در شکل 8، نشان داده شده است.
شکل۸: ولتاژ مدار باز
در شکل ۷، ناحیه‌ی سایه‌دار قرمز، بین ولتاژهای شارژ/دشارژ، در واقع نشان دهنده‌ی ناکارآمدی انرژی کم باتری است. این ناکارآمدی به این اشاره دارد که کار بیشتری برای شارژ سل انجام داده‌ایم اما نمی‌توانیم آن را پس بگیریم. کارایی یک باتری به سرعت شارژ دشارژ بستگی دارد. عموماً در یک سرعت متوسط کارایی انرژی در حدود ۹۸-۹۳ درصد است. اما گاهی اوقات اعدادی مثل ۹۹۵/۹۹ درصد ارائه می‌شود، منظور از این اعداد چیست؟؟ این اعداد به کارایی کولنی اشاره دارد، که فقط به ظرفیتی که در دشارژ در مقایسه با شارژ تحویل می‌گیرید بستگی دارد و اطلاعاتی در مورد انرژی به ما نمی‌دهد. مقادیر کارایی کولنی به طور طبیعی باید برای هر سیستم قابل شارژ بالا باشد، زیرا ناکارآمدی کولنی که در هر چرخه روی هم انباشته می‌شود، نشانه افت ظرفیت در طی چرخه‌های متوالی می‌شود. برای مثال اگر سلول شما در یک سرعت متوسط دارای کارایی کولنی ۹۹% باشد، این سل فقط ۲۲ چرخه تا پایان عمر مفیدش دوام می‌آورد. بعد از ۲۲ چرخه تقریباً ۸۰% از ظرفیت اولیه‌ی سل باقی می‌ماند.