باتری های لیتیوم یونی چیست؟

انقلاب خودروهای برقی نه یک رویا بلکه واقعیتی ملموس است که به سرعت در حال دگرگونی صنعت حمل و نقل جهانی است. در مرکز این تحول باتری های لیتیوم یونی قرار دارند فناوری ای که به عنوان منبع انرژی غالب در خودروهای الکتریکی مدرن شناخته می شود. این باتری ها با قابلیت ذخیره سازی انرژی بالا و وزن نسبتاً کم امکان رانندگی با برد قابل قبول و عملکرد دینامیکی را برای خودروهای برقی فراهم آورده اند.

اما باتری های لیتیوم یونی تنها مختص به خودروها نیستند؛ از تلفن های همراه و لپ تاپ ها گرفته تا دوچرخه های برقی و سیستم های ذخیره انرژی خانگی ردپای این فناوری نوآورانه به چشم می خورد. در این میان کاربرد آن ها در صنعت خودرو به دلیل الزامات عملکردی و ایمنی بسیار بالا از اهمیت ویژه ای برخوردار است و نیازمند درک عمیق تری از جنبه های فنی و عملکردی آن ها است.پس تا انتهای این مقاله همراه اورجینال باتری باشید تا با انواع باتری های لیتیوم یونی بیشتر آشنا شوید.

اصول عملکرد باتری های لیتیوم یونی

برای درک بهتر پیچیدگی های باتری های لیتیوم یونی لازم است ابتدا به اصول عملکرد آن ها نگاهی بیندازیم. در هسته هر باتری لیتیوم یونی واکنش های الکتروشیمیایی برگشت پذیر قرار دارند. این واکنش ها در دو الکترود اصلی کاتد و آند رخ می دهند که توسط یک الکترولیت و یک جداکننده از هم جدا شده اند. الکترولیت محیطی رسانا برای یون های لیتیوم فراهم می کند در حالی که جداکننده از تماس مستقیم الکترودها و ایجاد اتصال کوتاه جلوگیری می کند.

در هنگام دشارژ (تخلیه باتری) یون های لیتیوم از آند به کاتد حرکت می کنند و الکترون ها از طریق یک مدار خارجی جریان می یابند که این جریان الکتریکی انرژی مورد نیاز دستگاه را تامین می کند. در طول این فرآیند آند اکسید می شود (الکترون از دست می دهد) و کاتد کاهش می یابد (الکترون می گیرد). برعکس در هنگام شارژ این فرآیند معکوس می شود؛ یون های لیتیوم از کاتد به آند باز می گردند و انرژی الکتریکی خارجی برای انجام این واکنش غیرخودبه خودی به سیستم تزریق می شود.

مواد مورد استفاده در کاتد و آند نقش حیاتی در تعیین عملکرد باتری دارند. کاتدها معمولاً از اکسیدهای فلزی لایه ای مانند اکسید لیتیوم کبالت (LCO) اکسید لیتیوم منگنز (LMO) اکسید لیتیوم نیکل منگنز کبالت (NMC) و اکسید لیتیوم نیکل کبالت آلومینیوم (NCA) ساخته می شوند. آندها به طور سنتی از گرافیت ساخته می شوند اما تحقیقات گسترده ای برای جایگزینی آن با موادی مانند سیلیکون در حال انجام است تا ظرفیت و چگالی انرژی باتری ها افزایش یابد. الکترولیت معمولاً یک نمک لیتیوم حل شده در یک حلال آلی است و جداکننده معمولاً از پلیمرهای متخلخل ساخته می شود.

مشخصات فنی کلیدی باتری های لیتیوم یونی

برای ارزیابی و مقایسه باتری های لیتیوم یونی چندین مشخصه فنی کلیدی وجود دارد که باید به آن ها توجه کرد :

• ولتاژ نامی : ولتاژ اسمی سلول های لیتیوم یونی معمولاً حدود ۳.۶ یا ۳.۷ ولت است. پک های باتری خودروهای الکتریکی از تعداد زیادی سلول سری و موازی تشکیل شده اند تا ولتاژ و جریان مورد نیاز سیستم پیشرانه را تامین کنند. ولتاژ بالاتر معمولاً به معنای توان خروجی بیشتر و عملکرد بهتر سیستم است.
• ظرفیت : ظرفیت باتری که با واحد آمپرساعت (Ah) یا میلی آمپر ساعت (mAh) اندازه گیری می شود نشان دهنده میزان بار الکتریکی است که باتری می تواند ذخیره کند. ظرفیت بالاتر به معنای برد رانندگی بیشتر برای خودروهای الکتریکی است.
• چگالی انرژی : چگالی انرژی که با واحد وات ساعت بر کیلوگرم (Wh/kg) یا وات ساعت بر لیتر (Wh/L) اندازه گیری می شود نشان دهنده میزان انرژی ذخیره شده در واحد جرم یا حجم باتری است. چگالی انرژی بالاتر به معنای باتری سبک تر و کوچک تر برای برد رانندگی مشابه است که در طراحی خودروهای الکتریکی از اهمیت بالایی برخوردار است.
• چگالی توان : چگالی توان که با واحد وات بر کیلوگرم (W/kg) یا وات بر لیتر (W/L) اندازه گیری می شود نشان دهنده سرعت تحویل انرژی توسط باتری است. چگالی توان بالاتر به معنای شتاب گیری سریع تر و عملکرد دینامیکی بهتر برای خودروهای الکتریکی است.
• نرخ C : نرخ C نشان دهنده سرعت شارژ و دشارژ باتری است. نرخ ۱C به معنای شارژ یا دشارژ کامل باتری در مدت ۱ ساعت است نرخ ۲C به معنای شارژ یا دشارژ کامل در ۳۰ دقیقه و غیره. نرخ C بالاتر به معنای امکان شارژ سریع تر باتری است که برای کاربرد خودرویی بسیار مهم است.
• طول عمر : طول عمر باتری های لیتیوم یونی معمولاً با تعداد سیکل های شارژ و دشارژ اندازه گیری می شود. یک سیکل کامل به معنای یک بار شارژ و دشارژ کامل باتری است. علاوه بر سیکل های شارژ طول عمر باتری تحت تأثیر عوامل دیگری مانند عمق دشارژ (DOD) دما و نرخ شارژ و دشارژ نیز قرار می گیرد. باتری های خودروهای الکتریکی معمولاً برای هزاران سیکل شارژ و دشارژ و سال ها کارکرد طراحی می شوند.
• محدوده دمای عملیاتی : باتری های لیتیوم یونی در محدوده دمایی مشخصی به بهترین نحو عمل می کنند. عملکرد در دماهای بسیار بالا یا بسیار پایین می تواند باعث کاهش کارایی طول عمر و حتی ایمنی باتری شود. سیستم های مدیریت حرارتی پیشرفته در خودروهای الکتریکی برای حفظ دمای باتری در محدوده بهینه طراحی شده اند.

انواع باتری های لیتیوم یونی مورد استفاده در خودروها

تنوع در مواد کاتدی منجر به ظهور انواع مختلفی از باتری های لیتیوم یونی با ویژگی های عملکردی متفاوت شده است. برخی از رایج ترین انواع مورد استفاده در خودروهای الکتریکی عبارتند از :

• باتری های NMC (نیکل منگنز کبالت) : این نوع باتری به دلیل تعادل خوب بین چگالی انرژی چگالی توان و طول عمر بسیار محبوب است. ترکیب دقیق نیکل منگنز و کبالت در کاتد می تواند برای بهینه سازی عملکرد باتری برای کاربردهای مختلف تنظیم شود. باتری های NMC به طور گسترده در خودروهای برقی میان رده و بالارده استفاده می شوند.
• باتری های NCA (نیکل کبالت آلومینیوم) : باتری های NCA چگالی انرژی بالاتری نسبت به NMC دارند و در خودروهای برقی با برد بالا مانند خودروهای تسلا استفاده می شوند. با این حال آن ها معمولاً گران تر هستند و ممکن است طول عمر کمتری داشته باشند.
• باتری های LFP (لیتیوم آهن فسفات) : باتری های LFP ایمنی حرارتی بالاتری دارند و طول عمر سیکل آن ها معمولاً بیشتر از NMC و NCA است. آن ها همچنین ارزان تر هستند اما چگالی انرژی کمتری دارند. باتری های LFP به طور فزاینده ای در خودروهای برقی ارزان تر و کاربردهای ذخیره انرژی ثابت مورد استفاده قرار می گیرند.
• باتری های LCO (لیتیوم کبالت اکسید) : باتری های LCO چگالی انرژی بالایی دارند اما چگالی توان و ایمنی حرارتی آن ها پایین است. به همین دلیل استفاده از آن ها در خودروهای برقی محدود شده و بیشتر در دستگاه های قابل حمل مانند تلفن های همراه و لپ تاپ ها استفاده می شوند.
• باتری های LMO (لیتیوم منگنز اکسید) : باتری های LMO ایمنی حرارتی و چگالی توان خوبی دارند اما چگالی انرژی آن ها نسبت به NMC و NCA کمتر است. آن ها در برخی از خودروهای برقی اولیه و کاربردهای خاص استفاده شده اند.

سیستم مدیریت باتری (BMS) : نگهبان هوشمند باتری

سیستم مدیریت باتری (BMS) نقش حیاتی در عملکرد ایمن کارآمد و طولانی مدت باتری های لیتیوم یونی در خودروهای الکتریکی ایفا می کند. BMS یک سیستم الکترونیکی پیچیده است که به طور مداوم پارامترهای مختلف باتری را نظارت و کنترل می کند از جمله :

• ولتاژ سلول : BMS ولتاژ هر سلول را به طور جداگانه اندازه گیری می کند تا از شارژ بیش از حد (overcharge) و دشارژ بیش از حد (overdischarge) که می تواند به باتری آسیب برساند جلوگیری کند. بالانسینگ سلول نیز یکی از وظایف BMS است که با متعادل کردن ولتاژ سلول ها از کاهش ظرفیت و طول عمر باتری جلوگیری می کند.
• جریان : BMS جریان شارژ و دشارژ را اندازه گیری و کنترل می کند تا از جریان های بیش از حد (overcurrent) که می تواند باعث گرم شدن بیش از حد و آسیب به باتری شود جلوگیری کند.
• دما : BMS دما را در نقاط مختلف پک باتری اندازه گیری می کند و سیستم خنک کننده و گرم کننده باتری را کنترل می کند تا دمای باتری را در محدوده عملیاتی بهینه نگه دارد. مدیریت حرارتی مناسب برای حفظ عملکرد ایمنی و طول عمر باتری بسیار مهم است.
• حالت شارژ (SOC) : BMS حالت شارژ باتری را تخمین می زند که نشان دهنده میزان انرژی باقی مانده در باتری است. این اطلاعات برای نمایش برد رانندگی تخمینی به راننده و مدیریت سیستم پیشرانه خودرو ضروری است.
• حالت سلامت (SOH) : BMS حالت سلامت باتری را تخمین می زند که نشان دهنده میزان تخریب باتری در طول زمان است. SOH به مرور زمان به دلیل سیکل های شارژ و دشارژ و عوامل دیگر کاهش می یابد. BMS می تواند SOH را برای پیش بینی طول عمر باقی مانده باتری و برنامه ریزی تعویض آن استفاده کند.
• عملکرد ایمنی : BMS عملکردهای ایمنی مختلفی را انجام می دهد از جمله تشخیص اتصال کوتاه تشخیص نشتی الکترولیت و قطع جریان در شرایط اضطراری. BMS نقش کلیدی در تضمین ایمنی باتری و جلوگیری از حوادث ناشی از باتری ایفا می کند.

مزایا و معایب باتری های لیتیوم یونی در خودروهای الکتریکی

باتری های لیتیوم یونی در مقایسه با سایر فناوری های باتری مزایای قابل توجهی دارند که آن ها را به انتخاب غالب برای خودروهای الکتریکی تبدیل کرده است :

مزایا :

• چگالی انرژی بالا : باتری های لیتیوم یونی چگالی انرژی بسیار بالاتری نسبت به باتری های سرب اسیدی و نیکل متال هیدرید دارند به این معنی که می توانند انرژی بیشتری را در وزن و حجم مشابه ذخیره کنند. این امر منجر به برد رانندگی بیشتر برای خودروهای الکتریکی می شود.
• چگالی توان بالا : باتری های لیتیوم یونی چگالی توان بالایی دارند که امکان تحویل سریع انرژی را فراهم می کند. این امر منجر به شتاب گیری سریع تر و عملکرد دینامیکی بهتر برای خودروهای الکتریکی می شود.
• طول عمر سیکل بالا : باتری های لیتیوم یونی طول عمر سیکل بالایی دارند و می توانند صدها یا حتی هزاران بار شارژ و دشارژ شوند. این امر طول عمر مفید خودروهای الکتریکی را افزایش می دهد.
• راندمان بالا : باتری های لیتیوم یونی راندمان شارژ و دشارژ بالایی دارند به این معنی که انرژی کمتری در فرآیند تبدیل انرژی هدر می رود. این امر به افزایش برد رانندگی و کاهش هزینه های انرژی کمک می کند.
• وزن کم : باتری های لیتیوم یونی نسبت به سایر فناوری های باتری وزن کمتری دارند که به بهبود راندمان سوخت و عملکرد خودروهای الکتریکی کمک می کند.
• خود دشارژی کم : باتری های لیتیوم یونی نرخ خود دشارژی بسیار پایینی دارند به این معنی که حتی در صورت عدم استفاده برای مدت طولانی شارژ خود را به خوبی حفظ می کنند.

معایب :

• هزینه بالا : باتری های لیتیوم یونی هنوز هم نسبت به باتری های سنتی گران تر هستند. هزینه باتری بخش قابل توجهی از قیمت خودروهای الکتریکی را تشکیل می دهد. با این حال قیمت باتری ها به طور پیوسته در حال کاهش است و انتظار می رود در آینده نزدیک به سطح رقابتی برسد.
• محدوده دمای عملیاتی : باتری های لیتیوم یونی در محدوده دمایی محدودی بهینه عمل می کنند. عملکرد در دماهای بسیار بالا یا بسیار پایین می تواند باعث کاهش کارایی و طول عمر باتری شود. سیستم های مدیریت حرارتی پیچیده برای حل این مشکل در خودروهای الکتریکی مورد استفاده قرار می گیرند.
• نگرانی های ایمنی : در شرایط خاص باتری های لیتیوم یونی می توانند دچار فرار حرارتی شوند یک واکنش زنجیره ای گرمازا که می تواند منجر به آتش سوزی یا انفجار شود. BMS و طراحی ایمنی باتری نقش مهمی در کاهش این خطرات ایفا می کنند.
• تخریب در طول زمان : ظرفیت و عملکرد باتری های لیتیوم یونی به مرور زمان و با استفاده مداوم کاهش می یابد. این تخریب باتری یک پدیده اجتناب ناپذیر است اما سرعت آن به عوامل مختلفی مانند نوع باتری شرایط استفاده و سیستم مدیریت حرارتی بستگی دارد.
• نیاز به مدیریت حرارتی پیچیده : برای حفظ عملکرد ایمنی و طول عمر باتری های لیتیوم یونی نیاز به سیستم های مدیریت حرارتی پیچیده است که هزینه و پیچیدگی سیستم را افزایش می دهد.
• نگرانی های زیست محیطی : استخراج و فرآوری مواد اولیه مورد استفاده در باتری های لیتیوم یونی مانند لیتیوم کبالت و نیکل می تواند پیامدهای زیست محیطی داشته باشد. همچنین بازیافت باتری های لیتیوم یونی در مقیاس بزرگ هنوز یک چالش است.

تجربه کاربری و ملاحظات عملی

تجربه رانندگی با خودروهای برقی که از باتری های لیتیوم یونی استفاده می کنند تفاوت های قابل توجهی با خودروهای بنزینی دارد. شتاب گیری سریع و بی صدا رانندگی نرم و روان و عدم نیاز به تعویض دنده از جمله مزایای رانندگی با خودروهای برقی هستند. با این حال برخی ملاحظات عملی نیز وجود دارد که کاربران باید از آن ها آگاه باشند :

• برد رانندگی و اضطراب برد : برد رانندگی خودروهای برقی به ظرفیت باتری راندمان خودرو سبک رانندگی و شرایط آب و هوایی بستگی دارد. اضطراب برد نگرانی در مورد تمام شدن شارژ باتری قبل از رسیدن به مقصد یا ایستگاه شارژ یکی از نگرانی های رایج در میان رانندگان خودروهای برقی است. توسعه زیرساخت های شارژ گسترده و بهبود برد رانندگی خودروهای برقی به کاهش این نگرانی کمک می کند.
• زمان شارژ : زمان شارژ باتری های لیتیوم یونی بسته به نوع شارژر و ظرفیت باتری متفاوت است. شارژ با شارژرهای خانگی (سطح ۱ و ۲) ممکن است چندین ساعت طول بکشد در حالی که شارژ با شارژرهای سریع (سطح ۳ یا DC fast chargers) می تواند در عرض چند دقیقه تا یک ساعت بخش قابل توجهی از ظرفیت باتری را شارژ کند. دسترسی به شارژرهای سریع و بهبود سرعت شارژ از جمله عوامل کلیدی برای پذیرش گسترده تر خودروهای برقی است.

• طول عمر باتری و تعویض : باتری های لیتیوم یونی در طول زمان تخریب می شوند و ظرفیت آن ها کاهش می یابد. اگرچه طول عمر باتری های خودروهای برقی معمولاً طولانی است (۸-۱۰ سال یا بیشتر) اما در نهایت نیاز به تعویض دارند. هزینه تعویض باتری می تواند قابل توجه باشد اما با پیشرفت فناوری و افزایش تولید انتظار می رود قیمت ها کاهش یابد. بسیاری از شرکت های خودروسازی گارانتی های طولانی مدت برای باتری های خودروهای برقی ارائه می دهند.
• مدیریت حرارتی و نگهداری : باتری های لیتیوم یونی به سیستم های مدیریت حرارتی پیچیده ای نیاز دارند تا در محدوده دمایی بهینه عمل کنند. نگهداری و سرویس باتری های خودروهای برقی معمولاً کمتر از خودروهای بنزینی است اما سیستم خنک کننده باتری و BMS باید به طور منظم بررسی شوند.
• بازیافت باتری : بازیافت باتری های لیتیوم یونی در پایان عمر مفید آن ها از نظر زیست محیطی و اقتصادی بسیار مهم است. فرایندهای بازیافت باتری های لیتیوم یونی در حال توسعه هستند و هدف آن ها بازیابی مواد ارزشمند مانند لیتیوم کبالت و نیکل از باتری های مستعمل است.

آینده باتری های لیتیوم یونی و نوآوری های پیش رو

فناوری باتری های لیتیوم یونی همچنان در حال تکامل و پیشرفت است. تحقیقات و توسعه گسترده ای برای بهبود عملکرد ایمنی طول عمر و کاهش هزینه باتری های لیتیوم یونی در حال انجام است. برخی از زمینه های کلیدی نوآوری عبارتند از :

• مواد کاتدی جدید : تحقیق در مورد مواد کاتدی جدید با چگالی انرژی بالاتر پایداری بیشتر و هزینه کمتر مانند کاتدهای با نیکل بالا کاتدهای بدون کبالت و کاتدهای حالت جامد.
• آندهای پیشرفته : جایگزینی گرافیت با آندهای پیشرفته تر مانند آندهای سیلیکونی آندهای لیتیوم فلزی و آندهای حالت جامد برای افزایش ظرفیت و چگالی انرژی باتری.
• الکترولیت های حالت جامد : توسعه الکترولیت های حالت جامد که ایمنی حرارتی بالاتری دارند و چگالی انرژی را افزایش می دهند. باتری های حالت جامد به عنوان نسل بعدی باتری های لیتیوم یونی با پتانسیل بالا برای خودروهای الکتریکی در نظر گرفته می شوند.
• بهبود BMS : پیشرفت های بیشتر در سیستم های مدیریت باتری برای بهبود دقت نظارت عملکرد بالانسینگ سلول مدیریت حرارتی و عملکردهای ایمنی. استفاده از هوش مصنوعی و یادگیری ماشین در BMS برای بهینه سازی عملکرد و طول عمر باتری.
• طراحی پک باتری نوآورانه : توسعه طراحی های جدید پک باتری برای افزایش چگالی انرژی بهبود مدیریت حرارتی و کاهش هزینه تولید. پک های باتری یکپارچه با ساختار خودرو (cell-to-pack و cell-to-body) از جمله رویکردهای نوآورانه هستند.
• بازیافت پیشرفته باتری : توسعه فرآیندهای بازیافت کارآمدتر و مقرون به صرفه تر برای بازیابی مواد ارزشمند از باتری های لیتیوم یونی مستعمل و کاهش اثرات زیست محیطی.

جمع بندی

باتری های لیتیوم یونی به عنوان قلب تپنده خودروهای برقی نقش محوری در تحول صنعت حمل و نقل ایفا می کنند. با وجود مزایای بی شماری که ارائه می دهند هنوز چالش هایی مانند هزینه ایمنی و تخریب در طول زمان وجود دارد که نیازمند تحقیقات و توسعه مداوم است. با این حال پیشرفت های سریع در فناوری باتری های لیتیوم یونی نویدبخش آینده ای روشن برای خودروهای برقی و حمل و نقل پایدار است. توسعه مواد جدید بهبود طراحی سیستم ها و پیشرفت در مدیریت باتری همگی به سمت باتری های با عملکرد بالاتر ایمن تر ارزان تر و با طول عمر بیشتر هدایت می شوند. با ادامه این روند انتظار می رود خودروهای برقی با برد رانندگی بیشتر زمان شارژ کوتاه تر و قیمت رقابتی تر به گزینه ای جذاب تر و فراگیرتر برای مصرف کنندگان در سراسر جهان تبدیل شوند.

پرسش و پاسخ های متداول 

۱. آیا باتری های لیتیوم یونی در هوای سرد عملکرد خود را از دست می دهند؟

بله دمای پایین می تواند عملکرد باتری های لیتیوم یونی را تحت تاثیر قرار دهد. در هوای سرد سرعت واکنش های شیمیایی در باتری کاهش می یابد که منجر به کاهش ظرفیت و توان خروجی می شود. به همین دلیل برد رانندگی خودروهای برقی در هوای سرد معمولاً کاهش می یابد. سیستم های مدیریت حرارتی پیشرفته در خودروهای برقی برای گرم کردن باتری در هوای سرد و حفظ عملکرد بهینه طراحی شده اند.

۲. طول عمر باتری خودروهای برقی چقدر است؟

طول عمر باتری های لیتیوم یونی خودروهای برقی معمولاً بین ۸ تا ۱۰ سال یا بیشتر است یا حدود ۱۶۰,۰۰۰ تا ۲۴۰,۰۰۰ کیلومتر رانندگی. طول عمر واقعی باتری به عوامل مختلفی مانند نوع باتری شرایط استفاده سبک رانندگی و سیستم مدیریت حرارتی بستگی دارد. بسیاری از شرکت های خودروسازی گارانتی های طولانی مدت برای باتری های خودروهای برقی ارائه می دهند معمولاً ۸ سال یا ۱۶۰,۰۰۰ کیلومتر.

۳. آیا باتری های لیتیوم یونی قابل بازیافت هستند؟

بله باتری های لیتیوم یونی قابل بازیافت هستند و بازیافت آن ها از نظر زیست محیطی و اقتصادی بسیار مهم است. فرایندهای بازیافت باتری های لیتیوم یونی در حال توسعه هستند و هدف آن ها بازیابی مواد ارزشمند مانند لیتیوم کبالت نیکل و منگنز از باتری های مستعمل است. بازیافت باتری ها به کاهش وابستگی به منابع معدنی محدود و کاهش اثرات زیست محیطی تولید باتری های جدید کمک می کند.