تقنية بطاريات بوليمر الليثيوم أيون

توفر تقنية بطارية ليثيوم أيون بوليمر بديلاً جذاباً لبطاريات الليثيوم التقليدية، مع إمكانية توفير طاقة وكثافة طاقة أكبر، مع إمكانية التشغيل بأمان على نطاق واسع من درجات الحرارة دون أن يمثل الهروب الحراري مشكلة.

التكلفة

توفر بطاريات بوليمر الليثيوم مزايا كبيرة من حيث التكلفة مقارنة بنظيراتها التقليدية من بطاريات أيونات الليثيوم بسبب استخدام البوليمرات الصلبة بدلاً من الشوارد السائلة كمصادر للإلكتروليت، وهذا يزيل المذيبات القابلة للاشتعال ويسمح في الوقت نفسه بتصميم خلايا أرق ويزيل تكوين التشعبات في درجات الحرارة العالية.

تتكون بطاريات بوليمر الليثيوم من أربعة أجزاء رئيسية، بما في ذلك: القطب الموجب والقطب السالب والفاصل والإلكتروليت. ويشكل غشاء مسامي مصنوع من البولي إيثيلين أو البولي بروبلين الفاصل الذي يفصل بين الأقطاب الكهربائية مع السماح لأيونات الليثيوم بالمرور بحرية بينها ويمكنه أيضاً أن يعمل على إيقاف التشغيل مؤقتاً إذا أصبحت البطارية ساخنة جداً.

والإلكتروليتات هي مواد تستخدم في البطاريات لنقل أيونات الليثيوم بين الأنود والكاثود، وقد تتكون من مواد مختلفة. والمحلول العضوي هو الأكثر شيوعاً، على الرغم من أن الخيارات الأخرى مثل إلكتروليتات البوليمر الهلامية توفر خيارات قابلة للتطبيق فيما يتعلق بنطاق درجة الحرارة والاستقرار الكيميائي.

الليثيوم هو عنصر ذو خواص كهروكيميائية فريدة من نوعها، ونتيجة لذلك فهو مرشح ممتاز لتكنولوجيا البطاريات. ولكونه أحد أخف المعادن، حيث تبلغ كثافته 0.09 جم/سم3 فقط مقارنة بالعناصر الأخرى؛ ويتميز الليثيوم بطاقة نوعية وسعة أعلى لكل جرام من المعادن الأخرى؛ وعلاوة على ذلك، فهو يعمل كموصل ممتاز للإلكترونات مما يجعل البطاريات ذات كثافة طاقة أكبر ممكنة.

على مدار العقد الماضي، عملت شركات البطاريات على تحسين عمليات التصنيع لتقليل تكاليف التصنيع. ووفقاً لأبحاث مؤسسة BNEF، فإن تكاليف العبوات والخلايا تنافس الآن تكاليف محركات الاحتراق الداخلي (ICE). ولسوء الحظ، لا تزال أسعار مواد البطاريات تمثل تحدياً مستمراً وقد تشهد أسعارها تضخماً بسبب زيادة الطلب على السيارات الكهربائية.

تستمر بطاريات بوليمر أيونات الليثيوم في الانخفاض في الأسعار مع انخفاض تكاليف المواد وزيادة كفاءة عمليات الإنتاج. وقد اختار رواد الصناعة كاثودات فوسفات الحديد الليثيوم (LiFePO4) كخيار كاثود منخفض التكلفة أرخص بـ 32% من أكسيد أكسيد الكوبالت المنغنيز والنيكل والنيكل والكوبالت (NMC) الأكثر تكلفة. وعلاوة على ذلك، تستخدم الشركات المصنعة للبطاريات تقنيات المعالجة المسبقة بالإبر الدقيقة لخفض تكاليف رقائق النيكل المعدنية وإلكتروليتات البوليمر المشترك الجديدة ذات المقاومة للتشعبات مع الحفاظ على سلامة الخلايا.

السلامة

بطاريات بوليمر الليثيوم أكثر كفاءة وأقل عرضة للسخونة الزائدة من نظيراتها السائلة، فضلاً عن كونها أكثر مرونة في الاستخدام من نظيراتها السائلة. وعلاوة على ذلك، يمكن تخزين بطاريات بوليمر الليثيوم هذه لفترات طويلة دون فقدان الشحن، مع انخفاض معدلات التفريغ الذاتي. ونظراً لهذه الميزات، أصبحت بطاريات بوليمر الليثيوم خيارات شائعة لتشغيل الأجهزة الإلكترونية والدراجات الكهربائية والمركبات الكهربائية؛ ولكن يجب توخي الحذر عند التعامل معها لتجنب الحرائق أو الانفجارات؛ وللقيام بذلك بشكل آمن، من الأفضل تخزين البطاريات داخل كيس أو حاوية آمنة للبطاريات عند عدم استخدامها؛ وفحصها بانتظام بحثاً عن علامات التلف - إذا تلفت يتم التخلص منها فوراً واستبدالها بجديدة.

لتجنب الحرائق، استخدم دائماً شاحناً معتمداً من الشركة المصنعة للبطارية لاستخدامه مع منتجاتها. علاوة على ذلك، احتفظ دائماً بمطفأة حريق جافة بالقرب منك في حال نشوب أي حرائق. وأخيراً، لا تضع أبداً بطاريات أو خلايا بوليمر الليثيوم تحت أشعة الشمس مباشرةً لأن ذلك قد يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة والتفاعلات الكيميائية التي قد تبدأ في النهاية وتؤدي إلى نشوب حرائق.

يمكن أن تتسبب بطاريات الليثيوم-البوليمر التي ترتفع درجة حرارتها في تبخر إلكتروليتاتها واشتعالها، مما قد يؤدي إلى حدوث ماس كهربائي داخل خلاياها وانفجار ينشر النار في المناطق المجاورة. مثل هذه المخاطر لا تستحق المجازفة عندما يمكن أن تعرض حياة الناس والمجتمعات المجاورة للخطر.

تشكل بطاريات الليثيوم أيون مخاوف إضافية تتعلق بالسلامة إلى جانب ارتفاع درجة الحرارة. فقد يؤدي التلوث بالجسيمات المعدنية المجهرية أثناء التصنيع إلى حدوث ماس كهربائي داخلي. علاوة على ذلك، يمكن أن تنفصل ألسنة الكربون الموجودة على الأقطاب السالبة، مما يمنع التفريغ. ويمكن أن تنفصل المواد النشطة على الأقطاب الموجبة وتمنع عمليات الشحن أو التصريف على التوالي.

لتجنب المشاكل المحتملة، يجب على المستخدمين شراء بطاريات الليثيوم بوليمر ذات العلامات التجارية فقط من بائعين وشواحن معتمدين، واتباع جميع إرشادات السلامة، بما في ذلك توصيات الحد الأقصى لتيار التفريغ الموصى به من الشركة المصنعة وتوصيات القطبية. كما يجب عليهم قراءة ورقة بيانات سلامة المواد الخاصة بالبطارية للتأكد من أنها تناسب أجهزتهم أو تطبيقاتهم دون مشاكل.

العمر الافتراضي

تختلف بطاريات الليثيوم بوليمر اختلافًا كبيرًا في عمرها الافتراضي اعتمادًا على عدة عوامل، بما في ذلك كيمياءها وتصميمها ومتطلبات الطاقة للأجهزة التي تستخدمها. توفر بطاريات الليثيوم أيون طاقة أكبر بتكلفة أقل، وهي مثالية للأجهزة المتعطشة للطاقة، بينما توفر بطاريات الليثيوم بوليمر حلولاً أكثر أماناً للبطاريات عند الحاجة إلى أجهزة رفيعة. لا يقل اختيار البطارية المناسبة لجهازك أهمية عن اختيار البطارية المناسبة لجهازك؛ كما أن استخدامها المناسب لا يقل أهمية.

لزيادة أداء بطاريتك إلى أقصى حد، تجنّب الشحن الزائد والتخزين في درجات حرارة عالية، فكلاهما يمكن أن يقلل من عمرها الافتراضي بشكل كبير. تجنّب أيضاً تفريغها بالكامل لأن ذلك قد يؤدي إلى تلف داراتها الداخلية وقد يقلل من عمرها الافتراضي.

بشكل عام، يقاس عمر البطارية من حيث دورات الشحن بدلاً من أشهر؛ على سبيل المثال، ستظل البطاريات ذات العمر الافتراضي البالغ 500 دورة تحتفظ بحوالي 801 تيرابايت و3 تيرابايت من سعتها الأولية بعد 500 شحنة.

ومع ذلك، يمكن للظروف البيئية مثل التخزين وسرعة الشحن وعمق التفريغ أن تقلل بشكل كبير من عمر البطارية. تختلف بطاريات الليثيوم من حيث حجمها وتصميمها وكيمياء أقطابها الكهربائية التي تحدد عمرها الافتراضي؛ وبشكل عام، تدوم البطاريات الأعلى جودة لفترة أطول.

يمكن أن يتأثر عمر دورة بطارية ليثيوم أيون بوليمر الليثيوم-أيون بشكل كبير بعمق التفريغ ومعدل الشحن ودرجة الحرارة ونمو المقاومة الداخلية بمرور الوقت - تؤثر كل هذه العوامل على فقدان السعة بالإضافة إلى تدهور الدائرة الكهربائية المبكر.

تُظهِر بطاريات ليثيوم بوليمر تمددًا أقل دراماتيكيًا عند الشحن الزائد من نظيراتها من بطاريات الليثيوم أيون؛ ويميل تمددها إلى أن يكون أقل وضوحًا أيضًا، وتميل قدراتها على ركوب الدراجات إلى التفوق على الأشكال الأخرى من تكنولوجيا بطاريات الليثيوم بسبب إلكتروليت DEE الفريد من نوعه، والذي يوفر توصيلًا أيونيًا ممتازًا بين الأقطاب السالبة والموجبة لتحسين الموثوقية والقدرة على ركوب الدراجات؛ بالإضافة إلى ذلك، تتميز هذه الخلايا بطبقات متينة على أقطابها للحماية من التآكل لمزيد من طول العمر والأمان - مما يخلق بطاريات آمنة مناسبة لمجموعة متنوعة من التطبيقات والأجهزة!

الشحن

قد يكون من الصعب شحن بطاريات الليثيوم بوليمر بشكل صحيح. من الضروري أن يتبع المستخدمون تعليمات الشركة المصنعة واستخدام شاحن فعال من أجل شحن هذه الخلايا بشكل صحيح، وقبل استخدامها يجب شحنها بالكامل قبل استخدام أي جهاز. إن بنيتها الداخلية معقدة حيث يتطلب شحنها التنقل عبر عدة واجهات مثل واجهة الكاثود-الإلكتروليت، وشبكة القطب السالب والإلكتروليت. من الممكن أن يكون الشحن الزائد لبطاريات بوليمرات الليثيوم ممكنًا؛ لذا فإن مراقبة مستويات البطارية بانتظام أمر أساسي لأن الشحن الزائد قد يحدث في بعض الأحيان.

توفر بطاريات بوليمر الليثيوم جهداً وطاقة أعلى عند شحنها بالكامل، فضلاً عن كونها أقل حساسية للتغيرات في درجات الحرارة من أنواع البطاريات الأخرى. كما يمكن إعادة شحن بطاريات بوليمر الليثيوم عدة مرات دون زيادة عمرها الافتراضي؛ ومع ذلك، يجب أن يتم الشحن ببطء في مكان مغلق لأن الشحن غير السليم قد يؤدي إلى هروب حراري ويسبب حرائق أو انفجارات.

وكجزء من عملية الشحن، تتحرك أيونات الليثيوم من القطب الموجب إلى إلكتروليت، ثم إلى القطب السالب المكون من الجرافيت. وبمرور الوقت، ومع اقترابها من الليثيوم المعدني تتحرر في النهاية من روابط الجرافيت، وتتحول إلى تشعبات تخترق الحجاب الحاجز بين القطبين الموجب والسالب مما يؤدي إلى حدوث ماس كهربائي.

يجب شحن بطاريات بوليمر أيونات الليثيوم أيون عند 0.2 درجة مئوية أو أقل لضمان ظروف شحن آمنة. وينبغي شحنها لمدة 30 دقيقة على الأقل حتى يصل تيارها إلى نقطة التشبع - عادةً 101 تيرابايت 3 تيرابايت من سعتها الإجمالية - قبل الوصول إلى 4.2 فولت لكل خلية باعتباره الجهد الذي يجب أن ينتهي عنده الشحن.

يمكن أن يؤدي الشحن الزائد للبطارية إلى ضرر دائم، حيث تتجاوز سرعة الشحن عمليات الإقحام وتتسبب في بقاء الكثير من الأيونات على سطحها. وقد يؤدي الشحن الزائد إلى تسريع شيخوخة البطارية في الحالات القصوى.