بطاريات الليثيوم أيون

تُستخدم بطاريات الليثيوم أيون على نطاق واسع لتشغيل الإلكترونيات الاستهلاكية مثل الهواتف المحمولة والكاميرات الرقمية، نظرًا لكثافة الطاقة والطاقة العالية التي تتمتع بها وعمرها الطويل وسرعة إعادة شحنها.

ويكمن الأداء العالي لهذه البطاريات في مواد الكاثود الخاصة بها؛ مثل أكسيد كوبالت الليثيوم وفوسفات حديد الليثيوم وكوبالت النيكل والمنغنيز والنيكل والمنغنيز (NMC). وعلاوة على ذلك، تتميز هذه البطاريات عادةً بأنودات الجرافيت.

التكلفة

أصبحت بطاريات الليثيوم أيون إحدى الركائز الأساسية للتنقل الكهربائي. ويمكن لكثافة الطاقة التي توفرها هذه البطاريات أن توفر أداءً عاليًا في عبوات صغيرة وخفيفة الوزن - وهي مثالية للأجهزة الاستهلاكية والأدوات الكهربائية والمركبات الكهربائية على حد سواء. وعلاوة على ذلك، فإن طاقتها النوعية الأعلى تعني أن بطاريات أيونات الليثيوم يمكنها توفير سعة شحن أكبر لكل كيلوغرام من التقنيات المنافسة.

تتكون خلايا بطارية الليثيوم أيون من أنود وكاثود وإلكتروليت. أثناء دورات التفريغ، تنفصل ذرات الليثيوم عن إلكتروناتها عند الأنود قبل أن تنتقل عبر الكهارل إلى الكاثود حيث يعاد تجميعها معه لتكوين أيونات يتم تحييدها كهربائياً؛ وفي دورات إعادة الشحن تنتقل هذه الأيونات مرة أخرى عبر الكهارل إلى الأنود لإعادة الشحن.

وقد انخفضت تكاليف بطاريات أيونات الليثيوم بشكل كبير خلال العقد الماضي، ولكن سيكون من الضروري إجراء المزيد من التخفيضات إذا ما أرادت المركبات الكهربائية الكهربائية الكهربائية أن تصبح قادرة على المنافسة مع المركبات التي تعمل بمحركات الاحتراق الداخلي والتخزين الثابتة.

تُعد تكنولوجيا بطاريات الليثيوم أيون اليوم أكثر فعالية من حيث التكلفة بأكثر من الضعف مقارنة بالأجيال السابقة، حيث انخفضت أسعارها بأكثر من 801 تيرابايت منذ أوائل التسعينيات بسبب أساليب الإنتاج الضخم والابتكارات التكنولوجية.

انخفضت تكاليف بطاريات أيونات الليثيوم بشكل كبير بمرور الوقت، ومع ذلك فإن المزيد من التخفيضات ستكون حاسمة لاعتمادها على نطاق واسع في الاستخدامات المختلفة. وقد أجرت إيفلينا ستويكو من BloombergNEF مؤخرًا بحثًا يتناول كيفية انخفاض تكاليف المكونات والمواد الخام لبطاريات الليثيوم بسبب التوسع في قدرات الإنتاج عبر سلاسل التوريد، بالإضافة إلى الابتكارات في المواد وتصميمات العبوات وتصنيع الخلايا كعوامل رئيسية تقود هذا الاتجاه.

ويعكس نهج النمذجة التصاعدي في التقرير تكلفة كل مكون من مكونات إنتاج بطاريات الليثيوم أيون، مما يسمح بإجراء مقارنات بين مختلف تصاميم الخلايا وعمليات الإنتاج. ويدمج التقرير عوامل مثل أسعار المواد الخام والمتطلبات التكنولوجية للمنتجات النهائية والطلب على الموارد في عمليات الإنتاج لتحديد محركات التكلفة التي قد تتيح المزيد من التخفيضات. ومن المأمول أن يكشف هذا التحليل عن محركات التكلفة المحتملة ويؤدي إلى تخفيضات أكبر في تكاليف إنتاج بطاريات أيونات الليثيوم.

الطاقة الاستيعابية

لقد أصبحت بطاريات الليثيوم أيون مصدر الطاقة المفضل للإلكترونيات الاستهلاكية في الحياة العصرية، بالإضافة إلى السيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة، مما يخلق تحديات جديدة لمصنعي البطاريات. يكمن أحد مفاتيح أداء بطاريات أيونات الليثيوم في قدرتها. ولحساب سعة خلية واحدة ستحتاج إلى معلومات مثل نوعها وجهدها وتاريخ دورة الشحن؛ لضرب جهدها الاسمي مع تيار التفريغ المقدر لها للحصول على الأمبير/ساعة (Ah).

تتألف بطاريات أيونات الليثيوم عادةً من قطبين: قطب أنود يطلق الإلكترونات، وقطب موجب أو كاثود حيث تعود الإلكترونات. وتنتقل أيونات الليثيوم بين هذين القطبين من خلال محلول إلكتروليت؛ وتتمتع أيونات الليثيوم في مادة الكاثود بتقارب كيميائي أكبر لتخزين الإلكترونات بسهولة أكبر من نظيرتها في الأنود - وهذا يجعل بطاريات الليثيوم أيون فعالة بشكل خاص.

تتألف بطاريات أيونات الليثيوم من أنود مكون من الجرافيت أو مادة أخرى قائمة على الكربون مع إضافة السيليكون لزيادة السعة، وكاثود مكون من سبينيل الليثيوم المنغنيز وهو هيكل معدني غير عادي قادر على تخزين أيونات الليثيوم داخل طبقاته. طوّر م. ستانلي ويتينغهام أول بطارية ليثيوم أيون قابلة لإعادة الشحن في سبعينيات القرن الماضي باستخدام ثاني كبريتيد التيتانيوم كمادة كاثود مع أنودات أكسيد الألومنيوم الليثيوم؛ ثم قام جون غودينو بتحسينها باستخدام كاثودات سبائك النيكل والكوبالت بدلاً من ذلك.

تشير تقديرات Commodity Insights إلى أن الطلب العالمي على بطاريات الليثيوم أيون يتزايد بسرعة، حيث تشير التقديرات إلى أن القدرة التصنيعية العالمية ستصل إلى 6.5 تيراواط ساعة بحلول عام 2030. ولسوء الحظ، لا تزال المواد الخام اللازمة لبطاريات الليثيوم أيون محدودة؛ وقد تتسبب الجداول الزمنية الطويلة للموافقة على مشاريع التعدين الجديدة وتشييدها في نقص في مكونات البطاريات الرئيسية بحلول عام 2025.

السلامة

تعمل بطاريات الليثيوم أيون على تشغيل العديد من الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية المحمولة والمركبات الكهربائية، ولكن عندما تتعطل يمكن أن تتسبب في نشوب حرائق. عندما يتم شحنها بسرعة كبيرة أو عند ارتفاع درجة حرارتها، قد تبدأ أيونات الليثيوم داخلها بالتحرك وتتسبب في حدوث هروب حراري، مما يؤدي إلى نشوب حريق في البطارية نفسها - وهو ما يُعرف بالهروب الحراري. قد يكون من الصعب إطفاء حرائق أيونات الليثيوم أيون؛ قد توفر طفايات الحريق التي تعتمد على الماء تأثيرات تبريد مؤقتة ولكنها لا تستطيع إخماد مصدر الطاقة بالكامل حتى تتبدد طاقته؛ توجد طفايات خاصة من هلام أيونات الليثيوم أيون ولكن لم تنتشر بعد؛ لتحقيق أقصى قدر من الفعالية، من الضروري استخدام منتجات أيونات الليثيوم المعتمدة فقط عند شحنها!

تتطلب بطاريات الليثيوم-أيون اختبارات أكثر صرامة بسبب كثافة طاقتها الأعلى من بطاريات الرصاص أو النيكل الأقدم، وذلك بسبب التجميع المحكم للخلايا الذي يتطلبه تجميعها المحكم بسبب كثافتها الأعلى والمخاطر المحتملة لدخول الغبار المعدني عبر الفجوات بين الفواصل وتقصير الخلايا - وهو أمر يمكن أن يحدث على الرغم من ندرته.

كما يمكن أن يؤدي سوء الاستخدام الميكانيكي للبطاريات إلى زوالها. قد لا يؤدي اختراق مسمار يخترق بطارية 18650 داخل كيسها إلى تعطل الخلية على الفور، ولكنه قد يؤدي إلى تلف كل من المواد الفاصلة والمواد النشطة، مما قد يؤدي إلى تسرب الخلية. لتحقيق السلامة المثلى للبطارية، من الأفضل شحن بطارية 18650 على سطح صلب مثل الخرسانة أو المعدن بدلاً من شحنها بالقرب من أي مصادر للاشتعال مثل مخاطر الحريق، بينما من الأفضل شحن البطاريات الكبيرة مثل تلك الموجودة في الدراجات الإلكترونية أو الدراجات البخارية في مرآب أو سقيفة بدلاً من أماكن المعيشة بالقرب من المخارج أو غرف المعيشة أو بالقرب من المخارج.

إذا كانت البطارية ساخنة الملمس أو تفقد شكلها أو تنبعث منها رائحة غريبة، فيجب التخلص منها فوراً. لا ينبغي أبداً وضع البطاريات والأجهزة التي تحتوي عليها في صناديق القمامة العادية لأنها يمكن أن تشتعل أثناء النقل أو التخلص منها في مدافن النفايات أو مراكز إعادة التدوير. تقدم NFPA مجموعة أدوات الحملة لمساعدة قادة المجتمعات المحلية على تثقيف سكانهم حول أهمية الإدارة الآمنة لبطاريات الليثيوم أيون من خلال الصور ومقاطع الفيديو وصحائف الحقائق التي يمكنهم مشاركتها مع وسائل الإعلام في منطقتهم.

الأثر البيئي

تُعد بطاريات الليثيوم أيون ضرورية لمستقبلنا منخفض الكربون، حيث توفر تخزين الطاقة للسيارات الكهربائية وتوليد الكهرباء المتجددة. ولسوء الحظ، ينتج عن إنتاجها انبعاثات كبيرة من غازات الاحتباس الحراري بالإضافة إلى استخدام طاقة كبيرة من الوقود الأحفوري لاستخراج المواد الخام لتصنيع الخلايا والوحدات وحزم البطاريات. يجب أخذ كل ذلك في الاعتبار.

وغالبًا ما تنتج عمليات التصنيع نفايات خطرة تشكل مخاطر على صحة الإنسان والبيئة، مما يستلزم إجراءات تخزين ونقل والتخلص من النفايات بطريقة سليمة.

يعد فهم التأثير الكامل لعمليات البطاريات الخاصة بك أمرًا بالغ الأهمية لضمان الامتثال للوائح المحلية والفيدرالية، مع تخفيف المخاطر الناجمة عن أنشطتك؛ وقد تشمل الخطوات وضع بروتوكولات السلامة المناسبة، وتدريب الموظفين على عمليات التخلص من البطاريات والإشراف على عمليات التخلص من البطاريات.

لبطاريات أيونات الليثيوم تأثير بيئي ضار عند مناولتها أو تخزينها بشكل غير صحيح. فبطاريات أيونات الليثيوم قابلة للاشتعال بشكل كبير وقابلة للانفجار أو الحريق، مع وجود نوافذ استقرار ضيقة وخصائص كيميائية حساسة تجعلها عرضة للهروب الحراري، أو الزيادات السريعة في درجة حرارة الخلية التي يتبعها تنفيس وحريق - وهذه الحوادث لديها القدرة على إلحاق الضرر بالمنشآت القريبة مع ترك آثار بيئية دائمة.

من أجل منع انتشار حرائق بطاريات الليثيوم أيون إلى المناطق المحيطة، من الضروري أن تتولى وحدة متخصصة إدارة مخاطرها بفعالية. هذه الوحدات مصممة لاحتوائها بأمان داخل حدودها مع استخراج الغازات الخطرة والدخان والرماد من الداخل - بالإضافة إلى منع انتشار اللهب عبر منطقة أوسع من خلال القنوات الداخلية لمرفقاتها.

من الأهمية بمكان ملاحظة التدهور التدريجي لقدرات بطاريات الليثيوم أيون بمرور الوقت، وذلك بسبب عدة عوامل مثل درجة الحرارة وحالة شحن البطارية. يمكن أن تتسبب درجات الحرارة المرتفعة في تليين المواد الهيكلية وتكوين الغازات مما يؤدي إلى فشل الأجزاء الأضعف. كما يؤدي الشحن الزائد والإفراط في التفريغ إلى تسريع فقدان السعة.