بطاريات الليثيوم بوليمر

بطاريات ليثيوم بوليمر (LiPo) هي بطاريات ليثيوم أيون قابلة لإعادة الشحن تتميز بتقنية الإلكتروليت الصلب التي تجعلها أرق وأخف وزناً من نظيراتها التقليدية.

ونظراً لإمكانية شحنها بالبطاريات، فإن هذه المكثفات تُعد الحل الأمثل لحزمة البطاريات للهواتف المحمولة وغيرها من المعدات التي تعمل بالبطاريات. علاوة على ذلك، يستخدمها هواة الإلكترونيات في الطائرات بدون طيار التي يتم التحكم فيها عن بُعد.

كثافة الطاقة

يصف قياس كثافة الطاقة قدرة البطارية على تخزين كمية متساوية من الشحنة الكهربائية داخل مساحة محددة بالنسبة للحجم. ويمكن حساب قيمتها باستخدام الصيغة الديناميكية الحرارية: e = DG / ma، حيث يمثل DG التغير في طاقة جيبس لتفاعل الأكسدة والاختزال ويمثل ma كتلة جميع المواد النشطة داخل خليتها. تُستخدم كثافة الطاقة كمقياس واحد لأداء البطارية وتقييم عمرها الافتراضي؛ ومع ذلك، يجب أيضًا مراعاة اعتبارات أخرى مثل ثبات الدورة والقدرة على المعدل عند اختيار البطاريات لتطبيقات محددة.

شهدت بطاريات بوليمر الليثيوم تحسينات كبيرة في كثافة طاقتها من خلال استخدام إلكتروليتات البوليمر الصلبة، وتحديداً تلك المصنوعة من البوليمرات الصلبة. ويمنع هذا النهج تكوين تشعبات الليثيوم مع زيادة القوة الميكانيكية للأقطاب الكهربائية. علاوة على ذلك، يعمل هذا الإلكتروليت على تحسين التوصيل الأيوني مما يسمح بمعدلات شحن/تفريغ أسرع.

يحدث الشحن عن طريق دائرة خارجية تطبق جهدًا زائدًا على البطارية، مما يدفع الإلكترونات من قطبها الموجب إلى قطبها السالب عبر الإقحام وأيونات الليثيوم التي تتحرك بين قطبي البطارية. وهذا يزودها بمصدر الطاقة الكيميائية التي تخزنها كشحنة في مواد القطب الكهربائي.

ويتطلب المستوى العالي من تفاعلية الليثيوم استخدام إلكتروليت غير عضوي، مثل كربونات الإيثيلين أو كربونات البروبيلين مع وجود معقدات الليثيوم، وذلك لضمان التشغيل الآمن لمادة قطب كهربائي تتطلب طلاء بطبقات عالية التوصيل من أجل التشغيل السليم.

تتمتع إلكتروليتات الحالة الصلبة بمقاومة أقل من كربونات الإيثيلين السائلة، ويمكنها تحمل درجات حرارة أعلى، مما يوفر إمكانية زيادة كثافة الطاقة في بطاريات الليثيوم بشكل كبير، ويجري حاليًا استكشافها من قبل العديد من الشركات.

توفر البطاريات المعدنية الهوائية حلاً ممكناً آخر، باستخدام رقائق معدنية كأنود وهواء ككاثود. ويوفر هذا النوع من البطاريات كثافة طاقة نظرية أعلى مع كونه أكثر ملاءمة للبيئة من خلايا الليثيوم أيون التقليدية؛ كما أنه يوفر أوقات شحن أسرع وعمر افتراضي أطول وقدرة أقل على الدوران قد تتلف خلاياها عند تعرضها لمعدلات استخدام قصوى.

كثافة الطاقة

بطاريات بوليمر الليثيوم هي بطاريات قابلة لإعادة الشحن تستخدم إلكتروليتات بوليمرية صلبة بدلاً من تلك السائلة لتحسين كثافة الطاقة والمرونة. وتتيح كثافة الطاقة المتزايدة لهذه البطاريات إمكانية استخدامها في الأجهزة ذات عوامل الشكل الفريدة؛ مثل الطائرات بدون طيار، والنماذج التي يتم التحكم فيها لاسلكيًا والأجهزة القابلة للارتداء حيث يكون تقليل الوزن أمرًا ضروريًا. وغالباً ما يتم العثور عليها لتشغيل هذه الأدوات.

توفر بطاريات بوليمر الليثيوم عادةً كثافة طاقة تتراوح بين 100 إلى 200 واط/ساعة لكل كيلوغرام، وهو ما يلعب دوراً حاسماً في تحديد كمية الكهرباء التي يمكن توليدها ضمن معايير وزن وحجم معينة. وكلما انخفضت كثافة الطاقة، يجب أن تنخفض كثافة الطاقة، وهو ما يمكن أن يمثل تحديات عند التعامل مع تطبيقات معينة.

تستخدم بطاريات الليثيوم البوليمرية إلكتروليت يتكون من بوليمرات صلبة موصلة للأيونات مثل أكسيد البولي إيثيلين (PEO)، والبولي (كربونات ثلاثي الميثيلين) عالي الوزن الجزيئي (PTMC)، وأكسيد البولي بروبيلين (PPO). وعلاوة على ذلك، غالبًا ما يُضاف بولي (LiTFSI) أو بولي (Li-NMC) كمحلول ملح خالٍ من المذيبات لزيادة تقليل لزوجة محاليل الإلكتروليت السائل.

عند تنشيطها، تعمل البطاريات عن طريق نقل الأيونات من الأنود إلى الكاثود عبر التيار، مما يؤدي إلى تفاعل أكسدة واختزال كهروكيميائي يطلق إلكترونات تترسب على الكاثود وبالتالي تصبح مختزلة مقارنة بحالتها الأولية كمادة مؤكسدة. وعندما تنتقل الطاقة من هذه الإلكترونات عبر الموصلات إلى دوائر خارجية يمكنها توليد الكهرباء التي تزودها بالطاقة.

وتوفر بطاريات الليثيوم بوليمر تنوعًا أكبر مقارنةً بنظيراتها التقليدية من بطاريات الليثيوم أيون، حيث تتميز بمساحات أصغر حجمًا وشكل أكثر مرونة، مما يجعلها تتناسب بسهولة مع الأجهزة ذات المساحة المحدودة للخلايا الكبيرة، وهي مثالية للأجهزة القابلة للارتداء والطائرات بدون طيار حيث تكون المساحة أكبر من غيرها.

يعد تطوير إلكتروليتات بطاريات الليثيوم-البوليمر الأكثر مرونة وأمانًا من المجالات البحثية ذات الأولوية. ولتحقيق هذا الهدف، استكشف العلماء مواد حشو غير عضوية مثل تيتانات الليثيوم وسيليكات المغنيسيوم؛ وتساعد هذه المواد الحشو على تقوية إلكتروليتات البوليمر الصلبة، ومنع نمو شجيري الليثيوم وتحسين استقرار تدوير خلايا أفلام الليثيوم البوليمرية الصلبة.

الشواحن

تتطلب بطاريات الليثيوم بوليمر شاحنًا قادرًا على مراقبة التيار والجهد ودرجة الحرارة والتحكم بها ودائرة حماية لحمايتها من الشحن الزائد أو إتلاف المكونات الداخلية. يمكن استخدامها في العديد من الأجهزة الإلكترونية المحمولة التي تحتاج إلى شحن متكرر؛ وستمكّن طرق الشحن الفعالة هذه الأجهزة من الوصول إلى كامل إمكاناتها بمرور الوقت.

وقد حظيت بطاريات بوليمر الليثيوم ببعض الاهتمام السلبي بسبب التقارير التي تفيد باحتراقها تلقائياً، ولكن غالباً ما تكون هذه التقارير مبالغاً فيها ومبالغاً فيها. عادةً ما تكون الحرارة الزائدة هي المسؤولة عن مثل هذه الحوادث، مما يؤدي إلى تفاعلات كيميائية هاربة تتسبب في النهاية في نشوب حرائق - لذلك، من الضروري ألا تبقى وحدات الشحن متصلة أثناء الاستخدام، وألا يترك مفتاحها قيد التشغيل أثناء الشحن. من أجل ممارسات الشحن الآمنة، من الضروري أن يتم فصل البطارية أثناء الشحن، مع تأمين كابلها بشكل صحيح على وحدة التحكم في وحدة التحكم في الطاقة.

عندما يتم شحن البطاريات، تنتقل أيونات الليثيوم من القطب الموجب إلى القطب السالب، مما يؤدي إلى تكوين أكسيد الليثيوم أثناء انتقالها. ويسبب هذا التفاعل الكيميائي التآكل أو "الصدأ"، ومع تراكمه يتسبب في ارتفاع مستويات المقاومة الداخلية مما يؤدي إلى ارتفاع متطلبات المقاومة الداخلية لتشغيل البطارية.

يبذل الباحثون جهودًا لتعزيز أداء بطاريات بوليمر الليثيوم. ومن خلال استخدام إلكتروليتات البوليمر الصلبة التي تزيد من التوصيلية، حقق الباحثون زيادة في الدورة والمعدل بالإضافة إلى تحسينات سطحية لمعدن الليثيوم باستخدام تكنولوجيا النانو.

تتمثل إحدى الطرق الفعالة لزيادة أداء بطارية ليثيوم بوليمر في نظام إدارة حرارية، مثل رقاقة إلكترونية تساعد في التحكم في معدل الشحن والجهد، واكتشاف الإجهاد الحراري والمساعدة في تجنب ارتفاع درجة الحرارة. مع تحسن التكنولوجيا، ستستمر بطاريات بوليمر الليثيوم في أن تصبح أكثر فعالية؛ ومع ذلك، لا تزال سلامتها لا يمكن مقارنتها مع بطاريات أيونات الليثيوم.

السلامة

قام المصنعون بتصميم العديد من ميزات السلامة في بطاريات بوليمر الليثيوم لمنع فشلها بسبب الحرارة. على سبيل المثال، فهي تحد من كمية المواد النشطة لتحقيق التوازن بين كثافة الطاقة والسلامة؛ وتضم أجهزة حماية متعددة في الخلايا؛ ولديها دائرة حماية إلكترونية تراقب الخلايا التي تغلق تلقائياً عندما تصبح درجة حرارتها الداخلية مرتفعة للغاية.

هناك طريقة أخرى تستخدم لإبقاء درجات الحرارة تحت السيطرة وهي نظام الإدارة الحرارية. ويتكون النظام من وسادات حرارية مترابطة تعمل على توصيل الحرارة من الخلايا الفردية مع تبريدها أيضاً عن طريق نفخ الهواء فوقها، مما يساعد على منع ارتفاع درجة الحرارة وإطالة عمر البطارية.

يمكن أن تكون بطاريات بوليمر الليثيوم آمنة للغاية عند استخدامها بشكل صحيح. فهي لا تشعل حرائق مثل نظيراتها من البطاريات السائلة والأعطال المتعلقة بالحرارة نادرة نسبياً. ومع ذلك، تظل بوليمرات الليثيوم حساسة لمصادر الحرارة الخارجية ويجب تخزينها دائماً في مكان بارد بعيداً عن أشعة الشمس المباشرة أو مصادر الحرارة الكبيرة مثل السخانات أو المواقد.

لتقليل مخاطر الحرائق، يجب تخزين بطاريات الليثيوم في بيئة باردة بعيداً عن أي شيء قابل للاشتعال، مع وجود مطفأة إطفاء بالقرب منها وإعادة شحنها بانتظام إذا كنت تخطط لتخزين عبوة لأكثر من ثلاثة أشهر.

استخدم دائماً شاحن مصمم خصيصاً لحزم LiPo وراجع الإعدادات بعناية، بما في ذلك عدد الخلايا والتيار. احتفظ أيضاً بأي أجسام معدنية يمكن أن تسبب ماس كهربائي. عند استخدامها في النماذج التي يتم التحكم بها لاسلكياً، يوصى بشدة باستخدام كيس ليبو.

لا تحاول أبدًا محاولة "تسخين" أو زيادة الجهد عن 4.2 فولت لكل خلية من أجل تحسين الأداء؛ فغالبًا ما تدعي هذه الأجهزة خلاف ذلك ولكنها قد تزيد في الواقع من مخاطر الحريق أو تتلف المعدات في هذه العملية.