بطارية ليثيوم بوليمر

أصبحت بطاريات بوليمر الليثيوم (المعروفة أيضًا باسم بطاريات LiPo) خيارًا شائعًا بشكل متزايد في عالم التحكم اللاسلكي. توفر خلايا الليثيوم بوليمر الليثيوم خفيفة الوزن هذه أوقات تشغيل طويلة وسعة طاقة فائقة، وتوفر راحة أكبر.

فهي تتميز بتصنيف C ممتاز، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات التي تتطلب دفعات سريعة من السرعة مثل سباقات الطائرات بدون طيار.

وقد أظهرت الأيونات غير المائية المملوءة بالمذيبات التي تربط الأنيونات بالأغشية المضيفة من البوليمر أداءً محسنًا لبطاريات البوليمر الليثيوم من خلال تخفيف الترسبات التشعبية.

المنحل بالكهرباء

تُعد بطاريات الليثيوم أيون مصدر طاقة لا غنى عنه للأجهزة الإلكترونية مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر وأجهزة الكمبيوتر اللوحي. وعلى الرغم من أن بطاريات أيونات الليثيوم تقوم بعمل رائع في توفير الطاقة لهذه الأجهزة، إلا أنها تنطوي أيضاً على العديد من القيود التي غالباً ما تؤثر سلباً على الأداء. وتوفر بطاريات بوليمر الليثيوم بديلاً من خلال التخلي عن استخدام الإلكتروليت السائل تماماً لصالح إلكتروليتات الحالة الصلبة؛ مما يجنبها الأضرار المادية أو الهروب الحراري من التأثير على هذه السوائل ويوفر حلولاً للإلكتروليتات الصلبة بدلاً من ذلك.

وتوفر إلكتروليتات البوليمر الصلبة (SPEs) نقاط غليان أقل من الإلكتروليتات السائلة العضوية ويمكن جعلها أكثر مرونة من خلال دمج ألياف نانوية فيها، مما يمنح بطاريات بوليمر الليثيوم إمكانية وضعها داخل بطاقات الائتمان بشكل أكثر إحكاما من المعتاد. وبالإضافة إلى ذلك، وبفضل الشوارد السائلة الأقل سمكاً المستخدمة في بطاريات البوليمر مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون العادية، يمكن أن تتضاعف سعتها.

وتوفر إلكتروليتات الحالة الصلبة العديد من المزايا مقارنة بالبطاريات ذات الإلكتروليتات السائلة، وخاصة وقت التصنيع. وعادة ما تنطوي البطاريات التقليدية على عدة خطوات مثل تخصيص مواد الأقطاب الموجبة والسالبة قبل التجميع مع الفواصل وإضافة الإلكتروليت السائل؛ وعلى النقيض من ذلك، يمكن تجميع بطاريات بوليمر الليثيوم في كثير من الأحيان في خطوة واحدة.

توفر بطاريات بوليمر الليثيوم أماناً إضافياً. ولأنها لا تستخدم إلكتروليتات سائلة، فإن بوليمرات الليثيوم أقل عرضة للمشاكل الناجمة عن ارتفاع حالة الشحن (SOC) أو الشحن الزائد. ستتمدد البطارية السائلة النموذجية، عند تعرضها لدورات SOC/ الشحن الزائد، بسبب التبخير الطفيف للإلكتروليت؛ وغالباً ما يؤدي هذا التمدد إلى حدوث تشققات في واجهة القطب/الإلكتروليت والطبقات البينية والضغوط الميكانيكية الناجمة عن عملية التمدد هذه التي تؤدي إلى تدهور طبقات الخلية الداخلية أو الترسبات الكهربائية المعدنية غير المواتية مثل التشعبات.

وقد ركز شي وآخرون جهودهم البحثية على ابتكار معززات الطاقة الشمسية التي يمكنها التغلب على مثل هذه المشاكل، حيث قاموا بإنشاء معززات الطاقة الشمسية ثلاثية الأبعاد ذاتية التجميع باستخدام سائل أيوني مركب مع السليلوز الذي يتميز بقدرة توصيل أيوني مذهلة تبلغ 2.0×10-4 S/سم عند 25 درجة مئوية وخصائص ميكانيكية ممتازة. وعلاوة على ذلك، يقوي السليلوز أيضًا السلامة الهيكلية للسائل الأيوني الذاتي التجميع مع تشكيل تناسق قوي لليثيوم لتعزيز ذوبان ملح الليثيوم وبالتالي تحسين النقل الكلي للأيونات مع منع تسرب السائل الأيوني الذاتي التجميع.

القطب السالب

يعمل كاثود البطارية كقطب سالب، حيث يسحب الإلكترونات بعيداً عن القطب الموجب أثناء التفريغ. تميل مواد الكاثود إلى أن تكون ذات أساس كربوني مثل الجرافيت أو السيليكون؛ ويميل الجرافيت إلى الاستخدام أكثر بسبب انخفاض تكلفته وتوصيله الكهربائي العالي وثباته بينما يوفر السيليكون كثافة طاقة أعلى. هناك العديد من التكرارات لمواد الكاثود المستخدمة اليوم والتي تهدف إلى تحقيق التوازن بين كثافة الطاقة وعمر الدورة.

الأنود هو القطب الموجب في البطارية، حيث يعمل على امتصاص أيونات الليثيوم المشحونة إيجابياً أثناء الشحن. وتشمل مواد الأنود الشائعة سبائك النيكل والكوبالت التي توفر توازناً جيداً بين كثافة الطاقة وعمر الدورة؛ وهي أقل تكلفة من خيارات النيكل النقي مع انخفاض درجة انصهارها/نقطة غليانها مما يجعلها مناسبة لدرجات الحرارة العالية لبطاريات السيارات.

ويحدث الشحن عن طريق تطبيق جهد زائد من مصدر طاقة خارجي على كل خلية، مما يدفع الإلكترونات من قطبها الموجب إلى قطبها السالب وإقحام أيونات الليثيوم مع مادة الأنود للإقحام. وبمجرد شحنها، تزداد سعة البطارية ببطء حتى يتم استيفاء الحد الأعلى لجهد الشحن لكل خلية.

حظيت بطاريات الليثيوم أيون ببعض الصحافة لميلها إلى الاشتعال التلقائي؛ ومع ذلك، فإن خطرها لا يزال منخفضًا نسبيًا. والأكثر شيوعًا بين هذه البطاريات هو الهروب الحراري، حيث يسخن قطبها السالب قبل أن يبدأ في التأكسد واحتمال الاشتعال، مما يؤدي في النهاية إلى انفجار أو حريق في سلسلة من التفاعلات المتفجرة التي تؤدي إلى انفجار أو حريق في حزمة البطارية.

قد تساعد خلايا الليثيوم أيون المزودة بإلكتروليتات بوليمرية صلبة في تقليل مخاطر الهروب الحراري. وتتكون هذه الإلكتروليتات من أغشية شبيهة بالبلاستيك تحل محل الفواصل المسامية التقليدية في المسام العضوية المغمورة بالمذيبات؛ وعادة ما تتكون من أحد البوليمرات المتعددة مثل الأكريلونيتريل أو الزبدات أو فلوريد البولي فينيل الدين (PVdF).

الأنود

الليثيوم في شكله العنصري النقي شديد التفاعل. ولتجنب التفاعل مع الماء وإنتاج غاز الهيدروجين الذي قد يتسبب في انفجار البطارية، تستخدم بطاريات الليثيوم أيون شوارد غير مائية مكونة من أملاح الليثيوم في بوليمرات مثل كربونات الإيثيلين أو كربونات البروبيلين - وهي أربعة مكونات رئيسية تشكل خلية بطارية واحدة في هذه الحالة.

وتتكون الكاثودات في بطاريات الليثيوم من أكسيد الفلزات، بينما تتكون الأنودات من الكربون المسامي. عند تفريغ الشحن، تنتقل أيونات الليثيوم من الأنود من خلال المنحل بالكهرباء والفاصل إلى الكاثود عبر المنحل بالكهرباء لإنتاج الطاقة الكهربائية. وعلى العكس، تعود الأيونات أثناء الشحن من خلال إطلاق الأنود إلى الكاثود مرة أخرى مما يوفر المزيد من الطاقة.

تُصنع كل من كاثودات وأنودات حزم البطاريات من مركبات اصطناعية يتم طحنها إلى جزيئات دقيقة قبل خلطها مع مواد رابطة ومذيبات قبل أن يتم طلاؤها على رقائق معدنية (عادةً ما تكون من الألومنيوم للأنود والنحاس للكاثود). وبعد فردها على سطح الرقائق المعدنية هذه، يتم نشر هذه الخلائط على السطح وتجفيفها في فرن لتأمين بنيتها وإزالة بقايا المذيبات/المواد الرابطة وإنشاء طبقة رقيقة مسامية دقيقة قابلة للنفاذ إلى أيونات الليثيوم.

ويتكون الأنود عادةً من أكسيد النيكل والكوبالت (NiCoO2) أو ثاني أكسيد الليثيوم والمنغنيز (LiMn2O4)؛ وتوفر كلتا المادتين تكاليف أقل من الكوبالت بينما يمكن أكسدتهما بسهولة إلى حالتيهما الطبيعيتين من النيكل والمنغنيز. ويسهل التركيب الشبكي المكعب لـ Li-LiMn2O4 الانتشار ثلاثي الأبعاد لأيونات الليثيوم داخل البلورات وخارجها؛ وأثناء التفريغ يتم إدخال أيون ليثيوم واحد لكل أيوني منغنيز في هذه البلورات بينما يؤدي الشحن إلى إزالة أيون ليثيوم واحد من أيون واحد لكل أيوني منغنيز ثم استخراجه بشكل عكسي أثناء الشحن.

تستخدم بعض البطاريات أنودات الكربون الموصلة البلاستيكية، وهي أرخص بكثير وذات قدرة وقدرة على التدوير أقل من أنودات الليثيوم المعدنية. ومع ذلك، فإنها تشكل خياراً جذاباً لإعادة التدوير حيث لا تحتاج إلى الخضوع لعمليات تنقية باهظة الثمن وتستغرق وقتاً طويلاً بعد ذلك؛ ومع ذلك، فإن هذا يؤدي إلى تراكم الليثيوم المعدني على سطحها مما يقلل من قدرتها بمرور الوقت.

الهروب الحراري

يحدث الهروب الحراري لبطارية بوليمر الليثيوم عندما تصبح تفاعلاتها الكيميائية الداخلية ذاتية الاستدامة وتنتج الحرارة وتطلق الطاقة بمعدل متزايد بشكل كبير. في هذه المرحلة، يزداد الضغط بسرعة داخل البطارية حيث تتشكل الغازات التي تتسبب في التمدد داخل الخلايا أثناء تمددها مما يؤدي إلى انفجار غلاف البطارية وإطلاق كميات كبيرة من الغازات القابلة للاشتعال التي يمكن أن تشكل خطراً على حياة الإنسان.

يمكن أن ينجم الهروب الحراري عن عوامل متعددة، بما في ذلك الشحن الزائد للبطارية، أو تعريضها لدرجات حرارة عالية، أو عطل ميكانيكي أو قصر في الدائرة الكهربائية الداخلية/الخارجية. وهو حدث مفاجئ يصعب السيطرة عليه، ويؤدي في النهاية إلى تدميرها بسبب عدم استقرار المواد العضوية في الليثيوم وانهيارها، مما يؤدي إلى زيادة سريعة وخطيرة في درجة الحرارة التي تخلق تسخينًا داخليًا داخل خلايا البطارية يؤدي إلى عمليات هروب حراري.

تولد جميع بطاريات الليثيوم-أيون بعض الحرارة، ولكن إذا تجاوز معدل توليد هذه الحرارة معدل تبديدها فإن درجة حرارتها الداخلية سترتفع بشكل كبير حتى تفقد استقرارها. عند هذه النقطة ستنتفخ الخلية الداخلية مع انهيار هيكلها الفاصل، مما يؤدي إلى تلامس الأقطاب الكهربائية بين الأقطاب وإثارة تفاعلات كيميائية طاردة للحرارة تسرع من ارتفاع درجة الحرارة مع إنتاج كميات هائلة من الحرارة التي تزيد من ارتفاع درجة حرارة الخلية حتى يحدث الهروب الحراري.

يمكن أن يكون الحد من الهروب الحراري تحديًا لا يمكن التغلب عليه تقريبًا، وهنا يأتي دور وسائل الحماية من الفشل مثل إيقاف تشغيل الفاصل - فهي تعمل عن طريق إيقاف نقل الليثيوم الذي يوقف عملية الهروب الحراري، على الرغم من أنها قد تستغرق بعض الوقت لتعمل سحرها؛ وحتى يحين ذلك الوقت، تستمر درجة حرارة البطارية في الزيادة بشكل مطرد.

ولذلك، لتقليل مخاطر هذا الحدث وحماية البطاريات بشكل أكثر فعالية من الهروب الحراري، تتمثل إحدى الإستراتيجيات الفعالة في تخزينها في خزانة بطاريات مزودة بمستشعرات درجة الحرارة التي تراقب درجات حرارة الخلايا الداخلية ويمكنها التدخل قبل أن تصل إلى عتبة الهروب الحراري. تأتي هذه الخزانات أيضاً مزودة بقدرات اتصال لتمكين اتخاذ القرارات المستندة إلى البيانات عندما يتعلق الأمر باحتياجات الشحن والتخزين والصيانة.