انباشتگر یا باطری‌های لیتیم یونی

باطریهای لیتیوم-یونی (Lithium-ion battery) مخفف انگلیسی Li-ion یک خانواده از باطریهای قابل شارژ هستند که در آنها در زمان دشارژ یون های لیتیم از الکترود منفی به سمت الکترود مثبت و در هنگام شارژ شدن وارونه حرکت می کنند. در باطری های لیتیم یونی، الکترود مثبت یا کاتد از یک ترکیب لیتیم مانند لیتیم کبالت اکسید و الکترود منفی یا آند از کربن ساخته شده و یک لایه جداکننده در بین آنها قرار دارد وجود لایه جداکننده به منظور اطمینان از عبور یونهای مورد نظر در فرایند الکتروشیمیایی مربوطه است الکترولیت در باطریهای لیتیمی از نمک لیتیم در یک حلال آلی ساخته شده است استفاده از حلال آلی در نقش الکترولیت به دلیل اشتعال زا بودن نیازمند انجام پاره ای از اقدامات ایمنی است. نقص در عملکرد هر یک از اجزای الکترولیت باعث نقص در عملکرد کل باطری می.شود باطریهای لیتیمی مجهز به مدارهای الکترونیکی محافظ و فیوزهایی جهت جلوگیری از عکس شدن قطبیت اعمال ولتاژ بیش از حد گرم شدن بیش از حد و موارد ایمنی دیگر هستند. شماتیک کارکرد باطریهای لیتیم-یونی در شکل زیر آورده شده است. باطری های لیتیم-یونی در اشکال و اندازه های مختلف ساخته می‌شوند چهار شکل اصلی و غالب جهت ساخت این باطری ها شامل استوانه ای کوچک، استوانه ای بزرگ، شبه مکعب مستطیل (به عنوان مثال باطری تلفن همراه) و پوشش های پلاستیکی سخت(مجموع باطری در خودروهای برقی) می‌باشد.باطریهای لیتیم یونی در فاز تجاری سازی قرار دارند.

انواع باطری های لیتیم – یونی

با توجه به مواد انتخابی برای الکترودها و همچنین ،الکترولیت انواع مختلفی از باطریهای لیتیم-یونی ساخته شده و به عنوان محصول تجاری عرضه شدهاند بر این اساس دسته ها یا کلاسهای گوناگونی نیز برای انواع باطریهای لیتیم یونی ارائه شده است. مبنای دسته بندی در کلاسهای مذکور نوع الکترود مثبت (کاتد)، نوع الکترود منفی (آند) و نوع الکترولیت می باشد. انواع مختلف باطریهای لیتیم یونی بر اساس نوع الکترود مثبت (کاتد) عبارتند از:

۱- باطری لیتیم کبالت اکسید
۲- باطری لیتیم نیکل اکسید
3- باطری لیتیم منگنز اکسید
۴- باطری لیتیم آهن فسفات
۵- باطری لیتیم نیکل منگنز کبالت اکسید
۶- باطری لیتیم نیکل کبالت آلومینیوم اکسید
انواع مختلف باطریهای لیتیم یونی بر اساس نوع الکترود منفی (آند) عبارتند از:

1-باطری پای کربنی 
2-باطری لیتیم تیتانت 
3- باطری لیتیم فلز 
4-باطری پای آلیاژی 
5- باطری پای سیلیکونی
6-باطری تبدیلی 
انواع مختلف باطریهای لیتیم یونی بر اساس نوع الکترولیت عبارتند از:
1-باطری با الکترولیت آبی 
2- باطری با الکترولیت مایع ارگانیکی
3-باطری با الکترولیت پلیمری 
4-باطری با الکترولیت سرامیکی
5-باطری با الکترولیت جامد

در سال ۱۹۸۷ Yoshino ژاپنی یک سلول نمونه از یک باطری لیتیم یونی را با استفاده از آند کرینی و به عنوان کاند طراحی نموده و ساخت شماتیک این سلول نمونه به همراه اجزای آن در شکل آورده شده است [۶۴].

 

شماتیک سلول نمونه از باطری لیتیم یونی ساخته شده توسط Yoshino ژاپنی در سال ۱۹۸۷ به همراه اجزای آن

1-الکترود مثبت (کاند) 2-الکترود منفی (آند) 3-میله جمع کننده جریان 4- شبکه معلق ۵- ترمینال خارجی ۶- محفظه یا پوشش سلول ۷-جداساز 8- الکترولیت

آند کرینی و   LiCoO₂به عنوان کاتد در هوا بسیار پایدار هستند. این مساله از دیگاه ساخت و تولید و جنیه های مهندسی بسیار حائز اهمیت است. طرح ارائه شده توسط Yoshino موجب شد تا سازندگان بزرگ باطری در اوایل دهه ۹۰ میلادی به ساخت باطریهای لیتیم یونی روی بیاورند. در واقع موفقیت این دانشمند ژاپنی نقطه آغاز طراحی و ساخت و توسعه باطری های مدرن لیتیم یونی به شکل تجاری بود. سرانجام شرکت  Sony در سال 1991 اولین نمونه از باطری های لیتیم یونی را تجاری نموده و روانه بازارکرد.

مشخصات و ویژگیهای باطریهای لیتیم-یونی

برای باطریهای لیتیم یونی بازه توان بین ۰۵, ۰ تا ۱۰ مگاوات بازه انرژی بین ۵۰ کیلووات تا ۲٫۵ مگاوات ساعت، انرژی مخصوص ۱۰۰ تا ۲۶۵ وات ساعت بر کیلوگرم و توان مخصوص ۱۵۰ تا ۲۰۰۰ وات بر کیلوگرم گزارش شده است. چگالی حجمی توان و چگالی حجمی انرژی برای ذخیره ساز مذکور به ترتیب بین ۱۳۰۰ تا ۱۰۰۰۰ کیلووات بر متر مکعب و بین ۳۰۰ تا ۴۰۰ کیلووات ساعت بر متر مکعب می باشد.

زمان شارژ در حد چند دقیقه تا چند ساعت زمان پاسخگویی معادل چند میلی ثانیه زمان دشارژ چند دقیقه تا چند ساعت بازه ذخیره سازی بین چند دقیقه تا چند روز کمتر) از یک ماه توصیه شده است عمق دشارژ برابر ۰٫۸ یا ۸۰ درصد و دشارژ خودی ۰٫۱۵ تا ۳ ۰٫ درصد در یک روز از جمله مشخصات دیگر باطریهای لیتیم یونی بشمار میروند. بازه دمایی مربوط به کارکرد این سیستم ها بین ۲۰ -تا ۶۰ درجه سانتیگراد می°باشد ولتاژ نامی هر سلول از این ذخیره ساز بین ۳٫۶ تا ۴٫۲ ولت قرار دارد.

بازده باطری های لیتیم یونی بین ۸۵ تا ۹۵ درصد است تداوم این ذخیره ساز شامل یک بار شارژ و دشارژ کامل ۱۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ و طول عمر آن بین ۲۰ تا ۲۵ سال می باشد هزینه سرمایه گذاری برای این ذخیره ساز شامل هزینه مربوط به توان بین ۱۲۰۰ تا ۴۰۰۰ دلار به ازای هر کیلووات و هزینه مربوط به انرژی بین ۴۰۰ تا ۲۵۰۰ دلار به ازای هر کیلووات ساعت گزارش شده است. هزینه تعمیر و نگهداری این ذخیره ساز در برخی مطالعات و گزارشات ناچیز و صفر ذکر شده است.

فضای مورد نیاز برای ذخیره سازی یک کیلووات ساعت انرژی در باطریهای لیتیم یونی حدود ۰٫۰۱ متر مربع می باشد. اثر حافظه در باطریهای لیتیم یونی دیده نشده است. با در نظر گرفتن پارامترهای زیاد، متوسط، کم، خیلی کم و فاقد تاثیر برای تاثیرات مخرب زیست محیطی، اثر زیست محیطی این ذخیره ساز " خیلی کم" گزارش شده است. با در نظر گرفتن امتیازهای ۱ تا ۵ برای خاصیت بازیافت بگونه ای که ۱ بدترین و ۵ بهترین حالت باشد، امتیاز بازیافت باطریهای لیتیم یونی برابر ۴ خواهد بود این باطریها قابلیت کاربرد متحرک نیز دارد.

با در نظر گرفتن سطوح ،خوب معمولی و ضعیف برای شاخصهای مقیاس پذیری و ایمنی و سطوح زیاد متوسط و کم برای شاخص انعطاف پذیری باطریهای لیتیم- یونی در شاخص اول در سطح خوب در شاخص دوم در سطح ضعیف و در شاخص آخر در سطح متوسط قرار می گیرد .

در سالهای اخیر استفاده از باطریهای لیتیم-یونی در خودروها یا وسایل نقلیه برقی مورد توجه پژوهشگران و مهندسان قرار گرفته و تحقیقات فراوانی در این زمینه انجام شده است. این تحقیقات به منظور دستیابی به فناوریهای برتر همچنان ادامه دارد در شکل زیر انواع مختلف باطریهای لیتیم یونی به منظور استفاده در خودرو برقی با یکدیگر مقایسه شده اند. در واقع پنج گروه از باطریهای لیتیم یونی بر اساس نوع الکترود مثبت شامل لیتیم کبالت اکسید (LiCoO2)، لیتیم منگنز اکسید (LMO) لیتیم آهن فسفات (LFP) لیتیم نیکل منگنز کبالت اکسید (NMC)، لیتیم نیکل کبالت آلومینیوم اکسید (NCA) و لیتیم تیتانته (LTO) با یکدیگر مقایسه شده اند.

 

مزایا و معایب باطریهای لیتیم یونی

در حالت کلی مزایای باطریهای لیتیم- یونی در مقایسه با سایر باطریهای مشابه عبارتند از:

۱- چگالی انرژی بالا ( ۶ تا ۷ برابر باطریهای سرب اسید)

۲- تداوم بالا (امکان استفاده تا ۶ سال با در نظر گرفتن استفاده نرمال)

3-ولتاژ نامی بالا در مقایسه با باطری‌های نیکل کادمیم یا نیکل هیدرید فلز ( با در نظر گرفتن ۳٫۷ ولت تقریبا سه برابر)

4- نرخ شارژ و دشارژ بالا که زمینه را برای استفاده از این باطری‌ها در وسایلی همچون خودرو برقی فراهم می‌سازد (به غیر از لیتیم کبالت اکسید)

5-دشارژ خودی کم

6- وزن کم

7-امکان استفاده در بازه دمایی گسترده (-۲۰ تا ۶۰ درجه سانتیگراد) در برخی کاربردها دمای ۴۵- درجه سانتیگراد نیز گزارش شده است.

۸- دوستدار محیط زیست بدون داشتن فلزات سنگین همچون ،سرب، جیوه، کادمیم و غیره

معایب باطری های لیتیم یونی عبارتند از:

۱- ایمن نبودن و در برخی موارد رخ دادن انفجار (در نمونه های اخیر تا حد زیادی بر این مشکل غلبه شده است.)

 ۲- عدم امکان دشارژ باطری های لیتیم کبالت اکسید با جریان بالا

3- نیاز به مدار و تجهیزات حفاظتی

4-قیمت تمام شده بالا در مواردی همچون باطری لیتیم تیتانته

 

سه جزء باطریهای لیتیم یونی شامل کاتد، آند و الکترولیت بستر پیشرفتهای این حوزه و موضوعی درخور توجه برای محققان و پژوهشگران در رشته های پایه و مهندسی مواد می‌باشد. پیشرفتهای های اخیر این حوزه نیز بیشتر بر استفاده از نانوساختارهای سیلیکونی به عنوان آند استوار بوده است.

مقایسه ذخیره‌ سازها از لحاظ مشخصات فنی و اقتصادی

تکنولوژیهای ذخیره سازی قابل استفاده به منظور تامین خدمات در کلاس مقیاس شبکه از ذخیره سازها به همراه - مشخصات فنی مربوطه