علت خرابی باتری های لیتیم یونی

اما علت انفجار چیست؟ پدیدهای که کمتر اتفاق میافتد اما به هر حال مهم و خطرناک است. فرض کنید گوشی در دست کاربر و کنار گوش او باشد، آتش گرفتن ناگهانی بسیار خطرناک است. نکته این است که لیتیوم از عناصر فعال گروه یک جدول تناوبی عنصرهاست. شاید دیده باشید که دو هم گروه لیتیوم یعنی سدیم و پتاسیم، وقتی روی سطح آب میافتند، چه واکنش شدیدی نشان میدهند، کار به آتش گرفتن و پرتاب شدن تکههای پتاسیم به بیرون ظرف هم میکشد! دقیقاً به همین علت است که الکترولیت باتریهای لیتیوم یونی باید عاری از آب باشد. الکترولیت معمولاً محلول یکی از نمکهای لیتیوم در حلالی آلی است.

مشکل از جایی شروع میشود که غشای بسیار باریکی که در ویدیوی فوق از آن صحبت شد، در حد بسیار کمی آسیب دیده است.

فرسایش کاتد عامل کاهش ظرفیت باتری است و آسیب دیدن غشای باریک درون الکترولیت، عامل آتش گرفتگی و انفجار

غشا برای جدا کردن دو بخش باتری به کار رفته لذا یک آسیب هر چند کوچک، باعث میشود که درون باتری پدیدهی اتصال کوتاه اتفاق بیافتد. شاید اتصال کوتاه سیمهای برق منزل را دیده باشید، جرقه و گرمای زیاد محصول آن است. اما در باتری لیتیوم یونی، تولید گرمای زیاد در داخل باتری، پایان کار نیست، گرمای تولید شده مسبب واکنشهای بعدی که گرمازا هستند میشود و در یک زمان نسبتاً کوتاه، متوجه میشوید که باتری آتش گرفته و حتی منفجر میشود.

در عمل به محض اینکه متوجه بلند شدن دود شدید، گوشی، لپتاپ یا باتری ربات خود را سریعاً به گوشهای پرتاب کنید چرا که نمیتوان جلوی آتش گرفتن آن را گرفت. از تجربهی شخصی خودم برایتان بگویم، جدا کردن شارژر از باتری در حال شارژ، دردی دوا نمیکند! باتری سریعاً و در عرض چند ثانیه به مرحلهی آتش گرفتگی میرسد! البته اگر زود متوجه دود آن شده باشید، شاید بتوانید گوشی و لپتاپ خود را از مرگ نجات دهید.

پیشگیری بهتر از درمان است، لذا اگر متوجه برآمدگی بیش از حد باتری شدید، بهتر است گوشی و لپتاپ خود را به خطر نیاندازید و باتری را تعویض نمایید

دشارژ بسیار خوب باتریهای لیتیوم یون

اگر قطب مثبت را با یک سیم نازک به قطب منفی متصل کنید، سریعاً سیم ذوب میشود! علت جریان بسیار بالایی است که از آن عبور میکند. نرخ دشارژ باتریهای لیتیوم پلیمری به صورت 1C یا 2C بیان میشود. هر چه عدد مربوطه بالاتر باشد، سرعت دشارژ هم بیشتر است.

به عنوان مثال فرض کنید شما هم به ساختن یک کوآدکاپتر نسبتاً سنگین علاقهمند شدهاید. باتریهای قلمی احتمالاً جوابگوی مسأله نیستند چرا که جریان الکتریکی کمی فراهم میکنند. به اصطلاح آمپر کمی دارند.

تعریف دقیق C-rate یا نرخ دشارژ 1C این است که یک باتری با جریانی برابر با ظرفیت خود به مدت 1 ساعت دشارژ میشود. مثلاً یک باتری 1000 میلیآمپر ساعتی در شرایط ایدهآل قادر است جریانی 1000 میلیآمپر را به مدت 1 ساعت تأمین کند. باتری 3000 میلیآمپر ساعتی یک گوشی یا تبلت هم اگر با نرخ دشارژ 2C دشارژ شود، قادر است جریان 6000 میلیآمپرساعتی را در مدت زمان 30 دقیقه فراهم آورد.

طبق معمول ولتاژ سلول هم با خالی شدن آن کاهش مییابد که در نمودار فوق مشاهده میکنید.

لیتیوم یون انرژی زیادی به نسبت وزن خود ذخیره میکند

باتریهای معمولی NiMH یا نیکل متال هیدرید، نرخ دشارژی بین 1.1 تا 2.8 ظرفیت خود دارند. بنابراین با در نظر گرفتن ولتاژ 1.2 ولتی خود، توانی معادل 8.4 وات( 2.8 در 2500 میلیآمپر در 1.2 ولت)، حداکثر چیزی است که از یک باتری شارژی نیکل متال هیدرید انتظار داریم. اما در مورد لیتیوم یون، یک سلول 2000 میلیآمپرساعتی که شاید وزن کمتری هم داشته باشد، توان مفیدی برابر با 14.4 وات را در اختیارمان قرار میدهد. با این توان، چرخاندن سریع روتورهای چهار موتور براشلس که روی کوآدکاپتر تعبیه شده، کار مشکلی نیست.

چرا باتری لیتیوم یون معروف و محبوب است؟

موضوع اصلی چگالی انرژی است که در محاسبات مذکور، تا حدی متوجه آن شدیم. منظور از چگالی انرژی این است که به ازای واحد وزن مثلاً یک گرم، چه قدر انرژی در باتری ذخیره میشود. 110 تا 160 واتساعت انرژی در یک کیلوگرم باتری لیتیوم-یونی ذخیره میشود که در مقایسه با دیگر انواع، یک رکورد است. لیتیوم-یون به ملاحظات نگهداری و مراقبت نیازی ندارد. در هر ماه تنها 10 درصد شارژ آن به خودی خود خالی میشود. بین 500 تا 1000 بار میتوان آن را پر و خالی کرد تا نهایتاً 20 درصد ظرفیت آن برایمان باقی بماند. با این خصوصیات یک گزینهی بهینه برای وسایل همراه و حتی دیگر ابزارها مثل پهپادها، رباتها و حتی خودروهای الکتریکی است.

	NiCd	NiMH	Lead Acid	Li-ion	Li-ion polymer	Reusable Alkaline
چگالی انرژی وزنی (واتساعت بر کیلوگرم)	45 تا 80	60 تا 120	30 تا 50	110 تا 160	100 تا 130	80 (حالت اولیه )
اتلاف داخلی انرژی (میلیوات)	100 تا 2001	200 تا 3001	کمتر از 100	150 تا 250	200 تا 300	200 تا 2000
ولتاژ نمونهی تست شده	6	6	12	7.2	7.2	6
تعداد سیکل کارکرد تا رسیدن به ظرفیت 20 درصدی	1500	300 تا 500	200 تا 300	500 تا 1000	300 تا 500	(تا رسیدن به 50 درصد ظرفیت اولیه)50
کمترین زمان شارژ شدن	معمولاً 1 ساعت	2 تا 4 ساعت	8 تا 16 ساعت	2 تا 4 ساعت	2 تا 4 ساعت	2 تا 3 ساعت
خطای اورشارژ	متوسط	کم	زیاد	بسیار کم	کم	متوسط
دشارژ خود به خودی در هر ماه در دمای اتاق (درصد)	20	30	5	10	حدود 10	0.3
ولتاژ نامی هر سلول (ولت)	1.25	1.25	2	3.6	3.6	1.5
حداکثر نرخ دشارژ	20C	5C	5C	>2C	>2C	0.5C
حداقل نرخ دشارژ	1C	کمتر از 0.5C	0.2C	کمتر از 1 C	کمتر از 1 C	کمتر از 0.2 C
حداقل دمای کارکرد (سانتیگراد)	-40	-20	-20	-20	0	0
حداکثر دمای کارکرد (سانتیگراد)	60	60	60	60	60	60
ملاحظات نگهداری	1 تا 2 ماه	2 تا 3 ماه	3 تا 6 ماه	لازم نیست	لازم نیست	لازم نیست
هزینهی معمول یک باتری (دلار)	50	60	25	100	100	5
ولتاژ معمول در تخمین هزینه	7.2	7.2	6	7.2	7.2	9
هزینهی هر سیکل شارژ (دلار)	0.04	0.12	0.1	0.14	0.29	0.1 تا 0.5
شروع استفادهی تجاری	1950	1990	1970	1991	1999	1992

زمزمههای پیشرفت باتریهای لیتیوم-یونی

سالهاست که محققین روی باتریها مشغول به کار هستند تا تکنولوژیهای بهتری پیدا کنند. همانطور که مستحضر هستید، امروزه گوشیها و تبلتها از تمام جنبهها پیشرفت کردهاند و به نوعی یک کامپیوتر کوچک با امکانات اضافی مثل دوربین و جیپیاس و مودم مخابراتی هستند. یکی از بخشهایی که به نظر میرسد از قافلهی پیشرفت جا مانده، باتری است.

در کنار آزمایشات مختلف برای یافتن باتریهایی با ساختار الکتروشیمیایی جدید، باتریهای لیتیوم-یونی هم زیر میکروسکوپهای محققین قرار داشتهاند و کمی بهینه شدهاند. اما اخیراً نتایج خوبی از تحقیقات دانشگاه MIT روی باتریهایی که الکترود فسفات آهن لیتیوم دارند، به دست آمده است.

الکترود فسفات آهن یا FePO4 در ترکیب با یون لیتیوم به فسفات آهن لیتیوم تبدیل میشود که آمادهی شارژدهی است. محققین با بررسی دقیق به این نتیجه رسیدهاند که در فرآیند شارژ شدن باتری، مرزی بین بخش دشارژ شده یا FP که مخفف FePO4 است با LFP که مخفف LiFePO4 است شکل میگیرد. مرزی با ساختار نامنظم که در تصویر فوق مشاهده میکنید.

کشف SSZ بسیار مهم است چرا که عامل کلیدی در افزایش کارایی و عمر باتریهای لیتیوم یونی است

ناحیهی آبی روشن یا Solid Soulution Zone، نام مرز مورد بحث است. یونهای لیتیوم از این ناحیه جدا میشوند یا به آن اضافه میگردند. علت دوام بالای باتریهای مبتنی بر LFP هم وجود همین مرز باریک است. بنابراین روشن است که اگر SSZ گسترش یابد، نرخ شارژ و دشارژ و عمر باتری افزایش مییابد. از همه مهمتر، سطح شارژ و دشارژ یکنواخت خواهد شد و این به معنی ولتاژ نسبتاً ثابت است. در نتیجه نیازی به رگوله کردن یا به عبارت دیگر ثابت و یکنواختکردن ولتاژ باتری نیست. در حال حاضر باتری کاملاً پر ولتاژی بیش از 4 ولت دارد در حالیکه با خالی شدن باتری به 3.6 ولت افت پیدا میکند؛ بنابراین مدارات اضافی برای یکنواخت کردن آن نیاز است.

از مدتها پیش محققین میدانستند که به لحاظ تئوری ناحیهای به نام SSZ وجود دارد ولیکن این اولین بار است که صحنههای شارژ و دشارژ باتری را با روش خاصی که Akihiro Kushima و Li در سال 2010 معرفی کردهاند، شکار میکنند.

در ادامهی آزمایشات محققین از اضافه کردن ناخالصی یعنی پوشش کربنی استفاده کردند. نانوذرات کربن کاری میکنند که SSZ به شکل گستردهتر و پایدارتری شکل بگیرد و به فرآیند شارژ یا دشارژ کمک کند.