بررسی فنی و بازار باتری لیتیومی (معرفی و کاربردها)

1- تببین مسئله

ایجاد توان برای حرکت؛ این همان کار باتری است. باتری‌ها به راحتی برق را برای مصارف کوچک و قابل حمل را تأمین می‌کنند. اما مشکلی وجود دارد که اکثر باتری‌ها خیلی زود تخلیه می‌شوند و اگر از شارژر مخصوص استفاده نشود، چاره ای جز دور انداختن آن ها نیست. این کار از نظر اقتصادی با چالش همراه است و برای محیط زیست نیز مضر است؛ در سراسر جهان، سالانه میلیاردها باتری یکبار مصرف را دور انداخته میشود. باتری‌های قابل شارژ به حل این مشکل کمک می‌کنند و معروف‌ترین نوع آن‌ها باتری یون لیتیوم[1] است که به باتری لیتیومی یا باتری لیتیوم یون نیز معروف شده است. باتری‌های لیتیومی تقریباً از سال 1991 مورد استفاده گسترده قرار گرفته‌اند، اما شیمی اولیه آن‌ها برای اولین بار توسط گیلبرت لوئیس[2]، شیمی‌دان آمریکایی (1875-1946)، در سال 1912 کشف شد.

مواد شیمیایی مختلفی در باتری‌های قابل شارژ استفاده می‌شود که با واکنش‌های کاملاً متفاوت از هم جدا می‌شوند. تفاوت عمده این است که واکنش‌های شیمیایی در یک باتری قابل شارژ برگشت‌پذیر هستند. هنگامی که باتری در حال تخلیه است، واکنش‌ها یک‌طرفه می‌شوند و باتری برق می‌دهد و زمانی که باتری در حال شارژ است، واکنش‌ها برعکس می‌شوند و باتری انرژی را ذخیره می‌کند. این واکنش‌های شیمیایی می‌تواند صدها بار در هر دو جهت اتفاق بیفتد، بنابراین یک باتری قابل شارژ معمولاً از ۲ یا ۳ تا 10 سال عمر مفید دارد (بسته به اینکه چقدر از آن می‌شود و به چه میزان مراقبت می‌شود).

افزایش تقاضا برای باتری های لیتیوم یون در سراسر جهان ارتباط مستقیمی با کاهش قیمت دارد و به نوبه خود باعث تقاضای حتی بیشتر در میان شرکت ها و صنایع در تولید خودرو، فناوری مصرف کننده و بسیاری دیگر می شود. بررسی ها حاکی از این موضوع است که تقاضا برای فناوری لیتیوم یون در وسایل نقلیه الکتریکی و ذخیره انرژی طی 10 سال گذشته به سرعت افزایش یافته است.

شکل ‏1‑1- میزان رشد تقاضای باتری های لیتیومی در جهان

همانطور که در شکل بالا نیز مشاهده میشود، تقاضا از تقریباً 0.5 گیگاوات ساعت در سال 2010 به تقریباً 526 گیگاوات ساعت در سال 2020 افزایش یافته است و انتظار می رود که این افزایش عظیم همچنان ادامه داشته باشد، به طوری که پیش بینی می شود تقاضا تا سال 2030 به 9300 گیگاوات ساعت که مقداری فراتر از حد تصور است، برسد. این تقاضا به ده ها میلیون وسیله نقلیه الکتریکی جدید، ظروف ذخیره سازی و وسایل مصرفی در سراسر جهان ارجاع داده می شود.

شرکت های انرژی مانند Exxon Mobil برای دهه ها روی باتری های لیتیوم یون کار کرده اند. در حالی که تمرکز آنها بر روی برنامه های کاربردی خودرو بوده است، بدون این پیشرفت اساسی در باتری، بسیاری از محصولات فن آوری مصرف کننده وجود نمیداشتند. این افزایش تقاضا برای باتری ها و پایین آمدن قیمت می تواند بازار وسایل نقلیه الکتریکی را به سمت نسل جدید سوق دهد.

شکل ‏1‑2- میزان کاهش قیمت باتری های لیتیومی در جهان

مشاهدات گذشته رابطه قیمت و حجم باتری های لیتیومی تولیدی نشانگر این موضوع است که به ازای هر دو برابر شدن حجم تجمعی، شاهد کاهش 18 درصدی قیمت هستیم. بر اساس این مشاهدات و پیش بینی تقاضای باتری، براساس  انتظار میرود قیمت متوسط باتری تا سال 2024 حدود 94 دلار در هر کیلووات ساعت و تا سال 2030 ، 62 دلار در کیلووات ساعت باشد. شایان توجه است که این مقادیر، متوسط قیمت مورد انتظار است.

1-1- مزایا

به طور کلی، باتری‌های یون لیتیوم از فناوری‌های قدیمی‌تر مانند نیکل – کادمیوم (NiCd) مطمئن‌تر هستند و از مشکلی به نام اثر حافظه[3] رنج نمی‌برند (به دلیل اثر حافظه، شارژ باتری‌های نیکل – کامیوم، مگر در حالتی که کاملاً تخلیه شوند، سخت‌ می‌شود). از آنجا که باتری‌های لیتیوم یون فاقد کادمیوم (یک فلز سمی و سنگین) هستند، حداقل از نظر تئوری، سازگاری بهتری با محیط زیست دارند. اگرچه هر باتری از فلزات، پلاستیک‌ها و سایر مواد شیمیایی مختلف ساخته شده و در نهایت، دفن زباله‌های ناشی از آن هرگز چیز خوبی نیست. در مقایسه با باتری‌های قابل شارژ سنگین (مانند باتری‌های سرب – اسید که در خودرو استفاده می‌شوند)، باتری‌های یون لیتیوم نسبت به مقدار انرژی‌ای که ذخیره می‌کنند، نسبتاً سبک هستند. باتری های لیتیومی مزایای دیگری نیز دارند که در ادامه به برخی از آنان اشاره شده است.

  • ظرفیت قابل استفاده بیشتر (25-50% ظرفیت بیشتر از باتری های اسید سرب معادل آن را دارا است.)
  • تحمل حالت جزئی شارژ (هیچ خسارتی از حالت شارژ جزئی و یا ذخیره سازی ندارد.)
  • توان ثابت (توان کامل در طول تخلیه الکتریکی در دسترس است و ولتاژ مانند باتری های اسید سرب کاهش نمی یابد.)
  • ماندگاری شارژ برای مدت طولانی (باتری تخلیه ناخواسته خیلی کمی دارد، بنابراین باتری حالت شارژ را حفظ می کند.)
  • وزن کم (50-60% وزن کمتر از باتری های اسید سرب معادل آن را دارا است.)
  • تحمل دما (باتری های لیتیومی 2.5 برابر کارآمدتر از باتری های اسید سربی در دمای پایین هستند. ماکزیمم دمای قابل تحمل باتری های لیتیومی برابر 65 درجه سانتی گراد می باشد)
  • تعمیر و نگهداری رایگان (کافیست به شارژر بزنید و از آن استفاده کنید. در صورت عدم قرار گرفتن در معرض آب، آسیب جدی نخواهد دید.)
  • طولانی عمر (طول عمر باتری های لیتیومی تا 10 برابر بیشتر از باتری های دیگر میباشد.)
  • شارژ سریع و ایمن (شارژ، بسیار کارآمد است. می تواند در عرض 1-3 ساعت کاملاً شارژ شود.)
  • غیر خطرناک (هیچ گاز منتشر شده ای وجود ندارد.)

1-2- معایب

بزرگ‌ترین مسئله ایمنی باتری است. باتری‌های لیتیومی در صورت شارژ بیش از حد و یا سوء عملکرد داخلی اتصال کوتاه می‌شوند و آتش می گیرند. در هر دو حالت، باتری‌ها در حالت ناپایداری حرارتی[4] گرم می‌شوند و در نهایت آتش می‌گیرند یا منفجر می‌شوند. این مشکل با یک قطع کننده مدار داخلی، معروف به دستگاه قطع جریان یا CID، حل می‌شود که در صورت گرم شدن بیش از حد باتری‌ها یا افزایش فشار داخلی، جریان شارژ را از قطع می‌کند.

اما نگرانی‌ها همچنان وجود دارد و در سال 2016، سازمان بین‌المللی هوانوردی غیرنظامی (ICAO) رسماً حمل باتری‌های لیتیومی در هواپیماهای مسافربری را به دلیل خطر احتمالی ممنوع کرد. امروزه خطرات ایمنی باتری‌های لیتیومی توجه بسیاری از رسانه‌ها را به خود جلب کرده است؛ به ویژه از ان زمان که موجب آتش‌سوزی در خودروهای برقی یا هواپیما شده است.

علاوه بر موارد ذکره شده، معایب دیگری نیز وجود دارد که در ادامه به برخی از آنان اشاره میشود.

  • برای حفظ ولتاژ و جریان در محدوده ایمن به مدار محافظ نیاز دارد.
  • منوط به گذر زمان (حتی اگر از آن استفاده نشود) ذخیره در یک مکان خنک با شارژ 40% ، اثر گذر زمان را کاهش می دهد.
  • محدودیت های حمل و نقل (حمل و نقل مقادیر زیاد ممکن است تحت کنترل نظارتی باشد.)
  • ساخت آن گران است. (هزینه آن حدود 40 درصد بیشتر از نیکل – کادمیوم است.)

2- کاربردها

باتری های لیتیوم لیست طولانی از کاربردهای واقعی، فراتر از آنچه در ظاهر به نظر میرسد را دارند. از جمله این موارد میتوان به تجهیزات پزشکی نجات دهنده تا قایق های تفریحی لوکس اشاره کرد. باتری های لیتیوم هم لوازم ضروری و هم راحتی زندگی مدرن را با ایمنی و اطمینان حفظ می‌کنند. تلفن همراه، لپ‌تاپ و پخش‌کننده MP3 احتمالاً از آشناترین وسایلی هستند که از باتری لیتیومی استفاده می‌کنند. باتری‌های لیتیومی در انواع فناوری‌های قابل حمل از مسواک‌های برقی و تبلت‌ها گرفته تا ماشین‌های الکتریکی و کامیون‌ها کاربرد دارند.

در اینجا بهترین موارد استفاده از باتری های لیتیوم قابل شارژ (از تسهیل فعالیت های روزمره تا پشتیبانی ضروری اضطراری) ارائه شده است.

2-1- برق اضطراری (UPS)

داشتن یک باتری لیتیوم برای پشتیبان گیری برق اضطراری یا UPS شما را از اتلاف برق یا بی ثباتی آن محافظت می کند. تجهیزات حیاتی از جمله رایانه ها، فن آوری ارتباطات و فناوری پزشکی از سیستم های پشتیبان گیری اضطراری برق از بهره می برند.

2-2- برق وسائل نقلیه

باتری های لیتیوم انرژی قابل اعتماد، پایدار و با دوام طولانی را ارائه می دهند و بهترین راه حل برای راحت و ایمن ماندن در مکان های راه دور میباشند. باتری های لیتیوم با طول عمر بیش از ده سال، نیرو لازم برای سفرهای طولانی تأمین می کنند و در حین استفاده از آنها انرژی کمی از دست می رود. باتری های سبک لیتیوم به دلیل کاهش وزن و اندازه نسبت به باتری های اسید سرب، باعث افزایش کارایی وسیله نقلیه الکتریکی میشوند.

2-3- عملکرد قابل اطمینان برای مصارف دریایی

مخلوط کردن آب و برق احتمال بروز مشکلات بی شماری را فراهم می کند. باتری های لیتیوم این امکان را می دهند که از نیروی برق در آب استفاده کرد.

2-4- ذخیره انرژی خورشیدی

استفاده از انرژی خورشیدی در جهان درحال افزایش یافته است. حتی در کویر، روزهایی وجود دارد که خورشید نمی تابد یا مواقعی که تجهیزات خورشیدی شما نیاز به تعمیر دارند لذا برای ذخیره انرژی خورشیدی به منظور در امان ماندن از تاریکی میتوان از باتری های لیتیوم استفاده کرد.

باتری های لیتیوم قابل شارژ با توجه به نحوه شارژ و سرعت آنها، بهترین نتیجه را برای صفحات خورشیدی دارند. پنل های خورشیدی شارژ کم مقاومت تولید می کنند، همان چیزی است که باتری های لیتیوم به آن نیاز دارند. علاوه بر این، باتری های لیتیوم به سرعت شارژ می شوند – به شما این امکان را می دهد که ذخیره احتمالی انرژی خورشیدی را از هر روز نور خورشید به حداکثر برسانید.

2-5- سیستم های نظارت یا زنگ خطر در مکان های دور

باتری های لیتیوم قابل شارژ به دلیل عمر طولانی، کوچک بودن و از دست ندادن انرژی از طریق خود تخلیه در مدت زمان غیرفعال بودن سیستم، برای سیستم های نظارتی از راه دور ایده آل هستند. باتری های لیتیوم دارای میزان خود تخلیه ای 10 برابر کمتر از باتری های اسید سرب، هستند که آنها را برای شرایطی که استفاده مداوم ندارند ایده آل می کند.

2-6- تجهیزات متحرک

فناوری مدرن زندگی روزمره را برای افراد دارای محدودیت تحرک آسان کرده است. از ویلچرهای برقی گرفته تا پله های برقی، افراد زیادی برای داشتن زندگی مستقل به فناوری تحرک قابل اعتماد وابسته هستند. باتری های لیتیوم سبک در مقایسه با اسید سرب، گزینه ایده آل برای تجهیزات حرکتی هستند، زیرا آنها را با اندازه شخصی سازی، طول عمر بیشتر، شارژ سریع، میزان تخلیه کم خودکار و مدت زمان طولانی تر کار می کنند.

2-7- پک های برق قابل حمل

باتری های لیتیوم قابل شارژ برای تأمین انرژی تلفن های و جدیدترین لپ تاپ ها مشهور هستند. باتری های لیتیوم سبک تر و کوچکتر از باتری های اسید سرب هستند. آنها همچنین تحرک و تغییرات دما را تحمل می کنند، و همچنین قدرت تحویل خود را در حین استفاده حفظ می کنند.

در صورت نیاز به شارژ، باتری های لیتیوم بسیار سریعتر از باتری های اسید سرب شارژ می شوند. آپشن های باتری لیتیوم به شما این امکان را می دهد که فن آوری موجود خود را به یک بسته قدرت قابل حمل با دوام و کارآمدتر انتقال دهید.

باتری های لیتیوم قابل شارژ در شرایط چالش برانگیز مقرون به صرفه و با دوام هستند. در صورت نیاز به عملکرد قابل اعتماد، باتری های لیتیوم یک راه حل ایمن و با دوام ارائه می دهند.

[1] Lithium ion

[2] Gilbert N. Lewis

[3] Memory Effect

[4] Thermal instability 

یک دیدگاه ارسال کنید

ایده خود را ارسال کنید

Fill in the form below to book a 30 min no-obligation consulting session.

I will reply within 24 hours.