خط ویژه : ۸۵۷۵۰-۲۱-۹۸+
فهرست مطالب
مقدمه: تاریخچه ساخت باتری لیتیوم-یون
باتریهای لیتیوم–یون امروزه بهعنوان قلب فناوریهای مدرن شناخته میشوند، اما مسیر تکامل آنها طولانی و همراه با چالشهای جدی بوده است. این باتریها در سالهای ابتدایی توسعه، بهویژه حوالی ۲۰۱۰، به دلیل قیمت بسیار بالا تنها در کاربردهای آزمایشگاهی مورداستفاده قرار میگرفتند؛ در آن زمان هزینه تولید هر کیلوواتساعت باتری لیتیومی حدود ۱۴۰ تا ۱۵۰ دلار بود. این در حالی است که در کمتر از یک دهه، هزینه تولید آنها بیش از ۶۰ درصد کاهش یافت و به حدود ۵۰ تا ۶۰ دلار رسید. این کاهش قیمت چشمگیر موجب شد تولید سالانه باتریهای لیتیومی که در سال ۲۰۱0 تنها حدود ۲۰ گیگاواتساعت بود، امروز از مرز ۷۰۰ گیگاواتساعت عبور کند.
پیشگامان اولیه این صنعت، کرهایها بودند؛ کشور کره جنوبی با برندهای بزرگی همچون پاناسونیک و سامسونگ بیش از ۳۰ درصد سهم بازار باتریهای قابلحمل را در دهه ۲۰۱۰ در اختیار داشت. اما چین بهسرعت با توسعه زیرساختهای تولید و استخراج لیتیوم، به بازیگر شماره یک این صنعت تبدیل شد و اکنون بیش از ۷۵ درصد ظرفیت تولید جهانی سلولهای لیتیومی را در اختیار دارد. پیش از ظهور این باتریها، ذخیره انرژی در سیستمهای سنتی مانند چرخطیارهای بزرگ یا توربینهای پرحجم انجام میشد که نهتنها فضای زیادی اشغال میکردند، بلکه بازده انرژی آنها معمولاً کمتر از ۶۰ درصد بود. با ورود نسلهای جدید باتری، فضای اشغالی ذخیره انرژی تا ۷۰ درصد کاهش یافت و وزن تجهیزات به صورت قابل توجهی کم شد. باتریهای لیتیومی حتی در مقایسه با باتریهای سیلد اسید نیز برتریهای عددی چشمگیری دارند. ما نیز در شرکت مهندسی پرسو الکترونیک، علاوه بر تلاشهای خود در راستای گسترش فروش باتری لیتیومی، قصد داریم در این مقاله به تحلیل این باتری بپردازیم.
باتری لیتیوم-یون چیست؟
باتری لیتیوم–یون نوعی باتری قابلشارژ پیشرفته است که از جابهجایی یونهای لیتیوم بین الکترود مثبت و منفی برای ذخیره و آزادسازی انرژی استفاده میکند و به دلیل چگالی انرژی بالا، وزن کم و راندمان فوقالعاده، به استاندارد اصلی در دستگاههای الکترونیکی و سامانههای ذخیرهسازی انرژی تبدیل شده است. از نظر شیمیایی، باتریها معمولاً از یک قالب کلی پیروی میکنند که باتریهای لیتیومی هم اینگونه هستند: آند گرافیتی، یک کاتد مبتنی بر ترکیبات لیتیوم (مانند لیتیوم فسفات آهن و یا نیکل منگنز کبالت) و یک الکترولیت مایع یا پلیمری تشکیل شدهاند که یونهای لیتیوم در آن جابهجا میشوند. علاوهبراین چگالی انرژی بالا، ابعاد و وزن پایین، خودتخلیه ماهانه بسیار کم در حدود ۲ تا ۳ درصد و طول عمر 1000 تا 6000 چرخه شارژ، باتریهای لیتیومی را به انتخاب اصلی در گوشیهای همراه، لپتاپها، خودروهای برقی و سیستمهای ذخیرهسازی انرژی خورشیدی تبدیل کرده است. ویژگیهایی مانند عدم وجود اثر حافظه، سرعت شارژ بالاتر، پایداری حرارتی بهتر در نسلهای جدید و سازگاری با فناوریهای نوظهوری مثل شارژ سریع و پاوربانکها نیز این باتری را به ستون اصلی انقلاب انرژی در دهههای اخیر تبدیل کرده است.
مقایسه باتری لیتیوم-یون با باتری سیلد-اسید
در گذشته، هنگام ورود باتریهای سرب-اسید به بازار، متقاضیان خرید باتری تنها یک انتخاب داشتند؛ باید با تمام مزایا و معایب تن به خرید این باتری میدادند. اما از هنگام عرضه باتریهای لیتیوم-یون، یکی از چالشها مقایسه باتریهای لیتیومی با باتریهای سرب-اسید است.
از نظر عملکرد فنی، باتریهای لیتیوم-یون برتری محسوسی نسبت به باتریهای سیلد-اسید دارند. چگالی انرژی باتریهای لیتیومی معمولاً بین ۱۵۰ تا ۲۶۵ واتساعت بر کیلوگرم است، درحالیکه سیلد-اسید تنها ۳۰ تا ۵۰ واتساعت بر کیلوگرم انرژی ذخیره میکند؛ یعنی لیتیوم-یون تا ۵ برابر انرژی بیشتر را در وزن کمتر جای میدهد. راندمان شارژ و دشارژ در باتری لیتیومی حدود ۹۰ تا ۹۵ درصد است، اما در سیلد-اسید اغلب ۷۰ تا ۸۰ درصد است. علاوه بر این، عمر چرخهای لیتیوم-یون بین 1000 تا 6000 چرخه متغیر است و بسته به نوع سلول و مدیریت حرارتی میتواند حتی بیشتر شود، در حالی که سیلد-اسید معمولاً ۳۰۰ تا 1000 چرخه دوام دارد. سرعت شارژ نیز مزیت دیگر باتریهای لیتیومی است که نسبت به سیلد-اسید میتواند ۲ تا ۳ برابر سریعتر انجام شود و این موضوع در کاربردهای صنعتی و خانگی مزیت بزرگی محسوب میشود.
هرچند قیمت اولیه باتریهای لیتیوم-یون بیشتر از سیلد-اسید است، اما در طولانیمدت صرفه اقتصادی به مراتب بیشتری ایجاد میکنند. باتری لیتیومی طول عمر ۳ تا ۵ برابر بیشتر دارد، بنابراین نیاز به تعویض مکرر ندارد و هزینه کلی مالکیت را کاهش میدهد. در حال حاضر قیمت هر کیلوواتساعت باتری لیتیومی در بازار جهانی حدود ۵۰ تا ۶۰ دلار است، در حالی که سیلد-اسید ارزانتر بوده اما با افت راندمان و کاهش سریع ظرفیت، هزینههای جانبی بیشتری ایجاد میکند. مصرف انرژی کمتر هنگام شارژ، نیاز نداشتن به سرویسهای دورهای (مثل تکمیل الکترولیت) و کارایی بهتر در بارهای لحظهای نیز باعث میشوند در چرخه عمر، هزینه تمامشده لیتیوم-یون به شکل قابل توجهی کمتر از سیلد-اسید باشد. از نظر وزنی نیز باتری لیتیومی در بسیاری از کاربردها هزینه حملونقل و نصب را تا ۶۰ درصد کاهش میدهد.
در بخش حساسیتها و مراقبتها، اگرچه باتریهای لیتیوم-یون از نظر ساختاری پیشرفتهتر هستند، اما نیازمند رعایت مواردی مانند مدیریت حرارتی و جلوگیری از ضربه شدید میباشند. این باتریها بازه دمای عملکرد استانداردی بین ۰ تا ۴۵ درجه سانتی گراد دارند و گرمای بیشازحد میتواند به کاهش عمر آنها منجر شود. با این حال، باتریهای سیلد-اسید نیز به دما بسیار حساساند و در دمای بالا بهسرعت دچار افت ظرفیت میشوند. از نظر فضای اشغالی، لیتیومیها تا ۷۰ درصد فضای کمتر نسبت به سیلد-اسید نیاز دارند و در سطوح ناهموار درگیر خطر نمیشوند؛ به طوری که تنها در انبارداری ذکر میشود که حالت فیزیک تولیدی باتریها حفظ شود. وزن آنها نیز معمولاً ۳ تا ۶ برابر کمتر است. از طرفی، سیلد-اسید نیازمند سرویسهای دورهای مانند کنترل ولتاژ، بررسی اتصالات، و گاهی شارژ تثبیتی است، درحالیکه لیتیومیها تقریباً بدون نیاز به نگهداری هستند و سیستم BMS داخلی بسیاری از مشکلات را به صورت خودکار مدیریت میکند. حساسیت به عمق دشارژ نیز نکته مهمی است؛ سیلد-اسید در عمق تخلیه بالای ۵۰ درصد سریعاً فرسوده میشود، اما لیتیومیها میتوانند تا ۸۰ تا ۹۰ درصد تخلیه شوند بدون آنکه عمرشان کاهش چشمگیر پیدا کند.
انواع باتریهای لیتیوم-یون
یکی از ویژگیهای باتریهای لیتیومی این است که در انواع متفاوتی تولید شده است که هر مدل تکمیل کننده و دارای ویژگیهای منحصر به فرد نسبت به تکنولوژیهای پیش از خود است؛ این باعث سهولت در خرید باتری لیتیومی میشود. باتریهایی مثل لیتیوم فسفات آهن (LFP) و نیکل منگنز کبالت (NMC) از جمله این باتریها هستند؛ البته انواع دیگری نیز مثل لیتیوم هوا، لیتیوم سدیم و... شناخته شدهاند اما به دلایلی مثل محدودیت مواد اولیه و یا هزینههای بالا، هنوز پا به عرصه تجاری و عرضه گسترده نگذاشتهاند.
باتری نیکل منگنز کبالت (NMC)
باتریهای نیکلمنگنزکبالت (NMC) از نخستین نسلهای باتریهای لیتیوم–یون بودند که پس از ورود به بازار به سرعت به دلیل قیمت مناسبتر و کارایی بالاتر در صنایع مختلف جایگاه ویژهای پیدا کردند. این باتریها در سالهای ابتدایی توسعه فناوری لیتیومی، یکی از گزینههای اصلی تولیدکنندگان محسوب میشدند و کارخانه تسلا نیز در نسلهای اولیه خودروهای برقی خود ابتدا از باتریهای NMC استفاده کرد. یکی از مهمترین مزیتهای این باتریها، چگالی انرژی بالاتر آنها (مخصوصا در سلول 650-18) نسبت به دیگر انواع لیتیومی مانند لیتیومفسفاتآهن (LFP) است؛ به همین دلیل هم در دستگاههایی که نیاز به انرژی زیاد در وزن و حجم کم دارند -مثل گوشیهای موبایل، لپتاپها و بسیاری از خودروهای برقی- کاملاً رایج هستند. این باتریها توانایی تحمل بازه دمایی گستردهای را نیز دارند؛ بهطوریکه در زمان شارژ میتوانند در بازه ۰ تا ۴۵ درجه سانتیگراد کار کنند و در برخی موارد این عدد تا ۶۰ درجه نیز افزایش مییابد که استفاده خارج از این محدوده دمایی سبب کاهش ظرفیت باتری میشود. همچنین در دشارژ قابلیت عملکرد در محدوده منفی ۲۰ تا مثبت ۶۰ درجه را دارند که آنها را برای کاربردهای صنعتی و خودرویی قابلاعتماد میکند. از نظر تواندهی، باتریهای NMC بسیار قدرتمند هستند و تا سه برابر جریان نامی شارژ میشوند و تا پنج برابر جریان نامی نیز خروجی میدهند؛ به عبارت دیگر، این سلولها میتوانند نرخ تخلیه باتری تاC 5 را پشتیبانی کنند و در بارهای سنگین عملکرد پایداری ارائه دهند. بااینحال، نقطهضعف مهم این باتریها حساسیت حرارتی آنهاست؛ زیرا در دماهای بالا و شرایط نامناسب ممکن است دچار فرار حرارتی (Thermal Runaway) شوند، حالتی خطرناک که ابتدا با ایجاد دود آغاز میشود و در صورت ادامه افزایش دما، میتواند به انفجار منجر شود. این ویژگی سبب شده استفاده از سیستمهای مدیریت باتری (BMS) و کنترل دقیق دما در کنار این باتریها کاملاً الزامی باشد.
باتری لیتیوم فسفات آهن (LFP)
باتریهای لیتیومفسفاتآهن (LiFePO4) که به اختصار LFP نامیده میشوند، یکی از مهمترین نسلهای باتری لیتیومی هستند که در سالهای اخیر بهطور گسترده مورد توجه صنایع مختلف قرار گرفتهاند. چین به دلیل داشتن معادن غنی فسفات و آهن، بزرگترین تولیدکننده و توسعهدهنده این نوع باتری در جهان است و همین دسترسی به منابع اولیه باعث شد فناوری LFP با سرعت بیشتری در این کشور رشد کند. مهمترین مزیت این باتریها، ایمنی بسیار بالا در مقابل حرارت، ضربه و شارژ بیش از حد است؛ بهطوریکه برخلاف باتریهای NMC در شرایط سخت احتمال انفجار ندارند و در بدترین حالت تنها باد کرده یا دود میکنند. همین ویژگی باعث شد شرکت تسلا که در گذشته از باتریهای نیکلمنگنزکبالت استفاده میکرد، طی سالهای اخیر بخش بزرگی از خودروهای خود را بر پایه باتری LFP تولید کند. البته این فناوری در ابتدا قیمت بالاتری نسبت به NMC داشت، اما با افزایش ظرفیت تولید در چین، امروز تفاوت قیمت آنها بسیار کم شده و LFP به یک گزینه رقابتی تبدیل شده است.
از نظر عملکرد، باتریهای لیتیومفسفاتآهن نسبت به نوع NMC کممصرفتر یا اصطلاحاً لَختتر هستند، به این معنا که انرژی خود را بهسرعت آزاد نمیکنند و در طول زمان افت شارژ بسیار کمتری دارند. همین ویژگی باعث شده این باتریها بهترین انتخاب برای سیستمهای ذخیره انرژی (Power Storage)، سانورترها، UPS و بانکهای باتری باشند. بازه دمایی استاندارد عملکرد آنها ۰ تا ۸۰ درجه سانتیگراد است که نشاندهنده مقاومت بالا در شرایط سخت دمایی است. از نظر جریاندهی، این باتریها معمولاً به اندازه جریان نامی شارژ شده و حداکثر ۲ برابر جریان نامی خروجی میدهند(حداکثر نرخ تخلیه باتریC2(؛ به همین دلیل برای کاربردهای نیازمند توان لحظهای بالا مانند موتورهای صنعتی سنگین یا خودروهای مسابقهای مناسب نیستند، اما در سیستمهای ذخیره، انرژی پاک و تجهیزات پایدار، بهترین گزینه محسوب میشوند. مجموع این ویژگیها باعث شده LFP به عنوان ایمنترین و قابلاعتمادترین باتری لیتیومی برای ذخیره انرژی در جهان شناخته شود.
باتری لیتیوم-یون چه کاربردهایی دارد؟
این باتریها با قرار گرفتن در کنار هم تشکیل یک پک باتری میدهند که ظرفیت این پک آزاد و وابسته به تعداد باتریهای آن است؛ همین آزادی ظرفیت و همچنین حمل و نگهداری ساده آن باعث شده تا در حوزههای متفاوتی استفاده شود:
منبع تغذیه یو پی اس و تجهیزات الکترونیکی
همانطور که گفته شد در باتریهای لیتیومی، تکنولوژی باتریهای LFP بسیار در ذخیره انرژی مفید نمایان شدهاند که همین موضوع باعث شد تا از آنها به عنوان منبع تغذیه سیستمهای برق اضطراری و منبع انرژی لوازم الکترونیکی استفاده شود. اما دغدغه متقاضیان خرید یو پی اس و خرید باتریهای لیتیومی در سطح جهانی متفاوت با کاربران در ایران است. در خارج از ایران قیمت برق در ساعات متفاوت متغیر بوده و در ساعات پیک مصرف بسیار گران میشود که خب سبب شد تا مردم برای استفاده بهینه روی به پاور استوریجها و یو پی اسها ببرند. یعنی در ساعات پیک مصرف از ظرفیت باتری استفاده میکنند و در ساعات ارزانی برق باتریها را شارژ میکنند. طبیعتا برای همچنین استفاده بلندمدت و روزمرهای، باتری با طول عمر بالا و ابعاد قابل گنجایش در منازل و دفاتر، لازم است. که خب باتری لیتیومی در این بلندمدت صرفه اقتصادی هم دارد و پیشنهاد میشود. اما در ایران، تنها در زمان قطعی برق از این سیستمها استفاده میشود که سبب عدم توجه به شکستن قله مصرف، و استفاده بیشتر از باتریهای سیلد-اسید شده است.
دیگر کاربردهای باتری لیتیومی:
مزایا و معایب باتری لیتیومی
در کنار ویژگیهایی همچون وزن و حجم کم، چگالی انرژی و عمر مفید بالا و عدم نیاز به سرویسهای دورهای، باید به سیستم مدیریت باتری یا همان BMS این باتریها نیز توجه ویژه داشته باشیم که بر اساس شیمی هرنوع پک باتری تنظیم میشود و باتری شما را هوشمند میکند؛ این سیستم قابلیت پالایش وضعیت باتریها را حتی مناسب صنایع حساس فراهم میکند تا با ایجاد هر خطا روی سیستم، مدار خروجی قطع شود و پس از رفع فنی خطا، دوباره دستگاه شروع به فعالیت کند.
در مقابل تنها نگرانی، بازیافت این باتریها و عنصر لیتیوم است که فعالان این حوزه با الگوگیری از شرکتهای خارجی که بازیافت این باتریها را انجام میدهند، چندین سال است که در پی رفع این دغدغه تلاش میکنند و امروز این سوی امید هست که تا حدود 4 سال آینده، این مهم حل شود. پس برای متقاضیانی که اکنون قصد خرید این باتری را دارند هیچ جای نگرانی نیست.
جمعبندی
باتری لیتیومی آینده سیستمهای الکترونیکیست که با چگالی انرژی بالا در واحدهای کوچک، توانهای بالا ارائه میدهد. این خود سبب رفع مشکل فضای اشغالی بالا در مدلهای قبلی است. با سرمایهگذاریهای فراوان و تلاشهای متخصصان -مخصوصا در تیم فنی و مدیریتی شرکت مهندسی پرسو الکترونیک به عنوان یک پیشگام این تکنولوژی در ایران- افقی نه چندان دور برای عرضه گسترده این باتری در ایران دیده میشود.
