ما هي بطاريات الليثيوم أيون
بطاريات الليثيوم أيون نوع شائع من البطاريات الكيميائية. ومن أهم مزاياها أنها قابلة لإعادة الشحن. وبفضل هذه الميزة، تُستخدم في معظم الأجهزة الاستهلاكية التي تعمل بالبطارية اليوم، مثل الهواتف والسيارات الكهربائية وعربات الغولف التي تعمل بالبطاريات.
كيف تعمل بطاريات الليثيوم أيون؟
تتكون بطاريات أيونات الليثيوم من خلية واحدة أو عدة خلايا. كما تحتوي على لوحة دوائر كهربائية واقية لمنع الشحن الزائد. تُسمى هذه الخلايا بطاريات بمجرد تركيبها في غلاف مزود بلوحة دوائر كهربائية واقية.
هل بطاريات الليثيوم أيون هي نفسها بطاريات الليثيوم؟
لا، تختلف بطارية الليثيوم عن بطارية الليثيوم أيون اختلافًا كبيرًا. الفرق الرئيسي هو أن الأخيرة قابلة لإعادة الشحن. كما أن لها مدة صلاحية أطول. يمكن لبطارية الليثيوم أن تدوم حتى ١٢ عامًا دون استخدامها، بينما تصل مدة صلاحية بطاريات الليثيوم أيون إلى ٣ سنوات.
ما هي المكونات الرئيسية لبطاريات الليثيوم أيون؟
تتكون خلايا أيونات الليثيوم من أربعة مكونات رئيسية، وهي:
الأنود
يسمح الأنود بنقل الكهرباء من البطارية إلى دائرة خارجية. كما يخزّن أيونات الليثيوم عند شحن البطارية.
الكاثود
الكاثود هو ما يحدد سعة الخلية وجهدها. يُنتج أيونات الليثيوم عند تفريغ البطارية.
المنحل بالكهرباء
الإلكتروليت مادة تعمل كقناة لنقل أيونات الليثيوم بين الكاثود والأنود. يتكون من أملاح وإضافات ومذيبات متنوعة.
الفاصل
الجزء الأخير في خلية أيونات الليثيوم هو الفاصل. يعمل كحاجز مادي يفصل بين الكاثود والأنود.
تعمل بطاريات أيونات الليثيوم عن طريق نقل أيونات الليثيوم من الكاثود إلى الأنود، وبالعكس عبر الإلكتروليت. أثناء حركة الأيونات، تُنشّط الإلكترونات الحرة في الأنود، مُولّدةً شحنة عند مُجمّع التيار الموجب. تتدفق هذه الإلكترونات عبر الجهاز، سواءً كان هاتفًا أو عربة جولف، إلى المُجمّع السالب، ثم تعود إلى الكاثود. يمنع الفاصل التدفق الحر للإلكترونات داخل البطارية، ما يدفعها نحو نقاط التلامس.
عند شحن بطارية ليثيوم أيون، يُطلق الكاثود أيونات الليثيوم، وتتحرك نحو الأنود. عند التفريغ، تنتقل أيونات الليثيوم من الأنود إلى الكاثود، مما يُولّد تيارًا كهربائيًا.
متى تم اختراع بطاريات الليثيوم أيون؟
ابتكر الكيميائي الإنجليزي ستانلي ويتينغهام بطاريات أيونات الليثيوم لأول مرة في سبعينيات القرن الماضي. خلال تجاربه، أجرى العلماء تجارب كيميائية مختلفة لإيجاد بطارية تُشحن ذاتيًا. تضمنت تجربته الأولى استخدام ثاني كبريتيد التيتانيوم والليثيوم كأقطاب كهربائية. إلا أن البطاريات كانت تتعرض لقصر كهربائي وتنفجر.
في ثمانينيات القرن الماضي، تولى عالم آخر، هو جون ب. جوديناف، هذا التحدي. وبعد ذلك بوقت قصير، بدأ الكيميائي الياباني أكيرا يوشينو البحث في هذه التقنية. أثبت يوشينو وجوديناف أن معدن الليثيوم هو السبب الرئيسي للانفجارات.
في التسعينيات، بدأت تقنية أيونات الليثيوم تكتسب زخمًا، وسرعان ما أصبحت مصدرًا شائعًا للطاقة بحلول نهاية العقد. وكانت هذه هي المرة الأولى التي تُسوّق فيها شركة سوني هذه التقنية تجاريًا. وقد حفّز سجل السلامة الضعيف لبطاريات الليثيوم تطوير بطاريات أيونات الليثيوم.
رغم قدرة بطاريات الليثيوم على الاحتفاظ بكثافة طاقة أعلى، إلا أنها غير آمنة أثناء الشحن والتفريغ. من ناحية أخرى، تُعدّ بطاريات أيون الليثيوم آمنة تمامًا للشحن والتفريغ عند التزام المستخدمين بإرشادات السلامة الأساسية.
ما هو أفضل كيمياء أيون الليثيوم؟
هناك أنواع عديدة من بطاريات الليثيوم-أيون. الأنواع المتوفرة تجاريًا هي:
- تيتانات الليثيوم
- الليثيوم والنيكل والكوبالت وأكسيد الألومنيوم
- أكسيد الليثيوم والنيكل والمنجنيز والكوبالت
- أكسيد الليثيوم والمنجنيز (LMO)
- أكسيد الكوبالت الليثيوم
- فوسفات الحديد الليثيوم (LiFePO4)
هناك أنواع عديدة من المواد الكيميائية لبطاريات الليثيوم أيون. لكل منها مزاياها وعيوبها. ومع ذلك، بعضها مناسب فقط لحالات استخدام محددة. لذا، يعتمد اختيارك للنوع على احتياجاتك من الطاقة، وميزانيتك، ومستوى الأمان، وحالة الاستخدام المحددة.
مع ذلك، تُعدّ بطاريات LiFePO4 الخيار الأكثر توفرًا تجاريًا. تحتوي هذه البطاريات على قطب كربوني من الجرافيت، يعمل بمثابة المصعد، والفوسفات بمثابة الكاثود. وتتميز بعمر افتراضي طويل يصل إلى 10,000 دورة.
بالإضافة إلى ذلك، توفر بطاريات LiFePO4 استقرارًا حراريًا ممتازًا، وتتحمل بأمان ارتفاعات الطلب المفاجئة. وتتحمل بطاريات LiFePO4 حدًا حراريًا يصل إلى 510 درجات فهرنهايت، وهو أعلى مستوى بين جميع أنواع بطاريات الليثيوم أيون المتوفرة تجاريًا.
مزايا بطاريات LiFePO4
مقارنةً ببطاريات الرصاص الحمضية وغيرها من بطاريات الليثيوم، تتمتع بطاريات فوسفات حديد الليثيوم بميزة هائلة. فهي تشحن وتفرغ بكفاءة، وتدوم لفترة أطول، ويمكنها التفريغ العميق.كليدون فقدان السعة. هذه المزايا تعني أن البطاريات توفر وفورات هائلة في التكلفة على مدار عمرها الافتراضي مقارنةً بأنواع البطاريات الأخرى. فيما يلي نظرة على المزايا المحددة لهذه البطاريات في المركبات منخفضة السرعة والمعدات الصناعية.
بطارية LiFePO4 في المركبات منخفضة السرعة
المركبات الكهربائية منخفضة السرعة (LEVs) هي مركبات ذات أربع عجلات، وزنها أقل من 3000 رطل. تعمل هذه المركبات ببطاريات كهربائية، مما يجعلها خيارًا شائعًا لعربات الجولف وغيرها من الاستخدامات الترفيهية.
عند اختيار بطارية سيارتك الكهربائية منخفضة الاستهلاك، يُعدّ طول العمر أحد أهم الاعتبارات. على سبيل المثال، يجب أن تتمتع عربات الجولف التي تعمل بالبطارية بطاقة كافية للسير حول ملعب جولف من 18 حفرة دون الحاجة إلى إعادة الشحن.
من الاعتبارات المهمة الأخرى جدول الصيانة. فالبطارية الجيدة لا تحتاج إلى صيانة لضمان أقصى قدر من الاستمتاع بنشاطك الترفيهي.
يجب أن تكون البطارية قادرة على العمل في مختلف الظروف الجوية. على سبيل المثال، يجب أن تسمح لك بلعب الجولف في حرارة الصيف وفي الخريف عند انخفاض درجات الحرارة.
يجب أن تأتي البطارية الجيدة أيضًا مع نظام تحكم يضمن عدم ارتفاع درجة حرارتها أو انخفاض سعتها بشكل كبير.
من أفضل العلامات التجارية التي تُلبي جميع هذه الشروط الأساسية والهامة هي ROYPOW. تتميز بطاريات LiFePO4 الليثيوم التي تنتجها الشركة بقدرتها على تحمل درجات حرارة تتراوح بين 4 درجات فهرنهايت و131 درجة فهرنهايت. تأتي البطاريات مزودة بنظام إدارة بطاريات مدمج، وهي سهلة التركيب للغاية.
التطبيقات الصناعية لبطاريات الليثيوم أيون
تُعدّ بطاريات أيونات الليثيوم خيارًا شائعًا في التطبيقات الصناعية. المادة الكيميائية الأكثر استخدامًا هي بطاريات LiFePO4. من بين أكثر المعدات شيوعًا لاستخدام هذه البطاريات:
- رافعات شوكية ذات ممرات ضيقة
- الرافعات الشوكية المتوازنة
- رافعات شوكية ثلاثية العجلات
- مكدسات ووكي
- راكبي النهاية والوسط
هناك أسباب عديدة لتزايد شعبية بطاريات أيون الليثيوم في البيئات الصناعية. أهمها:
قدرة عالية وطول العمر
تتميز بطاريات أيون الليثيوم بكثافة طاقة وعمر افتراضي أطول مقارنةً ببطاريات الرصاص الحمضية. يزن كلٌّ منها ثلث وزن الآخر، مع تقديم نفس الأداء.
تُعدّ دورة حياتها ميزةً رئيسيةً أخرى. ففي العمليات الصناعية، يتمثل الهدف في تقليل التكاليف المتكررة قصيرة الأجل إلى أدنى حد. مع بطاريات أيونات الليثيوم، يمكن أن تدوم بطاريات الرافعات الشوكية ثلاثة أضعاف، مما يؤدي إلى توفير كبير في التكاليف على المدى الطويل.
كما يمكنها العمل بعمق تفريغ أكبر يصل إلى 80% دون أي تأثير على سعتها. وهذا يُضفي ميزةً أخرى تتمثل في توفير الوقت. فلا داعي لإيقاف العمليات في منتصفها لاستبدال البطاريات، مما يُوفر آلاف ساعات العمل على مدى فترة زمنية كافية.
الشحن عالي السرعة
في بطاريات الرصاص الحمضية الصناعية، يستغرق شحنها عادةً حوالي ثماني ساعات. وهذا يعادل ثماني ساعات كاملة من العمل دون استخدام البطارية. وبالتالي، يتعين على المدير مراعاة هذا الوقت الضائع وشراء بطاريات إضافية.
مع بطاريات LiFePO4، لا يُمثل هذا تحديًا. ومن الأمثلة الجيدة على ذلكبطاريات الليثيوم الصناعية ROYPOW LifePO4تُشحن بطاريات الرصاص الحمضية أسرع بأربع مرات من بطاريات الرصاص الحمضية. ومن مزاياها أيضًا الحفاظ على كفاءتها أثناء التفريغ. غالبًا ما تعاني بطاريات الرصاص الحمضية من تأخر في الأداء أثناء التفريغ.
تتميز بطاريات ROYPOW الصناعية أيضًا بنظام إدارة بطاريات فعال، مما يضمن عدم وجود مشاكل في الذاكرة. غالبًا ما تعاني بطاريات الرصاص الحمضية من هذه المشكلة، مما قد يؤدي إلى عدم وصولها إلى سعتها الكاملة.
مع مرور الوقت، يُسبب تراكم الكبريتات، مما قد يُقلل من عمرها الافتراضي القصير أصلًا إلى النصف. تحدث هذه المشكلة غالبًا عند تخزين بطاريات الرصاص الحمضية دون شحن كامل. أما بطاريات الليثيوم، فيمكن شحنها على فترات قصيرة وتخزينها بأي سعة أعلى من الصفر دون أي مشاكل.
السلامة والتعامل
تتميز بطاريات LiFePO4 بميزة كبيرة في البيئات الصناعية. أولًا، تتميز بثبات حراري ممتاز. يمكن لهذه البطاريات العمل في درجات حرارة تصل إلى 131 درجة فهرنهايت دون أي ضرر. أما بطاريات الرصاص الحمضية، فتفقد ما يصل إلى 80% من عمرها الافتراضي عند درجة حرارة مماثلة.
هناك مشكلة أخرى تتمثل في وزن البطاريات. فبالنسبة لسعة بطارية مماثلة، يكون وزن بطاريات الرصاص الحمضية أكبر بكثير. ولذلك، غالبًا ما تتطلب معدات خاصة ووقت تركيب أطول، مما قد يؤدي إلى تقليل ساعات العمل.
هناك مشكلة أخرى تتعلق بسلامة العمال. بشكل عام، تُعدّ بطاريات LiFePO4 أكثر أمانًا من بطاريات الرصاص الحمضية. ووفقًا لإرشادات إدارة السلامة والصحة المهنية (OSHA)، يجب تخزين بطاريات الرصاص الحمضية في غرفة خاصة مزودة بمعدات مصممة للتخلص من الأبخرة الخطرة. وهذا يُضيف تكلفةً وتعقيدًا إضافيين إلى العمليات الصناعية.
خاتمة
تتميز بطاريات أيون الليثيوم بميزة واضحة في البيئات الصناعية والمركبات الكهربائية منخفضة السرعة. فهي تدوم لفترة أطول، مما يوفر على المستخدمين المال. كما أن هذه البطاريات لا تحتاج إلى صيانة، وهو أمر بالغ الأهمية في البيئات الصناعية حيث يكون توفير التكاليف أمرًا بالغ الأهمية.
مقالة ذات صلة:
هل بطاريات فوسفات الليثيوم أفضل من بطاريات الليثيوم الثلاثية؟
هل تأتي عربات الغولف ياماها مع بطاريات الليثيوم؟
هل يمكن وضع بطاريات الليثيوم في سيارة النادي؟
