باتری لیتیوم یون چیست؟ معرفی کامل باتری لیتیومی Li-ion

ما انسان ها برای تأمین برق دستگاه های الکترونیکی قابل حمل یا کنترل از راه دور به باتری ها وابسته هستیم. متداول ترین نوع باتری های قابل شارژ که در محصولات الکترونیکی مصرفی پیدا می کنید یا از نوع لیتیوم یون است یا لیتیوم پلیمر. در این مقاله، ما باتری های لیتیوم یون را بررسی خواهیم کرد زیرا مفید تر از انواع دیگر باتری ها هستند. یک پاوربانک کوچک، یک لپ تاپ یا هر چیزی به بزرگی مدل 3 جدید تسلا توسط یک باتری لیتیوم یون تامین می شود.

چه چیزی این باتری ها را خاص می کند؟ قبل اینکه از یکی از آن ها در پروژه خود استفاده کنید، چه چیز هایی باید در مورد آن ها بدانید؟ چگونه می توانید این باتری ها را بطور ایمن شارژ یا تخلیه کنید؟ اگر کنجکاو هستید که پاسخ همه این سوالات را بدانید، پس در مقاله مناسبی قرار گرفته اید، فقط بنشینید و مطالب را بخوانید. من هم سعی می کنم این موضوع را تا حد ممکن جالب نگه دارم.

تاریخچه باتری لیتیوم یون

ایده باتری لیتیوم یون اولین بار توسط G.N Lewis در سال 1912 ایجاد شد، اما در سال 1970 عملی شد و اولین باتری لیتیوم غیر قابل شارژ به بازارهای تجاری عرضه شد. بعداً در سال 1980 مهندسان سعی کردند اولین باتری قابل شارژ را با استفاده از لیتیوم به عنوان ماده آند بسازند و تا حدی موفق بودند. آن ها متوجه نشدند که این نوع باتری های لیتیوم در طول فرآیند شارژ ناپایدار هستند و این باعث ایجاد یک اتصال کوتاه در باتری می شود که دما را افزایش داده و باعث فرار گرمایی می شود.

در سال 1991، یکی از این باتری های لیتیوم که در تلفن همراه استفاده می شد، در ژاپن بر روی صورت یک مرد منفجر شد. پس از این حادثه، تشخیص داده شد که باتری های لیتیوم یون باید با احتیاط زیادی مورد استفاده قرار گیرند. سپس تعداد زیادی از این نوع باتری ها که در بازار بودند توسط تولیدکنندگان به دلیل مسئله ایمنی جمع آوری شدند. بعداً پس از تحقیقات زیاد، سونی باتری های لیتیوم یونی پیشرفته را با ساختار شیمیایی جدید معرفی کرد که تا به امروز مورد استفاده قرار می گیرد. بیایید در اینجا تاریخچه را پایان دهیم و به ساختار شیمیایی باتری لیتیوم یون بپردازیم.

ساختار شیمیایی باتری لیتیوم یون و عملکرد آن

همانطور که از نام آن مشخص است، باتری های لیتیوم یون برای انجام کار از یون های لیتیوم استفاده می کنند. لیتیوم یک فلز بسیار سبک با چگالی انرژی بالا است. این خاصیت باعث می شود وزن باتری سبک باشد و جریان بسیار زیادی را با یک شکل کوچک فراهم کند. چگالی انرژی مقدار انرژی است که می تواند در واحد حجم باتری ذخیره شود، هرچه چگالی انرژی بیشتر باشد باتری کوچکتر خواهد بود. با وجود خواص فلز لیتیوم، نمی توان از آن به عنوان الکترود مستقیم در باتری ها استفاده کرد زیرا لیتیوم به دلیل خاصیت فلزی بسیار ناپایدار است. از این رو ما از یون های لیتیوم استفاده می کنیم که کم و بیش خاصیت مشابه فلز لیتیوم را دارد اما غیر فلزی است و نسبتا استفاده از آن ایمن تر است.

معمولاً آند یک باتری لیتیوم از کربن و کاتد باتری با استفاده از اکسید کبالت یا اکسید فلز دیگر ساخته می شود. الکترولیت مورد استفاده برای اتصال این دو الکترود یک محلول نمک ساده خواهد بود که حاوی یون های لیتیوم است. هنگام تخلیه، یون های لیتیوم با بار مثبت به سمت کاتد حرکت کرده و آن را بمباران می کنند تا زمانی که بطور مثبت باردار شود. اکنون از آنجا که کاتد دارای بار مثبت است، الکترون های دارای بار منفی را به سمت خود جذب می کند. این الکترون ها ساخته می شوند تا از طریق مدار ما جریان یابند و مدار را تأمین کند.

به طور مشابه هنگام شارژ، دقیقاً عکس این اتفاق می افتد. الکترون های حاصل از بارها به باتری می ریزند و از این رو یون های لیتیوم به سمت آند حرکت می کنند و باعث می شود کاتد بار مثبت خود را از دست بدهد.

مقدمه ای بر باتری های لیتیوم یون

از نظر تئوری به اندازه کافی در مورد باتری های لیتیوم یون می دانیم. اکنون بیایید عملاً با این باتری ها آشنا شویم تا بتوانیم از استفاده آن ها در پروژه های خود مطمئن باشیم. نوع باتری لیتیوم یون که معمولاً مورد استفاده قرار می گیرد باتری 18650 است، بنابراین در این مقاله در مورد این مدل صحبت خواهیم کرد. یک باتری معمولی 18650 در تصویر زیر نشان داده شده است.

مانند تمام باتری ها، باتری لیتیوم یون نیز دارای ولتاژ و ظرفیت است. مقدار ولتاژ نامی برای تمام باتری های لیتیومی 3.6 ولت خواهد بود، بنابراین شما به ولتاژ بالاتر نیاز دارید که برای بدست آوردن آن باید دو یا چند باتری را به صورت سری ترکیب کنید.

به طور پیش فرض تمام باتری های لیتیوم یون ولتاژ نامی 3.6 ولت دارند. می توان این ولتاژ را در صورت تخلیه کامل به 3.2 ولت کاهش داد و در صورت شارژ کامل به 4.2 ولت رساند. همیشه بخاطر داشته باشید که تخلیه باتری زیر 3.2 ولت یا شارژ بالای 4.2 ولت به باتری آسیب دائمی می زند.

بیایید اصطلاحات مربوط به باتری 18650 را تفکیک کنیم تا بتوانیم درک بهتری داشته باشیم. بخاطر داشته باشید که این توضیحات فقط برای یک عدد باتری 18650 قابل استفاده است. بعداً به بسته های باتری لیتیوم یون خواهیم رسید که بیش از یک باتری به صورت سری یا موازی متصل است تا ولتاژ و جریان بسیار بالاتری بدست آید.

• ولتاژ نامی: ولتاژ نامی مقدار ولتاژ واقعی باتری 18650 است. این مقدار به طور پیش فرض 3.6 ولت است و برای تمام باتری های 18650 یکسان خواهد بود.
• ولتاژ تخلیه کامل: یک باتری 18650 هرگز نباید اجازه تخلیه زیر 3.2 ولت را داشته باشد، در صورت عدم انجام این کار، مقاومت داخلی باتری تغییر می کند که باعث آسیب دائمی باتری می شود و همچنین ممکن است منجر به انفجار شود.
• ولتاژ شارژ کامل: ولتاژ شارژ باتری لیتیوم یون 4.2 ولت است. باید توجه داشت که ولتاژ باتری در هر زمان از 4.2 ولت بیشتر نشود.
• مقدار بر حسب میلی آمپر ساعت: ظرفیت باتری معمولاً بر حسب mAh (میلی آمپر ساعت) داده می شود. این مقدار بسته به نوع باتری خریداری شده متفاوت خواهد بود. به عنوان مثال فرض کنید باتری ما در اینجا 2000mAh است که چیزی به جز 2Ah نیست. این به این معنی است که اگر ما از این باتری 2 آمپر بگیریم 1 ساعت دوام می آورد و اگر از این باتری 1 آمپر بگیریم 2 ساعت دوام خواهد داشت. بنابراین اگر می خواهید بدانید که باتری چه مدت زمان شما را تأمین می کند (زمان اجرا)، باید آن را بر حسب mAh محاسبه کنید.

زمان اجرا (به ساعت) = جریان کشیده شده / مقدار میلی آمپر ساعت

Run Time (in hours) = Current drawn / mAh Rating

• درجه C: اگر تا به حال فکر کرده اید که حداکثر جریانی را که می توانید از یک باتری بگیرید چه مقدار است، پاسخ شما را می توان از درجه C باتری بدست آورد. درجه C باتری برای هر باتری متفاوت است، فرض کنید باتری موجود ما یک باتری 2 آمپر ساعتی با درجه 3C باشد. مقدار 3C به این معنی است که باتری می تواند 3 برابر بیشتر از جریان نامی Ah به عنوان حداکثر جریان خود تولید کند. در این حالت می تواند حداکثر (6A (3 * 2 = 6 را به عنوان حداکثر جریان تأمین کند. به طور معمول باتری های 18650 فقط دارای درجه 1C هستند.

حداکثر جریان کشیده شده از باتری = درجه C * مقدار آمپر ساعت

Maximum current drawn from battery = C Rating * Ah Rating

• جریان شارژ: یکی دیگر از مشخصات مهم باتری که باید به آن توجه شود، جریان شارژ آن است. صرف اینکه یک باتری می تواند حداکثر جریان 6 آمپر را تأمین کند، به این معنی نیست که می تواند با 6 آمپر شارژ شود. حداکثر جریان شارژ باتری در دیتاشیت باتری ذکر خواهد شد زیرا بر اساس نوع باتری متفاوت است. معمولاً 0.5C خواهد بود که به معنای نصف مقدار آمپر‌ساعت است. برای یک باتری با مقدار 2Ah جریان شارژ 1A خواهد بود (0.5 * 2 = 1).
• زمان شارژ: حداقل زمان شارژ مورد نیاز برای شارژ یک باتری 18650 با استفاده از مقدار جریان شارژ و مقدار Ah باتری قابل محاسبه است. به عنوان مثال، شارژ باتری 2 آمپری با جریان شارژ 1 آمپر تقریباً 2 ساعت طول می کشد. با این فرض که شارژر فقط از روش CC برای شارژ باتری استفاده می کند.
• مقاومت داخلی (IR): با اندازه گیری مقاومت داخلی باتری می توان سلامتی و ظرفیت باتری را پیش بینی کرد. این چیزی جز مقدار مقاومت بین پایانه های آند (مثبت) و کاتد (منفی) باتری نیست. مقدار IR یک باتری در دیتاشیت ذکر خواهد شد. هرچه بیشتر از مقدار واقعی دور شود، باتری کارایی کمتری خواهد داشت. مقدار IR برای یک باتری 18650 در محدوده میلی اهم خواهد بود و ابزار های تخصصی برای اندازه گیری مقدار IR وجود دارد.
• روش های شارژ: روش های زیادی وجود دارد که برای شارژ باتری لیتیوم یون انجام می شود. اما معمولاً توپولوژی 3 مرحله ای استفاده می شود. سه مرحله شارژ CC ،CV و قطره ای است. در حالت CC (جریان ثابت) باتری با تغییر ولتاژ ورودی با جریان شارژ ثابت شارژ می شود. این حالت فعال خواهد بود تا زمانی که باتری تا یک سطح مشخص شارژ شود. سپس حالت CV (ولتاژ ثابت) شروع می شود که در آن ولتاژ شارژ معمولاً در 4.2 ولت حفظ می شود. حالت نهایی شارژ پالس یا شارژ قطره ای است که در آن پالس های کوچکی از جریان به باتری منتقل می شود تا چرخه عمر باتری را بهبود بخشد. همچنین شارژر های بسیار پیچیده تری نیز وجود دارند که شامل 7 مرحله شارژ هستند. ما عمیقاً وارد این موضوع نخواهیم شد زیرا این موضوع از محدوده این مقاله خارج است.
• وضعیت شارژ(SOC)٪: وضعیت شارژ، ظرفیت باتری را به ما می گوید مانند آنچه که در موبایل ما نشان داده شده است. ظرفیت یک باتری را نمی توان به راحتی با مقدار ولتاژ آن محاسبه کرد. معمولاً با استفاده از انتگرال جریان بر حسب زمان برای تعیین تغییر ظرفیت باتری محاسبه می شود.
• عمق تخلیه (DOD)٪: باتری تا چه حد می تواند تخلیه شود. هیچ باتری 100٪ تخلیه نخواهد شد زیرا همانطور که می دانیم به باتری آسیب می رساند. معمولاً عمق تخلیه برای همه باتری ها 80٪ تنظیم می شود.
• اندازه باتری: ویژگی منحصر به فرد و جالب دیگر باتری 18650 اندازه آن است. هر باتری قطر 18 میلی متر و ارتفاع 650 میلی متر دارد که باعث می شود این باتری نام خود را 18650 بگذارد.

اگر شما تازه وارد هستید و برای تأمین انرژی پروژه خود تازه شروع به کار با باتری 18650 کرده اید، ساده ترین راه استفاده از ماژول های آماده است که می توانند بطور ایمن باتری های 18650 شما را شارژ و تخلیه کنند. چنین ماژولی فقط ماژول TP4056 است که می تواند از یک باتری 18650 استفاده کند.

اگر شما به بیش از 3.6 ولت ولتاژ ورودی احتیاج دارید، ممکن است بخواهید دو باتری 18650 را به صورت سری ترکیب کنید تا ولتاژ 7.4 ولت بدست آورید. در چنین شرایطی استفاده از ماژولی مانند ماژول باتری لیتیوم یون 2S 3A که بتواند بطور ایمن باتری را شارژ و تخلیه کند مفید است.

برای ترکیب دو یا چند باتری 18650 نمی توانیم از روش لحیم کاری برای ایجاد ارتباط بین هر دو استفاده کنیم، در عوض فرایندی به نام جوشکاری نقطه ای استفاده می شود. همچنین هنگام ترکیب باتری 18650 به صورت سری یا موازی، باید مراقبت بیشتری انجام شود که در پاراگراف زیر در این مورد صحبت شده است.

بسته باتری لیتیوم یون (سلول های سری و موازی)

برای تأمین انرژی دستگاه های الکترونیکی قابل حمل یا دستگاه های کوچک، یک سلول 18650 یا حداکثر یک جفت از آن ها به صورت سری می تواند این کار را انجام دهد. در این نوع کاربرد ها به دلیل تعداد کم باتری پیچیدگی کمتر است. اما برای کاربرد های بزرگتر مانند دوچرخه یا موتور های الکتریکی یا اتومبیل های تسلا، ما باید تعداد زیادی از این باتری ها را به صورت سری و موازی به هم متصل کنیم تا به ولتاژ و ظرفیت خروجی مطلوب برسیم. به عنوان مثال اتومبیل تسلا بیش از 6800 باتری لیتیوم با ولتاژ 3.7 ولت و جریان 3.1 آمپر دارد. تصویر زیر نحوه چیدمان آن در داخل خودرو را نشان می دهد.

هنگامی که از تعداد زیادی باتری استفاده می کنیم به یک مدار اختصاصی برای نظارت بر آن ها نیاز داریم که فقط بتواند این باتری ها را بطور ایمن شارژ و تخلیه کند. این سیستم اختصاصی سیستم مدیریت باتری (BMS) نام دارد. وظیفه BMS نظارت بر ولتاژ هر باتری لیتیوم یون و همچنین بررسی درجه حرارت آن است. علاوه بر این BMS جریان شارژ و تخلیه سیستم را نیز کنترل می کند.

هنگام ترکیب بیش از دو باتری برای تشکیل یک بسته، باید توجه داشت که آن ها از نظر ساختار شیمیایی، ولتاژ، مقدار آمپر ساعت و مقاومت داخلی یکسان باشند. همچنین هنگام شارژ باتری ها، سیستم مدیریت باتری اطمینان حاصل می کند که آن ها به طور مساوی شارژ و تخلیه می شوند. به طوری که در هر زمان داده شده همه باتری ها ولتاژ یکسانی را حفظ می کنند که این تعادل سلولی نامیده می شود. به غیر از این، طراح همچنین باید نگران خنک کردن این باتری ها هنگام شارژ و تخلیه باشد زیرا در دمای بالا خوب جواب نمی دهند.

امیدوارم این مقاله جزئیات کافی را در اختیار شما قرار داده باشد تا در مورد باتری های لیتیوم یون کمی اطمینان داشته باشید. اگر هر گونه سوالی دارید، در بخش نظرات نظر خود را بنویسید و من تمام تلاش خود را برای پاسخگویی به نظرات شما به کار خواهم گرفت.