تعتبر بطارية الليثيوم جهازًا آمنًا ومستهلكًا للطاقة. ميزته الرئيسية هي العمل دون شحن لفترة طويلة. يمكن أن تعمل حتى في أدنى درجات الحرارة. بسبب قدرتها على تخزين الطاقة، تتفوق بطارية الليثيوم على الأنواع الأخرى. ولهذا السبب يزداد إنتاجهم كل عام. يمكن أن تكون من شكلين: أسطواني ومنشوري.

طلب

يتم استخدامها على نطاق واسع في أجهزة الكمبيوتر والهواتف المحمولة وغيرها من المعدات. تتمتع شواحن بطاريات الليثيوم بجهد تشغيل يبلغ 4 فولت. والميزة الأكثر أهمية هي التشغيل في نطاق واسع من درجات الحرارة، والذي يتراوح من -20 درجة مئوية إلى +60 درجة مئوية. توجد اليوم بطاريات يمكنها العمل في درجات حرارة أقل من -30 درجة مئوية. يحاول المطورون كل عام زيادة نطاقات درجات الحرارة الإيجابية والسلبية.

في البداية، تفقد بطارية الليثيوم حوالي 5% من سعتها، ويزداد هذا الرقم كل شهر. هذا المؤشر أفضل من مؤشر ممثلي البطاريات الآخرين. اعتمادًا على جهد الشحن، يمكن أن تستمر من 500 إلى 1000 دورة.

أنواع بطاريات الليثيوم

توجد أنواع من بطاريات الليثيوم في مجالات مختلفة من الاقتصاد المنزلي والصناعي:

• ليثيوم أيون - لإمدادات الطاقة الرئيسية أو الاحتياطية، والنقل، وأدوات الطاقة؛
• ملح النيكل - النقل البري والسكك الحديدية؛
• النيكل والكادميوم - بناء السفن وتصنيع الطائرات؛
• الحديد والنيكل - مصدر الطاقة؛
• النيكل والهيدروجين - الفضاء؛
• النيكل والزنك - الكاميرات؛
• الفضة والزنك - الصناعة العسكرية، إلخ.

النوع الرئيسي هو بطاريات الليثيوم أيون. يتم استخدامها في مجالات إمدادات الطاقة، وإنتاج الأدوات الكهربائية، والهواتف، وما إلى ذلك. يمكن أن تعمل البطاريات في درجات حرارة تتراوح من -20 درجة مئوية إلى +40 درجة مئوية، ولكن هناك تطورات جارية لزيادة هذه النطاقات.

بجهد 4 فولت فقط، يتم توليد كمية كافية من الحرارة النوعية.

وهي مقسمة إلى أنواع فرعية مختلفة تختلف في تكوين الكاثود. ويتم تعديله عن طريق استبدال الجرافيت أو إضافة مواد خاصة إليه.

بطاريات الليثيوم: الجهاز

وكقاعدة عامة، يتم إنتاج هذه الأجهزة في شكل منشوري، ولكن هناك أيضًا نماذج في جسم أسطواني. يتكون الجزء الداخلي من أقطاب كهربائية أو فواصل. الجسم مصنوع من الفولاذ أو الألومنيوم. يتم إخراج نقاط الاتصال إلى غطاء البطارية، ويجب عزلها. تحتوي البطاريات المنشورية على عدد معين من اللوحات. وهي مكدسة فوق بعضها البعض. لتوفير المزيد من الأمان، تحتوي بطارية الليثيوم على جهاز خاص. إنه موجود بالداخل ويعمل على التحكم في عملية العمل.

في حالة المواقف الخطرة، يقوم الجهاز بإيقاف تشغيل البطارية. وبالإضافة إلى ذلك، يتم توفير المعدات مع الحماية الخارجية. العلبة مغلقة تمامًا، لذلك لا يوجد تسرب للكهرباء، وكذلك لا يدخل الماء إلى الداخل. تظهر الشحنة الكهربائية بسبب أيونات الليثيوم التي تتفاعل مع الشبكة البلورية للعناصر الأخرى.

مفك براغي مزود ببطارية ليثيوم

يمكنه استيعاب ثلاثة أنواع من البطاريات، والتي تختلف في تركيبها الكاثودي:

• ليثيوم الكوبالت.
• فيروسفوسفات الليثيوم
• منغنيز الليثيوم.

يختلف مفك البراغي الذي يحتوي على بطارية ليثيوم عن الآخرين في مستوى التفريغ الذاتي المنخفض. ميزة أخرى مهمة هي أنها لا تحتاج إلى صيانة. إذا تعطلت بطارية الليثيوم، يمكنك التخلص منها لأنها لا تضر الأشخاص أو البيئة. السلبية الوحيدة هي انخفاض شحن بطاريات الليثيوم، فضلا عن متطلبات السلامة العالية. من الصعب شحنه في درجات حرارة تحت الصفر.

الخصائص الرئيسية

يعتمد تشغيل مفك البراغي وحالة قوته ووقت التشغيل المحتمل على الخصائص التقنية. وتشمل المؤشرات الفنية الأخرى ما يلي:

• يمكن أن يتراوح جهد بطارية واحدة في الجهاز من 3 إلى 5 فولت؛
• يصل الحد الأقصى لمؤشر كثافة الطاقة إلى 400 واط ساعة/لتر؛
• خسارة الرسوم الخاصة بنسبة 5%، وبمرور الوقت بنسبة 20%؛
• وضع الشحن المعقد
• يتم شحن البطارية بالكامل خلال ساعتين؛
• المقاومة من 5 إلى 15 مللي أوم/آه؛
• عدد الدورات - 1000 مرة؛
• مدة الخدمة - من 3 إلى 5 سنوات؛
• استخدام أنواع مختلفة من التيار لسعات معينة للبطارية، على سبيل المثال، سعة 65 درجة مئوية - يتم استخدام التيار المباشر.

إنتاج

تسعى معظم الشركات المصنعة إلى جعل الأدوات الكهربائية أكثر تقدمًا ومتوافقة مع التكنولوجيا الحديثة.

للقيام بذلك، من الضروري توفير بطاريات جيدة في التصميم. أشهر شركات التصنيع هي:

1. شركة بوش. يتم تصنيع بطارية الليثيوم باستخدام تقنية ECP الجديدة. هي التي تتحكم في تفريغ الجهاز. خاصية أخرى مفيدة هي الحماية من الحرارة الزائدة. عند الطاقة العالية، يقوم جهاز خاص بخفض درجة الحرارة. يحتوي تصميم البطارية على فتحات تعمل بمثابة تهوية وتبريد البطارية. هناك تقنية أخرى وهي Charge، والتي بفضلها يتم الشحن بشكل أسرع بكثير. وبالإضافة إلى ذلك، تنتج شركة بوش بطاريات لمختلف الأدوات الكهربائية. يترك العديد من المستخدمين تعليقات جيدة حول هذه الشركة.
2. شركة ماكيتا. وتنتج دوائرها الدقيقة التي تتحكم في جميع معلمات التشغيل والعمليات في البطارية، على سبيل المثال، درجة الحرارة ومحتوى الشحن. بفضل هذا، يمكنك اختيار وضع الشحن ووقت الشحن. تعمل هذه الدوائر الدقيقة على زيادة عمر الخدمة. يتم تصنيع البطاريات بغلاف قوي إلى حد ما، لذلك فهي لا تخضع للضغط الميكانيكي.
3. شركة هيتاشي. وبفضل أحدث التقنيات، تم تقليل الوزن والأبعاد الإجمالية للبطارية. ولهذا السبب أصبحت الأدوات الكهربائية خفيفة الوزن ومتنقلة.

ميزات العملية

عند استخدام البطارية يجب الالتزام بالقواعد التالية:

1. ليست هناك حاجة لاستخدام بطارية الليثيوم للعناصر الفردية غير المحمية، وشراء قطع غيار صينية رخيصة. لن يكون هذا الجهاز آمنا، لأنه لن يكون هناك نظام يحمي من الدوائر القصيرة ودرجات الحرارة المرتفعة. أي أنه إذا ارتفعت درجة حرارة البطارية بشكل كبير، فيمكن أن تنفجر وستكون مدة خدمتها أقصر بكثير.
2. لا تسخن البطارية. ومع زيادة درجة الحرارة داخل الجهاز، يزداد الضغط. هذه الإجراءات سوف تؤدي إلى انفجار. ولذلك لا داعي لفتح الغطاء العلوي للبطارية ووضعه في أماكن معرضة لأشعة الشمس. مثل هذه الإجراءات سوف تقصر من عمر الخدمة.
3. لا تضع مصادر إضافية للكهرباء بالقرب من نقاط التلامس الموجودة أعلى الغطاء، حيث قد يحدث ماس كهربائي. لن تساعد أنظمة الحماية المدمجة دائمًا في هذا الأمر.
4. يجب شحن البطارية وفقًا لجميع القواعد. عند الشحن، يجب عليك استخدام تلك التي توزع التيار بالتساوي.
5. تتم عملية شحن البطارية عند درجة حرارة إيجابية.
6. إذا كانت هناك حاجة لتوصيل العديد من بطاريات الليثيوم، فأنت بحاجة إلى استخدام نماذج من نفس الشركة المصنعة وما شابه ذلك في الخصائص التقنية.
7. يجب تخزين بطاريات الليثيوم في مكان جاف لا يتعرض لأشعة الشمس وبدرجات حرارة تزيد عن 5 درجات مئوية. عندما تتعرض المعدات لدرجات حرارة عالية، سينخفض ​​الشحن. قبل تخزينها خلال فصل الشتاء، يتم شحن البطارية حتى 50% من سعتها. يجب توخي الحذر لضمان عدم تفريغ البطارية بالكامل. إذا حدث هذا، قم بشحنه على الفور. إذا كان هناك ضرر ميكانيكي على الجسم، وكذلك علامات الصدأ، فلا يمكن استخدام الجهاز.
8. إذا واجهت البطارية ارتفاعًا كبيرًا في درجة الحرارة أو دخانًا أثناء التشغيل، فيجب عليك التوقف عن استخدامها على الفور. بعد ذلك، انقل الجهاز التالف إلى مكان آمن. إذا تم إطلاق مادة ما من الجسم، فيجب منعها من ملامسة الجلد أو الأعضاء الأخرى.
9. لا تتخلص من بطاريات الليثيوم أو تحرقها. ويتم التخلص منها في حالة حدوث أضرار ميكانيكية في السكن أو حدوث انفجارات أو دخول الماء أو البخار.

عن النار

في حالة نشوب حريق في بطارية الليثيوم، لا يمكن إطفاؤه بالماء وطفاية الحريق - يمكن أن يتفاعل ثاني أكسيد الكربون والماء مع الليثيوم. لإطفاءه يجب استخدام الرمل والملح وكذلك بقطعة قماش سميكة.

عملية الشحن

يتم شحن بطارية الليثيوم، التي يتصل الشاحن منها بالتيار المباشر، بجهد 5 فولت وما فوق.

هناك عيب - فهي ليست مقاومة للشحن الزائد. ارتفاع درجة الحرارة داخل السكن يؤدي إلى الضرر.

تشير تعليمات التشغيل إلى مستوى خاص. عند الوصول إليه، يجب أن يتم شحنه. إذا قمت بزيادة جهد الشحن، فسوف تنخفض خصائص بطارية الليثيوم بشكل ملحوظ.

كما ذكرنا سابقًا، عمر البطارية هو 3 سنوات. وللمحافظة على هذه الفترة يجب الالتزام بشروط التشغيل والشحن والتخزين. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تكون فعالة بشكل دائم وغير مخزنة.

فاحش

يتضمن تصميم البطارية نظام إعادة الشحن، لذلك لا تضطر إلى فصل الشاحن ولا تخشى أن يغلي التركيب الموجود بداخله، كما يحدث مع بطاريات السيارات.

إذا تم تخزين المعدات لأكثر من شهر واحد، فيجب تفريغها بالكامل. سيؤدي هذا إلى إطالة عمر الخدمة بشكل كبير.

سعر

يعتمد سعر بطارية الليثيوم أيون على السعة والخصائص التقنية.

في المتوسط، فإنه يختلف من 100 إلى 500 روبل. وعلى الرغم من هذه التكلفة، فإن العديد من المستخدمين يتركون تعليقات إيجابية. ومن بين الجوانب الإيجابية مجموعة واسعة من درجات حرارة التشغيل والطاقة العالية والقدرة على العمل لأكثر من 1000 دورة (حوالي 3 سنوات من الاستخدام المكثف). يتم استخدام الأجهزة على نطاق واسع في مختلف المجالات، بحيث يمكن للجميع تقدير فوائدها.

لذلك، اكتشفنا ما هي بطاريات الليثيوم.

تتراوح درجات الحرارة المسموح بها لشحن وتفريغ بطاريات الليثيوم أيون

ميزات الاختبار

تم إجراء اختبارات عدد الدورات بتيار تفريغ قدره 1C لكل بطارية، وتم إجراء دورات التفريغ/الشحن حتى الوصول إلى 80% من السعة. تم اختيار هذا الرقم بناءً على توقيت الاختبار وإمكانية مقارنة النتائج لاحقًا. ويصل عدد الدورات المكافئة الكاملة إلى 7500 في بعض الاختبارات.
تم إجراء اختبارات الحياة عند مستويات شحن ودرجات حرارة مختلفة، وتم إجراء قياسات الجهد كل 40-50 يومًا لمراقبة التفريغ، وكانت مدة الاختبار 400-500 يوم.

الصعوبة الرئيسية في التجارب هي التناقض بين السعة المعلنة والقدرة الحقيقية. تتمتع جميع البطاريات بسعة أعلى مما هو مذكور، وتتراوح من 0.1% إلى 5%، مما يقدم عنصرًا إضافيًا لعدم القدرة على التنبؤ.

وكانت بطاريات NCA وNMC هي الأكثر استخدامًا، ولكن تم أيضًا اختبار بطاريات الليثيوم كوبالت وفوسفات الليثيوم.

بعض المصطلحات:
وزارة الدفاع - عمق التفريغ - عمق التفريغ.
SoC - حالة الشحن - مستوى الشحن.

باستخدام البطاريات

عدد الدورات

في الوقت الحالي، هناك نظرية مفادها أن اعتماد عدد الدورات التي يمكن أن تتحملها البطارية على درجة تفريغ البطارية في الدورة له الشكل التالي (يشار إلى دورات التفريغ باللون الأزرق، ويشار إلى الدورات الكاملة المكافئة باللون الأزرق) أسود):

ويسمى هذا المنحنى منحنى فولر. جاءت الفكرة الرئيسية من الميكانيكا حول اعتماد عدد امتدادات الزنبرك على درجة التمدد. القيمة الأولية البالغة 3000 دورة عند تفريغ البطارية بنسبة 100% هي متوسط ​​مرجح عند تفريغ 0.1 درجة مئوية. بعض البطاريات تظهر نتائج أفضل، وبعضها أسوأ. عند تيار 1C، ينخفض ​​عدد الدورات الكاملة عند تفريغ 100٪ من 3000 إلى 1000-1500، اعتمادًا على الشركة المصنعة.

بشكل عام، تم تأكيد هذه العلاقة المعروضة في الرسوم البيانية من خلال نتائج التجارب، لأن يُنصح بشحن البطارية كلما أمكن ذلك.

حساب تراكب الدورات

عند استخدام البطاريات، من الممكن التشغيل بدورتين في وقت واحد (على سبيل المثال، الكبح المتجدد في السيارة):


وينتج عن ذلك الدورة المركبة التالية:


السؤال الذي يطرح نفسه هو كيف يؤثر ذلك على تشغيل البطارية، هل انخفض عمر البطارية بشكل كبير؟

ووفقا لنتائج التجارب أظهرت الدورة المركبة نتائج مماثلة لإضافة دورات كاملة مكافئة لدورتين مستقلتين. أولئك. انخفضت السعة النسبية للبطارية في الدورة المركبة وفقًا لمجموع التصريفات في الدورات الصغيرة والكبيرة (الرسم البياني الخطي موضح أدناه).


ويكون تأثير دورات التفريغ الكبيرة أكثر أهمية، مما يعني أنه من الأفضل شحن البطارية في كل فرصة.

تأثير الذاكرة

ولم تتم ملاحظة تأثير الذاكرة لبطاريات الليثيوم أيون وفقًا للنتائج التجريبية. في ظل أوضاع مختلفة، لا تزال قدرتها الإجمالية لم تتغير لاحقا. وفي الوقت نفسه، هناك عدد من الدراسات التي تؤكد وجود هذا التأثير في بطاريات فوسفات الليثيوم والتيتانيوم الليثيوم.

تخزين البطارية

درجات حرارة التخزين

لم يتم إجراء أي اكتشافات غير عادية هنا. درجات الحرارة تعتبر درجة الحرارة 20-25 درجة مئوية مثالية (في الحياة الطبيعية) لتخزين البطارية، إذا لم يتم استخدامه. عند تخزين البطارية عند درجة حرارة 50 درجة مئوية، يحدث تدهور السعة أسرع بنحو 6 مرات.
وبطبيعة الحال، تعتبر درجات الحرارة المنخفضة أفضل للتخزين، ولكن في الحياة اليومية هذا يعني تبريدًا خاصًا. بما أن درجة حرارة الهواء في الشقة عادة ما تكون 20-25 درجة مئوية، فمن المرجح أن يكون التخزين عند درجة الحرارة هذه.

مستوى الشحن

كما أظهرت الاختبارات، كلما انخفض الشحن، كان التفريغ الذاتي للبطارية أبطأ. تم قياس سعة البطارية، وما ستكون عليه أثناء استخدامها مرة أخرى بعد تخزينها على المدى الطويل. وأظهرت أفضل النتائج البطاريات التي تم تخزينها بشحنة قريبة من الصفر.
بشكل عام، أظهرت البطاريات التي تم تخزينها بمستوى شحن لا يزيد عن 60% عند بداية التخزين نتائج جيدة. تختلف الأرقام عن تلك الموجودة أدناه بالنسبة لشحن 100% للأسوأ (أي أن البطارية ستصبح غير صالحة للاستعمال قبل الوقت المحدد في الشكل):

الشكل مأخوذ من المادة 5 نصائح عملية لاستخدام بطاريات الليثيوم أيون
وفي الوقت نفسه، فإن أرقام الشحنات الصغيرة أكثر تفاؤلاً (94% بعد عام عند 40 درجة مئوية للتخزين عند 40% SOC).
نظرًا لأن الشحن بنسبة 10% غير عملي، نظرًا لأن وقت التشغيل عند هذا المستوى قصير جدًا، من الأمثل تخزين البطاريات عند درجة حرارة SOC 60%، مما سيسمح لك باستخدامه في أي وقت ولن يؤثر بشكل خطير على مدة خدمته.

المشاكل الرئيسية للنتائج التجريبية

لم يقم أحد بإجراء اختبارات يمكن اعتبارها موثوقة بنسبة 100٪. العينة، كقاعدة عامة، لا تتجاوز بضعة آلاف من البطاريات من أصل ملايين البطاريات المنتجة. معظم الباحثين غير قادرين على تقديم تحليلات مقارنة موثوقة بسبب عدم كفاية أخذ العينات. كما أن نتائج هذه التجارب غالباً ما تكون معلومات سرية. لذا فإن هذه التوصيات لا تنطبق بالضرورة على بطاريتك، ولكن يمكن اعتبارها الأمثل.

نتائج التجارب

تردد الشحن الأمثل - في كل فرصة.
ظروف التخزين المثالية هي 20-25 درجة مئوية مع شحن بطارية بنسبة 60%.

مصادر

1. دورة "أنظمة تخزين البطاريات"، RWTH Aachen، البروفيسور. دكتور. rer. نات. ديرك أوي سوير

عند قراءة "نصائح لتشغيل" البطاريات في المنتديات، لا يسعك إلا أن تفكر - إما أن الناس قد تخطوا الفيزياء والكيمياء في المدرسة، أو يعتقدون أن قواعد تشغيل بطاريات الرصاص الحمضية والأيونية هي نفسها.
لنبدأ بمبادئ تشغيل بطارية Li-Ion. على الأصابع، كل شيء بسيط للغاية - يوجد قطب كهربائي سلبي (عادة ما يكون مصنوعًا من النحاس)، ويوجد قطب موجب (مصنوع من الألومنيوم)، بينهما مادة مسامية (فاصل) مشربة بالكهرباء (تمنع " "النقل غير المصرح به لأيونات الليثيوم بين الأقطاب الكهربائية":

يعتمد مبدأ التشغيل على قدرة أيونات الليثيوم على الاندماج في الشبكة البلورية للمواد المختلفة - عادةً الجرافيت أو أكسيد السيليكون - مع تكوين روابط كيميائية: وفقًا لذلك، عند الشحن، يتم دمج الأيونات في الشبكة البلورية، وبالتالي تتراكم الشحنة على أحد القطبين، وعند التفريغ، فإنها تعود على التوالي إلى القطب الآخر، مما يؤدي إلى التخلص من الإلكترون الذي نحتاجه (من يهتم بشرح أكثر دقة للعمليات التي تحدث - إقحام جوجل). تُستخدم المحاليل التي تحتوي على الماء والتي لا تحتوي على بروتون حر وتكون مستقرة على نطاق واسع من الجهد كإلكتروليتات. كما ترون، في البطاريات الحديثة، يتم كل شيء بأمان تام - لا يوجد معدن الليثيوم، لا يوجد شيء ينفجر، فقط الأيونات تمر عبر الفاصل.
الآن بعد أن أصبح كل شيء أكثر أو أقل وضوحًا فيما يتعلق بمبدأ التشغيل، دعنا ننتقل إلى الخرافات الأكثر شيوعًا حول بطاريات Li-Ion:

1. أسطورة واحدة. لا يمكن تفريغ بطارية Li-Ion الموجودة في الجهاز إلى الصفر بالمائة.
   في الواقع، يبدو كل شيء صحيحًا ويتوافق مع الفيزياء - عند تفريغها إلى ~ 2.5 فولت، تبدأ بطارية Li-Ion في التدهور بسرعة كبيرة، وحتى تفريغ واحد من هذا القبيل يمكن أن يقلل بشكل كبير (يصل إلى 10٪!) من قدرتها. بالإضافة إلى ذلك، إذا تم تفريغ الجهد إلى هذا الجهد باستخدام شاحن قياسي، فلن يكون من الممكن شحنه بعد الآن - إذا انخفض جهد خلية البطارية إلى أقل من 3 فولت تقريبًا، فسوف تقوم وحدة التحكم "الذكية" بإيقاف تشغيلها باعتبارها تالفة، وإذا كان هناك كل هذه الخلايا، فيمكن نقل البطارية إلى سلة المهملات.
   ولكن هناك شيء مهم للغاية ينساه الجميع: في الهواتف والأجهزة اللوحية وغيرها من الأجهزة المحمولة، يتراوح نطاق جهد التشغيل على البطارية من 3.5 إلى 4.2 فولت. وعندما ينخفض ​​الجهد إلى أقل من 3.5 فولت، يُظهر المؤشر شحنًا بنسبة صفر بالمائة والجهاز ينطفئ، ولكن قبل أن يكون 2.5 فولت "حرجًا" لا يزال بعيدًا جدًا. وهذا ما تؤكده حقيقة أنه إذا قمت بتوصيل مؤشر LED بمثل هذه البطارية "فارغة الشحن"، فيمكن أن تظل مضاءة لفترة طويلة (ربما يتذكر شخص ما أنهم كانوا يبيعون الهواتف المزودة بمصابيح يدوية يتم تشغيلها بواسطة زر بغض النظر عن النظام لذلك استمر الضوء هناك في الاحتراق حتى بعد التفريغ وإيقاف تشغيل الهاتف). وهذا هو، كما ترون، أثناء الاستخدام العادي، لا يحدث التفريغ إلى 2.5 فولت، مما يعني أنه من الممكن تماما تفريغ البطارية إلى الصفر في المئة.
2. الأسطورة الثانية. في حالة تلف بطاريات Li-Ion، فإنها تنفجر.
   نتذكر جميعًا هاتف Samsung Galaxy Note 7 "المتفجّر". ومع ذلك، يعد هذا استثناءً للقاعدة - نعم، الليثيوم معدن نشط جدًا، وليس من الصعب تفجيره في الهواء (ويحترق بشكل ساطع جدًا في الهواء) ماء). ومع ذلك، فإن البطاريات الحديثة لا تستخدم الليثيوم، بل تستخدم أيوناته، وهي أقل نشاطًا بكثير. لذا لكي يحدث انفجار، عليك أن تحاول جاهدًا - إما إتلاف بطارية الشحن فعليًا (التسبب في حدوث ماس كهربائى)، أو شحنها بجهد عالٍ جدًا (ثم ستتلف، ولكن على الأرجح ستحترق وحدة التحكم ببساطة خارج نفسه ولن يسمح بشحن البطارية). لذلك، إذا كان لديك فجأة بطارية تالفة أو مدخنة في يديك، فلا ترميها على الطاولة وتهرب من الغرفة وهي تصرخ "سنموت جميعًا" - فقط ضعها في حاوية معدنية وخذها الخروج إلى الشرفة (حتى لا تتنفس المواد الكيميائية) - سوف تشتعل البطارية لبعض الوقت ثم تنطفئ. الشيء الرئيسي هو عدم ملؤه بالماء، فالأيونات بالطبع أقل نشاطًا من الليثيوم، ولكن لا يزال سيتم إطلاق كمية من الهيدروجين أيضًا عند التفاعل مع الماء (وهو يحب الانفجار).
3. الأسطورة الثالثة. عندما تصل بطارية Li-Ion إلى 300 دورة (500/700/1000/100500)، تصبح غير آمنة ويجب استبدالها بشكل عاجل.
   وهي أسطورة، لحسن الحظ، تنتشر بشكل أقل في المنتديات وليس لها أي تفسير فيزيائي أو كيميائي على الإطلاق. نعم، أثناء التشغيل، تتأكسد الأقطاب الكهربائية وتتآكل، مما يقلل من سعة البطارية، لكن هذا لا يهددك بأي شيء سوى تقصير عمر البطارية والسلوك غير المستقر عند شحن بنسبة 10-20٪.
4. الأسطورة الرابعة. لا يمكن استخدام بطاريات Li-Ion في البرد.
   وهذه توصية أكثر منها تحريماً. تحظر العديد من الشركات المصنعة استخدام الهواتف في درجات حرارة أقل من الصفر، وقد شهد الكثير منها تفريغًا سريعًا وحتى إغلاق الهواتف في البرد. تفسير ذلك بسيط للغاية: المنحل بالكهرباء عبارة عن مادة هلامية تحتوي على الماء، والجميع يعرف ما يحدث للماء عند درجات حرارة تحت الصفر (نعم، يتجمد، إن وجد)، مما يجعل بعض مناطق البطارية غير صالحة للاستعمال. يؤدي هذا إلى انخفاض الجهد، وتبدأ وحدة التحكم في اعتبار هذا تفريغًا. هذا ليس جيدًا للبطارية، لكنه ليس قاتلًا أيضًا (بعد التسخين، ستعود السعة)، لذلك إذا كنت في حاجة ماسة إلى استخدام الهاتف في البرد (لاستخدامه - أخرجه من الجيب الدافئ، تحقق من ذلك) لا يتم احتساب الوقت وإعادته) فمن الأفضل شحنه بنسبة 100٪ وتشغيل أي عملية تقوم بتحميل المعالج - سيؤدي ذلك إلى تبريده بشكل أبطأ.
5. الأسطورة الخامسة. تعتبر بطارية Li-Ion المنتفخة خطيرة ويجب التخلص منها على الفور.
   هذه ليست مجرد أسطورة، بل هي إجراء احترازي - يمكن للبطارية المنتفخة أن تنفجر ببساطة. من وجهة نظر كيميائية، كل شيء بسيط: أثناء عملية الإقحام، تتحلل الأقطاب الكهربائية والكهارل، مما يؤدي إلى إطلاق الغاز (يمكن أيضًا إطلاقه أثناء إعادة الشحن، ولكن المزيد عن ذلك أدناه). ولكن يتم إطلاق القليل جدًا منه، ولكي تظهر البطارية منتفخة، يجب أن تمر عدة مئات (إن لم يكن الآلاف) من دورات إعادة الشحن (ما لم تكن معيبة بالطبع). لا توجد مشاكل في التخلص من الغاز - ما عليك سوى ثقب الصمام (في بعض البطاريات يفتح من تلقاء نفسه عند وجود ضغط زائد) ثم ينزف (لا أنصح بالتنفس به)، وبعد ذلك يمكنك تغطية الثقب بالغاز. راتنجات الايبوكسي. بالطبع، هذا لن يعيد البطارية إلى سعتها السابقة، ولكن على الأقل الآن لن تنفجر بالتأكيد.
6. الأسطورة السادسة. الشحن الزائد ضار ببطاريات Li-Ion.
   لكن هذه لم تعد أسطورة، بل حقيقة قاسية - عند إعادة الشحن، هناك فرصة كبيرة لأن تنتفخ البطارية وتنفجر وتشتعل فيها النيران - صدقوني، ليس من دواعي سروري أن يتم رشها بالكهرباء المغلي. لذلك، تحتوي جميع البطاريات على وحدات تحكم تمنع ببساطة شحن البطارية فوق جهد معين. ولكن هنا عليك أن تكون حذرًا للغاية عند اختيار البطارية - غالبًا ما تتعطل وحدات التحكم اليدوية الصينية، ولا أعتقد أن الألعاب النارية من هاتفك في الساعة 3 صباحًا ستجعلك سعيدًا. بالطبع، توجد نفس المشكلة في البطاريات ذات العلامات التجارية، ولكن أولاً، يحدث هذا كثيرًا هناك، وثانيًا، سيستبدلون هاتفك بالكامل بموجب الضمان. عادة ما تؤدي هذه الأسطورة إلى ما يلي:
7. الأسطورة السابعة. عندما تصل إلى 100%، تحتاج إلى إزالة الهاتف من الشحن.
   من الأسطورة السادسة، يبدو هذا معقولا، ولكن في الواقع لا يوجد أي معنى للاستيقاظ في منتصف الليل وفصل الجهاز: أولا، فشل وحدة التحكم نادرا للغاية، وثانيا، حتى عندما يصل المؤشر إلى 100٪، لا تزال البطارية تشحن لبعض الوقت بأقصى تيارات منخفضة للغاية، مما يضيف سعة أخرى بنسبة 1-3٪. لذا، في الواقع، لا ينبغي عليك اللعب بأمان.
8. الأسطورة الثامنة. يمكنك شحن الجهاز فقط بالشاحن الأصلي.
   توجد الأسطورة بسبب الجودة الرديئة لأجهزة الشحن الصينية - عند الجهد العادي 5 +- 5٪ فولت يمكنهم إنتاج كل من 6 و 7 - وحدة التحكم، بالطبع، ستعمل على تنعيم هذا الجهد لبعض الوقت، ولكن في المستقبل سيؤدي ذلك، في أحسن الأحوال، إلى حرق وحدة التحكم، في أسوأ الأحوال - إلى انفجار و (أو) فشل اللوحة الأم. ويحدث العكس أيضًا - تحت الحمل، ينتج الشاحن الصيني 3-4 فولت: سيؤدي ذلك إلى عدم قدرة البطارية على الشحن بالكامل.

كما يتبين من مجموعة كاملة من المفاهيم الخاطئة، ليس كل منهم لديهم تفسير علمي، وحتى أقل من ذلك يؤدي إلى تفاقم أداء البطاريات. لكن هذا لا يعني أنه بعد قراءة مقالتي، تحتاج إلى الجري برأسك وشراء بطاريات صينية رخيصة الثمن مقابل بضعة دولارات - ومع ذلك، من أجل المتانة، من الأفضل أن تأخذ إما البطاريات الأصلية، أو نسخًا عالية الجودة من البطاريات الأصلية.

اليوم، يتم استخدام بطاريات خاصة للهواتف المحمولة، والأجهزة المنزلية، والأدوات. أنها تختلف في خصائص الأداء. لكي تعمل البطارية لفترة طويلة دون أعطال، عليك أن تأخذ في الاعتبار متطلبات الشركات المصنعة للمنتجات المعروضة.

واحدة من الأنواع الأكثر شعبية اليوم هي بطاريات Li-Ion. كيفية شحن هذا النوع من البطاريات بشكل صحيح، وكذلك ميزات تشغيله، ينبغي النظر فيها بالتفصيل قبل تشغيل الجهاز.

الخصائص العامة

أحد أكثر أنواع البطاريات شيوعًا اليوم هو نوع Li-Ion. هذه الأجهزة منخفضة التكلفة نسبيا. في الوقت نفسه، فإنهم يتجاهلون ظروف التشغيل. في هذه الحالة، نادرًا ما يكون لدى المستخدم سؤال حول كيفية شحن بطارية Li-Ion 18650 الأسطوانية أو أي نوع آخر بشكل صحيح.

في أغلب الأحيان، يتم تثبيت البطاريات المقدمة في الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والأجهزة اللوحية وغيرها من الأجهزة المماثلة. تتميز البطاريات المقدمة بالمتانة والموثوقية. إنهم ليسوا خائفين من التفريغ الكامل.

من السمات الرئيسية للمنتجات المعروضة عدم وجود "تأثير الذاكرة". يمكن شحن هذه البطاريات في أي وقت مناسب تقريبًا. يحدث "تأثير الذاكرة" عندما لا يتم تفريغ البطارية بالكامل. إذا بقيت كمية صغيرة من الشحن فيها، فستبدأ سعة البطارية في الانخفاض بمرور الوقت. سيؤدي ذلك إلى عدم كفاية إمدادات الطاقة للمعدات. في بطاريات الليثيوم أيون، يتم تقليل "تأثير الذاكرة".

تصميم

يعتمد تصميم بطارية الليثيوم أيون على نوع الجهاز المخصص لها. يستخدم الهاتف المحمول بطارية تسمى "جرة". لها شكل مستطيل وتتضمن عنصرًا هيكليًا واحدًا. الجهد الاسمي هو 3.7 فولت.

يتميز نوع البطارية المقدم للكمبيوتر المحمول بتصميم مختلف تمامًا. قد تحتوي على عدة خلايا بطارية فردية (2-12 قطعة). كل واحد منهم لديه شكل أسطواني. هذه هي بطاريات Li-Ion 18650. تشير الشركة المصنعة للجهاز بالتفصيل إلى كيفية شحنها بشكل صحيح. يتضمن هذا التصميم وحدة تحكم خاصة. يبدو وكأنه دائرة كهربائية صغيرة. تتحكم وحدة التحكم في إجراء الشحن ولا تسمح بتجاوز السعة المقدرة للبطارية.

توفر البطاريات الحديثة للأجهزة اللوحية والهواتف الذكية أيضًا وظيفة التحكم في الشحن. وهذا يطيل عمر البطارية بشكل ملحوظ. إنه محمي من العوامل الضارة المختلفة.

ميزات الشحن

عند النظر في كيفية شحن بطاريات Li-Ion بشكل صحيح للهاتف والكمبيوتر المحمول وغيرها من المعدات، عليك الانتباه إلى ميزات تشغيل الجهاز المقدم. يجب أن يقال أن بطاريات الليثيوم أيون لا تتحمل التفريغ العميق والشحن الزائد. ويتم التحكم في ذلك بواسطة جهاز خاص يضاف إلى التصميم (جهاز التحكم).

إنه مثالي للحفاظ على شحن نوع البطارية المعروض عند مستوى يتراوح بين 20 إلى 80% من السعة الكاملة. وحدة التحكم تراقب هذا. ومع ذلك، لا ينصح الخبراء بترك الجهاز متصلاً بالشحن طوال الوقت. وهذا يقلل بشكل كبير من عمر البطارية. في هذه الحالة، وحدة التحكم تخضع لتحميل مستمر. بمرور الوقت، قد تنخفض وظائفها بسبب هذا.

وفي الوقت نفسه، لن تسمح وحدة التحكم أيضًا بالتفريغ العميق. سوف يقوم ببساطة بإيقاف تشغيل البطارية في لحظة معينة. هذه الوظيفة الوقائية ضرورية للغاية. وإلا، فقد يؤدي ذلك إلى قيام المستخدم بشحن البطارية بشكل زائد أو تفريغها بشكل زائد عن غير قصد. توفر البطاريات الحديثة أيضًا حماية عالية الجودة ضد ارتفاع درجة الحرارة.

مبدأ تشغيل البطارية

لفهم كيفية شحن بطارية Li-Ion (جديدة أو مستعملة) بشكل صحيح، عليك أن تأخذ في الاعتبار مبدأ عملها. سيسمح لك ذلك بتقييم الحاجة إلى مراقبة مستوى التفريغ وشحن الجهاز.

تنتقل أيونات الليثيوم الموجودة في بطارية من هذا النوع من قطب كهربائي إلى آخر. في هذه الحالة، يظهر تيار كهربائي. يمكن تصنيع الأقطاب الكهربائية من مواد مختلفة. هذا المؤشر له تأثير أقل على خصائص أداء الجهاز.

تنمو أيونات الليثيوم على الشبكة البلورية للأقطاب الكهربائية. هذا الأخير، بدوره، يغير حجمها وتكوينها. عندما يتم شحن البطارية أو تفريغها، يكون هناك المزيد من الأيونات على أحد الأقطاب الكهربائية. كلما زاد الحمل على العناصر الهيكلية المعدنية التي يضعها الليثيوم، قل عمر خدمة الجهاز. ولذلك فمن الأفضل عدم السماح لنسبة عالية من الأيونات بالاستقرار على أحد القطبين أو ذاك.

خيارات الشحن

قبل استخدام البطارية، عليك أن تفكر في كيفية شحن بطارية Li-Ion الخاصة بالهاتف الذكي والجهاز اللوحي والمعدات الأخرى بشكل صحيح. هناك عدة طرق للقيام بذلك.

أحد الحلول الصحيحة هو استخدام الشاحن. يتم تزويده كاملاً بالمعدات الإلكترونية من قبل كل مصنع.

الخيار الثاني هو شحن البطارية من كمبيوتر مكتبي متصل بشبكة منزلية. يتم استخدام كابل USB لهذا الغرض. في هذه الحالة، سيستغرق إجراء الشحن وقتًا أطول من استخدام الطريقة الأولى.

يمكنك تنفيذ هذا الإجراء باستخدام ولاعة السجائر الموجودة في سيارتك. هناك طريقة أخرى أقل شيوعًا وهي شحن بطارية ليثيوم أيون باستخدام جهاز عالمي. ويسمى أيضا "الضفدع". في أغلب الأحيان، يتم استخدام هذه الأجهزة لإعادة شحن بطاريات الهواتف الذكية. يمكن تعديل عرض جهات الاتصال الخاصة بهذا الجهاز.

شحن بطارية جديدة

يجب تشغيل البطارية الجديدة بشكل صحيح. للقيام بذلك، يجب تفريغ هاتفك أو جهازك اللوحي أو أي جهاز آخر بالكامل. فقط عندما يتم إيقاف تشغيل الجهاز، يمكن توصيله بالشبكة. ستمنع وحدة التحكم البطارية من استنزاف الكثير. هو الذي يقوم بإيقاف تشغيل الجهاز عندما تفقد البطارية سعتها إلى مستوى محدد مسبقًا.

بعد ذلك، تحتاج إلى توصيل المعدات الكهربائية بالشبكة باستخدام شاحن قياسي. يتم تنفيذ الإجراء حتى يضيء المؤشر باللون الأخضر. يمكنك ترك الجهاز متصلاً بالإنترنت لبضع ساعات إضافية. يتم تنفيذ هذا الإجراء عدة مرات. ليست هناك حاجة لتفريغ هاتفك أو جهازك اللوحي أو الكمبيوتر المحمول على وجه التحديد.

شحن عادي

إن معرفة كيفية شحن بطاريات Li-Ion بشكل صحيح يمكن أن يؤدي إلى إطالة عمر البطارية بشكل كبير. يوصي الخبراء باتباع الإجراء الصحيح لهذه العملية بالنسبة للبطارية الجديدة. بعد ذلك، لا يُنصح بتفريغ البطارية بالكامل. عندما يظهر المؤشر أن سعة البطارية مشحونة بنسبة 14-15% فقط، فيجب توصيلها بالشبكة.

وفي الوقت نفسه، لا ينصح أيضًا باستخدام أجهزة أخرى غير الأجهزة القياسية لملء سعة البطارية. يحتوي على الحد الأقصى من التصنيفات الحالية المقبولة المسموح بها لطراز بطارية معين. يجب استخدام الخيارات الأخرى فقط عند الضرورة القصوى.

معايرة

هناك فارق بسيط آخر تحتاج إلى معرفته عند دراسة مسألة كيفية شحن بطاريات Li-Ion بشكل صحيح. يوصي الخبراء بمعايرة هذا الجهاز بشكل دوري. ويقام مرة واحدة كل ثلاثة أشهر.

أولاً، في الوضع العادي، تحتاج إلى تفريغ المعدات الكهربائية قبل إيقاف تشغيلها. بعد ذلك يتم توصيله بالشبكة. يستمر الشحن حتى يتحول المؤشر إلى اللون الأخضر (البطارية مشحونة بنسبة 100%). يجب اتباع هذا الإجراء حتى تعمل وحدة التحكم بشكل صحيح.

عند تنفيذ مثل هذا الإجراء، تحدد لوحة دائرة البطارية حدود الشحن والتفريغ. يعد ذلك ضروريًا لضمان التشغيل العادي لوحدة التحكم وتجنب الأعطال. في هذه الحالة، يتم استخدام الشاحن القياسي الذي توفره الشركة المصنعة للهاتف أو الجهاز اللوحي أو الكمبيوتر المحمول.

تخزين

لكي تعمل البطارية لأطول فترة ممكنة وبكفاءة قدر الإمكان، تحتاج أيضًا إلى التفكير في مسألة كيفية شحن بطارية Li-Ion بشكل صحيح للتخزين. في بعض الحالات، قد ينشأ موقف عندما لا يكون جهاز تشغيل المعدات قيد الاستخدام مؤقتًا. في هذه الحالة، يجب أن يتم إعداده بشكل صحيح للتخزين.

يتم شحن البطارية إلى 50%. في هذه الحالة يمكن تخزينها لفترة طويلة. ومع ذلك، يجب أن تكون درجة الحرارة المحيطة حوالي 15 درجة مئوية. وإذا زادت، فإن معدل فقدان البطارية لسعتها سيزيد.

إذا كانت البطارية بحاجة إلى تخزينها لفترة طويلة بما فيه الكفاية، فيجب تفريغها بالكامل وشحنها مرة واحدة في الشهر. وصول البطارية إلى 100% من سعتها المحددة. ثم يتم تفريغ الجهاز مرة أخرى وشحنه إلى 50٪. إذا تم تنفيذ هذا الإجراء بانتظام، فيمكن تخزين البطارية لفترة طويلة جدًا. وبعد ذلك، سيكون صالحًا للاستخدام بالكامل.

من خلال التفكير في كيفية شحن بطاريات Li-Ion بشكل صحيح، يمكنك إطالة عمر هذا النوع من البطاريات بشكل كبير.

فئة: دعم البطاريةتم النشر في 30/03/2016 الساعة 23:38

يتم تسمية الأنواع الفرعية المختلفة للنظام الكهروكيميائي الليثيوم أيون وفقًا لنوع المادة الفعالة الخاصة بها، ويمكن تحديدها إما بالكامل بالكلمات أو بشكل مختصر بواسطة الصيغ الكيميائية. ما تشترك فيه بطاريات الليثيوم هو أنها تنتمي إليها جميعًا بطاريات مختومة خالية من الصيانة. هذه الصيغ ليست مريحة جدًا للقراءة أو التذكر نظرًا لتعقيدها، لذلك يتم تبسيطها إلى اختصار حرفي.

على سبيل المثال، كوبالتيت الليثيوم، وهو أحد المواد الأكثر شيوعًا لبطاريات الليثيوم أيون، له الصيغة الكيميائية LiCoO2 والاختصار LCO. ولأسباب التبسيط، يمكن أيضًا استخدام الصيغة اللفظية القصيرة "كوبالت الليثيوم". الكوبالت هو المادة الفعالة الرئيسية وبهذا يتميز نوع البطارية. يتم أيضًا تقليل الأنواع الأخرى من النظام الكهروكيميائي الليثيوم أيون بالمثل إلى شكل قصير. يسرد هذا القسم الأنواع الستة الأكثر شيوعًا من Li-ion.

1. بطارية ليثيوم كوبالت (LiCoO2)

كثافة الطاقة العالية تجعل بطاريات الليثيوم والكوبالت خيارًا شائعًا للهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والكاميرات الرقمية. تتكون البطارية من أنود الجرافيت وكاثود أكسيد الكوبالت. يحتوي الكاثود على هيكل متعدد الطبقات، وأثناء التفريغ، تنتقل إليه أيونات الليثيوم من الأنود. عند الشحن يتغير الاتجاه إلى العكس. تتمثل عيوب بطاريات الليثيوم والكوبالت في عمرها القصير نسبيًا وضعف الاستقرار الحراري وقدرة التحميل المحدودة (كثافة الطاقة). ويبين الشكل 1 هيكل هذه البطارية.

الشكل 1: هيكل بطارية ليثيوم الكوبالت.أثناء التفريغ، تنتقل أيونات الليثيوم من القطب الموجب إلى الكاثود، وأثناء الشحن من الكاثود إلى القطب الموجب.

لا يمكن شحن بطارية الليثيوم والكوبالت أو تفريغها بتيار أعلى من تيارها مفطور. وهذا يعني أنه يمكن شحن أو تفريغ خلية 18650 بسعة 2400 مللي أمبير بتيار لا يزيد عن 2400 مللي أمبير. سيؤدي فرض الشحن السريع أو توصيل حمل يتطلب أكثر من 2400 مللي أمبير إلى إجهاد لا داعي له وارتفاع درجة الحرارة. بالنسبة للشحن السريع، توصي الشركات المصنعة بتصنيف C يبلغ 0.8 درجة مئوية أو حوالي 2000 مللي أمبير. عند استخدام نظام حماية البطارية، فإنه يحد تلقائيًا من الشحن والتفريغ إلى مستوى آمن - حوالي 1 درجة مئوية.

الشكل 2: متوسط ​​تصنيف بطارية ليثيوم الكوبالت.يتمتع النظام الكهروكيميائي الليثيوم والكوبالت بكثافة طاقة عالية، ولكنه يوفر متوسط ​​كثافة الطاقة والسلامة وعمر الخدمة.

جدول الخصائص

كوبالتيت الليثيوم: كاثود LiCoO2 (~60% كوبالت)، أنود الجرافيت الاختصار: LCO أو Li-cobalt تم تطويره في عام 1991
الجهد االكهربى	3.60 فولت اسمي؛ نطاق التشغيل القياسي - 3.0-4.2 فولت
كثافة الطاقة المحددة	150-200 واط*ساعة/كجم؛ توفر النماذج المتخصصة ما يصل إلى 240 واط*ساعة/كجم
شحن تصنيف C	0.7-1C، جهد الشحن 4.20 فولت (معظم الموديلات)؛ تستغرق عملية الشحن عادةً 3 ساعات؛ يؤدي الشحن بتيار أكبر من 1C إلى تقليل عمر البطارية
فئة التصنيف C	1ج؛ عندما يكون الجهد أقل من 2.50 فولت، يتم تنشيط مفتاح القطع؛ تيار التفريغ أعلى من 1C يقلل من عمر البطارية
	500-1000، يعتمد على عمق التفريغ والحمل ودرجة الحرارة
الانهيار الحراري	عادة عند 150 درجة مئوية. الشحن الكامل يعزز الهروب الحراري
مجالات الاستخدام	الهواتف المحمولة والأجهزة اللوحية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والكاميرات
تعليق	كثافة طاقة محددة عالية جدًا، وقوة محددة محدودة. ارتفاع تكلفة الكوبالت. يخدم في المناطق التي تتطلب سعة كبيرة. لديه طلب مستقر في السوق.

الجدول 3: خصائص بطارية ليثيوم الكوبالت.

2. بطارية ليثيوم منغنيز (LiMn2O4)

تم نشر تصميم بطارية ليثيوم أيون الإسبنيل المنغنيز لأول مرة في مجلة نشرة أبحاث المواد في عام 1983. في عام 1996، قامت شركة Moli Energy بتسويق خلية أيون الليثيوم مع إسبينل الليثيوم ومنغنيز كمادة الكاثود. يعمل هيكل الإسبنيل ثلاثي الأبعاد على تحسين تدفق الأيونات عند القطب الكهربائي، مما يؤدي إلى تقليل المقاومة الداخلية وتحسين التعامل مع التيار. ميزة أخرى للإسبنيل هي ثباته الحراري العالي، لكن العمر الافتراضي وعدد الدورات محدود.

تضمن المقاومة الداخلية المنخفضة لهذه الخلية الشحن السريع وتيار تفريغ مرتفع محتمل. في حجم 18650، يمكن تفريغ بطارية الليثيوم المنغنيز بتيار 20-30 أمبير مع توليد حرارة معتدلة. بالإضافة إلى ذلك، فهو قادر على تحمل نبضات تصل إلى 50 أمبير لمدة ثانية أو ثانيتين. سيؤدي الحمل المستمر بمقدار 50 أمبير إلى تسخين البطارية، والتي يجب ألا تتجاوز 80 درجة مئوية لتجنب تدهورها. تُستخدم بطاريات الليثيوم والمنغنيز في الأدوات عالية الطاقة والمعدات الطبية والمركبات الهجينة والكهربائية.

ويقدم الشكل 4 رسمًا توضيحيًا للإطار البلوري ثلاثي الأبعاد لمادة الكاثود. هذه المادة هي الإسبنيل، حيث يتحول الهيكل الشبكي الأولي على شكل الماس إلى هيكل ثلاثي الأبعاد.

الشكل 4: هيكل بطارية الليثيوم المنغنيز.يحتوي كاثود الإسبنيل الليثيوم المنغنيز البلوري على هيكل إطاري ثلاثي الأبعاد يظهر بعد التكوين الأولي. يوفر الإسبنيل مقاومة منخفضة ولكن لديه كثافة طاقة أكثر اعتدالًا من الكوبالت.

تبلغ سعة بطارية الليثيوم والمنغنيز حوالي الثلث أقل من قدرة بطارية الليثيوم والكوبالت. تسمح لك مرونة التصميم بتحسين البطارية للقيام بمهام مختلفة وإنشاء نماذج ذات متانة محسنة أو طاقة محددة أو كثافة طاقة محددة. على سبيل المثال، تبلغ سعة الإصدار 18650 مع تقييمات الطاقة المحسنة 1100 مللي أمبير فقط، في حين أن الإصدار المُحسّن للسعة لديه 1500 مللي أمبير.

يوضح الشكل 5 مخططًا سداسيًا لبطارية ليثيوم منغنيز نموذجية. قد لا يبدو الأداء مثيرًا للإعجاب بشكل خاص، لكن أحدث التصميمات أدت إلى تحسين كثافة الطاقة والسلامة والعمر المتوقع.

الشكل 5: خصائص بطارية الليثيوم المنغنيز التقليدية.وعلى الرغم من الأداء العام المعتدل، إلا أن الطرازات الجديدة أظهرت تحسينًا في كثافة الطاقة والسلامة وطول العمر.

يتم دمج معظم بطاريات الليثيوم المنغنيز مع بطاريات الليثيوم والنيكل والمنغنيز والكوبالت (NMC) لتحسين كثافة الطاقة وإطالة عمر الخدمة. ويستفيد هذا الاتحاد من نقاط القوة في كلا النظامين ويسمى LMO (NMC). تُستخدم هذه البطاريات المركبة في معظم السيارات الكهربائية مثل نيسان ليف وتشيفي فولت وبي إم دبليو i3. يوفر جزء LMO من هذه البطارية، والذي يبلغ حوالي 30٪، قدرات تسريع عالية للمحرك الكهربائي، وجزء NMC مسؤول عن مقدار النطاق المستقل.

انجذبت الأبحاث في نظام أيون الليثيوم إلى حد كبير نحو الجمع بين خلايا الليثيوم والمنغنيز وخلايا النيكل والمنغنيز والكوبالت. يمكن دمج هذه المعادن النشطة الثلاثة بسهولة لتحقيق النتيجة المرجوة، سواء كان ذلك زيادة كثافة الطاقة أو خصائص الحمل أو عمر البطارية. يعد هذا النطاق الواسع من القدرات ضروريًا لتلبية النهج التكنولوجي الموحد وسوق البطاريات الاستهلاكية، حيث تأتي السعة في المقام الأول؛ والصناعة، حيث هناك حاجة إلى أنظمة بطاريات ذات خصائص تحميل جيدة وعمر خدمة طويل وتشغيل آمن موثوق.

جدول الخصائص

إسبينل منغنيز الليثيوم: كاثود LiMn2O4، أنود الجرافيت الاختصار: LNO أو Li-manganese (بنية الإسبنيل) تم تطويره في عام 1996
الجهد االكهربى	3.70 فولت (3.80 فولت) اسمي؛ نطاق التشغيل القياسي - 3.0-4.2 فولت
كثافة الطاقة المحددة	100-150 واط*ساعة/كجم
شحن تصنيف C	معيار 0.7-1C. 3C الحد الأقصى. شحن حتى 4.20 فولت (معظم البطاريات)
فئة التصنيف C	معيار 1C؛ هناك نماذج مع 10C. وضع التشغيل النبضي (حتى 5 ثوانٍ) - 50 درجة مئوية؛ عند 2.50 فولت يتم تنشيط مفتاح القطع
عدد دورات الشحن/التفريغ	300-700 (حسب عمق التفريغ ودرجة الحرارة)
الانهيار الحراري	عادة عند 250 درجة مئوية. الشحن الكامل يعزز الهروب الحراري
مجالات الاستخدام	الأدوات الكهربائية، المعدات الطبية، وحدات الطاقة الكهربائية
تعليق	قوة عالية ولكن قدرة معتدلة؛ أكثر أمانا من الليثيوم والكوبالت. تستخدم عادة بالاشتراك مع NMC

الجدول 6: مواصفات بطارية الليثيوم المنغنيز.

3. بطارية ليثيوم نيكل منغنيز وأكسيد الكوبالت (LiNiMnCoO2 أو NMC)

أحد أكثر التصميمات نجاحًا للنظام الكهروكيميائي الليثيوم أيون هو مزيج النيكل والمنغنيز والكوبالت (NMC) في الكاثود. على غرار أنظمة منغنيز الليثيوم، يمكن تحسين هذه الأنظمة من حيث السعة أو الطاقة. على سبيل المثال، تبلغ سعة بطارية NMC بحجم خلية 18650 للحمل المعتدل 2800 مللي أمبير ويمكن أن توفر تيارًا قدره 4-5 أمبير؛ والنسخة بنفس الحجم القياسي، ولكن مُحسّنة لمؤشرات الطاقة، تبلغ سعتها 2000 مللي أمبير فقط، ولكن الحد الأقصى لتيار التفريغ هو 20 أمبير. ويمكن زيادة مؤشر السعة إلى 4000 مللي أمبير في الساعة إذا تمت إضافة السيليكون إلى الأنود. ولكن من ناحية أخرى، سيؤدي ذلك إلى تقليل خصائص التحميل ومتانة هذه البطارية بشكل كبير. تنشأ مثل هذه الخصائص الغامضة للسيليكون بسبب تمدده وانكماشه أثناء الشحن والتفريغ، مما يؤدي إلى عدم الاستقرار الميكانيكي لتصميم البطارية.

سر تقنية NMC هو مزيج النيكل والمنجنيز. يمكن تشبيه ذلك بملح الطعام العادي، حيث تكون مكوناته الفردية، الصوديوم والكلور، شديدة السمية، لكن مزيجهما يشكل مادة مغذية مفيدة. يُعرف النيكل بكثافة الطاقة العالية ولكن استقراره المنخفض. يتمتع المنغنيز بميزة بنية الإسبنيل، التي توفر مقاومة داخلية منخفضة، ولكنها تؤدي أيضًا إلى عيب - انخفاض كثافة الطاقة النوعية. يتيح لك الجمع بين هذه المعادن التعويض عن أوجه القصور لدى بعضكما البعض والاستفادة الكاملة من نقاط القوة لدى كل منهما.

تُستخدم بطاريات NMC للأدوات الثقيلة والدراجات الكهربائية وتطبيقات الطاقة الأخرى. تكوين الكاثود، كقاعدة عامة، يجمع بين النيكل والمنغنيز والكوبالت في أجزاء متساوية، أي أن كل معدن يحتل ثلث الحجم الإجمالي. يُعرف هذا التوزيع أيضًا باسم 1-1-1. يعد الجمع في هذه النسبة مفيدًا نظرًا لتكلفته، نظرًا لأن محتوى الكوبالت باهظ الثمن صغير نسبيًا مقارنة بالإصدارات الأخرى من البطارية. تحتوي مجموعة NMC الناجحة الأخرى على 5 أجزاء من النيكل و3 أجزاء من الكوبالت وجزئين من المنجنيز. ولا تزال التجارب للعثور على مجموعات ناجحة من هذه المواد الفعالة مستمرة. ويبين الشكل 7 خصائص بطارية NMC.

الشكل 7: تقييم أداء بطارية NMC.يتمتع NMC بأداء عام جيد وكثافة طاقة ممتازة. تعتبر هذه البطارية الخيار المفضل للسيارات الكهربائية وتتميز بأقل مستوى للتسخين الذاتي.

في الآونة الأخيرة، أصبحت عائلة بطاريات الليثيوم أيون NMC هي الأكثر شعبية، لأنه بفضل إمكانية الجمع بين المواد الفعالة، أصبح من الممكن بناء بطارية اقتصادية ذات أداء جيد. يمكن خلط النيكل والمنغنيز والكوبالت بسهولة لتلبية مجموعة واسعة من متطلبات السيارات الكهربائية أو أنظمة تخزين الطاقة التي تتطلب ركوب الدراجات بشكل منتظم. تتطور عائلة بطاريات NMC بنشاط في تنوعها.

جدول الخصائص

أكسيد الكوبالت ونيكل الليثيوم والمنغنيز: كاثود LiNiMnCoO2، أنود الجرافيت الاختصار: NMC (NCM، CMN، CNM، MNC، MCN مشابه لمجموعة المعادن) تم تطويره في عام 2008
الجهد االكهربى	3.60-3.70 فولت اسمي؛ نطاق التشغيل القياسي - 3.0-4.2 فولت لكل خلية أو أعلى
كثافة الطاقة المحددة	150-220 واط*ساعة/كجم
شحن تصنيف C	0.7-1C، شحن يصل إلى 4.20 فولت، في بعض الموديلات يصل إلى 4.30 فولت؛ تستغرق عملية الشحن عادةً 3 ساعات؛ يؤدي الشحن بتيار أكبر من 1C إلى تقليل عمر البطارية
فئة التصنيف C	1ج؛ بعض النماذج تدعم 2C؛ عند 2.50 فولت يتم تنشيط مفتاح القطع
عدد دورات الشحن/التفريغ
الانهيار الحراري	عادة عند 210 درجة مئوية. الشحن الكامل يعزز الهروب الحراري
مجالات الاستخدام	الدراجات الكهربائية، المعدات الطبية، السيارات الكهربائية، الصناعة
تعليق	توفير قدرة وقوة عالية. مجموعة واسعة من التطبيقات العملية، وحصة السوق تنمو بسرعة

الجدول 8: خصائص بطارية ليثيوم نيكل المنغنيز وأكسيد الكوبالت (NMC).

4. بطارية ليثيوم فوسفات الحديد (LiFePO4)

وفي عام 1996، تم إجراء بحث في جامعة تكساس، ونتيجة لذلك تم اكتشاف مادة جديدة للكاثود بطارية ليثيوم أيون- فوسفات الحديد . يتمتع نظام فوسفات الليثيوم بخصائص كهروكيميائية جيدة ومقاومة داخلية منخفضة. المزايا الرئيسية لهذه البطاريات هي مستويات التيار العالية وعمر الخدمة الطويل، بالإضافة إلى أنها تتمتع بثبات حراري جيد وأمان متزايد ومقاومة سوء الاستخدام.

تعتبر بطاريات فوسفات الليثيوم أكثر مقاومة للشحن الزائد؛ إذا تم تطبيق الجهد العالي عليها لفترة طويلة، فإن عواقب التدهور ستكون أقل بشكل ملحوظ مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون الأخرى. لكن جهد الخلية البالغ 3.20 فولت يقلل من كثافة الطاقة النوعية إلى مستوى أقل حتى من مستوى بطارية الليثيوم والمنغنيز. بالنسبة لمعظم البطاريات الكهربائية، تقلل درجات الحرارة الباردة من الأداء ودرجات الحرارة الساخنة تقلل من العمر الافتراضي، ونظام فوسفات الليثيوم ليس استثناءً. كما أن لديها معدل تفريغ ذاتي أعلى من بطاريات الليثيوم أيون الأخرى. ويبين الشكل 9 خصائص بطارية فوسفات الليثيوم.

غالبًا ما تستخدم بطاريات فوسفات الليثيوم كبديل لبطاريات الرصاص الحمضية. ستوفر أربع خلايا من هذه البطارية جهدًا يبلغ 12.8 فولتًا - وهو ما يشبه جهد ست خلايا من حمض الرصاص بقوة 2 فولت. يقوم مولد السيارة بإعادة شحن بطارية الرصاص الحمضية إلى 14.40 فولت (2.40 فولت لكل خلية). بالنسبة لأربع خلايا فوسفات الليثيوم، سيكون الحد الأقصى للجهد 3.60 فولت، وبعد ذلك يجب إيقاف إعادة الشحن، وهو ما لا يحدث في مركبة عادية. تتميز بطاريات فوسفات الليثيوم بأنها مقاومة للشحن الزائد، ولكنها تتدهور أيضًا عند الحفاظ عليها عند جهد عالٍ لفترة طويلة. يمكن أن تكون درجات الحرارة المنخفضة أيضًا مشكلة عند استخدام بطارية فوسفات الليثيوم كبديل لبطارية بداية عادية.

الشكل 9: تقييم أداء بطارية فوسفات الليثيوم.يوفر النظام الكهروكيميائي لفوسفات الليثيوم أمانًا ممتازًا وعمر خدمة طويل، ولكن كثافة الطاقة المحددة معتدلة، كما تجدر الإشارة إلى التفريغ الذاتي العالي.

جدول الخصائص

فوسفات الليثيوم: كاثود LiFePO4، أنود الجرافيت الاختصار: LFP أو ليثيوم فوسفات
الجهد االكهربى	3.20، 3.30 فولت اسمي؛ نطاق التشغيل القياسي - 2.5-3.65 فولت لكل خلية
كثافة الطاقة المحددة	90-120 واط*ساعة/كجم
شحن تصنيف C	1C قياسي، شحن يصل إلى 3.65 فولت؛ تستغرق عملية الشحن عادة 3 ساعات
فئة التصنيف C	1ج؛ في بعض الإصدارات تصل إلى 25C؛ 40 تيارات نبضية (حتى ثانيتين) ؛ عند 2.50 فولت، يتم تشغيل مفتاح القطع (الجهد أقل من 2 فولت ضار)
عدد دورات الشحن/التفريغ	1000-2000 (حسب عمق التفريغ ودرجة الحرارة)
الانهيار الحراري	270 درجة مئوية. آمن حتى عند شحنه بالكامل
مجالات الاستخدام	التطبيقات المحمولة والثابتة التي تتطلب تيارات تحميل عالية وقدرة على التحمل