باتری لیتیوم پلیمر چیست؟ معایب و مزایای کاربردی آن

باتری لیتیوم پلیمر (Li-Po) یک باتری قابل شارژ است که در آن الکترولیت پلیمری به عنوان جایگزینی برای الکترولیت مایع استفاده شده است. این باتری ها در مقایسه با انواع دیگر باتری های لیتیومی انرژی بالاتری را انتقال می دهند. علاوه بر این، سلول های این باتری طیف وسیعی از مزایا را برای تولید کنندگان وسایل برقی فراهم می کند و از این رو در اشکال مختلف تولید می شوند.

از این باتری های بیشتر در برنامه های مهم که نیاز به وزن سبک دارند، استفاده می شود. کاربردهای این باتری ها شامل استفاده در تلفن های همراه، رایانه ها و صنایع کنترل رادیویی است. باتری های لیتیوم پلیمر دارای مزایا، معایبی مختلفی هستند و برای انتخاب یک باتری با کیفیت، ویژگی هایی وجود دارد که باید بررسی شوند. برای کسب اطلاعات بیشتر در رابطه با این باتری ها در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک همراه ما باشید.

 

 

ویژگی های باتری لیتیوم پلیمر

این باتری ها متعلق به خانواده باتری های قابل شارژ (سلول ثانویه) هستند. این باتری ها از باتری های لیتیوم یونی تکامل یافته تر هستند. در باتری های لیتیوم یونی، الکترولیت از حلال آلی ساخته می شود، در حالی که باتری های لیتیوم پلیمری از الکترولیت های پلیمری جامد مانند پلی اتیلن اکسید یا پلی اکریلونیتریل تشکیل شده اند. این الکترولیت در واقع فیلم نازکی شبیه پلاستیک است که الکتریسیته را هدایت نمی کند اما تبادل یونی را امکان پذیر می کند. الکترولیت پلیمری، جایگزین جدا کننده متخلخل معمولی است که در الکترولیت غوطه ور شده است.

مزیت اصلی باتری های لیتیوم پلیمر این است که دارای ساختاری انعطاف پذیر هستند و همین مسئله به تولید کنندگان اجازه می دهد  آنها را به روش های مختلف شکل دهند. این باتری ها در ساخت تجهیزات کنترل رادیویی مانند هواپیماهای کنترل رادیویی، اتومبیل ها و قطارهای ویژه استفاده می شود.

باتری لیتیوم یونی چیست؟

باتری های لیتیوم پلیمری نسخه های تکامل یافته باتری های سنتی لیتیوم یونی هستند، بنابراین اجازه دهید ابتدا فناوری یون لیتیوم  را برای شما توضیح دهیم. باتری های لیتیوم یونی به طور گسترده ای در دستگاه های الکترونیکی مصرفی امروزه مورد استفاده قرار می گیرند، زیرا سه مزیت عمده نسبت به باتری های قابل شارژ سنتی دارند. این سه مزیت عبارتند از:

بدون اثر حافظه

اثر حافظه، به طور خلاصه به از دست دادن ظرفیت باتری به دلیل چرخه های تخلیه جزئی اشاره دارد. باتری های لیتیوم یونی از تأثیرات حافظه رنج نمی برند. این باتری ها به گونه ای طراحی شده اند که بدون نیاز به تخلیه، بطور کامل شارژ شوند.

تخلیه خودکار اندک

در صورت عدم استفاده این باتری ها به آرامی تخلیه می شوند. میزان تخلیه انرژی در باتری لیتیوم پلیمر تقریبا ۵ درصد در هر ماه است. در مقابل در باتری های هیدرید فلز نیکل (ni-mh) معمولاً ۳۰ درصد در هر ماه و برای باتری های نیکل کادمیوم (ni-cd) 10 درصد در هر ماه است. این تخلیه انرژی همچنین بسته به دمای محیط ذخیره سازی و مارک سلول های مورد استفاده متفاوت است، اما به طور کلی باتری های لیتیومی در حفظ شارژ خود بسیار خوب عمل می کنند.

شیمی بهبود یافته

بهبود شیمیایی ساخت باتری لیتیوم یون باعث شده است که این باتری چگالی انرژی بیشتری ایجاد کند. فناوری ساخت باتری های لیتیوم یونی پیشرفت چشمگیری نسبت به فناوری ساخت باتری های ni-mh و ni-cd داشته است.

مزایا و فواید باتری لیتیوم پلیمر

تراکم انرژی

چگالی انرژی لیتیوم پلیمر دو برابر یک باتری استاندارد است. این باتری ها به عنوان بالاترین مدل رتبه بندی شده اند و چگالی بالایی در فناوری سلول ها ارائه می دهند. چگالی این باتری ها حدود ۱۰۰ تا ۲۶۵Wh/kg  یا ۲۵۰ تا ۶۷۰Wh/L  است. این باتری ها ۳.۶ ولت یعنی سه برابر بیشتر از باتری های قابل شارژ دیگر مانند نیکل – فلز هیدرید و نیکل- کادمیوم انرژی ذخیره شده ارائه می دهد. بنابراین قابلیت این را دارند که جریان های بیشتری را برای کاربردهای مهم تامین کند.

نداشتن اثر حافظه

اثر حافظه یک فرایندی است که در صورت تکرار چرخه های شارژ یا تخلیه منجر به کاهش ظرفیت باتری می شود. باتری لیتیوم پلیمر هیچ گونه اثر حافظه ای ندارد. این اثر یکی از بزرگ ترین معایب در فناوری های تولید باتری Ni-MH و Ni-Cd است.

میزان تخلیه پایین

میزان تخلیه باتری های لیتیوم پلیمر حدود ۵ درصد در هر ماه است. علاوه بر این، باتری لیتیوم پلیمر فاقد عنصر کادمیوم است که یک عنصر بسیار سمی است. بنابراین، دفع این نوع از باتری ها بسیار آسان است.

بی خطر بودن

تلاش های بسیار زیادی برای تولید و ارتقا باتری های لیتیوم قابل شارژ در جهان انجام شده است زیرا فلز لیتیوم در حین شارژ ناپایدار می شود. به همین دلیل، تحقیقات از باتری لیتیوم فلزی به غیر فلزی تبدیل شد که از یون های لیتیوم برای ساخت باتری استفاده می کند. اگرچه یون لیتیوم چگالی انرژی کمتری نسبت به فلز لیتیوم دارد، اما بی خطر است. با رعایت موارد احتیاطی هنگام شارژ یا تخلیه می توانید اقدامات ایمنی را افزایش دهید.

ویژگی های تخلیه خوب

باتری های لیتیوم پلیمری از الکترولیت های کلوئیدی استفاده می کنند که به الکترولیت های مایع تبدیل می شوند. الکترولیت های کلوئیدی دارای ویژگی های تخلیه پایدار و پنل تخلیه بالاتری هستند.

طراحی صفحه محافظ ساده

به دلیل استفاده از مواد پلیمری، هسته باتری شعله ور و منفجر نمی شود و خود هسته باتری از ایمنی کافی برخوردار است. بنابراین، طراحی مدار حفاظتی باتری های لیتیوم پلیمری می تواند باعث حذف PTC و فیوزها شود و در نتیجه در هزینه تولید باتری صرفه جویی می شود.

تعمیر و نگهداری راحت

باتری های لیتیوم پلیمری نسبت به سایر باتری ها نیاز به نگهداری کمتری دارند. بنابراین این باتری ها برای حفظ چرخه زندگی خود نیازی به تعمیر ندارند.

برنامه های کاربردی

باتری های لیتیوم پلیمری جایگزین سایر باتری های قابل شارژ در دستگاه های الکترونیکی از جمله لپ تاپ و تلفن های هوشمند شده اند. همچنین، سیستم های الکتریکی در هواپیماهایی مانند بوئینگ ۷۸۷ از این گونه باتری ها تغذیه می کنند، زیرا وزن در ساخت هواپیما بسیار مهم است. همچنین باتری لیتیوم پلیمر به عنوان منبع سوخت در خودروهای برقی از جمله خودرو تسلا بسیار استفاده می شود.

معایب باتری های لیتیوم پلیمری چیست؟

گرمای بیش از حد

یون لیتیوم صرف نظر از تکنولوژی برتر، معایبی نیز دارد. این باتری ها می توانند بیش از حد گرم شوند، بنابراین در ولتاژهای بالا خراب می شوند. این مشکل می تواند منجر به سوختگی و فرار حرارتی شدید شود. بنابراین  ممکن است این باتری های باعث ایجاد آتش سوزی شوند.

شکننده بودن

یون لیتیوم شکننده است و به منظور افزایش عملکرد ایمن به مدار حفاظتی نیاز دارد. مدار حفاظتی داخلی اجازه نمی دهد ولتاژ سلول هنگام تخلیه کاهش یابد.

فرسوده شدن

پیری یک مشکل جدی در تولید باتری ها است. باتری های حاوی یون لیتیوم دچار فرسودگی می شوند. این بدان معناست که باتری ها پس از مدت دو تا سه سال خراب می شوند. با این حال، فناوری های دیگر نیز این مشکل را تجربه کرده اند. به عنوان مثال، باتری نیکل-فلز-هیدرید هنگام قرار گرفتن در معرض دمای شدید خراب می شود. بنابراین باتری های خودتان را  در مکانی خنک و خشک نگهداری کنید، تا روند فرسودگی محدود شود. دمای توصیه شده ۱۵ درجه سانتی گراد است. همچنین در حین ذخیره سازی باتری را تا ۴۰ درصد شارژ کنید.

حمل و نقل

باتری های ساخته شده از یون لیتیوم در مقادیر زیاد محدودیت حمل و نقل دارند، بنابراین تحت کنترل قرار می گیرند. با این وجود، این محدودیت برای باتری های شخصی اعمال نمی شود. علاوه بر این، میزان لیتیوم بر اساس تعداد سلول ها و ظرفیت هر باتری تعیین می شود. وجود یون لیتیوم بیش از ۱.۵ تا ۸ گرم در هر باتری به عنوان مواد خطرناک طبقه بندی می شود.

هزینه تولید

تولید باتری های لیتیوم پلیمری پرهزینه است و حدود ۴۰ درصد هزینه بیشتری از ساخت باتری نیکل-کادمیوم دارد.

چگونه باتری لیتیوم پلیمر با کیفیت بالا را انتخاب کنیم؟

باتری های قابل شارژ در اندازه ها، اشکال مختلف و از سیستم های مگاواتی تا سل های دکمه ای تولید می شوند. مواد مورد استفاده در این باتری ها از ترکیب متمایز الکترولیت و الکترود بدست می آید. هنگام انتخاب یک باتری لیتیوم پلیمری با کیفیت، باید ویژگی های زیر را در نظر بگیرید.

ظرفیت:

ظرفیت هر باتری به صورت آمپر در ساعت نشان داده می شود. با اتصال موازی باتری ها می توان آن را افزایش داد. برای بدست آوردن ظرفیت هر باتری ولتاژ را در ظرفیت ضرب کرده و برق ذخیره شده در کیلووات ساعت را بدست آورید.

توان:

توان مناسب باتری با محاسبه میزان مصرف در روز و تقسیم بر جریان ولتاژ بدست می آید. با تقسیم نتایج بر ۰.۵ می توانید حداقل توان را بدست آورید.

ولتاژ:

ولتاژ باتری ها بر حسب ولت (V) نشان داده شده است. ولتاژ معمولی هر باتری ۳.۶ ولت در هر سلول است.

قیمت:

قیمت هر باتری نسبت به قدرت و اندازه باتری متفاوت است. اگرچه باتری های لیتیومی گران هستند، اما کارایی آنها بسیار خوب است.

رعایت نکات ایمنی قبل از استفاده از باتری لیتیوم پلیمر

قبل از هر بار استفاده از باتری (نصب، شارژ، اتصال و غیره) بهتر است بازرسی های لازم را انجام دهید. ابتدا باتری را از نظر هرگونه علائم آسیب دیدگی بررسی کنید. به دنبال سوراخ ها، فرو رفتگی یا باد کردگی سلول ها باشید. در صورت مشاهده چنین آسیب هایی، باتری را به روش ایمن دور بیندازید.

قبل از اتصال باتری، مطمئن شوید که هیچ قطعی در مدار وجود ندارد. کوتاه شدن پایانه های یک باتری می تواند باعث تخلیه سریع انرژی در باتری شده و منجر به آتش سوزی و یا انفجار شود. قبل از اتصال باتری، بررسی کنید که اتصالات در شرایط خوب هستند. یک اتصال ضعیف، می تواند منجر به قوس الکتریکی و گرم شدن بیش از حد شود. در نهایت، مطمئن شوید که باتری ها به درستی شارژ شده اند.

روش شارژ کردن باتری لیتیوم پلیمر

سلولهای این باتری باید در برابر اضافه بار محافظت شوند. در هنگام شارژ، ولتاژ باید به بیش از ۴.۲۳۵ ولت در هر سلول محدود شود تا از آسیب به سلول ها جلوگیری شود. شارژ بیش از حد یکی از عوامل اصلی خرابی باتری های لیتیوم پلیمری است. در طول چرخه شارژ باتری را بدون مراقبت رها نکنید. مراقب آن باشید و اگر به هر دلیلی باتری شروع به متورم شدن کرد و یا به هر نحوی واکنش نشان داد، شارژر را جدا کنید.

سخن آخر :

امروزه باتری های مختلف مورد استقبال خریداران قرار گرفته است. وقتی نوبت به وزن می رسد، لیتیوم سبک ترین فلز است. بنابراین، باتری های ساخته شده از لیتیوم برنده این رقابت هستند. علاوه بر این، پتانسیل الکتروشیمیایی و چگالی انرژی زیاد این باتری ها مزایای بسیار زیادی را فراهم می کند. باتری لیتیوم پلیمر یک باتری ایمن است، اما بهتر است در هنگام شارژ یا تخلیه موارد احتیاط را رعایت کنید. علاوه بر این، باتری لیتیوم پلیمر نسبت به سایر باتری ها نیاز به نگهداری کمتری دارد. با این حال، به منظور افزایش چرخه عمر این باتری ها، بهتر است از توصیه های سازندگان در زمینه نگهداری باتری پیروی کنید.