باتریهای لیتیوم-یونی چطور کار می‌کنند و آیا واقعا خطر انفجار دارند؟
امروزه باتریهای لیتیوم-یونی جزو گزینه‌های بسیار محبوب در ساختار دستگاه‌های مختلف است و شما می‌توانید آن را در لپ‌تاپ، تبلت، تلفن‌های همراه، دوربین‌ها و غیره پیدا کنید. این دسته از باتری‌ها با این تکنولوژی پیش‌رو، یکی از قدرتمندترین مدل‌ها با قابلیت شارژ مجدد هستند. پس از ورود این باتری لیتیوم-یونی به بازار جهانی خبرهایی مبنی بر امکان شعله‌ور شدن این محصولات در بین مردم دست به دست می‌شد، اگرچه چنین اتفاقی محتمل است اما باید بدانید که گزارش‌ها بیش از حد به آن دامن زده است و احتمال شعله‌ور شدن این باتری‌ها تنها به میزان دو یا سه بسته باتری در هر یک میلیون است.
با وجود تمام این حرف‌ها باتریهای لیتیوم-یونی یکی از رایج‌ترین و قدرتمندترین محصولات جهان هستند اما سوالی که می‌توان مطرح کرد این است که چه چیزی این باتری‌ها را اینقدر پرانرژی و قدرتمند کرده است؟ در این مقاله شما را با ساختار باتری لیتیوم-یونی آشنا می‌کنیم و از چگونگی کارکرد آن به زبانی ساده پرده بر می‌داریم.
چرا باتریهای لیتیوم-یونی رایج و محبوب است؟
باتریهای لیتیوم-یونی بسیار سبک‌تر از انواع دیگر باتریهای قابل شارژ با همان اندازه هستند، چراکه الکترودهای این دسته از محصولات از لیتیوم و کربن سبک وزن ساخته شده‌اند. از طرفی لیتیوم یک عنصر بسیار واکنش‌پذیر (به این معنی که انرژی زیادی در پیوندهای اتمی آن ذخیره شده است) است به همین علت هم این چگالی انرژی بسیار بالا در باتریهای لیتیوم-یونی می‌تواند به شارژ خروجی تبدیل شود.
اما چگالی انرژی این دسته از باتری‌ها دقیقا به چه اندازه است؟ به‌منظور درک این مقدار انرژی جالب است بدانید که یک باتری لیتیوم یون معمولی قابلیت ذخیره‌سازی ۱۵۰ وات بر ساعت انرژی را در ۱ کیلوگرم از خود (باتری) دارد. در حالی که یک بسته باتری NiMH (باتری نیکل– هیدرید فلز) می‌تواند ۱۰۰ وات بر ساعت انرژی را در هر کیلوگرم از خود ذخیره کند. همچنین یک باتری اسید-سرب می‌تواند تنها ۲۵ وات بر ساعت انرژی را در هر کیلوگرم ذخیره کند. بنابراین با توجه به اطلاعاتی که در اختیار شما قرار دادیم، ۶ کیلوگرم از باتریهای اسید-سرب قابلیت ذخیره‌سازی همان مقدار انرژی‌ای را دارند که یک ۱ کیلوگرم باتری لیتیوم یونی می‌تواند ذخیره کند، که تفاوت واقعا چشم‌گیری است.
- مصرف انرژی در باتریهای لیتیوم-یونی: یک بسته باتری لیتیوم-یونی تنها حدود ۵ درصد از شارژ خود را در ماه از دست می‌دهد، در حالی که این میزان برای باتریهای نیکل– هیدرید فلز حدودا ۲۰ درصد است.
- حافظه ندارند: این دسته از باتری‌ها هیچ حافظه‌ای ندارند، به این معنی که لازم نیست قبل از شارژ مجدد آن‌ها را کاملاً تخلیه کنید. در حالی که در سایر باتریهای شیمیایی تخلیه‌ی کامل شارژ باقی‌مانده قبل از شارژ مجدد ضروری است.
- ماندگاری بالا: باتریهای لیتیوم-یونی می‌توانند تا صدها چرخه‌ی شارژ/دشارژ را تحمل کنند و کیفیت اولیه‌ی خود را از دست ندهند.
الیته تمام موارد ذکر شده به این معنی نیست که باتریهای لیتیوم-یونی بی‌عیب و نقص هستند.
- این دسته از باتری‌ها به محض خروج از کارخانه تاریخ مصرفشان شروع می‌شود، به این معنی که فقط دو یا چهار سال از تاریخ تولید دوام خواهند داشت، چه از آن‌ها استفاده کنید چه نکنید!
- باتریهای لیتیوم-یونی به دمای بالا بسیار حساس هستند. گرما می‌تواند عاملی برای تخریب خیلی سریع‌تر آن‌ها نسبت به دمای عادی شود.
- اگر باتریهای لیتیوم-یونی را به طور کامل تخلیه کنید، احتمال آسیب‌دیدگی دارند. به همین دلیل هم توصیه می‌شود که از گوشی همراه با زیر ۱۵ درصد باتری استفاده نکنید.
بسیاری از این ویژگی‌های مطرح شده با کنجکاوی بیشتر و نگاه کردن به مواد شیمیایی درون یک سلول لیتیوم-یونی به شکلی بهتر قابل درک است.
نگاهی به درون یک باتری لیتیوم-یونی
بسته‌های باتریهای لیتیوم-یونی در اشکال و اندازه‌های مختلف در بازار وجود دارند، اما همه‌ی آن‌ها در بخش داخلی خود تقریباً یکسان به نظر می‌رسند. اگر یک باتری لیتیوم-یونی را از غلاف خارج کنید (که ابدا چنین کاری را توصیه نمی‌کنیم)، چیزهایی که خواهید دید شامل:
- سلول‌های لیتیوم یونی «lithium-ion cells» اولین چیزیست که می‌بینید. این سلول‌ها در داخل این باتری‌ها شبیه به باتریهای استوانه‌ای AA به نظر می‌رسند یا می‌توانند حالتی زاویه‌دار داشته باشند، به این معنی که مربعی یا مستطیلی هستند.
- یک یا چند سنسور دما برای نظارت بر دمای باتری
- مدار ولتاژ و مدار تنظیم کننده برای حفظ سطوح ایمنی ولتاژ و جریان
- یک کانکتور نوت‌بوک «notebook connector» که وظیفه دارد برق و اطلاعات را به داخل و خارج غلاف باتری جریان دهد.
- یک تپ ولتاژ «voltage tap» که ظرفیت انرژی سلول‌ها را به شکل جداگانه در غلاف باتری کنترل می‌کند.
- نظارت‌کننده بر وضعیت شارژ باتری، که تقریبا یک کامپیوتر کوچک است و تمام فرآیند شارژ را انجام می‌دهد تا مطمئن شود سلول‌ها در سریع‌ترین زمان ممکن و به شکلی کامل شارژ می‌شوند.
درون باتری لیتیوم-یونی
اگر کلیت باتری در حین شارژ یا استفاده بیش از حد داغ شود، نظارت‌کننده بر وضعیت شارژ باتری، جریان برق را قطع می‌کند تا همه چیز به دمای اولیه برگردد. به عنوان مثال اگر لپ‌تاپ خود را در ماشین و زیر نور مستقیم خورشید رها کنید، پس از دسترسی به آن اگر سعی کنید از آن استفاده کنید، دستگاه ممکن است تا زمانی که همه چیز خنک شود، روشن نشود. به یاد داشته باشید که اگر سلول‌های باتری کاملاً تخلیه شوند، کل باتری آسیب می‌بیند و قابلیت استفاده ندارد. همچنین نظارت‌کننده بر وضعیت شارژ باتری این قابلیت را دارند که تعداد چرخه‌های شارژ/دِشارژ را ردیابی کنند و اطلاعات را به بخش سنجش شارژ باتری در لپ‌تاپ بفرستند تا سیستم بتواند اطلاعاتی در مورد میزان شارژ باتری به شما بدهد.
صفحه‌ی جداکننده یک ورق بسیار نازک از منافذ میکرسکوپی و پلاستیکی است و صفحات الکترودهای مثبت و منفی را از هم جدا می‌کند.
سلول‌های لیتیوم-یونی (Lithium-ion Cells)
مانند بسیاری از باتریهای موجود در بازار، بدنه‌ی بیرونی این نوع از باتری‌ها هم از فلز ساخته شده است. استفاده از فلز در ساختار این محصول اهمیت ویژه‌ای دارد، چراکه باتری همواره تحت فشار است. این غلاف فلزی دارای نوعی منفذ حساس به فشار است که اگر باتری آنقدر داغ شود که خطر انفجار در اثر فشار بیش از حد آن را تهدید کند، این منفذ می‌تواند فشار اضافی را آزاد و از خطر جلوگیری کند. اگرچه احتمالاً بعد از چنین اتفاقی باتری بی‌فایده خواهد بود، بنابراین باید از استفاده‌ی دوباره از آن اجتناب کنید. سوئیچ ضریب دمای مثبت (PTC) هم وسیله‌ای کمک کننده است که از داغ شدن بیش از حد باتریهای لیتیوم-یونی جلوگیری می‌کند.
ساختار سلول‌های لیتیوم-یونی
این غلاف فلزی دارای یک مارپیچ بلند است که شامل سه ورقه‌ی نازک و به هم فشرده می‌شود:
- الکترود مثبت
- الکترود منفی
- یک جداکننده
در داخل غلاف این صفحات، حلالی آلی‌ای غوطه‌ور است که به عنوان الکترولیت عمل می‌کند. در این میان اتر هم یک حلال رایج است.
صفحه‌ی جداکننده یک ورق بسیار نازک از منافذ میکرسکوپی و پلاستیکی است و همانطور که از نام آن پیداست، صفحات الکترودهای مثبت و منفی را از هم جدا می‌کند، در عین حال اجازه‌ی عبور یون‌ها را می‌دهد. الکترود مثبت از اکسید لیتیوم کبالت یا LiCoO2 ساخته شده و الکترود منفی از کربن ساخته شده است. هنگامی که باتری شارژ می‌شود، یون‌های لیتیوم از طریق مایع الکترولیت از الکترود مثبت به الکترود منفی حرکت می‌کند و به کربن متصل می‌شوند، پس این فرآیند و در حالت دشارژ باتری‌ها، یون‌های لیتیوم از کربن به LiCoO2 برمی‌گردند.
روند کارکرد باتری لیتیوم-یونی
حرکت این یون‌های لیتیوم با ولتاژ نسبتاً بالایی اتفاق می‌افتد، بنابراین هر سلول حدودا ۳.۷ ولت انرژی تولید می‌کند. همانطور که مشخص است این مقدار بسیار بالاتر از ۱.۵ ولت معمولی در یک سلول قلیایی AA (باتری قلمی‌های ۱.۵ ولتی) است.
هنگامی که باتری شارژ می‌شود، یون‌های لیتیوم از طریق مایع الکترولیت از الکترود مثبت به الکترود منفی حرکت می‌کند و به کربن متصل می‌شوند، پس این فرآیند و در حالت دشارژ باتری‌ها، یون‌های لیتیوم از کربن به LiCoO2 برمی‌گردند.
چرا باتریهای لیتیوم-یونی منفجر می‌شوند؟
احتمالا شما هم تا به حال گزارش‌هایی مبنی بر انفجار لپ‌تاپ‌هایی با باتریهای لیتیوم-یونی را خوانده‌اید. همانطور که در مقدمه‌ی این مقاله هم اشاره کردیم احتمال چنین رویدادی یک در میلیون است، بنابراین اگر به‌درستی از سیستم‌های باتری‌دار خود مراقبت کنید احتمالا چنین خطری عملا وجود ندارد. اما همین گزارش‌ها می‌توانند شروعی برای یک مبحث جالب باشند! چرا باتریهای لیتیوم-یونی منفجر می‌شوند؟
به طور کلی اگر باتری آنقدر داغ شود که مایع الکترولیت آن را مشتعل کند، باتری منفجر می‌شود. کلیپ‌های ویدئویی و عکس‌هایی در وب وجود دارد می‌تواند گواهی بر این باشد که خطر انفجار و آتش‌سوزی باتری تا چه اندازه می‌تواند جدی باشد. هنگامی که چنین آتش‌سوزی‌هایی رخ می‌دهد، قضیه را می‌توان به شکلی دقیق‌تر ناشی از اتصال کوتاه داخلی در باتری دانست.
همانطور که از بخش قبلی به یاد بیاورید سلول‌های لیتیوم-یونی حاوی یک صفحه‌ی جداکننده هستند که الکترودهای مثبت و منفی را از هم جدا نگه می‌دارد. در صورتی که این ورقه‌ی جداکننده سوراخ شود و الکترودها یکدیگر را لمس کنند، باتری خیلی سریع گرم می‌شود. شما می‌توانید این کار را با قرار دادن دو سکه در دو سر یک باتری قلمی معمولی انجام دهید و چنین گرمایی را تجربه کنید.
در صورتی که این ورقه‌ی جداکننده سوراخ شود و الکترودها یکدیگر را لمس کنند، باتری خیلی سریع گرم می‌شود. در چنین حالتی اتصال کوتاه رخ داده و و گرمای تولیدی می‌تواند حلال آلی مورد استفاده به عنوان الکترولیت را شعله‌ور کند!
بنابراین زمانی که جدا کننده آسیب ببیند، همان نوع اتصال کوتاهی که مطرح شد در داخل باتری لیتیوم-یونی اتفاق می‌افتد و از آنجایی که باتریهای لیتیوم-یونی بسیار پرانرژی هستند، خیلی سریع داغ می‌شوند و گرمای تولیدی در آن می‌تواند حلال آلی مورد استفاده به عنوان الکترولیت را شعله‌ور کند. طبیعتا هنگامی که این اتفاق در داخل یکی از سلول‌ها رخ می‌دهد، گرمای آتش به سلول‌های دیگر می‌رسد و کل بسته آتش می‌گیرد.
- چگونه می‌توان از اتم‌ها عکس‌برداری کرد؟
- هوش مصنوعی درک ما از یادگیری زبان در کودکان را تغییر داده است
نکاتی برای ماندگاری بیشتر باتریهای لیتیوم-یونی
ار آنجایی که این دسته از باتری‌ها جزو گزینه‌های گران‌قیمت بازار به شمار می‌روند، توجه به نکاتی برای ماندگاری بیشتر باتریهای لیتیوم-یونی می‌تواند برای هرکسی مفید باشد.
- شیمی حاکم بر باتریهای لیتیوم-یونی تخلیه جزئی را به تخلیه کامل ترجیح می‌دهد، بنابراین بهتر است از به صفر رساندن باتری گوشی یا سایر وسایل خود خودداری کنید. از آنجایی که شیمی لیتیوم یون “حافظه” ندارد، با تخلیه جزئی به کلیت باتری آسیب نمی‌رسانید. اما لازم به ذکر است که اگر ولتاژ یک سلول لیتیوم یونی از حد معینی پایین بیاید، ممکن است کل باتری آسیب ببیند، پس لطفا از شارژر مخصوص هر وسیله تنها برای خود آن استفاده کنید.
- عمر باتریهای لیتیوم-یونی تنها دو الی چهار سال است، حتی اگر در یک قفسه بدون استفاده نشسته باشند. بنابراین زمانی که باتری لیتیوم-یونی جدیدی می‌خرید، باید مطمئن شوید که واقعاً نو است. زیرا همانطور که اشاره شد تاریخ تولید این دسته از کالاها به‌شدت مهم است.
- از قرار دادن باتری‌ها در محیط‌های گرم پرهیز کنید.
منبع: howstuffworks
