تم اقتراح بطاريات الليثيوم لأول مرة في السبعينيات وأنتجتها شركة (Sony) تجارياً في عام 1991، وتُستخدم الآن في الهواتف المحمولة والطائرات والسيارات.
مكونات بطاريات الليثيوم:
تتكون بطارية الليثيوم من أربعة مكونات رئيسية:
- المهبط (Cathode): الذي يحدد سعة البطارية وجهدها ويعتبر مصدر لأيونات الليثيوم.
- المصعد (Anode): يمكّن الأنود التيار الكهربائي من التدفق عبر دائرة خارجية وعندما يتم شحن البطارية، يتم تخزين أيونات الليثيوم في المصعد.
- المنحل بالكهرباء (electrolyte): هو سائل يتكون من أملاح ومذيبات ومواد مضافة، ويعمل كقناة لأيونات الليثيوم بين المصعد والمهبط.
- الفاصل: هو الحاجز المادي الذي يبقي المصعد والمهبط منفصلين.
أنواع بطاريات الليثيوم:
أولاً: بطاريات الليثيوم أيون
هي تقنية بطاريات متقدمة تستخدم أيونات الليثيوم كمكون رئيسي في الكيمياء الكهربية. أثناء دورة التفريغ، تتأين ذرات الليثيوم الموجودة في المصعد ويتم فصلها عن إلكتروناتها، تتحرك أيونات الليثيوم من القطب الموجب وتمر عبر المنحل بالكهرباء حتى تصل إلى القطب السالب، حيث تتحد مع إلكتروناتها وتعادلها كهربائياً. أيونات الليثيوم صغيرة بما يكفي لتكون قادرة على التحرك من خلال فاصل نفاذي دقيق جزئياً “بين المصعد والمهبط ” بسبب صغر حجم الليثيوم، فإن بطاريات الليثيوم أيون قادرة على الحصول على جهد عالي جداً وتخزين الشحن لكل وحدة كتلة وحجم. ويمكن لبطاريات الليثيوم أيون استخدام عدد من المواد المختلفة كأقطاب كهربائية، إن التركيبة الأكثر شيوعاً هي تلك المكونة من أكسيد الكوبالت الليثيوم (المهبط) والجرافيت (المصعد)، المستخدمة بكثرة في الأجهزة الإلكترونية المحمولة مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة. تشمل مواد الكاثود الأخرى أكسيد منجنيز الليثيوم، المستخدم في السيارات الكهربائية والكهربائية الهجينة وفوسفات حديد الليثيوم.
مميزات بطارايات الليثيوم أيون:
بالمقارنة مع تقنيات البطاريات الأخرى عالية الجودة القابلة لإعادة الشحن (النيكل والكادميوم أو النيكل والكادميوم وهيدريد النيكل)، تتمتع بطاريات الليثيوم أيون بعدد من المزايا:
- هي الأعلى كثافة للطاقة مقارنة بأي تقنية بطاريات 100-265 واط / كجم، بالإضافة إلى ما يصل إلى 3.6 فولت، أي 3 مرات أعلى من التقنيات الأخرى. هذا يعني أنه يمكنهم توفير كميات كبيرة من التيار للتطبيقات عالية الطاقة.
- الكفاءة العالية في تخزين الطاقة الكهربائية.
- منخفضة الصيانة نسبياً.
- لا تؤثر عمليات التفريغ والشحن الجزئي المتكررة في تقليل سعة البطارية.
- معدل تفريغ أقل من غيرهم، حيث تفقد بطاريات الليثيوم حوالي 1.5-2٪% من شحنتها في الشهر الواحد مقارنة ببطاريات النيكل والكادميوم التي تفقد 20% في الشهر.
عيوب بطاريات الليثيوم أيون:
على الرغم من وعدها التكنولوجي، لا تزال بطاريات الليثيوم أيون بها عدد من أوجه القصور، لا سيما فيما يتعلق بالسلامة.
- تميل بطاريات الليثيوم أيون إلى السخونة الزائدة، ويمكن أن تتلف عند الفولتية العالية. في بعض الحالات يمكن أن يؤدي هذا إلى الاحتراق. لأن المنحل بالكهرباء الموجود داخل بطاريات الليثيوم قابل للاشتعال، حيث يمكن أن يتسبب في حرائق بطارية على نطاق صغير، فكان هذا هو السبب في احتراق الهاتف الذكي الشهير (Samsung Note 7)، والذي أجبر سامسونج على التخلي عن الإنتاج وخسارة 26 مليار دولار من القيمة السوقية. وتجدر الإشارة إلى أن هذا لم يحدث لبطاريات الليثيوم ذات السعة الأكبر.
- تخضع بطاريات الليثيوم أيون أيضاً للشيخوخة، ممّا يعني أنها يمكن أن تفقد قدرتها وتفشل كثيراً بعد عدد من السنوات.
- تعد أكثر البطاريات تكلفة في الإنتاج، حيث يمكن أن تكلف ما يقارب 40٪ لإنتاجها أكثر من بطاريات النيكل والكادميوم.
- عامل آخر يحد من اعتمادها على نطاق واسع هو تكلفتها.
- على الرغم من كثافة الطاقة العالية لبطاريات الليثيوم أيون مقارنة بأنواع البطاريات الأخرى، إلا أنها لا تزال أقل كثافة في الطاقة بحوالي مائة مرة من البنزين.
تطبيقات تستخدم بطاريات الليثيوم أيون:
- أجهزة الهواتف والحواسيب المحمولة.
- الأسلحة.
- أجهزة الطيران وغزو الفضاء، وذلك بفضل سعتها الكهربائية العالية.
- في السيارات، مثل سيارات تسلا S والنيسان ليف.
ثانياً: بطاريات الليثيوم بوليمر
تختلف بطارية الليثيوم بوليمر عن الأشكال الأخرى لبطارية أيون الليثيوم من حيث المنحل بالكهرباء الذي تستخدمه في هذه الحالة وهو شكل من أشكال البوليمر، وهو عبارة عن مادة هلامية وهذا يتيح التوصيل الجيد في درجة حرارة الغرفة، تستخدم معظم هذه البطاريات أيضاً فاصلاً مسامياً صغيراً، ونفس المواد المستخدمة في المصعد والمهبط. تستخدم بطاريات الليثيوم بوليمر علبة من نوع رقائق معدنية وألواح مغلفة داخل البطارية، ويتيح ذلك جعل البطاريات أخف وزناً، وغالباً ما يكون هناك توفير في الوزن بحوالي 20٪ أو أكثر، لهذا تتيح تقنيات البناء المستخدمة لبطاريات الليثيوم بوليمر أيضاً إمكانية صنعها في مجموعة متنوعة من الأشكال وهذا أمر جذاب للغاية لمصنعي الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة الذين قد يحتاجون إلى بطاريات غريبة الشكل لتلائم معداتهم المعبأة بإحكام شديد.
مميزات بطاريات الليثيوم بوليمر:
- يمكن صنعها بشكل نحيف للغاية.
- يمكن صنعها في مجموعة متنوعة من الأشكال والمخططات.
- وزنها خفيف.
- كثافة طاقة أعلى لوزن معين بالمقارنة مع بطاريات الليثيوم أيون.
- تتوفر بطاريات قابلة للانحناء.
- أعلى قليلاً من درجة حرارة الاستخدام.
- تعد امنة أكثر من بطاريات الليثيوم أيون.
عيوب بطاريات الليثيوم بوليمر:
- ارتفاع تكلفة التصنيع.
- سعتها في تخزين الطاقة قليلة مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون.
- يؤدي الشحن الزائد أو الإفراط في التفريغ إلى تدمير إمكانية عكس المواد الكيميائية الداخلية للبطارية، ممّا يؤثر بشكل خطير على عمر البطارية.
