نحوه کارکرد و ساختار باتری های لیتیوم-یون

مدت زمان مورد نیاز برای مطالعه این مقاله در حدود 4 دقیقه است.

مقدمه:

باتری‌های لیتیوم-یون به دلیل قابلیت شارژ دوباره، از مهمترین و پرطرفدارترین باتری‌های موجود در بازارند که روز به روز بر محبوبیت انها افزوده میشود. این باتری‌ها کاربرد بسیار زیادی در زندگی روزمره‌ ما دارند که از جمله‌ این کاربردها میتوان به گوشی‌های تلفن همراه و لپتاپ‌ها اشاره کرد و میتوان ادعا نمود که با ظهور ماشین‌های الکتریکی، پیشرفت‌های زیادی در این حوزه مشاهده کنیم.

باتری‌های لیتیوم یون چگونه کار می‌کنند:

‌مبنای اصلی باتری لیتیوم یون، حرکت یون لیتیوم درون باتریست که این حرکت یون ها، باعث انتقال انرژی به درون مدار می شود. روش کار این باتری‌ها همانند سلول دانیل است. شکل زیر، نحوه‌ی عملکرد باتری لیتیوم یون را در دوحالت شارژ و دشارژ نشان می‌دهد.

فرایند دشارژ:

در این باتری ها، یون های لیتیوم تمایل بیشتری دارند که در سمت کاتد باشند به همین دلیل موقع وصل شدن مدار، با انجام فرایندهای خود به خودی، یون های لیتیوم با عبور از الکترولیت مایع، از سمت آند به سمت کاتد جریان می یابد. همچنین الکترون ها نیز با جریان یافتن درون مدار، از سمت آند به سمت کاتد حرکت  کرده و در سمت کاتد به یون های لیتیوم ملحق میشوند تا واکنش اکسایش و کاهش تکمیل گردد.

فرایند شارژ:

فرایند شارژ دقیقا عکس فرایند دشارژ انجام می شود. در این فرایند به دلیل تمایل زیاد یون ها برای ماندن در سمت کاتد، مجبور خواهیم بود که برای جداسازی الکترونها، از یک منبع تغذیه استفاده کنیم تا واکنش های اکسایش و کاهش در هنگام دشارژ، برعکس شوند. به عبارت بهتر منبع تغذیه در این جا نقش یک نیروی خارجی را بازی میکند تا یونها را بر خلاف میل آنها، از سمت کاتد به سمت آند جا به جا کند.

نحوه کار تمامی باتری های لیتیوم یون به یک صورت است. زمان شارژ باتری الکترود مثبت (معمولا  اکسید لیتیوم کبالت) تعدادی از یون های لیتیومی خود را از طریق الکترولیت به الکترود گرافیتی منفی منتقل می‌کند و در آنجا باقی می‌ماند، که این فرایند موجب ذخیره انرژی در باتری میشود.

زمان تخلیه باتری، یونِ لیتیوم از طریق الکترولیت به الکترود مثبت باز می گردد، که این عمل فرایندی است که انرژی که توسط باتری به مصرف کننده داده می‌شود را تامین می‌کند. در هر دو حالت، الکترون ها در خلاف جهت دور مدار خارجی به سمت یون ها در جریانند؛

الکترون ها از طریق الکترولیت جابجا نمی‌شوند! الکترولیت یک عایق برای الکترون ها به حساب می‌آید.

جابجایی یون ها (از طریق الکترولیت) و الکترون ها (دور مدار خارجی، در جهت مخالف) به یکدیگر وابسته می‌باشند، و اگر یکی از آنها متوقف شود دیگری نیز متوقف خواهد شد. اگر یون ها به دلیل تخلیه کامل باتری متوقف شوند الکترون ها نیز در مدار خارجی متوقف خواهند شد؛ بنابراین توان باتری تمام می‌شود. به طور مشابه اگر مصرف کننده را خاموش کنید جریان الکترون ها متوقف و در نتیجه جریان یون ها نیز متوقف می‌شود، تخلیه باتری بلافاصله متوقف می‌شود ( تخلیه انرژی حتی با جدا سازی مصرف کننده با سرعت بسیار کمی ادامه می‌یابد).

باتری لیتیوم یون بر خلاف باتری های ساده، سیستم کنترل الکترونیکی یا همان سیستم مدیریت باتری دارد که نحوه شارژ و تخلیه شارژ را کنترل می کند، همچنین از شارژ شدن بیش از حد و یا تخلیه بیش از حد که ممکن است باعث انفجار باتری های لیتیوم (در شرایط خاص) شود جلوگیری می‌کند.

اجزاء باتری لیتیوم یون:

باتری های لیتیوم یون در اشکال و اندازه های مختلف موجود هستند. برای درک نحوه کار باتری لیتیوم یون، مهم است که نقشی را که قطعات جداگانه ایفا می کنند، بدانید؛

• سلول

یک باتری لیتیوم یون از چندین قسمت تشکیل شده است. سلول، مهمترین جز باتری است.

سلول از مواد زیر تشکیل شده است:

الکترودها دو سر باتری هستند. یکی آند و دیگری کاتد.

آند لیتیوم را ذخیره می کند و معمولاً از کربن ساخته شده است.

کاتد هم لیتیوم را ذخیره می کند و از یک ترکیب شیمیایی مثل اکسید فلز ساخته می شود.

جدا کننده جریان الکترونهای منفی و مثبت را در داخل باتری از هم جدا می کند اما اجازه می دهد تا یون ها از ان عبور کنند.

مایع الکترولیت بین دو الکترود قرار دارد. بسته به شارژ یا تخلیه باتری، یون های لیتیوم با بار مثبت را از آند به کاتد و بالعکس منتقل می کند.

سلول چگونه برق را به تجهیزات می رساند؟

هنگامی که یک باتری لیتیوم یون را به دستگاه یا قطعه ای از تجهیزات وصل می کنید، یون های دارای بار مثبت از آند به کاتد منتقل می شوند. در نتیجه، بار کاتد مثبت تر از آند می شود. این، به نوبه خود، الکترون های با بار منفی را به سمت کاتد جذب می کند.

سلول از بخشهای زیر تشکیل شده است:

• حداقل باید یک سنسور دما برای کنترل دمای باتری وجود داشته باشد.
• یک مدار مبدل ولتاژ که روی حفظ ولتاژ و جریان در سطح ایمن متمرکز است.
• یک کانکتور یورو ، که اجازه می دهد تا انرژی و اطلاعات به داخل و خارج از باتری حرکت کنند.
• شیر سلول، که بر ولتاژ سلول ها در بسته باتری نظارت می کند.

یک سیستم نظارت بر باتری، یک کامپیوتر کوچک (پروسسور/کنترلر) که بر کل باتری نظارت می کند و امنیت کاربر را تضمین می کند.

باتری های لیتیوم یون قابل شارژ هستند. هنگام شارژ مجدد، یون های لیتیوم همان روند را در جهت مخالف طی می کنند. این کار باتری را برای استفاده بیشتر ریکاوری می کند.

طراحی کلی باتری های لیتیوم یون مزایای بسیاری را برای کاربران و تجهیزات فراهم می کند.

مدت زمان عمر  آنها در مقایسه با سایر انواع باتری به طور چشمگیری افزایش یافته است.

به دلیل قابلیت شارژ سریع زمان کمتری را برای شارژ شدن نیاز دارد.

بر خلاف باتری های قدیمی، این مدل باتری ها با کم شدن شارژشان عملکردشان کاهش نمی یابد و قدرتشان همواره یکسان است.

سیستم مدیریت باتری BMS

سیستم مدیریتی در اطمینان از عملکرد سلول باتری در بالاترین سطح نقش اساسی دارد. همچنین با ارائه چندین ویژگی، بر عملکرد باتری تأثیر می گذارد.

مثلا:

BMS درجه حرارت سلول را در محدوده عملیاتی ایده ال حفظ می کند تا از عملکرد باتری در حالت گرم شدن یا یخ زدگی جلوگیری کند.

BMS جریان و ولتاژ را کنترل می کند تا هر دو را در سطح ایمن نگه دارد. در صورت کم شدن ولتاژ که باعث کوتاه شدن سلول می شود ، دندریت ها در سلول تشکیل می شوند ، بنابراین مهم است که یک بسته باتری لیتیوم یون دارای یک سیستم برای نظارت بر این باشد.

هیچ حافظه ای در بسته باتری وجود ندارد ، بنابراین تخلیه جزئی به باتری آسیب نمی رساند.

کنترلرهای داخلی از شارژ بیش از حد جلوگیری می کنند تا باعث آسیب به باتری های لیتیوم یون نشوند.

تعادل سلولی به گونه ای کنترل می شود که هرگز به اضافه کردن آب مقطر یا تعمیر ندارد. از آنجا که باتری های لیتیوم یون نیازی به آب مقطر ندارند پس انتشار گازهای سمی هم ندارند.

سیستم مدیریت باتری همچنین به مدیران این امکان را می دهد تا از طریق رایانه های پردازشی که داده های حیاتی را از طریق خدمات مبتنی بر ابر (cloud) ارسال می کنند، سلامت باتری ناوگان خود را ردیابی کنند.