بطاريات الليثيوم Li-ion

نظرة عامة:

البطاريات هي الوحدة الاساسية لتشغيل الاجهزة الإلكترونية المحمولة أو عن بُعد، وهناك انواع عديدة منها ولكن النوع الأكثر شيوعًا هي البطاريات القابلة لإعادة الشحن التي تجدها في الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية،إما ان تكون بطاريات الليثيوم Li-ion أو من نوع الليثيوم بوليمر. في هذه المقالة ، سيكون اهتمامنا هو بطاريات الليثيوم Li-ion نظرًا لأنها تميل إلى أن تكون أكثر فائدة من جميع الأنواع الأخرى. لذلك يمكن القول ان كل شيء يمكن تشغيله بواسطة بطارية الليثيوم أيون.

ما الذي يجعل بطاريات الليثيوم Li-ion مميزة؟ ما الذي يجب معرفته عن بطاريات الليثيوم Li-ion قبل استخدامها في احد المشاريع؟ كيف سيتم شحن أو تفريغ بطاريات الليثيوم Li-ion بأمان؟ ستتم الاجابة على هذه الاسئلة في هذا المقال.

تاريخ بطاريات الليثيوم Li-ion:

صاغت G.N Lewis فكرة بطاريات الليثيوم Li-ion لأول مرة في عام 1912 ، لكنها لم تصبح ممكنة إلا في عام 1970 كأول بطارية الليثيوم غير قابلة لإعادة الشحن . في وقت لاحق من عام 1980 حاول المهندسون صنع أول بطارية قابلة للشحن باستخدام الليثيوم كمادة الأنود وكانت ناجحة جزئيا. ولكنهم أخفقوا في ملاحظة أن هذه الأنواع من بطاريات الليثيوم كانت غير مستقرة أثناء عملية الشحن ، ومع زيادة درجة الحرارة قد تسبب حدوث تسريب حراري.

في عام 1991 ، تم صناعة إحدى بطاريات الليثيوم المستخدمة في الأجهزة المحمولة عن طريق رجل في اليابان. فقط بعد هذا الحدث ، تم إدراك أن بطاريات الليثيوم Li-ion يجب التعامل معها بحذر شديد . ثم تم استدعاء عدد كبير من هذه البطاريات التي كانت في السوق على مسألة السلامة. وفي وقت لاحق بعد الكثير من الأبحاث ، قدمت Sony بطاريات Li-ion المتقدمة بكيمياء جديدة تستخدم حتى الآن.

كيمياء بطاريات الليثيوم Li-ion وآلية العمل:

تستخدم بطاريات الليثيوم Li-ion أيونات الليثيوم لإنجاز المهمة. الليثيوم معدن خفيف للغاية ذو كثافة طاقة عالية ، هذه الخاصية تتيح للبطارية أن تكون خفيفة الوزن وتوفر تيارًا عاليًا . كثافة الطاقة هي كمية الطاقة التي يمكن تخزينها في حجم وحدة البطارية ، وكلما ارتفعت كثافة الطاقة كلما كانت البطارية أصغر. على الرغم من الخصائص الفائقة لمعدن الليثيوم ، فإنه لا يمكن استخدامه كقطب كهربائي مباشرة في البطاريات؛ لأن الليثيوم غير مستقر للغاية بسبب طبيعته المعدنية. ومن ثم ، فإننا نستخدم أيونات الليثيوم التي لها أكثر أو أقل أو نفس خاصية معدن الليثيوم ، ولكنها غير معدنية وأكثر أمانًا نسبيًا للاستخدام.

عادة ما يتم تصنيع أنود بطارية الليثيوم من الكربون ،ويتم تصنيع كاثود البطارية باستخدام أكسيد الكوبالت أو بعض أكسيد المعادن الأخرى. يربط هذين القطبين محلول ملح بسيط يحتوي على أيونات الليثيوم. وعند تفريغ أيونات الليثيوم المشحونة إيجابياً ، تتحرك نحو الكاثود وتقوم بتعبئتها حتى تصبح مشحونة إيجابياً. الآن بما أن الكاثود مشحون بشكل إيجابي فإنه يجذب إلكترونات سالبة الشحنة تجاهه. تصنع هذه الإلكترونات لكي تتدفق وتقوم بتشغيل الدائرة.

أثناء الشحن يحدث العكس بالضبط. حيث تتدفق الإلكترونات من الشحنات إلى البطارية ، وبالتالي تتحرك أيونات الليثيوم نحو الأنود مما يجعل الكاثود يفقد شحنته الإيجابية.

مميزات بطاريات الليثيوم 18650 خلية:

مثل جميع البطاريات ، تتميز بطارية Li-ion أيضًا بتقييم الجهد والقدرة. سيكون معدل الجهد الاسمى لجميع خلايا الليثيوم 3.6V ، لذلك تحتاج إلى مواصفات جهد أعلى لديك لدمج خليتين أو أكثر في سلسلة لتحقيق ذلك. افتراضيًا ، سيكون لجميع خلايا أيون الليثيوم جهد اسمى يبلغ 3.6V فقط. يمكن السماح لهذا الجهد بالهبوط حتى 3.2 فولت عند تفريغه بالكامل ،وتصل إلى 4.2 فولت عند الشحن الكامل. تذكر دائمًا أن تفريغ البطارية دون 3.2 فولت أو شحنها فوق 4.2 فولت سيؤدي إلى إتلاف البطارية بشكل دائم. ويتيح تفصيل المصطلحات المتضمنة في بطارية 18650 حتى يمكننا فهمها بشكل أفضل. ضع في اعتبارك أن هذه التفسيرات لا تنطبق إلا على خلية 18650 واحدة ، حيث يتم توصيل أكثر من خلية في سلسلة موازية للحصول على جهد أعلى بكثير.

الجهد الاسمى: الجهد الاسمى هو معدل الجهد الفعلي لخلية 18650. بشكل افتراضي ، يكون 3.6 فولت وسيظل كما هو بالنسبة لجميع خلايا 18650 على الرغم من المصنوعات.

فولتية التفريغ الكامل: يجب عدم السماح مطلقًا لخلية 18650 بالتفريغ أقل من 3.2 فولت ، والفشل في القيام بذلك سيغير المقاومة الداخلية للبطارية مما يؤدي إلى إتلاف البطارية بشكل دائم.

فولتية الشحن الكاملة: فولتية الشحن لخلية ليثيوم أيون هي 4.2 فولت. يجب توخي الحذر من أن الجهد الخلوي لا يزيد عن 4.2 فولت في أي وقت.

تصنيف mAh: عادةً ما تُعطى سعة الخلية من حيث تصنيف mAh (ساعة ميلي أمبير). تختلف هذه القيمة بناءً على نوع الخلية. على سبيل المثال ، لنفترض أن الخلية هي 2000 مللي أمبير في الساعة ، وهي ليست سوى 2 أمبير (أمبير / ساعة). هذا يعني أنه إذا سحبنا 2A من هذه البطارية ، فسيستمر ذلك لمدة ساعة واحدة وبالمثل إذا سحبنا 1A من هذه البطارية ، فسيستمر ذلك لمدة ساعتين. لذا ، إذا كنت تريد معرفة المدة التي ستدفعك بها البطارية (وقت التشغيل) ، فعليك حسابها باستخدام mAh Rating.

تصنيف C: إذا تساءلت يومًا عن الحد الأقصى لمقدار التيار الذي يمكنك سحبه من البطارية ، فيمكنك الحصول على إجابتك من تصنيف C للبطارية. يتغير التصنيف C للبطارية مرة أخرى لكل بطارية ، فلنفترض أن البطارية التي لدينا هي بطارية 2Ah مع تصنيف 3C. تعني القيمة 3C أن البطارية يمكن أن تنتج 3 أضعاف تصنيف Ah المقدّر كحد أقصى للتيار. في هذه الحالة ، يمكنه توفير ما يصل إلى (6A (3 * 2 = 6 كأقصى تيار. عادة 18650 خلايا لها تصنيف 1C فقط.

الشحن الفوري: المواصفات المهمة الأخرى للبطارية التي يجب ملاحظتها هي الشحن الفوري. لمجرد أن البطارية يمكن أن توفر الحد الأقصى الحالي من 6A لا يعني أنه يمكن شحنها مع 6A. سيتم ذكر الحد الأقصى لشحن البطارية الحالي في ورقة بيانات البطارية نظرًا لأنه يختلف وفقًا للبطارية. عادة سيكون 0.5C ، وهذا يعني نصف قيمة التصنيف. بالنسبة للبطارية ذات التصنيف 2Ah ، سيكون تيار الشحن (1A (0.5 * 2 = 1.

وقت الشحن: يمكن حساب الحد الأدنى لوقت الشحن المطلوب لخلية 18650 واحدة لشحنها باستخدام قيمة الشحن الحالية وتصنيف البطارية Ah. على سبيل المثال ، يستغرق شحن بطارية 2Ah مع تيار شحن 1A حوالي ساعتين لشحنه ، على افتراض أن الشاحن يستخدم فقط طريقة CC لشحن الخلية.

المقاومة الداخلية (IR): يمكن التنبؤ بصحة البطارية وقدرتها عن طريق قياس المقاومة الداخلية للبطارية. هذه ليست سوى قيمة المقاومة بين الأنود (الموجبة) والكاثود (السالبة) من محطات البطارية. سيتم ذكر القيمة النموذجية لـ IR للخلية في ورقة البيانات. كلما زادت نسبة انحرافها عن القيمة الفعلية كلما قلت كفاءة البطارية. حيث ستكون قيمة الأشعة تحت الحمراء لخلية 18650 في حدود ml ohm ، وهناك أدوات مخصصة لقياس قيمة الأشعة تحت الحمراء.

طرق الشحن: هناك العديد من الطرق التي تمارس لشحن خلية ليثيوم. ولكن الأكثر شيوعا هي topology في 3 خطوات. الخطوات الثلاث هي CC ، السيرة الذاتية والشحن هزيلة. في وضع CC (تيار مستمر) ، يتم شحن الخلية بتيار شحن ثابت عن طريق تغيير جهد الدخل. سيكون هذا الوضع نشطًا حتى يتم شحن البطارية إلى مستوى معين ، ثم يبدأ وضع السيرة الذاتية (الجهد المستمر) حيث يتم الحفاظ على جهد الشحن عادةً عند 4.2 فولت. الوضع النهائي هو شحن النبض حيث يتم نقل نبضات صغيرة من التيار إلى البطارية لتحسين دورة حياة البطارية. هناك أيضًا أجهزة شحن أكثر تعقيدًا تحتوي على 7 خطوات للشحن.

حالة الشحن (SOC)٪: حالة الشحن ليست سوى سعة البطارية ، على غرار تلك الموضحة في الهاتف المحمول الخاص بنا. لا يمكن حساب سعة البطارية بسهولة باستخدام صمام الجهد الخاص بها ، ويتم حسابها عادةً باستخدام التكامل الحالي لتحديد التغير في سعة البطارية بمرور الوقت.

عمق التفريغ (DOD)٪: إلى أي مدى يمكن تفريغ البطارية بواسطة DOD. لن تحتوي أي بطارية على تفريغ بنسبة 100٪ نظرًا لأننا نعرف أنها ستلحق الضرر بالبطارية. عادة يتم ضبط عمق تفريغ بنسبة 80 ٪ لجميع البطاريات.

بُعد الخلية: ميزة فريدة ومثيرة للاهتمام من 18650 خلية هو بعدها. سيكون لكل خلية ضياء من 18 ml وارتفاع 650 ml مما يجعل هذه الخلية تحصل على اسمها 18650.

أسهل طريقة لاستخدام خلية 18650:

إذا كنت مبتدئًا بالكامل وبدأت للتو باستخدام 18650 خلية لتشغيل مشروعك ، فإن أسهل طريقة هي استخدام الوحدات الجاهزة التي يمكنها شحن وتفريغ خلاياك 18650 بأمان. فقط هذه الوحدة هي الوحدة النمطية TP4056 التي يمكنها التعامل مع خلية 18650 واحدة.

إذا كنت تحتاج إلى أكثر من 3.6 فولت كجهد إدخال ، فقد تحتاج إلى الجمع بين خليتين من 18650 في سلسلة للحصول على جهد 7.4V. في مثل هذه الحالة ، يجب أن تكون وحدة مثل بطارية 2S 3A Li-ion مفيدة في شحن البطاريات وتفريغها بأمان.

للجمع بين خليتين أو أكثر من 18650 خلية ، لا يمكننا استخدام تقنية اللحام التقليدية لإجراء اتصال بين الاثنين بدلاً من ذلك ، يتم استخدام عملية تسمى اللحام الموضعي.

حزمة بطاريات الليثيوم Li-ion (خلايا متسلسلة ومتوازية):

لتشغيل الإلكترونيات المحمولة الصغيرة أو الأجهزة الصغيرة ، تقوم خلية واحدة بحجم 18650 أو كحد أقصى في السلسلة. في هذا النوع من التطبيقات ، يكون التعقيد أقل نظرًا لأن عدد البطاريات المعنية أقل. ولكن بالنسبة للتطبيقات الأكبر مثل سيارات Electric Cycle / Moped أو Tesla ، فسوف نحتاج إلى توصيل الكثير من هذه الخلايا بطريقة متسلسلة وبطريقة متوازية للوصول إلى جهد وسعة الاخراج المطلوبة. على سبيل المثال ، تحتوي سيارة Tesla على أكثر من 6800 خلية ليثيوم تحتوي كل منها على تصنيف 3.7V و 3.1Ah. توضح الصورة أدناه كيف يتم ترتيبها داخل هيكل السيارة.

مع هذا العدد الكبير من الخلايا التي يتعين مراقبتها ، نحتاج إلى دائرة مخصصة يمكنها فقط شحن هذه الخلايا ومراقبتها وتفريغها بأمان. يسمى هذا النظام المخصص نظام مراقبة البطارية (BMS). مهمة BMS هي مراقبة الجهد الفردي لكل خلية ليثيوم أيون وكذلك التحقق من درجة حرارته. بصرف النظر عن ذلك ، فإن بعض خدمات إدارة المباني تراقب أيضا شحن وتفريغ تيار النظام.

عند الجمع بين أكثر من خليتين لتشكيل حزمة ، يجب الانتباه إلى أن لديهم نفس الكيمياء والجهد وتصنيف Ah والمقاومة الداخلية. وأيضًا أثناء شحن الخلايا ، تتأكد BMS من أنها مشحونة بالتساوي وتفريغها بالتساوي بحيث تحتفظ جميع البطاريات في نفس الوقت بالجهد نفسه ، وهذا ما يسمى خلية موازنة. بصرف النظر عن هذا ، يجب على المصمم أيضًا أن يقلق بشأن تبريد هذه البطاريات أثناء الشحن والتفريغ نظرًا لعدم استجابة هذه الأجهزة جيدًا أثناء درجات الحرارة العالية.