باتری لیتیوم 200 آمپرساعت 51.2 ولت 10 کیلووات LiFePO4 برند Hollandia

باتری‌های لیتیوم‌یون (Li-ion) به‌عنوان یکی از پیشرفته‌ترین فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی، در صنایع مختلف از جمله الکترونیک مصرفی، خودروهای الکتریکی (EV)، سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی (ESS) و هوافضا کاربرد گسترده‌ای دارند. این باتری‌ها به‌دلیل چگالی انرژی بالا، عمر چرخه‌ی طولانی و نرخ خودتخلیه کم، جایگزین مناسبی برای باتری‌های قدیمی مانند سرب اسیدی و نیکل کادمیوم شده‌اند.

←ساختار و اجزای اصلی باتری لیتیوم‌یون (Li-ion):

یک باتری لیتیوم‌یون از چهار جزء اصلی تشکیل شده است:

←کاتد (Cathode):

• LiCoO₂ (لیتیوم کبالت اکسید) – رایج در باتری‌های موبایل
• LiFePO₄ (لیتیوم آهن فسفات) – ایمن‌تر و با طول عمر بالا
• NMC (Nickel Manganese Cobalt Oxide) – تعادل خوب بین انرژی و قدرت
• NCA (Nickel Cobalt Aluminum Oxide) – مورد استفاده در تسلا

←آند (Anode):

• عموماً از گرافیت (کربن) یا سیلیکون استفاده میشود.
• در حال توسعه: آندهای لیتیوم فلزی برای چگالی انرژی بالاتر

←الکترولیت (Electrolyte):

• مایع یا ژل‌شده حاوی نمک‌های لیتیوم (مانند LiPF₆) در حلال‌های آلی (EC, DMC)
• الکترولیت‌های جامد (Solid-State) در حال توسعه برای ایمنی بیشتر

←جداکننده (Separator):

• یک غشای پلیمری متخلخل (معمولاً پلی‌اتیلن یا پلی‌پروپیلن) که از اتصال کوتاه جلوگیری میکند.

←مکانیسم کارکرد (شارژ و دشارژ):

• دشارژ: یون‌های لیتیوم از آند به کاتد حرکت میکنند و الکترون‌ها از مدار خارجی عبور میکنند.
• شارژ: یون‌های لیتیوم به‌سمت آند بازمیگردند (با اعمال ولتاژ خارجی)

←واکنش کلی:

• آند: ( Li_x C_6 rightarrow x Li^+ + x e^- + C_6 )
• کاتد: ( Li_{1-x} CoO_2 + x Li^+ + x e^- rightarrow LiCoO_2 )

←پارامترهای مهندسی کلیدی:

• چگالی انرژی (Wh/kg): انرژی ذخیره‌شده به ازای هر کیلوگرم 150-250 (NMC), 90-120 (LFP)
• چگالی توان (W/kg): توان تحویلی به ازای هر کیلوگرم 250 تا 340
• ولتاژ اسمی (V): ولتاژ متوسط در دشارژ 3.6-3.7 (LiCoO₂), 3.2 (LFP)
• عمر چرخه (Cycle Life): تعداد سیکل‌های شارژ/دشارژ تا 80 درصد ظرفیت اولیه 500 تا 2000 (بسته به مواد)
• نرخ خودتخلیه (درصد/ماه): کاهش ظرفیت در حالت بی‌استفاده 1 تا 2 درصد
• دمای کاری (°C): محدوده دمایی عملکرد -20 تا 60 درجه سانتی گراد

←مزایا و معایب:

←مزایا:

• چگالی انرژی بالا
• نرخ خودتخلیه پایین
• عدم نیاز به Memory Effect (اثر حافظه)
• بازده انرژی بالا (~95 درصد)

←معایب:

• هزینه تولید بالا
• خطر گرمایش بیش‌ازحد و Thermal Runaway (احتمال آتش‌سوزی)
• کاهش ظرفیت در طول زمان (Degradation)
• نیاز به سیستم‌های مدیریت باتری (BMS) پیچیده

←کاربردهای صنعتی:

• الکترونیک مصرفی: لپ‌تاپ، موبایل، تبلت
• خودروهای الکتریکی (EV): تسلا (NCA/NMC), BYD (LFP)
• ذخیره‌سازی انرژی (ESS): پشتیبان‌گیری از انرژی خورشیدی و انرژی بادی
• هوافضا: ماهواره‌ها و فضاپیماها

←چالش‌ها و فناوری‌های آینده:

←چالش‌های فعلی:

• افزایش ایمنی (جلوگیری از آتش‌سوزی)
• کاهش هزینه‌ها
• بهبود عمر چرخه

←فناوری‌های در حال توسعه:

• باتری‌های حالت جامد (Solid-State): جایگزینی الکترولیت مایع با جامد برای ایمنی بیشتر
• سیلیکون گرافیت آند: افزایش چگالی انرژی
• لیتیوم گوگرد (Li-S) و لیتیوم آهن (Li-Air): چگالی انرژی بسیار بالاتر

←سیستم مدیریت باتری (BMS):

• تعادل سلول‌ها (Cell Balancing)
• کنترل دما (Thermal Management)
• پیشگیری از Overcharge/Overdischarge
• تخمین وضعیت شارژ (SOC) و وضعیت سلامت (SOH)

باتری‌های لیتیوم‌یون به‌عنوان یک فناوری کلیدی در ذخیره‌سازی انرژی مدرن، همچنان در حال پیشرفت هستند. با ظهور فناوری‌های جدید مانند حالت جامد و مواد کاتد/آندی بهبودیافته، انتظار میرود در آینده شاهد باتری‌های با چگالی انرژی بالاتر، ایمن‌تر و مقرون‌به‌صرفه‌تر باشیم.