ما هي تقنية بطارية الليثيوم؟

تتميز بطاريات الليثيوم عن كيمياء البطاريات الأخرى بسبب كثافة الطاقة العالية والتكلفة المنخفضة لكل دورة. ومع ذلك، فإن "بطارية الليثيوم" مصطلح غامض. هناك حوالي ستة كيمياء شائعة لبطاريات الليثيوم، ولكل منها مزاياها وعيوبها الفريدة. بالنسبة لتطبيقات الطاقة المتجددة، فإن الكيمياء هي السائدة فوسفات حديد الليثيوم (LiFePO4) . تتمتع هذه الكيمياء بسلامة ممتازة، مع ثبات حراري كبير، وتصنيفات تيار عالية، ودورة حياة طويلة، وتحمل لإساءة الاستخدام.

فوسفات حديد الليثيوم (LiFePO4) تعتبر كيمياء الليثيوم مستقرة للغاية بالمقارنة مع جميع كيمياء الليثيوم الأخرى تقريبًا. يتم تجميع البطارية باستخدام مادة كاثود آمنة بشكل طبيعي (فوسفات الحديد). بالمقارنة مع كيميائيات الليثيوم الأخرى، يعزز فوسفات الحديد رابطة جزيئية قوية، والتي تتحمل ظروف الشحن القاسية، وتطيل عمر الدورة، وتحافظ على السلامة الكيميائية على مدار العديد من الدورات. وهذا ما يمنح هذه البطاريات ثباتًا حراريًا كبيرًا، ودورة حياة طويلة، وتحملًا لإساءة الاستخدام. بطاريات LiFePO4 ليست عرضة لارتفاع درجة الحرارة، كما أنها ليست عرضة لـ "الهروب الحراري"، وبالتالي لا ترتفع درجة حرارتها أو تشتعل عند تعرضها لسوء التعامل الصارم أو الظروف البيئية القاسية.

على عكس حمض الرصاص المغمور بالمياه وكيمياء البطاريات الأخرى، لا تقوم بطاريات الليثيوم بتنفيس الغازات الخطرة مثل الهيدروجين والأكسجين. لا يوجد أيضًا خطر التعرض للإلكتروليتات الكاوية مثل حمض الكبريتيك أو هيدروكسيد البوتاسيوم. في معظم الحالات، يمكن تخزين هذه البطاريات في مناطق محدودة دون التعرض لخطر الانفجار، ويجب ألا يتطلب النظام المصمم بشكل صحيح تبريدًا أو تهوية نشطًا.

بطاريات الليثيوم عبارة عن مجموعة مكونة من العديد من الخلايا، مثل بطاريات الرصاص الحمضية والعديد من أنواع البطاريات الأخرى. تحتوي بطاريات الرصاص الحمضية على جهد اسمي يبلغ 2 فولت/خلية، في حين أن خلايا بطارية الليثيوم لها جهد اسمي يبلغ 3.2 فولت. لذلك، للحصول على بطارية 12 فولت، سيكون لديك عادةً أربع خلايا متصلة في سلسلة. وهذا سيجعل الجهد الاسمي ل LiFePO4 12.8 فولت . ثماني خلايا متصلة في سلسلة تشكل بطارية 24 فولت بجهد اسمي 25.6 فولت وستة عشر خلية متصلة على التوالي بطارية 48 فولت بجهد اسمي 51.2 فولت. تعمل هذه الفولتية بشكل جيد جدًا مع النموذج الخاص بك محولات 12 فولت، 24 فولت، 48 فولت .

غالبًا ما تُستخدم بطاريات الليثيوم لتحل محل بطاريات الرصاص الحمضية مباشرةً لأنها تتمتع بفولتية شحن متشابهة جدًا. أربع خلايا بطارية LiFePO4 (12.8 فولت)، عادةً ما يكون الحد الأقصى لجهد الشحن بين 14.4-14.6 فولت (اعتمادًا على توصيات الشركات المصنعة). ما يميز بطارية الليثيوم هو أنها لا تحتاج إلى شحنة امتصاص أو أن تبقى في حالة جهد ثابت لفترات طويلة من الزمن. عادةً، عندما تصل البطارية إلى الحد الأقصى لجهد الشحن، فإنها لم تعد بحاجة إلى الشحن. تعتبر خصائص التفريغ لبطاريات LiFePO4 فريدة أيضًا. أثناء التفريغ، ستحافظ بطاريات الليثيوم على جهد أعلى بكثير من بطاريات الرصاص الحمضية عادةً تحت الحمل. ليس من غير المألوف أن تنخفض بطارية الليثيوم بضعة أعشار فولت فقط من الشحن الكامل إلى 75٪ من التفريغ. وهذا قد يجعل من الصعب معرفة مقدار السعة المستخدمة بدون معدات مراقبة البطارية.

من المزايا المهمة للليثيوم على بطاريات الرصاص الحمضية أنها لا تعاني من عجز الدراجات. يحدث هذا بشكل أساسي عندما لا يمكن شحن البطاريات بالكامل قبل تفريغها مرة أخرى في اليوم التالي. هذه مشكلة كبيرة جدًا بالنسبة لبطاريات الرصاص الحمضية ويمكن أن تؤدي إلى تدهور كبير في اللوحة إذا تم تدويرها بشكل متكرر بهذه الطريقة. لا تحتاج بطاريات LiFePO4 إلى الشحن الكامل بانتظام. في الواقع، من الممكن تحسين متوسط ​​العمر المتوقع بشكل طفيف من خلال شحن جزئي بسيط بدلاً من الشحن الكامل.

تعتبر الكفاءة عاملاً مهمًا جدًا عند تصميم أنظمة الطاقة الشمسية الكهربائية. تبلغ كفاءة الذهاب والإياب (من البطارية الكاملة إلى الميتة ثم العودة إلى البطارية الكاملة) لمتوسط ​​بطارية الرصاص الحمضية حوالي 80%. الكيمياء الأخرى يمكن أن تكون أسوأ. تصل كفاءة الطاقة ذهابًا وإيابًا لبطارية ليثيوم فوسفات الحديد إلى 95-98%. يعد هذا وحده تحسنًا كبيرًا للأنظمة المتعطشة للطاقة الشمسية خلال فصل الشتاء، ويمكن أن يكون توفير الوقود من شحن المولدات هائلاً. تعتبر مرحلة شحن الامتصاص في بطاريات الرصاص الحمضية غير فعالة بشكل خاص، مما يؤدي إلى كفاءة تصل إلى 50% أو حتى أقل. نظرًا لأن بطاريات الليثيوم لا تمتص الشحن، فإن وقت الشحن من تفريغها بالكامل إلى امتلاءها بالكامل يمكن أن يصل إلى ساعتين. من المهم أيضًا ملاحظة أن بطارية الليثيوم يمكن أن تخضع لتفريغ كامل تقريبًا كما هو مقدر دون آثار سلبية كبيرة. ومع ذلك، فمن المهم التأكد من أن الخلايا الفردية لا تفرط في التفريغ. هذه هي وظيفة المتكاملة نظام إدارة البطارية (BMS) .

تعد سلامة وموثوقية بطاريات الليثيوم مصدر قلق كبير، وبالتالي يجب أن تحتوي جميع التجميعات على وحدة متكاملة نظام إدارة البطارية (BMS) . نظام إدارة المباني (BMS) هو نظام يقوم بمراقبة الخلايا وتقييمها وتوازنها وحمايتها من العمل خارج "منطقة التشغيل الآمنة". يعد نظام إدارة المباني (BMS) عنصرًا أساسيًا للسلامة في نظام بطارية الليثيوم، حيث يقوم بمراقبة وحماية الخلايا داخل البطارية من التيار الزائد، وانخفاض/زيادة الجهد، وانخفاض/زيادة درجة الحرارة والمزيد. سوف تتضرر خلية LiFePO4 بشكل دائم إذا انخفض جهد الخلية إلى أقل من 2.5 فولت، كما أنها ستتضرر بشكل دائم إذا زاد جهد الخلية إلى أكثر من 4.2 فولت. يقوم نظام BMS بمراقبة كل خلية وسيمنع تلف الخلايا في حالة انخفاض / زيادة الجهد.

المسؤولية الأساسية الأخرى لنظام إدارة المباني هي موازنة الحزمة أثناء الشحن، مما يضمن حصول جميع الخلايا على شحن كامل دون الشحن الزائد. لن تتوازن خلايا بطارية LiFePO4 تلقائيًا في نهاية دورة الشحن. توجد اختلافات طفيفة في المعاوقة عبر الخلايا وبالتالي لا توجد خلية متطابقة بنسبة 100%. ولذلك، عند تدويرها، سيتم شحن بعض الخلايا بالكامل أو تفريغها في وقت أبكر من غيرها. سيزداد التباين بين الخلايا بشكل ملحوظ مع مرور الوقت إذا لم تكن الخلايا متوازنة.

في بطاريات الرصاص الحمضية سيستمر التيار في التدفق حتى عندما تكون خلية واحدة أو أكثر مشحونة بالكامل. هذه نتيجة التحليل الكهربائي الذي يحدث داخل البطارية، حيث ينقسم الماء إلى هيدروجين وأكسجين. يساعد هذا التيار على شحن الخلايا الأخرى بشكل كامل، وبالتالي موازنة الشحن على جميع الخلايا بشكل طبيعي. ومع ذلك، فإن خلية الليثيوم المشحونة بالكامل ستتمتع بمقاومة عالية جدًا وسيتدفق تيار قليل جدًا. وبالتالي فإن الخلايا المتأخرة لن تكون مشحونة بالكامل. أثناء موازنة نظام إدارة المباني، سيتم تطبيق حمولة صغيرة على الخلايا المشحونة بالكامل، مما يمنعها من الشحن الزائد ويسمح للخلايا الأخرى باللحاق بالركب.

تقدم بطاريات الليثيوم العديد من الفوائد مقارنة بكيميائيات البطاريات الأخرى. إنها حل بطارية آمن وموثوق، دون خوف من الانفلات الحراري و/أو الانهيار الكارثي، وهو احتمال كبير من أنواع بطاريات الليثيوم الأخرى. توفر هذه البطاريات دورة حياة طويلة للغاية، حتى أن بعض الشركات المصنعة تضمن بطاريات تصل إلى 10000 دورة. بفضل معدلات التفريغ وإعادة الشحن العالية التي تزيد عن C/2 المستمر وكفاءة ذهابًا وإيابًا تصل إلى 98%، فلا عجب أن تكتسب هذه البطاريات قوة جذب داخل الصناعة. فوسفات حديد الليثيوم (LiFePO4) هو الكمال حل تخزين الطاقة .