بيت > مدونات > Lifepo4 مقابل الليثيوم-...

Lifepo4 ضد ليثيوم أيون: معركة البطاريات

1,763 نشرت من قبل بيسلبات 19 أبريل 2024

ليثيوم أيون (ليثيوم أيون) وفوسفات حديد الليثيوم ( LiFePO4 ) هما من أكثر أنواع بطاريات الليثيوم أيون القابلة لإعادة الشحن شيوعًا والمستخدمة في الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية والمركبات الكهربائية اليوم.

يوفر كلاهما كثافة طاقة عالية، وتفريغًا ذاتيًا منخفضًا، وجهدًا عاليًا للخلايا، وصيانة منخفضة مقارنةً بكيمياء البطاريات الأخرى القابلة لإعادة الشحن.

ومع ذلك، هناك بعض الاختلافات الرئيسية بين الاثنين التي تجعل كل منهما أكثر ملاءمة لتطبيقات معينة.

ليثيوم أيون

تستخدم بطاريات الليثيوم أيون أكسيد كوبالت الليثيوم ( LiCoO2 ) أو أكاسيد فلز الليثيوم الأخرى كالقطب الموجب وكربون الجرافيت كالقطب السالب.

أثناء التفريغ، تنتقل أيونات الليثيوم من القطب الموجب إلى القطب السالب من خلال المنحل بالكهرباء والحجاب الحاجز الفاصل.

الشحن يعكس تدفق الأيونات. تتمتع بطاريات الليثيوم أيون بكثافة طاقة عالية ولكنها قد تكون غير مستقرة بسبب كاثود الكوبالت شديد التفاعل.

لايفبو4

تستبدل بطاريات LiFePO4 كاثود أكسيد الكوبالت بفوسفات حديد الليثيوم ( LiFePO4 )، وهو أكثر استقرارًا من الناحية الهيكلية والحرارية.

وهذا يجعل LiFePO4 بطبيعته أكثر أمانًا من Li-ion، بتكلفة كثافة طاقة أقل قليلاً.

يوفر LiFePO4 أيضًا عمر دورة أطول وأداء أفضل في درجات الحرارة المرتفعة.

يعد كلا النوعين من بطاريات الليثيوم أيون شائعين اليوم في الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية والأدوات الكهربائية والمركبات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة. سنستكشف الاختلافات الرئيسية بينهما بمزيد من التفصيل.

كيمياء

تحتوي بطاريات LiFePO4 على كاثود مصنوع من فوسفات حديد الليثيوم ( LiFePO4 )، في حين أن بطاريات الليثيوم أيون التقليدية تستخدم أكسيد كوبالت الليثيوم (LiCoO2)، أو أكسيد كوبالت نيكل الليثيوم (NMC)، أو كاثودات أكسيد الفلز الأخرى.

الفرق الرئيسي يكمن في مادة الكاثود. يوفر LiFePO4 كيمياء كاثود أكثر استقرارًا وأمانًا مقارنة بكاثودات أكسيد المعدن الموجودة في بطاريات أيونات الليثيوم العادية.

يقاوم هيكل فوسفات الحديد فقدان الأكسجين، حتى عند الشحن الزائد أو قصر التيار. وهذا يجعل LiFePO4 غير قابل للاحتراق بطبيعته ويزيل خطر الهروب الحراري.

في المقابل، يمكن لبطاريات الليثيوم أيون التي تحتوي على كاثودات الكوبالت والنيكل والمنغنيز أن تطلق الأكسجين إذا تم شحنها بشكل زائد أو تعرضت للتلف، مما يؤدي إلى حرائق وانفجارات.

يفتقر هيكل الأكسيد ذو الطبقات إلى ثبات بنية فوسفات الزبرجد الزيتوني في LiFePO4. هذا الاختلاف الأساسي في كيمياء الكاثود هو ما يمنح بطاريات LiFePO4 سمعتها الممتازة في مجال السلامة.

الجهد االكهربى

تتميز بطاريات LiFePO4 بجهد اسمي أقل مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون. يعمل LiFePO4 عند حوالي 3.2 فولت، بينما تعمل بطاريات الليثيوم أيون عادةً بين 3.6-3.7 فولت.

يأتي هذا الجهد المنخفض في LiFePO4 من كيمياء مادة الكاثود. يتمتع كاثود LiFePO4 بجهد مسطح ويمكنه إطلاق إلكترون واحد فقط لكل وحدة صيغة أثناء الشحن والتفريغ.

في المقابل، يمكن لكاثودات أيونات الليثيوم مثل أكسيد كوبالت الليثيوم (LiCoO2) إطلاق معظم أيونات الليثيوم الخاصة بها، مما يتيح جهدًا كهربائيًا أعلى.

يعني الجهد المنخفض لـ LiFePO4 أنه يجب توصيل المزيد من الخلايا على التوالي لتحقيق جهد النظام المطلوب.

ومع ذلك، فإن الجهد المنخفض يوفر أيضًا بعض المزايا في مجال السلامة والاستقرار مقارنةً بكيمياء أيونات الليثيوم ذات الجهد العالي.

بشكل عام، يعد الجهد المنخفض قليلاً لـ LiFePO4 عبارة عن مقايضة تسمح باستقرار وأمان ممتازين أثناء ركوب الدراجات.

الشحن/التفريغ

تتميز بطاريات LiFePO4 بمنحنى تفريغ مسطح جدًا مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون.

وهذا يعني أن خرج الجهد يظل أكثر اتساقًا مع تفريغ البطارية. من ناحية أخرى، تتميز بطاريات الليثيوم أيون بمنحنى تفريغ مائل، وبالتالي ينخفض الجهد تدريجيًا مع استنزاف البطارية.

إن منحنى التفريغ المسطح لـ LiFePO4 يجعلها مثالية للتطبيقات التي تتطلب خرج جهد ثابت.

تستفيد أشياء مثل وحدات التحكم في المحركات والعاكسات من مصدر الجهد الثابت أثناء التفريغ. مع أيون الليثيوم، قد تواجه انخفاضًا في الأداء مع انخفاض الجهد.

يتم شحن LiFePO4 أيضًا بشكل مختلف عن الليثيوم أيون. يرتفع الجهد بسرعة إلى حوالي 3.65 فولت ثم يظل هناك أثناء شحن البطارية بالكامل.

يزداد جهد ليثيوم أيون بشكل مطرد طوال عملية الشحن. وهذا يعني أن LiFePO4 يمكنه الاستفادة من الشحن السريع بشكل أفضل من أيون الليثيوم في معظم الحالات.

باختصار، يوفر LiFePO4 تفريغًا مسطحًا للجهد بينما ينحدر أيون الليثيوم تدريجيًا. ويتم شحن LiFePO4 بسرعة إلى ذروة الجهد بينما يصعد أيون الليثيوم ببطء.

خصائص التفريغ/الشحن هذه تجعل LiFePO4 مناسبًا للتطبيقات التي تحتاج إلى جهد ثابت وقدرة شحن سريع.

دورة الحياة

تتمتع بطاريات LiFePO4 بعمر دورة أطول بكثير مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون.

في حين أن أيون الليثيوم قد يستمر من 500 إلى 1000 دورة قبل أن يتحلل إلى 80% من سعته، فإن LiFePO4 يمكنه عادةً تحقيق 2000-5000 دورة أو أكثر. تم اختبار بعض خلايا LiFePO4 لأكثر من 10000 دورة مع الحد الأدنى من فقدان السعة.

السبب الرئيسي لهذه الدورة الممتدة للحياة هو التركيب البلوري الزبرجد الزيتوني لمادة الكاثود في LiFePO4.

يسمح هذا الهيكل بإدخال واستخلاص أيونات الليثيوم بضغط وإجهاد أقل مقارنةً بكاثودات الأكسيد ذات الطبقات مثل أكسيد كوبالت الليثيوم.

لا يتوسع الهيكل الصلب لـ LiFePO4 أو ينكمش كثيرًا أثناء ركوب الدراجات، مما يؤدي إلى استقرار أكبر على مدار آلاف الدورات.

في المقابل، يتغير شكل البنية الطبقية لكاثودات أيونات الليثيوم التقليدية بشكل أكثر دراماتيكية أثناء ركوب الدراجات، حيث تتم إضافة وإزالة أيونات الليثيوم.

وهذا يضع المزيد من الضغط الجسدي على الأقطاب الكهربائية والكهارل، مما يؤدي إلى تدهور البطارية بشكل أسرع مع مرور الوقت.

لذلك بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب آلاف الدورات على مدى سنوات عديدة، مثل تخزين الطاقة المتجددة أو السيارات الكهربائية، فإن LiFePO4 هو الفائز الواضح على بطاريات الليثيوم أيون العادية عندما يتعلق الأمر بدورة الحياة.

إن القدرة على تحمل دورات أكثر من 3 إلى 10 مرات قبل الفشل تجعل LiFePO4 خيارًا جذابًا عندما تكون المتانة على المدى الطويل وعمر الخدمة من العوامل الحاسمة.

أمان

تعد بطاريات LiFePO4 أكثر أمانًا بطبيعتها من بطاريات الليثيوم أيون. ويرجع ذلك إلى التركيب الكيميائي وخصائص مادة الكاثود.

تستخدم بطاريات الليثيوم أيون عادةً مواد الكاثود مثل أكسيد كوبالت الليثيوم (LiCoO2) أو أكسيد النيكل والمنغنيز والكوبالت (NMC).

تعتبر مواد كاثود الأكسيد ذات الطبقات هذه غير مستقرة، خاصة عند الشحن الزائد أو قصر الدائرة.

يمكن أن يؤدي ذلك إلى إطلاق الأكسجين من الكاثود ويؤدي إلى الهروب الحراري، مما يؤدي إلى نشوب حرائق أو انفجارات.

في المقابل، يحتوي LiFePO4 على بنية بلورية أوليفينية مستقرة جدًا، حتى في ظل ظروف سوء الاستخدام.

الروابط التساهمية القوية في إطار الفوسفات تجعل من الصعب للغاية إطلاق الأكسجين.

ونتيجة لذلك، لا ينتقل LiFePO4 بسهولة إلى حالة الانفلات الحراري ويكون أقل عرضة للاشتعال أو الانفجار.

يمكن أن يتحمل LiFePO4 درجات حرارة أعلى بكثير (تصل إلى 700 درجة فهرنهايت) قبل أن يتحلل مقارنة بدرجة الحرارة الحرارية المنخفضة نسبيًا لأيون الليثيوم.

من غير المرجح أن تؤدي الدوائر القصيرة، والشحن الزائد، وغيرها من إساءة الاستخدام الكهربائية أو الميكانيكية إلى فشل ذريع مع LiFePO4.

تعد هذه السلامة والاستقرار المتأصلين سببًا رئيسيًا وراء تفضيل LiFePO4 للسيارات الكهربائية والتطبيقات الأخرى حيث تكون السلامة أمرًا بالغ الأهمية.

يكلف

تعد بطاريات LiFePO4 أرخص عمومًا لكل كيلووات في الساعة من بطاريات الليثيوم أيون.

وذلك لأن LiFePO4 يستخدم فوسفات الحديد كمادة الكاثود، وهو متوفر بكثرة وغير مكلف مقارنة بالكوبالت والنيكل والمنغنيز المستخدم في كاثودات أيونات الليثيوم.

بالإضافة إلى ذلك، يتمتع LiFePO4 بمنحنى تفريغ أكثر استواءً من الليثيوم أيون، مما يسمح له باستخدام إلكترونيات نظام إدارة البطارية بشكل أقل.

يعمل نظام إدارة البطارية الأبسط على تقليل تكاليف LiFePO4.

فيما يتعلق بتكاليف حزمة البطارية الأولية، تتراوح بطاريات LiFePO4 من 300 إلى 500 دولار لكل كيلووات في الساعة، في حين أن حزم الليثيوم أيون تتراوح بين 150 إلى 300 دولار لكل كيلووات في الساعة.

ومع ذلك، فإن عمر دورة LiFePO4 الأطول مقارنةً بأيون الليثيوم يعني أن التكلفة لكل دورة أو التكلفة على مدى عمر البطارية أقل بالنسبة لـ LiFePO4.

بشكل عام، تؤدي تكاليف المواد الخام الأرخص والإلكترونيات الأبسط إلى انخفاض تكلفة عمر LiFePO4 لكل كيلوواط ساعة على الرغم من التكلفة الأولية المرتفعة.

وهذا يجعله خيارًا جذابًا على أيونات الليثيوم للعديد من التطبيقات، خاصة عندما تكون دورة الحياة الطويلة والسلامة من الأولويات.

التطبيقات

تُستخدم بطاريات LiFePO4 وبطاريات الليثيوم أيون في مجموعة واسعة من التطبيقات، لكن لكل منهما مزايا تجعلها أكثر ملاءمة لحالات استخدام معينة.

تميل بطاريات LiFePO4 إلى التفضيل لتطبيقات الطاقة العالية مثل أدوات الطاقة والمركبات الكهربائية.

إن كيميائيتها الآمنة وقدرتها على توصيل تيارات عالية تجعلها مناسبة تمامًا للأشياء التي تحتاج إلى الكثير من الطاقة الفورية. يوفر LiFePO4 تأثيرًا قويًا عندما تحتاج إلى الطاقة على الفور.

من ناحية أخرى، غالبًا ما تكون بطاريات الليثيوم أيون أفضل للإلكترونيات الصغيرة مثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف المحمولة والأجهزة اللوحية.

وتعني كثافة الطاقة العالية أنها تستطيع تخزين المزيد من الطاقة في حزمة أصغر وأخف وزنًا.

وهذا يجعل الليثيوم أيون رائعًا عندما تحتاج إلى تحسين المساحة والوزن، كما هو الحال في الهاتف الذكي.

المقايضة هي أنهم لا يتعاملون مع سحب الطاقة العالية أيضًا.

يعتبر LiFePO4 مثاليًا للأدوات عالية الطاقة والمركبات الكهربائية والتطبيقات الأخرى التي تتطلب نبضًا كبيرًا من التيار. كما أن كيميائيتها الآمنة تجعلها مناسبة تمامًا للأجهزة الطبية.

يعتبر الليثيوم أيون أفضل للإلكترونيات الاستهلاكية والتطبيقات الأخرى التي تركز على الوزن الخفيف والحجم الصغير. كثافة الطاقة العالية الخاصة بها مثالية لزيادة وقت التشغيل إلى أقصى حد.

تتمتع كل تقنية بنقاط قوة في تطبيقات مختلفة بناءً على الاحتياجات والمقايضات المحددة. LiFePO4 للطاقة الخام، أيون الليثيوم عندما تكون المساحة والوزن أمرًا بالغ الأهمية.

البيئية

تتمتع بطاريات LiFePO4 بميزة بيئية واضحة مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون التقليدية.

تستخدم مادة الكاثود الموجودة في بطاريات LiFePO4 فوسفات الحديد، وهو غير سام ومتوفر بطبيعته.

وفي المقابل، فإن الكوبالت والنيكل والمنغنيز المستخدمة في كاثودات أيونات الليثيوم هي عناصر نادرة يمكن أن تكون خطرة بتركيزات عالية.

أثناء إنتاج البطاريات، ينبعث تخليق LiFePO4 الحد الأدنى من غازات الدفيئة مقارنة بأيون الليثيوم.

كما أن التخلص منه أقل إشكالية، حيث أن فوسفات الحديد لا يرشح مواد كيميائية سامة إلى البيئة.

وبشكل عام، فإن المواد وتصنيع بطاريات LiFePO4 لها تأثير بيئي أقل بكثير.

مع تزايد شعبية السيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة، سيكون لاختيار كيمياء البطاريات تأثيرات بيئية كبيرة.

إن اعتماد LiFePO4 على نطاق واسع يمكن أن يقلل بشكل كبير من البصمة البيئية لهذه التقنيات.

ومع تحسين استدامتها وسلامتها، من المرجح أن تلعب بطاريات LiFePO4 دورًا رائدًا في التحول إلى الطاقة الخضراء.

خاتمة

عند تقييم LiFePO4 مقابل بطاريات الليثيوم أيون، هناك بعض الاختلافات الرئيسية التي يجب مراعاتها.

تتمتع بطاريات LiFePO4 بكثافة طاقة أقل ولكنها تتمتع بثبات حراري وكيميائي أفضل.

كما أنها تتمتع بدورة حياة أطول، وقدرة أبطأ على التلاشي، وهي أكثر أمانًا بطبيعتها.

الجانب السلبي الرئيسي هو انخفاض الجهد، الأمر الذي يتطلب المزيد من الخلايا المتسلسلة لنفس الجهد مثل أيون الليثيوم.

تتمتع بطاريات الليثيوم أيون بجهد وكثافة طاقة أعلى.

وهذا يسمح ببطاريات أصغر حجمًا وأخف وزنًا بنفس السعة.

ومع ذلك، فهي أقل استقرارًا من الناحية الحرارية، وعرضة لتأثيرات الشيخوخة، ويمكن أن تشكل خطر الحريق إذا لم تتم إدارتها بشكل صحيح.

بالنسبة للتطبيقات التي تكون فيها السلامة ودورة الحياة الطويلة أمرًا بالغ الأهمية مثل السيارات الكهربائية وتخزين الطاقة، عادةً ما يكون LiFePO4 هو الخيار الأفضل على الرغم من حجمه ووزنه الأكبر.

بالنسبة للإلكترونيات الاستهلاكية حيث الحجم الصغير هو الأكثر أهمية، يفضل أيون الليثيوم.

على الرغم من أنه بالنسبة للتطبيقات بينهما، هناك مقايضات يجب مراعاتها.

بشكل عام، LiFePO4 هي كيمياء البطارية الأكثر أمانًا والأطول أمدًا ولكنها تتخلى عن بعض الأداء مقارنة ببطارية الليثيوم أيون.

لذا اختر أيون الليثيوم عند تحسين كثافة الطاقة وLiFePO4 عند تحسين السلامة وعمر الدورة. ضع في اعتبارك أولويات تطبيقك المحدد.