ما هي تقنية بطارية الليثيوم؟

تقف بطاريات الليثيوم منفصلة عن غيرها من كيميائية البطاريات نظرًا لكثافة طاقتها العالية وتكلفتها المنخفضة لكل دورة.ومع ذلك ، فإن مصطلح "بطارية الليثيوم" هو مصطلح غامض.هناك حوالي ستة أنواع كيميائية شائعة لبطاريات الليثيوم ، ولكل منها مزاياها وعيوبها الفريدة.بالنسبة لتطبيقات الطاقة المتجددة ، فإن الكيمياء السائدة هي فوسفات الحديد الليثيوم (LiFePO4) .تتمتع هذه الكيمياء بسلامة ممتازة ، مع استقرار حراري كبير ، ومعدلات تيار عالية ، ودورة حياة طويلة ، وتحمل لسوء المعاملة.

فوسفات الحديد الليثيوم (LiFePO4) هي كيمياء ليثيوم مستقرة للغاية عند مقارنتها بجميع كيماويات الليثيوم الأخرى تقريبًا.يتم تجميع البطارية بمادة كاثودية آمنة بشكل طبيعي (فوسفات الحديد).بالمقارنة مع كيمياء الليثيوم الأخرى ، يعزز فوسفات الحديد رابطة جزيئية قوية ، والتي تتحمل ظروف الشحن القاسية ، وتطيل من عمر الدورة ، وتحافظ على السلامة الكيميائية على مدار العديد من الدورات.هذا ما يمنح هذه البطاريات ثباتها الحراري الكبير وعمرها الطويل وتحملها لسوء الاستخدام. بطاريات LiFePO4 ليست عرضة للسخونة الزائدة ، ولا يتم التخلص منها في "الهروب الحراري" ، وبالتالي لا تسخن أو تشتعل عند تعرضها لسوء مناولة صارمة أو ظروف بيئية قاسية.

على عكس حمض الرصاص المغمور وغيره من كيميائية البطاريات ، لا تنفث بطاريات الليثيوم 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 محصورة دون التعرض لخطر الانفجار ويجب ألا يتطلب النظام المصمم بشكل صحيح تبريدًا أو تنفيسًا نشطًا.

بطاريات الليثيوم هي مجموعة تتكون 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 ، لتحقيق بطارية بجهد 12 فولت ، سيكون لديك عادةً أربع خلايا متصلة في سلسلة.هذا سيجعل الجهد الاسمي لـ LiFePO4 12.8 فولت .ثماني خلايا متصلة في سلسلة تصنع a بطارية 24 فولت بجهد اسمي 25.6 فولت وستة عشر خلية متصلة في سلسلة تجعل أ بطارية 48 فولت بجهد اسمي 51.2 فولت.تعمل هذه الفولتية بشكل جيد مع النموذج الخاص بك محولات 12 فولت ، 24 فولت ، 48 فولت .

غالبًا ما تُستخدم بطاريات الليثيوم لتحل محل بطاريات الرصاص الحمضية مباشرة لأنها تتمتع بجهد شحن متشابه 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 ، لم تعد بحاجة إلى الشحن.خصائص التفريغ لبطاريات LiFePO4 فريدة أيضًا.أثناء التفريغ ، ستحافظ بطاريات الليثيوم على جهد أعلى بكثير من بطاريات الرصاص الحمضية تحت الحمل.ليس من غير المألوف أن تسقط بطارية الليثيوم بضعة أعشار من الفولت من الشحن الكامل إلى 75٪ فارغة.هذا يمكن أن يجعل من الصعب معرفة مقدار السعة المستخدمة بدون معدات مراقبة البطارية.

من المزايا المهمة للليثيوم على بطاريات الرصاص الحمضية أنها لا تعاني من نقص في الدورة الدموية.يحدث هذا بشكل أساسي عندما يتعذر شحن البطاريات بالكامل قبل تفريغها مرة أخرى في اليوم التالي.هذه مشكلة كبيرة جدًا مع بطاريات 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 بشحن جزئي بسيط بدلاً من الشحن الكامل.

تعتبر الكفاءة عاملاً مهمًا للغاية عند تصميم أنظمة الطاقة الشمسية.تبلغ كفاءة النقل ذهابًا وإيابًا (من كاملة إلى ميتة ومن الخلف إلى الكاملة) لمتوسط ​​بطارية حمض الرصاص حوالي 80٪.يمكن أن تكون الكيماويات الأخرى أسوأ.تزيد كفاءة الطاقة ذهابًا وإيابًا لبطارية ليثيوم فوسفات الحديد بنسبة 95-98٪.يعد هذا وحده تحسينًا كبيرًا للأنظمة المتعطشة للطاقة الشمسية خلال فصل الشتاء ، ويمكن أن يكون توفير الوقود من شحن المولد هائلاً.تعتبر مرحلة شحن امتصاص بطاريات الرصاص الحمضية غير فعالة بشكل خاص ، مما يؤدي إلى كفاءات تصل إلى 50٪ أو حتى أقل.بالنظر إلى أن بطاريات الليثيوم لا تقوم بشحنها ، فإن وقت الشحن من التفريغ الكامل إلى الشحن الكامل يمكن أن يكون أقل من ساعتين.من المهم أيضًا ملاحظة أن بطارية الليثيوم يمكن أن تخضع لتفريغ كامل تقريبًا كما تم تصنيفها دون آثار ضارة كبيرة.ومع ذلك ، من المهم التأكد من أن الخلايا الفردية لا تفرط في التفريغ.هذا هو عمل متكامل نظام إدارة البطارية (BMS) .

تعتبر سلامة وموثوقية بطاريات الليثيوم مصدر قلق كبير ، وبالتالي يجب أن تكون جميع التركيبات متكاملة نظام إدارة البطارية (BMS) .نظام BMS هو نظام يقوم بمراقبة وتقييم وموازنة وحماية الخلايا من العمل خارج "منطقة التشغيل الآمنة".يعد نظام BMS مكونًا أساسيًا للسلامة في نظام بطارية الليثيوم ، حيث يقوم بمراقبة الخلايا داخل البطارية وحمايتها ضد التيار الزائد ، والجهد المنخفض / الزائد ، ودرجة الحرارة المنخفضة / الزائدة والمزيد.ستتضرر خلية LiFePO4 بشكل دائم إذا انخفض جهد الخلية إلى أقل من 2.5 فولت ، كما ستتضرر بشكل دائم إذا زاد جهد الخلية إلى أكثر من 4.2 فولت.يراقب نظام BMS كل خلية ويمنع تلف الخلايا في حالة انخفاض / زيادة الجهد.

هناك مسؤولية أساسية أخرى لـ BMS وهي موازنة العبوة أثناء الشحن ، مما يضمن شحن جميع الخلايا بالكامل دون الشحن الزائد.لن تتوازن خلايا بطارية LiFePO4 تلقائيًا في نهاية دورة الشحن.توجد اختلافات طفيفة في الممانعة عبر الخلايا وبالتالي لا توجد خلية متطابقة بنسبة 100٪.لذلك ، عند تدوير بعض الخلايا ، سيتم شحنها بالكامل أو تفريغها في وقت أبكر من الخلايا الأخرى.سيزداد التباين بين الخلايا بشكل ملحوظ بمرور الوقت إذا لم تكن الخلايا متوازنة.

في بطاريات الرصاص الحمضية ، سيستمر التيار في التدفق حتى عندما تكون خلية واحدة أو أكثر مشحونة بالكامل.هذا هو نتيجة التحليل الكهربائي الذي يحدث داخل البطارية ، وينقسم الماء إلى هيدروجين وأكسجين.يساعد هذا التيار على شحن الخلايا الأخرى بالكامل ، وبالتالي موازنة الشحنة على جميع الخلايا بشكل طبيعي.ومع ذلك ، فإن خلية الليثيوم المشحونة بالكامل ستتمتع بمقاومة عالية جدًا وسيتدفق القليل جدًا من التيار.لذلك لن يتم شحن الخلايا المتأخرة بالكامل.أثناء موازنة BMS ، سيطبق حمولة صغيرة على الخلايا المشحونة بالكامل ، مما يمنعها من الشحن الزائد ويسمح للخلايا الأخرى باللحاق بالركب.

توفر بطاريات الليثيوم العديد من الفوائد مقارنة بكيميائيات البطاريات الأخرى.إنها حل بطارية آمن وموثوق ، دون خوف من الهروب 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.مع معدلات تفريغ وإعادة شحن عالية تصل إلى C / 2 بشكل مستمر وكفاءة ذهاب وإياب تصل إلى 98٪ ، فلا عجب أن هذه البطاريات تكتسب قوة دفع داخل الصناعة. فوسفات الحديد الليثيوم (LiFePO4) هو الكمال حل تخزين الطاقة .