يوجد اليوم عدد كبير من البطاريات بأنواع مختلفة من الكيمياء. أكثر البطاريات شيوعًا اليوم هي بطاريات الليثيوم أيون. تشتمل هذه المجموعة أيضًا على بطاريات ليثيوم - حديد - فوسفات (فيرو فوسفات). في حين أن جميع البطاريات في هذه الفئة متشابهة إلى حد كبير في المواصفات الفنية ، فإن بطاريات فوسفات حديد الليثيوم لها ميزاتها الفريدة التي تميزها عن البطاريات الأخرى المصنوعة باستخدام تقنية أيونات الليثيوم.
قصة اكتشاف بطارية ليثيوم فوسفات الحديد
مخترع بطارية LiFePO4 هو John Goodenough ، الذي عمل عام 1996 في جامعة تكساس على مادة كاثود جديدة لبطاريات الليثيوم أيون. تمكن البروفيسور من صنع مادة أرخص ، وسمية أقل ، وثبات حراري مرتفع. ومن عيوب البطارية التي تستخدم الكاثود الجديد السعة المنخفضة.
لم يكن أحد مهتمًا باختراع John Goodenough ، ولكن في عام 2003 قررت A 123 Systems تطوير هذه التكنولوجيا ، معتبرة أنها واعدة جدًا. أصبحت العديد من الشركات الكبيرة مستثمرة في هذه التقنية - سيكويا كابيتال ، كوالكوم ، موتورولا.
خصائص بطاريات LiFePO4
جهد بطارية الفوسفات هو نفسه لبطاريات الليثيوم أيون الأخرى. يعتمد الجهد المقنن على أبعاد البطارية (الحجم ، عامل الشكل). بالنسبة للبطاريات 18650 ، يكون هذا 3.7 فولت ، مقابل 10440 (أصابع صغيرة) - 3.2 ، مقابل 24330 - 3.6.
بالنسبة لجميع البطاريات تقريبًا ، ينخفض الجهد تدريجياً أثناء التفريغ. إحدى الميزات الفريدة هي استقرار الجهد عند العمل مع بطاريات LiFePO4. البطاريات المصنوعة باستخدام تقنية النيكل (النيكل والكادميوم وهيدريد معدن النيكل) لها خصائص جهد مشابهة لتلك.
اعتمادًا على الحجم ، يمكن لبطارية ليثيوم فوسفات الحديد أن توفر ما بين 3.0 و 3.2 فولت حتى يتم تفريغها بالكامل. تمنح هذه الخاصية المزيد من المزايا لهذه البطاريات عند استخدامها في الدوائر ، حيث إنها تقضي عمليًا على الحاجة إلى تنظيم الجهد.
جهد التفريغ الكامل هو 2.0 فولت ، وهو أقل حد تفريغ مسجل لأي بطارية ليثيوم بتكنولوجيا. هذه البطاريات رائدة فيعمر الخدمة ، وهو ما يعادل 2000 دورة للشحن والتفريغ. نظرًا لسلامة تركيبها الكيميائي ، يمكن شحن بطاريات LiFePO4 باستخدام طريقة delta V المعجلة الخاصة عند تطبيق تيار كبير على البطارية.
لا تستطيع العديد من البطاريات تحمل طريقة الشحن هذه ، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارتها وتدهور حالتها. في حالة بطاريات الليثيوم والحديد والفوسفات ، فإن استخدام هذه الطريقة ليس ممكنًا فحسب ، بل يوصى به أيضًا. لذلك ، هناك شواحن خاصة لشحن هذه البطاريات. بالطبع ، لا يمكن استخدام أجهزة الشحن هذه مع بطاريات ذات كيمياء أخرى. اعتمادًا على عامل الشكل ، يمكن شحن بطاريات فوسفات حديد الليثيوم الموجودة في هذه الشواحن بالكامل خلال 15-30 دقيقة.
تقدم التطورات الأخيرة في مجال بطاريات LiFePO4 بطاريات المستخدم مع نطاق درجة حرارة تشغيل محسّن. إذا كان نطاق التشغيل القياسي لبطاريات الليثيوم أيون هو -20 إلى +20 درجة مئوية ، فيمكن أن تعمل بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم بشكل مثالي في النطاق من -30 إلى +55. سيؤدي شحن البطارية أو تفريغها عند درجات حرارة أعلى أو أقل من تلك الموصوفة إلى إتلاف شديد للبطارية.
بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم أقل تأثراً بتأثير الشيخوخة من بطاريات الليثيوم أيون الأخرى. الشيخوخة هي الفقد الطبيعي للقدرة بمرور الوقت ، وهو أمر مستقل عما إذا كانت البطارية مستخدمة أمعلى الرف. بالمقارنة ، تفقد جميع بطاريات الليثيوم أيون حوالي 10٪ من طاقتها كل عام. يفقد فوسفات الحديد الليثيوم 1.5٪ فقط.
الجانب السلبي لهذه البطاريات هو السعة المنخفضة ، والتي تقل 14٪ (أو نحو ذلك) عن بطاريات الليثيوم أيون الأخرى.
سلامة بطارية الفوسفات
يعتبر هذا النوع من البطاريات من أكثر البطاريات أمانًا بين جميع أنواع البطاريات الحالية. تتمتع بطاريات LiFePO4 Lithium Phosphate كيميائية مستقرة جدًا ، وهي قادرة على تحمل الأحمال الثقيلة جيدًا في التفريغ (في عملية مقاومة منخفضة) والشحن (عند شحن البطارية بتيارات عالية).
نظرًا لحقيقة أن الفوسفات آمن كيميائيًا ، فمن السهل التخلص من هذه البطاريات بعد الانتهاء من مواردها. يجب أن تخضع العديد من البطاريات التي تحتوي على مواد كيميائية خطرة (مثل Lithium-Cob alt) لعمليات إعادة تدوير إضافية من أجل القضاء على مخاطرها البيئية.
شحن بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم
كان أحد أسباب الاهتمام التجاري للمستثمرين في كيمياء الفوسفات هو القدرة على الشحن السريع ، الناتج عن استقراره. مباشرة بعد تنظيم إصدار الناقل لبطاريات LiFePO4 ، تم وضعها كبطاريات يمكن شحنها بسرعة.
تم إنتاج شواحن خاصة لهذا الغرض. كما ذكرنا سابقًا ، لا يمكن استخدام أجهزة الشحن هذه على البطاريات الأخرى ، حيث سيؤدي ذلك إلى ارتفاع درجة حرارتها وإلحاق الضرر بها بشكل كبير
يمكن لشاحن خاص لهذه البطاريات شحنها خلال 12-15 دقيقة. يمكن أيضًا شحن بطاريات الفوسفات بشواحن تقليدية. هناك أيضًا خيارات شاحن مدمجة مع وضعي الشحن. الخيار الأفضل ، بالطبع ، هو استخدام أجهزة الشحن الذكية مع العديد من الخيارات للتحكم في عملية الشحن.
جهاز بطارية ليثيوم فوسفات الحديد
لا تحتوي بطارية LiFePO4 الليثيوم والحديد والفوسفات على ميزات خاصة في الهيكل الداخلي مقارنة بنظيراتها في التكنولوجيا الكيميائية. تم تغيير عنصر واحد فقط - وهو الكاثود المصنوع من فوسفات الحديد. مادة الأنود هي الليثيوم (جميع بطاريات الليثيوم أيون بها أنود ليثيوم).
يعتمد تشغيل أي بطارية على انعكاس تفاعل كيميائي. خلاف ذلك ، فإن العمليات التي تحدث داخل البطارية تسمى عمليات الأكسدة والاختزال. تتكون أي بطارية من أقطاب كهربائية - كاثود (ناقص) وأنود (زائد). أيضًا ، يوجد داخل أي بطارية فاصل - مادة مسامية مشربة بسائل خاص - إلكتروليت.
عندما يتم تفريغ البطارية ، تتحرك أيونات الليثيوم عبر الفاصل من الكاثود إلى الأنود ، مما يعطي الشحنة المتراكمة (الأكسدة). عندما يتم شحن البطارية ، تتحرك أيونات الليثيوم في الاتجاه المعاكس من القطب الموجب إلى القطب السالب ، وتتراكم الشحنة (الاسترداد).
أنواع بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم
يمكن تقسيم جميع أنواع البطاريات في هذه الكيمياء إلى أربع فئات:
- مكتملالبطارية.
- خلايا كبيرة على شكل خطوط متوازية.
- خلايا صغيرة على شكل خطوط متوازية (موشورات - بطاريات LiFePO4 عند 3.2 فولت).
- خلايا معدنية صغيرة (حزم).
- بطاريات أسطوانية.
يمكن أن تحتوي بطاريات وخلايا فوسفات الحديد والليثيوم على جهد اسمي مختلف من 12 إلى 60 فولت. إنها تتفوق على بطاريات الرصاص الحمضية التقليدية بعدة طرق: وقت الدورة أعلى بكثير ، والوزن أقل عدة مرات ، ويتم إعادة شحنها عدة مرات أسرع.
تُستخدم البطاريات الأسطوانية في هذه الكيمياء بشكل منفصل وفي سلسلة. تختلف أبعاد هذه البطاريات الأسطوانية اختلافًا كبيرًا: من 14500 (نوع الإصبع) إلى 32650.
بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم
بطاريات الفوسفات للدراجات الهوائية والكهربائية تستحق اهتماما خاصا. مع اختراع كاثود فوسفات الحديد الجديد ، إلى جانب أنواع أخرى من البطاريات بناءً على هذه الكيمياء ، ظهرت بطاريات خاصة ، والتي يمكن استخدامها بسهولة حتى في الدراجات العادية نظرًا لخصائصها المحسّنة ووزنها الخفيف. اكتسبت هذه البطاريات على الفور شعبية بين عشاق ترقية دراجاتهم
بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم قادرة على توفير عدة ساعات من ركوب الدراجات بدون قلق ، وهي منافسة جديرة بالاهتمام لمحركات الاحتراق الداخلي ، والتي غالبًا ما كانت تُركب أيضًا على الدراجات في الماضي. عادة للبياناتالأغراض ، يتم استخدام بطاريات LiFePO4 48 فولت ، ولكن من الممكن شراء بطاريات 25 و 36 و 60 فولت.
تطبيق بطاريات الفوسفات
دور البطاريات في هذه الكيمياء واضح دون تعليق. تستخدم المنشورات لأغراض مختلفة - بطاريات LiFePO4 3 ، 2 فولت. تُستخدم الخلايا الأكبر حجمًا كعناصر لأنظمة عازلة للطاقة الشمسية وتوربينات الرياح. تستخدم بطاريات الفوسفات بنشاط في بناء المركبات الكهربائية.
تستخدم البطاريات الصغيرة المسطحة للهواتف وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وأجهزة الكمبيوتر اللوحية. تُستخدم البطاريات الأسطوانية ذات العوامل الشكلية المختلفة للبنادق البلاستيكية والسجائر الإلكترونية والنماذج التي يتم التحكم فيها عن طريق الراديو وما إلى ذلك.
