باتری لیتیوم یون چیست؟

باتری لیتیوم یون چیست؟ 

مقدمه

باتری لیتیوم یون (Lithium-Ion Battery) از جمله پیشرفته‌ترین و پرکاربردترین باتری‌های قابل‌شارژ در دنیای امروز محسوب می‌شوند. این نوع باتری در  لپ‌تاپ، خودروهای برقی، ابزارهای صنعتی، وسایل پزشکی و صدها کاربرد دیگر حضور گسترده دارد. از دلایل اصلی محبوبیت آن‌ها می‌توان به چگالی انرژی بالا، عمر مفید مناسب، نرخ خودتخلیه پایین و وزن سبک اشاره کرد. در این مقاله قصد داریم ابتدا ساختار و ترکیبات شیمیایی باتری‌ لیتیوم یون را بررسی کنیم، سپس به تفاوت‌ها و ویژگی‌های مدل‌های 18650 و 21700 پرداخته و در نهایت چند نمونه از محصولات برتر موجود در بازار را معرفی کنیم.

1. آشنایی با باتری لیتیوم یون

1.1 ساختار و ترکیبات شیمیایی

باتری‌های لیتیوم یون عمدتاً از چهار بخش اصلی تشکیل شده‌اند:

1. الکترود مثبت (کاتد): این بخش معمولاً از اکسیدهای فلزی حاوی لیتیوم تشکیل شده است که معروف‌ترین ترکیبات آن شامل LiCoO₂ (لیتیوم کبالت اکسید)، LiFePO₄ (لیتیوم آهن فسفات)، LiNiMnCoO₂ (موسوم به NMC) و LiNiCoAlO₂ (موسوم به NCA) هستند. هر کدام از این ترکیبات، مزایا و معایبی از نظر چگالی انرژی، توان‌دهی، پایداری حرارتی و طول عمر دارند.
2. الکترود منفی (آند): اکثر باتری‌های لیتیوم یونی کنونی از گرافیت (کربن) به عنوان آند استفاده می‌کنند. گرافیت ظرفیت مناسبی برای ذخیره یون‌های لیتیوم دارد و از پایداری شیمیایی مطلوبی برخوردار است. امروزه آندهای سیلیکونی یا ترکیبات پیشرفته کربنی-سیلیکونی نیز در برخی باتری‌های نسل جدید استفاده می‌شوند تا ظرفیت و چگالی انرژی بالاتر رود.
3. الکترولیت: محیط مایع یا ژلی که یون‌های لیتیوم در آن آزادانه حرکت می‌کنند. معمولاً از نمک‌های لیتیوم (مانند LiPF₆) در حلال‌های آلی (مانند ترکیبات کربناتی) استفاده می‌شود. این بخش باید رسانایی یونی مناسب و پایداری شیمیایی بالایی داشته باشد.
4. دیافراگم (Separator): غشایی نازک و متخلخل است که میان الکترود مثبت و منفی قرار می‌گیرد تا از اتصال الکتریکی مستقیم آن‌ها جلوگیری کند اما اجازه دهد یون‌های لیتیوم در الکترولیت عبور کنند.

به طور خلاصه، انرژی الکتریکی در باتری‌های لیتیوم یون، نتیجه حرکت یون‌های لیتیوم بین الکترودهای مثبت و منفی است. در حین شارژ، یون‌ها از کاتد به سمت آند حرکت می‌کنند و در ساختار آن ذخیره می‌شوند؛ و در حین دشارژ، روند برعکس می‌شود و یون‌های لیتیوم از آند به کاتد بازمی‌گردند.

2. انواع باتری‌های لیتیوم یونی از نظر اندازه

2.1 باتری 18650

• مشخصات کلی:
  • ابعاد: ۱۸ میلی‌متر قطر × ۶۵ میلی‌متر طول
  • ظرفیت معمولی: عموماً بین ۲۲۰۰ تا ۳۵۰۰ میلی‌آمپر ساعت (برخی مدل‌های پیشرفته حتی بالاتر)
  • کاربرد: لپ‌تاپ‌ها، چراغ‌قوه‌های حرفه‌ای، ابزارهای الکترونیکی و رباتیک، اسکوترهای برقی، برخی پاوربانک‌ها و …

باتری‌های لیتیومی 18650 بسیار رایج‌اند و به خاطر ابعاد استاندارد و سابقه تولید طولانی، تکنولوژی ساخت آن‌ها بالغ شده است. این باتری‌ها برای مدت طولانی انتخاب نخست سازندگان لپ‌تاپ و برخی ابزارهای الکترونیکی قدرتمند بوده‌اند.

2.2 باتری 21700

• مشخصات کلی:
  • ابعاد: ۲۱ میلی‌متر قطر × ۷۰ میلی‌متر طول
  • ظرفیت معمولی: عموماً بین ۳۰۰۰ تا ۵۰۰۰ میلی‌آمپر ساعت
  • کاربرد: خودروهای برقی تسلا (Tesla Model 3 به طور گسترده از این نوع استفاده می‌کند)، ابزارهای صنعتی پرمصرف، پاوربانک‌های حرفه‌ای و …

باتری‌های 21700 به دلیل حجم بیشتر و ظرفیت بالاتر، بتدریج جایگزین بخشی از بازار 18650 می‌شوند. این باتری‌ها علاوه بر ظرفیت بالاتر، می‌توانند در نرخ‌های دشارژ (توان‌دهی) بالاتر نیز عملکرد بهتری داشته باشند.

3. مقایسه باتری‌های 18650 و 21700

1. ظرفیت انرژی: باتری‌های 21700 به طور میانگین دارای ظرفیت بالاتری نسبت به 18650 هستند. این امر موجب می‌شود تا تعداد سلول‌های کمتری برای رسیدن به توان معین در یک دستگاه لازم باشد.
2. چگالی انرژی: باتری‌های 21700 اغلب چگالی انرژی کمی بالاتر (نسبت ظرفیت به حجم) دارند.
3. مدیریت حرارتی: حجم بیشتر سلول 21700، مدیریت گرمای بهتری را امکان‌پذیر می‌کند و همچنین روند ساخت را برای کارخانه‌ها بهینه‌تر می‌سازد.
4. قیمت: با وجود ظرفیت بالاتر، هزینه تولید تعداد کمتری از سلول‌های 21700 ممکن است در برخی کاربردها به‌صرفه‌تر باشد. اما در بازار خرده‌فروشی، بسته به برند و مشخصات، هر دو نوع با قیمت‌های متفاوت عرضه می‌شوند.
5. کاربرد: برای کاربردهای با فضای محدود یا طراحی‌های قدیمی‌تر، 18650 همچنان محبوب است. اما در پروژه‌های جدیدتر و پرظرفیت، 21700 به سرعت در حال محبوب‌شدن است.

4. معرفی چند باتری لیتیوم یون مطرح در بازار

در ادامه به معرفی برخی از محصولات مطرح در دو سایز 18650 و 21700 می‌پردازیم. این محصولات عموماً در صنایع مختلف از جمله رباتیک، دستگاه‌های پزشکی قابل حمل، خودروهای برقی سبک، اسکوترها، ویپ‌ها، چراغ‌قوه‌های حرفه‌ای، دوچرخه‌های برقی و … کاربرد دارند. توجه داشته باشید که “HP” در مدل برخی باتری‌ها مخفف “High Power” (توان بالا) است و این باتری‌ها به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که بتوانند جریان‌های دشارژ بالا را در مدت کوتاه تحمل کنند.

4.1 باتری لیتیوم یون مدل SAMSUNG-INR21700-50E-35A-HP-5000mAh

• برند و مدل: سامسونگ 21700
• ظرفیت: 5000 میلی‌آمپر ساعت
• حداکثر نرخ دشارژ: 35 آمپر (مناسب برای کاربردهایی که نیاز به جریان لحظه‌ای نسبتاً بالا دارند)
• کاربردهای پیشنهادی: درایور موتورهای الکتریکی سبک، پاوربانک‌های صنعتی، ابزارهای برقی نیمه‌حرفه‌ای
• ویژگی خاص: ترکیب شیمیایی INR (اکسید نیکل، منگنز و کبالت) که راندمان خوبی بین چگالی انرژی و توان‌دهی بالا ایجاد می‌کند.

4.2 باتری لیتیوم یون مدل MOLICEL-P42A-21700-HP-45A-4200mAh

• برند و مدل: مولیسل 21700
• ظرفیت: 4200 میلی‌آمپر ساعت
• حداکثر نرخ دشارژ: 45 آمپر (از جمله باتری‌های با توان خروجی بسیار بالا در سایز 21700)
• کاربردهای پیشنهادی: کاربردهای سنگین و حرفه‌ای مانند ماشین‌های رباتیک، ویپ‌ها و دستگاه‌های الکترونیکی با پیک جریان بالا
• ویژگی خاص: عملکرد عالی در دمای بالا و حفظ ظرفیت حتی با دشارژهای سنگین متعدد.

4.3 باتری لیتیوم یون مدل MOLICEL-INR18650-M35A-10C-HP-3500mAh

• برند و مدل: مولیسل 18650
• ظرفیت: 3500 میلی‌آمپر ساعت
• حداکثر نرخ دشارژ: 10C (به معنی حداکثر 35 آمپر برای این ظرفیت)
• کاربردهای پیشنهادی: ابزارهای الکترونیکی روزمره تا کاربردهای حرفه‌ای نیمه‌سنگین که به سایز 18650 نیاز دارند.
• ویژگی خاص: ظرفیت بالاتر از میانگین 18650ها و تحمل دشارژ بالا برای این رده.

4.4 باتری لیتیوم یون مدل SAMSUNG-INR21700-50S-HP-5000mAh

• برند و مدل: سامسونگ 21700
• ظرفیت: 5000 میلی‌آمپر ساعت
• حداکثر نرخ دشارژ: در محدوده 35 آمپر و بالاتر
• کاربردهای پیشنهادی: انواع وسایل برقی خانگی و صنعتی که به توان بالا و ظرفیت زیاد نیاز دارند، همچون اسکوترهای برقی و دوچرخه‌های الکتریکی.
• ویژگی خاص: به دلیل طراحی بهینه و کیفیت ساخت سامسونگ، دارای پایداری دمایی مناسب و طول عمر بالا در چرخه‌های شارژ/دشارژ پی در پی.

4.5 باتری لیتیوم یون مدل SANYO-NCR18650GA-3500mAh

• برند و مدل: سانیو 18650 (زیرمجموعه پاناسونیک)
• ظرفیت: 3500 میلی‌آمپر ساعت
• حداکثر نرخ دشارژ: بسته به سری ساخت بین 10 تا 15 آمپر
• کاربردهای پیشنهادی: لپ‌تاپ‌های قدرتمند، ابزارهای الکترونیکی قابل حمل، مودهای ویپ با جریان متوسط
• ویژگی خاص: سانیو به خاطر کیفیت بالا و طول عمر باتری‌های خود شناخته شده است. مدل NCR18650GA یکی از محصولات محبوب میان سازندگان تجهیزات حرفه‌ای است.

4.6 باتری لیتیوم یون مدل PANASONIC-NCR18650GA-3500mAh

• برند و مدل: پاناسونیک 18650
• ظرفیت: 3500 میلی‌آمپر ساعت
• حداکثر نرخ دشارژ: حدود 10 تا 15 آمپر
• کاربردهای پیشنهادی: مشابه SANYO-NCR18650GA، زیرا هر دو از یک خانواده هستند.
• ویژگی خاص: این مدل نیز به‌دلیل کیفیت ساخت بالا و ثبات در طول زمان، در صنایع حساس و ابزارهای حرفه‌ای به کار می‌رود.

4.7 باتری لیتیوم یون مدل Aspilsan-INR18650-10C-HP-2900mAh

• برند و مدل: آسپیلسان 18650
• ظرفیت: 2900 میلی‌آمپر ساعت
• حداکثر نرخ دشارژ: 10C (حدود 29 آمپر)
• کاربردهای پیشنهادی: کاربردهای میان‌رده تا نسبتاً سنگین که ظرفیت بالا مدنظر نیست اما نیاز به تحمل جریان دشارژ بالاست؛ مانند چراغ‌قوه‌های قوی، دستگاه‌های پزشکی قابل حمل با جریان مصرف پیک.
• ویژگی خاص: برند آسپیلسان در سال‌های اخیر با تمرکز روی کیفیت و استفاده از ترکیبات INR توانسته عملکرد قابل قبولی در رقابت با برندهای شناخته‌شده جهانی ارائه دهد.

5. نکات نگهداری و استفاده از باتری‌ لیتیوم یون

1. شارژ صحیح: از شارژرهای استاندارد و مطمئن استفاده کنید. شارژ با ولتاژ یا جریان نامناسب، آسیب جدی به باتری وارد می‌کند و حتی ممکن است خطرناک باشد.
2. دمای محیط: دمای ایدئال برای استفاده از باتری‌های لیتیوم یون عموماً بین ۰ تا ۴۵ درجه سلسیوس است. گرمای بیش از حد یا سرمای شدید می‌تواند ظرفیت و طول عمر باتری را کاهش دهد.
3. عدم تخلیه عمیق: بهتر است شارژ باتری پیش از رسیدن به ولتاژ بسیار پایین (زیر حدود ۲.۵ ولت برای هر سلول) مجدداً شارژ شود. تخلیه عمیق مکرر عمر مفید باتری را کاهش می‌دهد.
4. نگهداری طولانی‌مدت: اگر قصد ندارید باتری را به مدت طولانی استفاده کنید، بهتر است آن را در حالت شارژ ۴۰-۵۰ درصد نگهداری کنید و در محیطی خنک و خشک بگذارید.
5. اطمینان از سلامت باتری: چنانچه باتری دچار برآمدگی یا تغییر شکل شد یا در شرایطی که ولتاژ آن دیگر قابل شارژ به روش معمول نیست، باید با احتیاط و طبق دستورالعمل‌های بازیافت باتری‌های لیتیومی از رده خارج گردد.

جمع‌بندی

باتری‌ لیتیوم یون به دلیل چگالی انرژی بالا، عملکرد مناسب در جریان‌های مختلف و عمر مفید قابل‌قبول، بخش مهمی از نیازهای ذخیره‌سازی انرژی در صنایع مختلف را تأمین می‌کنند. باتری‌های سایز 18650 سابقه‌ای طولانی در بازار دارند و همچنان انتخابی عالی برای بسیاری از تجهیزات الکترونیکی هستند، در حالی که 21700‌ها به دلیل ظرفیت بالاتر و نرخ دشارژ بهتر، به سرعت محبوبیت پیدا کرده‌اند.

از سوی دیگر، هر کدام از برندها و مدل‌های معرفی‌شده، با بهبود ترکیبات شیمیایی نظیر NMC و NCA و همچنین به‌کارگیری فناوری‌های ساخت پیشرفته، توانسته‌اند خواص مطلوبی را برای کاربردهای گوناگون فراهم کنند. از این‌ رو، انتخاب باتری مناسب به عواملی همچون ظرفیت مورد نیاز، حداکثر جریان دشارژ، فضایی که در اختیار داریم، دمای کاری و بودجه بستگی دارد.

با شناخت کافی از مشخصات فنی و نکات نگهداری باتری‌ لیتیوم یون، می‌توان بالاترین کارایی و طول عمر را از این باتری‌ها دریافت و همزمان ایمنی و پایداری استفاده را تضمین کرد.