تحظى بطاريات الليثيوم آيون بشعبيةٍ كبيرةٍ هذه الأيام، حيث تُستخدم في السيارات الكهربائية، واللابتوبات، والهواتف المحمولة، والعديد من الأجهزة الكهربائية الاستهلاكية الأخرى، ولكي نصبح قادرين على استخدامها بأفضل طريقةٍ وتحقيق أقصى استفادةٍ منها، من المهم أن نتعرف على كيفية عمل هذا النوع من البطاريات، وأهم مميزاتها وعيوبها، وهذا ما سنستعرضه في هذا المقال.

ما هي بطارية الليثيوم آيون ومم تتكون؟

بطارية الليثيوم آيون هي من البطاريات التي يمكن إعادة شحنها، وتكون مصنوعةً من خليةٍ أو أكثر لإنتاج الطاقة، تحتوي كل خليةٍ منها على ثلاثة مكوناتٍ رئيسيةٍ:

  • إلكترود موجب مكون من أكسيد الليثيوم والكوبالت (LiCoO2)، أو فوسفات حديد الليثيوم (LiFePO4).
  • إلكترود سالب مكون من الكربون.
  • طبقة عازلة رقيقة جدًا من البلاستيك تفصل بين الإلكترود الموجب والسالب، لكنها تسمح بمرور الأيونات فقط من خلالها.

تُغمر المكونات الثلاثة في مادةٍ كيميائيةٍ تدعى المنحل بالكهرباء (إلكتروليت لامائي)، ويختلف المنحل بالكهرباء من نوعٍ لآخر من البطاريات، لكنه ليس مهمًا جدًا في فهم كيفية عمل البطارية.

لقد اكتُشفت الكيمياء الأساسية لبطاريات الليثيوم آيون لأول مرة بواسطة الكيميائي الأمريكي جيلبرت لويس في عام 1912، وفي عام 1991 قامت شركة Sony Corporation بتسويق أول بطارية ليثيوم آيون، ومن ثم حذت الشركات المصنعة الأخرى حذوها.1

كيف تعمل بطاريات الليثيوم آيون؟

تمتلك بطاريات الليثيوم آيون (Li-ion) تقنية عمل متقدمة، حيث تعتمد على أيونات الليثيوم كمكونٍ رئيسيٍّ في التفاعل الكهروكيميائي، فعند شحن البطارية يتخلى القطب الموجب (أكسيد الليثيوم والكوبالت) عن بعض أيونات الليثيوم، فتنتقل عبر الإلكتروليت باتجاه القطب السالب، وبهذه العملية تختزن البطارية الطاقة، وعندما يتم تفريغ البطارية تتجه أيونات الليثيوم عبر الإلكتروليت بالاتجاه المعاكس من القطب السالب باتجاه القطب الموجب، فتنتج الطاقة التي اختزنتها البطارية، وفي كلا العمليتين، تسير الإلكترونات بعكس اتجاه الأيونات عبر الدارة الخارجية لتعطي التيار الكهربائي.

بطاريات الليثيوم آيون

في الواقع، تُعتبر حركة الأيونات والإلكترونات هي عملياتٌ متداخلةٌ، فإذا توقف أي منهما عن فعله، يتوقف الآخر. إذا توقفت الأيونات عن التحرك عبر الإلكتروليت من القطب السالب إلى القطب الموجب بسبب نفاد طاقة البطارية بالكامل، فلن تتمكن الإلكترونات من الانتقال من خلال الدارة الخارجية أيضًا، وبالتالي لا تعطي تيارًا كهربائيًّا، وعند إيقاف تشغيل البطارية مهما كانت الطاقة، فإن تدفق الإلكترونات يتوقف، وينتج عنه توقف تدفق الأيونات أيضًا.2

إيجابيات بطاريات الليثيوم آيون

بالمقارنة مع البطاريات القابلة لإعادة الشحن، وذات الجودة العالية (النيكل والكادميوم)، فإن بطاريات الليثيوم آيون تقدم العديد من المزايا:

  • كثافة طاقة عالية: فهي قادرةٌ على تخزين كمياتٍ كبيرةٍ من الطاقة مقارنةً بحجمها.
  • خفيفة الوزن: مقارنةً مع البطاريات الأخرى القابلة لإعادة الشحن ومن نفس الحجم.
  • التفريغ الذاتي: ويكون أقل من النصف مقارنةً بالنيكل والكادميوم.
  • لا تملك مشكلة تأثير ذاكرة مما يعني أنه لا داعي لتفريغها بشكلٍ دوريٍّ قبل إعادة الشحن.
  • بعض الأنواع من بطارية الليثيوم آيون قادرة على توفير مستويات تيار مرتفع جدًا، ومثالي لأدوات الطاقة والمركبات الكهربائية.
  • لا تحتوي على الكادميوم (وهو معدنٌ سامٌّ وثقيلٌ)، فهي أفضل للبيئة.3

سلبيات بطاريات الليثيوم آيون

مثل أي تقنيةٍ أخرى، تملك بطاريات الليثيوم آيون بعض العيوب التي يجب موازنتها مقابل الفوائد:

  • المشكلة الأكبر هي السلامة، حيث أن بطاريات الليثيوم آيون معرضةً للاشتعال أو الانفجار، إذا كانت مفرطةً في الشحن، أو إذا حدث عطلٌ داخليٌّ أدى إلى ماسٍّ كهربائيٍّ؛ وفي كلتا الحالتين، ترتفع درجة حرارة البطارية ويتم حل هذه المشكلة عن طريق دارة الحماية، التي تقوم بمراقبة درجة الحرارة وإيقاف تيار الشحن عندما يصل الجهد إلى أقصى حدٍّ.
  • تتطلب دوائر حماية مدمجة لضمان وضعها في حدود التشغيل الآمن.
  • التفريغ الكامل للبطارية وصولًا إلى الصفر من الممكن أن يؤدي إلى تدميرها وتلفها نظرًا لأنها لا تحتوي على”ذاكرة”.
  • انخفاض سعة البطارية مع مرور الزمن، سواء كانت قيد الاستخدام أم لا وخاصةً في درجات الحرارة العالية، لذا من المفضل تخزينها في مكانٍ باردٍ لزيادة عمر البطارية.
  • أكثر تكلفة بحوالي 40٪ من خلايا النيكل والكادميوم.
  • تعتبر تقنية غير متطورةٍ بالكامل، فالتكنولوجيا لا تبقى ثابتةً، كما أن المعادن والمواد الكيميائية تتغير باستمرارٍ.
  • قيود النقل: قد يخضع شحن كميات كبيرة من البطاريات للرقابة التنظيمية، حيث تحدد العديد من شركات الطيران عدد البطاريات التي يمكن نقلها، لكن لا ينطبق هذا التقييد على البطاريات المحمولة الشخصية.4

المراجع