بطارية الليثيوم أيون

بواسطة عبدالعزيز محمد
22/04/2018

البطارية هي في الأساس تجربة كيميائية تحدث في علبة صغيرة. قم بتوصيل طرفي البطارية بشيء مثل مصباح يدوي وتبدأ التفاعلات الكيميائية. المواد الكيميائية داخل البطارية تتفاعل ببطء ولكن بشكل منهجي تبدأ بالتتفكك وتنسجم مع بعضها البعض لتصنيع مواد كيميائية أخرى، وإنتاج تيار من الجسيمات المشحونة إيجابيًا تسمى الأيونات، وجسيمات مشحونة سالبة تسمي الإلكترونات. تتحرك الأيونات من خلال البطارية و تمر الإلكترونات عبر سلك الدائرة التي تتصل بها البطارية ، وتوفر الطاقة الكهربائية التي تشغل المصباح. المشكلة الوحيدة هي أن هذا التفاعل الكيميائي يمكن أن يحدث مرة واحدة وفي اتجاه واحد فقط ، وهذا هو السبب في أن البطاريات العادية عادة لا يمكن إعادة شحنها.

بطاريات بشكل عام تعطينا كل فوائد الكهرباء في شكل سهل التنقل. المشكلة الوحيدة هي أن معظم البطاريات تتلف بشكل سريع للغاية، ما لم تستخدم شاحنًا متخصصًا طبقا لنوع البطارية، فيجب عليك رميها. هذة العملية مكلفة ماليا وسيئة بالنسبة للبيئة أيضًا، في جميع أنحاء العالم نرمي مليارات من البطاريات المستهلكة كل عام وهذا يضر البيئة. تساعد البطاريات القابلة لإعادة الشحن على حل هذه المشكلة. يتم استخدام مواد كيميائية مختلفة في البطاريات القابلة لإعادة الشحن. الاختلاف الكبير هو أن التفاعلات الكيميائية في بطارية قابلة لإعادة الشحن قابلة للانعكاس؛ عندما تقوم البطارية بتفريغ الشحنات بداخلها فإنها تذهب في اتجاه واحد وتصدر البطارية الطاقة. عند شحن البطارية فإنك تقوم بتوليد مجال كهربي عكسي يجعل التفاعلات تسير في الاتجاه المعاكس وتمتص البطارية الطاقة. يمكن أن تحدث هذه التفاعلات الكيميائية مئات المرات في كلا الاتجاهين؛ لذا فإن البطارية القابلة لإعادة الشحن تدوم عادة عامين أو ثلاثة حتى 10 سنوات (اعتمادًا على عدد مرات استخدامها).

وأفضل أنواع البطاريات القابلة لإعادة الشحن هي (الليثيوم أيون-lithium ion). من المحتمل أن يستخدم هاتفك المحمول، والحاسب الآلي المحمول (اللاب توب)، ومشغل الموسيقي هذا النوع من البطاريات (بطاريات الليثيوم أيون). لقد تم استخدامها على نطاق واسع منذ عام 1991 ، ولكن كيمياء البطارية اُكتشفت لأول مرة من قِبل الكيميائي الأمريكي جيلبرت لويس (1875-1946) في عام 1912.⁽¹⁾

ما هي بطارية الليثيوم أيون؟

بطارية الليثيوم أيون ويتم اختصارها كـ «LIB» وهي نوع من البطاريات القابلة لإعادة الشحن التي تتحرك فيها أيونات الليثيوم من القطب السالب إلى القطب الموجب أثناء التفريغ والعودة عند الشحن. تُستخدم بطاريات Li-ion مركبات الليثيوم البينية كمادة لأحد الاقطاب، مقارنةً بعنصر الليثيوم المعدني المستخدم في بطارية الليثيوم غير القابلة لإعادة الشحن. المكونات الأساسية للخلية الواحدة في البطارية هي الإلكترو ليت الذي يسمح بحركة الأيونات والأنود والكاثود. بطاريات الليثيوم أيون شائعة في الأجهزة الإلكترونية المنزلية. فهي واحدة من أكثر أنواع البطاريات القابلة لإعادة الشحن التى تُستخدم لتزويد الإلكترونيات المحمولة بالكهرباء، مع كثافة طاقة عالية (أى انها تحتفظ بكمية طاقة كبيرة في حيز صغير)، ولها تأثير ذاكرة صغيرة وانخفاض التفريغ الذاتي. كما توسع استخدام بطاريات الليثيوم أيون في المعدات العسكرية والتطبيقات الفضائية.

كيف تعمل بطاريات الليثيوم أيون؟

مثل أي بطارية أخرى، يتم تصنيع بطارية الليثيوم أيون القابلة لإعادة الشحن من واحدة أو أكثر من وحدات توليد الطاقة تسمى الخلايا. تحتوي كل خلية على ثلاثة مكونات أساسية: قطب موجب (متصل بالبطارية الموجبة أو الطرفية (+))، و قطب سالب (متصل بالسالب (-) )، ومادة كيميائية تسمى إلكتروليت بينهما. يتكون القطب الموجب عادة من مركب كيميائي يسمى أكسيد الليثيوم-كوبالت (LiCoO2) وفي أنواع أخرى فوسفات الحديد الليثيوم (LiFePO4). يصنع القطب السالب عمومًا من الكربون (الجرافيت). ويختلف الإلكتروليت من نوع واحد من البطاريات إلى آخر، ولكنه ليس مهمًا للغاية في فهم الفكرة الأساسية لكيفية عمل البطارية.

تعمل جميع بطاريات الليثيوم أيون بنفس الطريقة. عندما يتم شحن البطارية، فإن أكسيد الليثيوم-كوبالت المكون للقطب الموجب يعطي بعض من أيونات الليثيوم ، التي تتحرك من خلال الإلكتروليت إلى القطب السالب المكون من الجرافيت وتبقى هناك. في هذة المرحلة تمتص البطارية طاقة وتخزنها. عندما تكون البطارية ليست في حالة شحن؛ تتحرك أيونات الليثيوم مرة أخرى عبر الإلكتروليت إلى القطب الموجب؛ مما ينتج الطاقة التي تعمل على تشغيل البطارية. في كلتا الحالتين، تتدفق الإلكترونات في الاتجاه المعاكس للأيونات حول الدائرة الخارجية ولكن لا تتدفق الإلكترونات عبر الإلكتروليت.

إن حركة الأيونات (من خلال الإلكتروليت) والإلكترونات (حول الدائرة الخارجية في الاتجاه المعاكس) هي عمليات مترابطة، وإذا توقفت إحداها فورًا تتوقف الأخرى. إذا توقفت الأيونات عن الحركة خلال الإلكتروليت بسبب تفريغ البطارية تمامًا فلا يمكن للإلكترونات التحرك عبر الدائرة الخارجية أيضًا وبذلك وبالمثل إذا قمت بإيقاف تشغيل أي بطارية يتوقف تدفق الإلكترونات وكذلك تدفق الأيونات. تتوقف البطارية بشكل أساسي عن التفريغ عند فصل الجهاز ولكنها تظل تعمل بمعدل بطيء جدًا. وبخلاف البطاريات البسيطة فإن بطاريات الليثيوم أيون قد بُنيت في وحدات تحكم إلكترونية تنظم كيفية شحنها وتفريغها. وهي تمنع الشحن الزائد والحرارة الزائدة التي يمكن أن تتسبب في انفجار بطاريات الليثيوم أيون في بعض الظروف.

صورة توضح كيف تعمل بطاريات الليثوم أيون حيث في أثناء الشحن تتحرك أيونات الليثيوم من القطب الموجب إلى القطب السالب بفعل المجال الكهربي الخارجي أما أثناء التفريف تتحرك أيونات الليثيوم من القطب السالب إلى القطب الموجب.

من أنواع بطاريات الليثيوم أيون الاكثر استخداماً

بطارية الليثيوم وأكسيد الكوبالت ( Lithium Cobalt Oxide( LiCoO2

هذا النوع هو المفضل للهواتف المحمولة وأجهزة اللاب توب والكاميرات الرقمية. تتكون البطارية من كاثود من أكسيد الكوبلت CoO₂ على هيئة طبقات منفصلة، بينما يتكون الأنود من الجرافيت، واثناء الاستخدام تتحرك أيونات الليثيوم من الأنود إلى الكاثود, وأثناء شحن البطارية يحدث العكس.

من عيوب بطارية الليثيوم كوبلت:

– فترة عمر قصيرة نسبيا.

– منخفضة الاستقرار الحراري.

– تتحمل قدرات محدودة.

– عند تطبيق تيارات عالية على البطارية لكي تشحن بسرعة؛ فإن ذلك يؤدي إلى رفع درجة الحرارة؛ مما يؤدي إلى انفجارها. ولكن تم تحسين خصائها عن طريق إضافة بعض العناصر للبطارية مثل النيكل أو المنجنيز أو الألمونيوم وقد أدى ذلك أيضا إلى خفض اسعارها. ⁽²⁾

مزايا بطاريات الليثيوم أيون

بطاريات الليثيوم أيون أكثر آمناً من البطاريات القديمة مثل النيكل والكادميوم (NiCd)، ولا تعاني من مشكلة تعرف باسم «تأثير الذاكرة» (حيث يبدو أن بطاريات النيكل تصبح أصعب في الشحن ما لم تفرغ بشكل كامل أولًا). بما أن بطاريات الليثيوم أيون لا تحتوي على الكادميوم (وهو معدن سام وثقيل) ، فهي أيضاً -من الناحية النظرية- أفضل للبيئة على الرغم من أن إلقاء أي بطاريات -مليئة بالمعادن والبلاستيك والمواد الكيميائية الأخرى المتنوعة- في القمامة ليست شيئًا جيدًا أبدًا. بالمقارنة مع البطاريات القابلة لإعادة الشحن الثقيلة (مثل بطاريات الرصاص الحمضية المستخدمة لتشغيل السيارات)، تكون بطاريات أيونات الليثيوم خفيفة نسبيًا مقابل كمية الطاقة التي تخزنها.

عيوب بطاريات الليثيوم أيون

على الرغم من التقدم الكبير على مر السنين إلا أن البطاريات القابلة لإعادة الشحن لا تزال تخزن كمية ضئيلة من الطاقة، كثافة الطاقة لبطاريات الليثيوم (تخرين الطاقة لكل وحدة وزن) أقل بكثير من الوقود السائل وهذا يفسر أيضًا لماذا يمكنك إعادة تزويد الوقود بالكامل في سيارة تعمل بالغاز في بضع دقائق، في حين أنها ستأخذ منك –عادة- ساعات لإعادة شحن البطاريات في سيارة كهربائية. ثم مرة أخرى، عليك أن تضع في اعتبارك أن هذه العيوب متوازنة بمزايا أخرى مثل اقتصاد الوقود الأكبر للسيارات الكهربائية ونقصها النسبية لتلوث الهواء.

أكبر مشكلة هي السلامة: بطاريات Li-ion قابلة للإشتعال إذا تم شحنها أكثر من اللازم أو إذا تسبب عطل داخلي في حدوث ماس كهربائي. في الحالتين فإن البطارية سوف تسخن وهذا يرجع لظاهرة تسمى «الانفلات الحراريthermal- runaway» الذي غالبا سوف يتسبب في اشتعال البطارية أو انفجارها، تم حل هذه المشكلة باستخدام جهاز يسمى قاطع التيار «current interrupt device» هذا الجهاز يقوم بقطع التيار الكهربي عن البطارية عند وصولها إلى الحد الأقصى للشحن. ولكن لا تزال هناك مخاوف، وفي عام 2016 منعت منظمة الطيران المدني الدولي رسميًا شحنات بطاريات الليثيوم أيون على طائرات الركاب بسبب الخطر المحتمل.

ولحل مشكلة انفجار بطاريات الليثيوم أيون فقد توصَّل فريق من الباحثين في جامعة ستانفورد إلى وضع مادة كيميائية مانعة للحريق داخل البطارية وهي مركب ثلاثي فينيل فوسفات «(triphenyl phosphate(TPP» التى توضع داخل إطار البطارية مع الإلكتروليت السائل، وعندما تصل درجة حرارة البطارية إلى 150 درجة مئوية (302 فهرنهايت) يبدأ الغلاف في الانصهار ويحرر مادة ثلاثي فينيل الفوسفات TPP التى توقف ارتفاع درجة الحرارة وبالتالي تمنع حدوث حريق كامل أو انفجار للبطارية.⁽³⁾

كَلفت بطاريات الليثوم أيون شركة سامونج خسائر أكثر من 5 مليار دولار بسبب انفجار بطارية سامسونج نوت 7 ويرجع السبب وراء كل ذلك إلى البطاريات غير منتظمة الحجم بالإضافة إلى بعض المشاكل الصناعية، وضعت سامسونج بطاريات بقوة 3500 ملي أمبير في هاتف قطره 7.9 مللي متر هذا الأمر لم يلائم طبيعة عمل الأندرويد تسبب هذا فى بعض الانفجارات والسخونة الزائد في الاجهزة التى بيعت في الجولة الاولى بين شهرى اغسطس وسبتمبر من العام 2017 هذا الأمر لم يكن جيد لوضع الشركة في البورصة وسرعان ما سحبت الشركة كل الأجهزة حول العالم ولكن لا يزال البعض محتفظ بها. ⁽⁴⁾

إعداد: Abdelaziz Mohamed