كل ما تريد معرفته عن li

ما لم يتدخل بعض توني ستارك ويبتكر مفاعل القوس أو البحث في أقمار الطاقة الشمسية (SPS) لنقل الطاقة لاسلكيًا ، يتعين علينا نحن البشر الاعتماد على البطاريات لتشغيل أجهزتنا الإلكترونية المحمولة أو البعيدة. النوع الأكثر شيوعًا من البطاريات القابلة لإعادة الشحن التي تجدها في الإلكترونيات الاستهلاكية هو أيون الليثيوم أو من نوع ليثيوم بوليمر. في هذه المقالة ، سيكون اهتمامنا على بطاريات Li-ion لأنها تميل إلى أن تكون أكثر فائدة من جميع الأنواع الأخرى. سواء كان ذلك بنك طاقة صغيرًا أو كمبيوتر محمولًا أو شيئًا كبيرًا مثل طراز Tesla الجديد 3 ، يتم تشغيل كل شيء بواسطة بطارية ليثيوم أيون.

ما الذي يجعل هذه البطاريات مميزة؟ ما الذي يجب أن تعرفه عنه قبل استخدامه في مشاريعك / تصميماتك؟ كيف ستقوم بشحن أو تفريغ هذه البطاريات بأمان؟ إذا كنت مهتمًا بمعرفة الإجابات عن كل هذه الأسئلة ، فقد وصلت إلى المقالة الصحيحة ، فما عليك سوى الجلوس والقراءة بينما سأحاول إبقاء هذا ممتعًا قدر الإمكان.

تاريخ بطارية ليثيوم أيون

صاغ GN Lewis فكرة بطارية ليثيوم أيون لأول مرة في عام 1912 ، لكنها أصبحت ممكنة فقط في عام 1970 ، وتم طرح أول بطارية ليثيوم غير قابلة لإعادة الشحن في الأسواق التجارية. في وقت لاحق في عام 1980 ، حاول المهندسون صنع أول بطارية قابلة لإعادة الشحن باستخدام الليثيوم كمادة الأنود وحققوا نجاحًا جزئيًا. لقد فشلوا في ملاحظة أن هذه الأنواع من بطاريات الليثيوم كانت غير مستقرة أثناء عملية الشحن وأنها ستخلق قصرًا داخل البطارية يزيد من درجة الحرارة ويسبب هروبًا حراريًا.

في عام 1991 ، انفجرت إحدى بطاريات الليثيوم المستخدمة في الهاتف المحمول على وجه رجل في اليابان. فقط بعد هذا الحادث ، تم إدراك أنه يجب التعامل مع بطاريات Li-ion بحذر شديد. تم سحب عدد كبير من هذه الأنواع من البطاريات التي كانت موجودة في السوق من قبل الشركات المصنعة بعد ذلك بسبب قضية السلامة. في وقت لاحق بعد إجراء الكثير من الأبحاث ، قدمت سوني بطاريات Li-ion المتقدمة مع كيمياء جديدة يتم استخدامها حتى الآن. دعونا نختتم دروس التاريخ هنا وننظر في كيمياء بطارية ليثيوم أيون.

كيمياء بطارية ليثيوم أيون والعمل

كما يشير الاسم بوضوح ، تستخدم بطاريات ليثيوم أيون أيونات الليثيوم لإنجاز المهمة. الليثيوم معدن خفيف جدًا مع كثافة طاقة عالية ، وهذه الخاصية تمكن البطارية من أن تكون خفيفة الوزن وتوفر تيارًا عاليًا بعامل شكل صغير. كثافة الطاقة هي كمية الطاقة التي يمكن تخزينها لكل وحدة حجم للبطارية ، فكلما زادت كثافة الطاقة كلما كانت البطارية أصغر. على الرغم من الخصائص الهائلة لمعدن الليثيوم ، لا يمكن استخدامه كقطب كهربي مباشر في البطاريات لأن الليثيوم غير مستقر للغاية بسبب طبيعته المعدنية. ومن ثم فإننا نستخدم أيونات الليثيوم التي لها نفس خصائص معدن الليثيوم إلى حد ما ولكنها غير معدنية وهي أكثر أمانًا نسبيًا في الاستخدام.

عادةً ما يتكون أنود بطارية الليثيوم من الكربون ويتم تصنيع كاثود البطارية باستخدام أكسيد الكوبالت أو بعض أكسيد المعادن الأخرى. سيكون الإلكتروليت المستخدم في توصيل هذين القطبين عبارة عن محلول ملح بسيط يحتوي على أيونات الليثيوم. عند تفريغ أيونات الليثيوم موجبة الشحنة تتحرك نحو الكاثود وتقصفها حتى تصبح موجبة الشحنة. الآن بما أن الكاثود مشحون إيجابياً فإنه يجذب إلكترونات سالبة الشحنة نحوه. هذه الإلكترونات مصنوعة لتتدفق من خلال دائرتنا وبالتالي تغذي الدائرة.

وبالمثل أثناء الشحن ، يحدث العكس تمامًا. تتدفق الإلكترونات من الشحنات إلى البطارية ، وبالتالي تتحرك أيونات الليثيوم نحو القطب الموجب مما يجعل الكاثود يفقد شحنته الإيجابية.

مقدمة عن بطاريات الليثيوم أيون

ما يكفي من النظرية حول بطاريات الليثيوم أيون ، الآن دعنا نتعرف عمليًا على هذه الخلايا حتى نكون واثقين منها لاستخدامها في مشاريعنا. بطارية ليثيوم أيون الأكثر استخدامًا هي 18650 خلية ، لذلك سنناقش نفس الشيء في هذه المقالة. يتم عرض 18650 خلية نموذجية في الصورة أدناه

مثل جميع البطاريات ، تتمتع بطارية Li-ion أيضًا بتصنيف جهد وسعة. لتقييم الجهد الاسمي لجميع خلايا الليثيوم سيكون 3.6V، لذلك تحتاج إلى مواصفات جهد أعلى ، يجب عليك دمج خليتين أو أكثر في سلسلة لتحقيق ذلك. بشكل افتراضي ، سيكون لجميع خلايا أيونات الليثيوم جهد اسمي يبلغ 3.6 فولت فقط. يمكن السماح لهذا الجهد بالانخفاض حتى 3.2 فولت عند التفريغ الكامل والارتفاع يصل إلى 4.2 فولت عند الشحن الكامل. تذكر دائمًا أن تفريغ البطارية أقل من 3.2 فولت أو شحنها فوق 4.2 فولت سيؤدي إلى تلف البطارية بشكل دائم وقد يصبح أيضًا وصفة للألعاب النارية. لنفصل المصطلحات المستخدمة في بطارية 18650 حتى نتمكن من فهمها بشكل أفضل. ضع في اعتبارك أن هذه التفسيرات قابلة للتطبيق فقط لخلية واحدة 18650 ، سنحصل على المزيد في حزم بطاريات Li-ion لاحقًا ، حيث يتم توصيل أكثر من خلية واحدة في سلسلة أو متوازية للحصول على تصنيفات جهد وتيار أعلى بكثير.

الجهد الاسمي: الجهد الاسمي هو تصنيف الجهد الفعلي لخلية 18650. بشكل افتراضي ، يبلغ 3.6 فولت وسيظل كما هو لجميع الخلايا البالغ عددها 18650 على الرغم من مصنعيها.

جهد التفريغ الكامل: لا ينبغي أبدًا السماح لخلية 18650 بالتفريغ أقل من 3.2 فولت ، وعدم القيام بذلك سيؤدي إلى تغيير المقاومة الداخلية للبطارية مما يؤدي إلى تلف البطارية بشكل دائم وقد يؤدي أيضًا إلى الانفجار

جهد الشحن الكامل: جهد الشحن لخلية الليثيوم أيون 4.2 فولت. يجب الانتباه إلى أن جهد الخلية لا يزيد بمقدار 4.2 فولت في أي وقت.

تصنيف مللي أمبير: تُعطى سعة الخلية عادةً من حيث تصنيف مللي أمبير (ملي أمبير ساعة). ستختلف هذه القيمة بناءً على نوع الخلية التي اشتريتها. على سبيل المثال ، لنفترض أن خليتنا هنا هي 2000 مللي أمبير وهي ليست سوى 2 أمبير (أمبير / ساعة). هذا يعني أنه إذا سحبنا 2A من هذه البطارية ، فستستمر لمدة ساعة واحدة وبالمثل إذا سحبنا 1A من هذه البطارية فستستمر لمدة ساعتين. لذلك إذا كنت تريد معرفة المدة التي ستعمل بها البطارية على تشغيل المشروع (وقت التشغيل) ، فعليك حسابها باستخدام تصنيف مللي أمبير.

وقت التشغيل (بالساعات) = التقييم الحالي المسحوب / مللي أمبير

حيث يجب أن يكون التيار المسحوب ضمن حد التصنيف C.

التصنيف C: إذا تساءلت يومًا عن الحد الأقصى لمقدار التيار الذي يمكنك سحبه من البطارية ، فيمكن الحصول على إجابتك من التصنيف C للبطارية. يتغير تصنيف C للبطارية مرة أخرى لكل بطارية ، دعنا نفترض أن البطارية التي لدينا هي بطارية 2Ah مع تصنيف 3C. تعني القيمة 3C أنه يمكن للبطارية إخراج 3 أضعاف تصنيف Ah المقدر كأقصى تيار لها. في هذه الحالة يمكن أن تزود 6A (3 * 2 = 6) كحد أقصى للتيار. عادة 18650 خلية لها تصنيف 1C فقط.

أقصى تيار مستخرج من البطارية = تصنيف C * تصنيف آه

تيار الشحن: من المواصفات المهمة الأخرى للبطارية التي يجب ملاحظتها وهي تيار الشحن. لا يعني مجرد قدرة البطارية على توفير تيار بحد أقصى 6 أمبير أنه يمكن شحنها بـ 6 أمبير. سيتم ذكر الحد الأقصى لتيار الشحن للبطارية في ورقة البيانات الخاصة بالبطارية نظرًا لأنه يختلف بناءً على البطارية. عادة ما تكون 0.5 درجة مئوية ، مما يعني نصف قيمة التصنيف آه. بالنسبة لبطارية ذات تصنيف 2Ah ، سيكون تيار الشحن 1A (0.5 * 2 = 1).

وقت الشحن: يمكن حساب الحد الأدنى لوقت الشحن المطلوب لشحن خلية واحدة 18650 باستخدام قيمة تيار الشحن وتصنيف Ah للبطارية. على سبيل المثال ، يستغرق شحن بطارية 2Ah مع تيار شحن 1A حوالي ساعتين لشحنها ، على افتراض أن الشاحن يستخدم فقط طريقة CC لشحن الخلية.

المقاومة الداخلية (IR): يمكن التنبؤ بصحة وسعة البطارية من خلال قياس المقاومة الداخلية للبطارية. هذا ليس سوى قيمة المقاومة بين قطب الأنود (الموجب) والقطب السالب (السالب) للبطارية. سيتم ذكر القيمة النموذجية لـ IR لخلية في ورقة البيانات. كلما انحرفت عن القيمة الفعلية كلما قلت كفاءة البطارية. ستكون قيمة IR لخلية 18650 في نطاق ملي أوم وهناك أدوات مخصصة لقياس قيمة الأشعة تحت الحمراء.

طرق الشحن: هناك العديد من الطرق التي يتم ممارستها لشحن خلية ليثيوم أيون. لكن الأكثر استخدامًا هو الهيكل المكون من 3 خطوات. الخطوات الثلاث هي CC و CV والشحن الهزيل. في وضع CC (تيار ثابت) ، يتم شحن الخلية بتيار شحن ثابت عن طريق تغيير جهد الدخل. سيكون هذا الوضع نشطًا حتى يتم شحن البطارية إلى مستوى معين ، ثم السيرة الذاتية (الجهد الثابت)يبدأ الوضع حيث يتم الحفاظ على جهد الشحن عادةً عند 4.2 فولت. الوضع النهائي هو الشحن النبضي أو الشحن الهزيل حيث يتم تمرير نبضات صغيرة من التيار إلى البطارية لتحسين دورة حياة البطارية. هناك أيضًا أجهزة شحن أكثر تعقيدًا تتضمن 7 خطوات شحن. لن نتعمق كثيرًا في هذا الموضوع لأنه بعيد عن نطاق هذه المقالة. ولكن إذا كنت مهتمًا بمعرفة الإشارة في قسم التعليقات ، فهل يمكنني كتابة مقال منفصل حول شحن خلايا Li-ion.

حالة الشحن (SOC)٪: حالة الشحن ليست سوى سعة البطارية ، على غرار تلك الموضحة في هاتفنا المحمول. لا يمكن حساب سعة البطارية بوضوح باستخدام صمام الجهد الخاص بها ، ويتم حسابها عادةً باستخدام التكامل الحالي لتحديد التغيير في سعة البطارية بمرور الوقت.

عمق التفريغ (DOD)٪: إلى أي مدى يمكن تفريغ البطارية من قبل وزارة الدفاع. لن يتم تفريغ شحن أي بطارية بنسبة 100٪ لأننا نعلم أنها ستؤدي إلى إتلاف البطارية. عادة يتم ضبط عمق تفريغ 80٪ لجميع البطاريات.

بُعد الخلية: ميزة أخرى فريدة ومثيرة للاهتمام للخلية 18650 هي أبعادها. سيكون لكل خلية قطرها 18 مم وارتفاعها 650 مم مما يجعل هذه الخلية تحمل اسمها 18650.

إذا كنت تريد المزيد من تعريفات المصطلحات ، فابحث في وثائق مصطلحات MIT Battery ، حيث تكون متأكدًا من العثور على المزيد من المعلمات التقنية المتعلقة بالبطارية.

أسهل طريقة لاستخدام 18650 خلية

إذا كنت مبتدئًا بالكامل وبدأت للتو في استخدام 18650 خلية لتشغيل مشروعك ، فإن أسهل طريقة هي استخدام وحدات جاهزة يمكنها شحن 18650 خلية وتفريغها بأمان. هذه الوحدة فقط هي الوحدة النمطية TP4056 التي يمكنها التعامل مع خلية واحدة 18650.

إذا كان المشروع يتطلب أكثر من 3.6 فولت كجهد إدخال ، فقد ترغب في الجمع بين خليتين 18650 في سلسلة للحصول على جهد 7.4 فولت. في هذه الحالة ، استخدم وحدة مثل 2S 3A بطارية ليثيوم أيون يجب أن تكون مفيدة في شحن وتفريغ البطاريات بأمان.

لدمج خليتين أو أكثر من 18650 خلية ، لا يمكننا استخدام تقنية اللحام التقليدية لإجراء اتصال بين الاثنين بدلاً من استخدام عملية تسمى لحام البقعة. أيضًا أثناء الجمع بين 18650 خلية في سلسلة أو موازية ، يجب توخي مزيد من العناية التي تتم مناقشتها في الفقرة التالية.

حزمة بطارية Li-ion (خلايا متسلسلة ومتوازية)

لتشغيل إلكترونيات صغيرة محمولة أو أجهزة صغيرة ، فإن خلية واحدة تبلغ 18650 خلية أو زوجًا منها على الأكثر في سلسلة ستفعل الحيلة. في هذا النوع من التطبيقات يكون التعقيد أقل لأن عدد البطاريات المعنية أقل. ولكن بالنسبة للتطبيق الأكبر مثل الدورة الكهربائية / الدراجة البخارية الصغيرة أو سيارات تسلا ، سنحتاج إلى توصيل الكثير من هذه الخلايا في سلسلة وأسلوب متوازي لتحقيق جهد الخرج المطلوب والقدرة. على سبيل المثال ، تحتوي سيارة Tesla على أكثر من 6800 خلية ليثيوم كل منها بتصنيف 3.7V و 3.1Ah. توضح الصورة أدناه كيف يتم ترتيبها داخل هيكل السيارة.

مع هذا العدد الكبير من الخلايا المراد مراقبتها ، نحتاج إلى دائرة مخصصة يمكنها فقط شحن هذه الخلايا ومراقبتها وتفريغها بأمان. يسمى هذا النظام المخصص بنظام مراقبة البطارية (BMS). تتمثل مهمة BMS في مراقبة جهد الخلية الفردية لكل خلية أيونات الليثيوم وكذلك التحقق من درجة حرارتها. بصرف النظر عن ذلك ، تراقب بعض BMS أيضًا تيار الشحن والتفريغ للنظام.

عند الجمع بين أكثر من خليتين لتكوين حزمة ، يجب الانتباه إلى أن لديهم نفس الكيمياء والجهد وتصنيف آه والمقاومة الداخلية. أيضًا أثناء شحن الخلايا ، تتأكد BMS من شحنها بالتساوي وتفريغها بالتساوي بحيث تحافظ جميع البطاريات في أي وقت على نفس الجهد ، وهذا ما يسمى بموازنة الخلايا. بصرف النظر عن هذا ، يجب على المصمم أيضًا أن يقلق بشأن تبريد هذه البطاريات أثناء الشحن والتفريغ لأنها لا تستجيب جيدًا أثناء درجات الحرارة المرتفعة.

آمل أن تكون هذه المقالة قد زودتك بتفاصيل كافية لكي تثق قليلاً بخلايا Li-ion. إذا كانت لديك أي شكوك محددة ، فلا تتردد في ترك القسم في قسم التعليقات وسأبذل قصارى جهدي في الرد. حتى ذلك الحين سعيد العبث.