باتری ژل در مقابل باتری لیتیوم-یون: مقایسه‌ای از ذخیره‌سازی انرژی

وقتی صحبت از بازار برق ثابت می‌شود، طیف گسترده‌ای از گزینه‌های ذخیره‌سازی انرژی وجود دارد. برخی از این گزینه‌ها شامل هوای فشرده، خازن‌ها، چرخ طیار، باتری‌های قابل شارژ و هوای فشرده می‌شوند. این گزینه‌های مختلف ذخیره‌سازی انرژی، بسته به کاربرد و نحوه‌ی استفاده، مزایای خاص خود را دارند. در زیر، دو مورد متفاوت را با هم مقایسه می‌کنیم. باتری ترکیبات شیمیایی: لیتیوم-یون و اسید سرب.

شکل ۱: متغیرها در مقایسه انواع باتری

در حال حاضر، این صنعت تحت سلطه باتری‌های مبتنی بر نیکل و اسید سرب است. با این حال، باتری‌های مبتنی بر نیکل به دلیل تأثیر منفی بر محیط زیست و هزینه بالای آن در حال حاضر در حال کنار گذاشته شدن هستند. این امر، اسید سرب را به منبع اصلی باتری‌ها تبدیل می‌کند، زیرا مقرون به صرفه‌تر و ساخت آن آسان‌تر است. بازیگر دیگری که وارد این عرصه می‌شود، لیتیوم-یون است، فناوری‌ای که بیشتر به دلیل قابلیت حمل و کاربرد آن در ماشین‌آلات در مقیاس کوچک شناخته می‌شود. در طول سال‌ها، لیتیوم-یون به آرامی در حال صعود به عنوان یکی از کارآمدترین انواع باتری، حتی در ماشین‌آلات در مقیاس بزرگ است. دلیل این امر این است که اگرچه هزینه اولیه بالاتر است، اما حساس‌تر به دما است، حجم و وزن بهتری دارد و نگهداری آن نسبتاً ارزان‌تر است.

شکل ۲: انواع باتری‌های قابل شارژ
در شکل ۲، جایگاه یون لیتیوم و اسید سرب را در حوزه باتری‌های قابل شارژ مشاهده خواهید کرد.

حقایق اساسی در مورد باتری‌ها
باتری‌های اسید سرب

باتری‌های سرب-اسید مدت‌هاست که وجود دارند. در واقع، این نوع باتری بیش از صد سال پیش وجود داشته است. هنگامی که باتری‌های سرب-اسید کاملاً شارژ می‌شوند، کاتد و آند پتانسیل الکتریکی 2 ولت را در خود جای می‌دهند. سپس الکترون‌ها هنگام تخلیه بار از آن عبور می‌کنند. همزمان با این اتفاق، واکنش‌های شیمیایی داخلی در مرز الکترودها و الکترولیت‌ها همگی با هم کار می‌کنند تا تعادل بار را برقرار کنند. در شکل 3، خواهید دید که وضعیت شیمیایی باتری‌های سرب-اسید هنگام شارژ کامل چگونه است و در هنگام تخلیه چه اتفاقی می‌افتد.

شکل ۳: حالت‌های بار سرب اسید
باتری‌های سرب-اسیدی دو دسته خاص دارند: باتری‌های سیلد اسید و باتری‌های سیلد-اسیدی با تنظیم دریچه. اگرچه شیمی داخلی این دو دسته کاملاً مشابه است، اما از نظر طراحی متفاوت هستند. برخلاف باتری‌های سرب-اسیدی سیلد-اسیدی، باتری‌های سیلد-اسیدی به نگهداری دوره‌ای الکترولیت، محیط تهویه‌دار و جهت‌گیری عمودی برای جلوگیری از نشت نیاز دارند.
این تفاوت‌ها نشان می‌دهد که اگرچه باتری‌های سرب اسید غرقابی مقرون به صرفه‌تر هستند، اما پیچیدگی‌ها و هزینه‌های ثانویه آنها، نوع آب‌بندی شده/تنظیم‌شده با شیر را به گزینه‌ای جذاب‌تر تبدیل می‌کند. باتری‌های آب‌بندی شده/تنظیم‌شده با شیر به دو نوع جداگانه تقسیم می‌شوند: ژل و تشک شیشه‌ای جذب‌شده (AGM). در نوع اول، الکترولیت با استفاده از یک عامل غلیظ‌کننده از مایع به ژل تبدیل می‌شود. در نوع دوم، الکترولیت مایع توسط یک ماتریس شیشه‌ای در کنار هم نگه داشته می‌شود. اساساً، تفاوت بین این دو در تفاوت‌های آنها در میزان نگهداری الکترولیت نهفته است.
هر دو باتری سرب اسیدی سیلد و سیلد/سوپاپ تنظیم‌شده دارای چرخه‌های کم عمق و چرخه‌های عمیق هستند. نمونه‌ای از باتری سیلد/سوپاپ تنظیم‌شده با چرخه کم عمق، باتری‌های روشنایی، احتراق و استارت خودرو هستند. این نوع باتری نیاز به ارسال پالس‌های با قدرت بالا برای مدت زمان کوتاه دارد. از سوی دیگر، چرخه عمیق بیشتر در بازار برق ثابت استفاده می‌شود. از آنجایی که باتری‌های چرخه عمیق در مدت زمان طولانی نرخ دشارژ پایینی دارند، انتخاب راحت‌تری است.

باتری‌های لیتیوم-یون
باتری لیتیوم-یون اولین بار در دهه ۱۹۷۰ میلادی مطرح شد، اما استفاده گسترده از آن تا دهه ۱۹۹۰ میلادی آغاز نشد. در این نوع باتری، لیتیوم-یون شارژ شده بین آند و کاتد رفت و برگشت می‌کند. این فرآیند رفت و برگشت در طول فرآیند شارژ و دشارژ اتفاق می‌افتد. در شکل ۴، نموداری از واکنش لیتیوم-یون را مشاهده خواهید کرد.

شکل ۴: واکنش یون لیتیوم
هندسه بسته‌بندی و همچنین تفاوت‌های آند، کاتد و الکترولیت از نظر شیمیایی، هر دو نقش بزرگی در عملکرد سلول ایفا می‌کنند. معمولاً شیمی کاتد که بیشترین تغییر را خواهد داشت، شیمی کاتد است. این با عباراتی مانند NCM، NCA، کبالت، منگنز و LPF منعکس می‌شود. به طور کلی، حدود ۹۰٪ آندهای باتری‌های لیتیوم-یونی از گرافیت ساخته شده‌اند. گاهی اوقات، از سیلیکون و تیتانیوم نیز برای بهبود عملکرد توان و طول عمر باتری استفاده می‌شود. با این حال، در مقایسه با نسخه‌های ساده‌تر، قیمت بالاتری خواهد داشت.
معمولاً در این نوع باتری، الکترولیت‌ها به شکل مایع هستند. اما برای سلول‌های لیتیوم پلیمری، الکترولیت‌ها در غشای پلیمری باتری جذب می‌شوند. این روش گاهی اوقات ترجیح داده می‌شود، زیرا به تولیدکنندگان سلول این امکان را می‌دهد که به جای پوشش فلزی برای الکترولیت مایع، از یک محفظه کیسه‌ای استفاده کنند. این تفاوت بر عملکرد سلول لیتیوم-یونی تأثیر می‌گذارد.
همانطور که قبلاً ذکر شد، باتری‌های لیتیوم-یون می‌توانند چندین نوع ترکیب شیمیایی داشته باشند. با این حال، این باتری‌ها را می‌توان به طور کلی به دو گروه تقسیم کرد: اکسیدهای فلزی (NCM، NCA، کبالت و منگنز) و فسفات آهن لیتیوم (LFP، LiFePO4). جدول زیر تفاوت‌های عمده بین این دو را برجسته می‌کند.

جدول ۱: تفاوت‌های بین فسفات یون لیتیوم و اکسیدهای فلزی
صرف نظر از شیمی، همه انواع سلول‌های لیتیوم-یونی چرخه عمیق دارند. این بدان معناست که این باتری‌ها قابلیت دشارژ و شارژ کامل را دارند. عمر باتری در این نوع سلول معمولاً بیشتر خواهد بود اگر نرخ دشارژ از ۸۰٪ ظرفیت آن تجاوز نکند.