چرا بازدهی باتری‌های لیتیوم یون در سرما کاهش می‌یابد؟

به گزارش خبرنگار خبرگزاری علم و فناوری آنا، باتری‌های لیتیوم‌یون دسته‌ای از باتری‌ها هستند که امروزه در بسیاری از دستگاه‌های الکترونیکی از گوشی هوشمند گرفته تا خودرو‌های برقی مورد استفاده قرار می‌گیرند. اگرچه تقاضای زیادی برای باتری‌ها‌ی لیتیوم یون وجود دارد ولی این نوع از باتری‌ها بدون مشکل نیستند؛ به طور مثال در دمای پایین بازدهی عملکرد آنها کاهش و در دمای بالا احتمال آتش گرفتن این دسته از باتری‌ها وجود دارد.

به دلیل توسعه فناوری‌های هوشمند و افزایش حجم تولید انواع دستگاه‌های الکترونیکی در چند دهه اخیر میزان استفاده از باتری‌های لیتیوم یون به‌شدت بیشتر شده است. کارشناسان پیش‌بینی می‌کنند بازار این دسته از باتری‌ها تا ۲۰۳۰ به هزاران گیگابایت بر ساعت می‌رسد. مقایسه باتری‌های لیتیوم یون با سایر انواع باتری‌ها نشان می‌دهد این نوع از باتری‌ها کامل نیستند و افزایش حجم تولید و به‌کارگیری آنها در بدون خطر نیست.

پشت پرده باتری‌های لیتیوم یون

ذخیره‌سازی انرژی در باتری‌های لیتیوم بر اثر واکنش‌های شیمیایی که بین الکترود‌های مثبت و منفی رخ می‌دهد و انباشت یون‌ها به وسیله همین الکترود‌ها صورت می‌گیرد. الکترون‌ها به صورت الکتریسیته از باتری عبور می‌کنند و هر بار که الکترونی به یک الکترود می‌رود یک یون لیتیوم نیز به همان الکترود می‌رود. این فرایند سبب حفظ تعادل شارژ در باتری‌های لیتیوم یون می‌شود. زمانی که خودرو‌های مجهز به این نوع از باتری‌ها شروع به حرکت می‌کنند، یون‌های ذخیره‌شده در الکترود منفی به الکترود مثبت منتقل شده و انرژی الکترویسیته به باتری می‌رسد.

باتری‌های قلمی و نیم‌قلم معمولی که برای تأمین انرژی دستگاه‌های مختلفی استفاده می‌شوند یک بار هستند و قابلیت شارژ ندارند؛ اما باتری‌های لیتیوم یون ده‌ها بار شارژ می‌شوند و امکان استفاده از آنها برای مدت بسیار طولانی وجود دارد. با توجه به اینکه لیتیوم سبک‌ترین فلز موجود در طبیعت است ظرفیت بالایی برای ذخیره‌سازی انرژی دارد. به همین دلیل این نوع باتری‌ها نه‌تنها برای وسایل الکترونیکی قابل حمل بلکه برای تأمین انرژی وسایل نقلیه از جمله خودرو‌های برقی نیز مفید هستند.

باتری‌هایی که آتش می‌گیرند

بررسی‌های میدانی و گزارش‌های منتشرشده از سوی مراکز تحقیقاتی حاکی از آن است که احتمال آتش گرفتن باتری‌های لیتیوم یون بسیار بالاست و فقط در شهر نیویورک طی پنج سال گذشته تعداد موارد آتش گرفتن باتری‌های لیتیوم یون دوچرخه‌های برقی از ۳۰ مورد به ۳۰۰ مورد افزایش یافته است.

علل متعددی برای آتش گرفتن باتری‌های لیتیوم یون وجود دارد که از جمله آنها می‌توان به ناخالصی‌های ذرات باقیمانده از فرایند تولید اشاره کرد. وضعیت آب و هوا نیز بر وضعیت بازار دستگاه‌ها و خودرو‌های مجهز به باتری‌های لیتیوم یون تاثیر می‌گذارد. 

علت اختلال در عملکرد باتری‌های لیتیوم یون

باتری‌های لیتیوم یون حاوی مایعاتی به نام الکترولیت هستند و کاهش دما در محیطی که باتری قرار دارد موجب می‌شود این مایع با سرعت کندتری جریان پیدا کند. درواقع سرما موجب غلیظ‌تر شده این مایع شده و در نتیجه یون‌ها با سرعت کمتری حرکت می‌کنند.

در چنین شرایطی یون‌ها به‌تدریج روی سطح الکترود رسوب کرده و فلز لیتیوم را تشکیل می‌دهند. در صورتی که مقدار زیادی لیتیوم در زمان انجام فرایند شارژ روی الکترود رسوب کند اتصال کوتاهی داخلی رخ داده و احتمال آتش گرفتن باتری افزایش می‌یابد.

تولید باتری‌های ایمن‌تر

گروه‌های مختلفی از مهندسان در سراسر دنیا در حال تحقیق در مورد چگونگی ساخت باتری‌هایی هستند که در هوای سرد نیز به‌خوبی شرایط دمایی مطلوب عمل کنند. در جریان تلاش مهندسان برای ساخت باتری‌هایی با بازدهی بیشتر الکترولیت‌های معمولی با نوع جدیدتری از الکترولیت‌ها جایگزین شده که در دمای پایین ضخیم‌تر نمی‌شوند. 

تعدادی از شرکت‌های سازنده باتری نیز معتقدند باید نوع جدیدی از باتری‌ها را تولید و روانه بازار کرد. باتری‌هایی که فاقد هرگونه مایعی هستند در محدوده دمایی وسیع عملکرد یکسانی دارند و بازدهی آنها کاهش نمی‌یابد. باتری‌های سدیم یون نوع جدیدی از باتری‌ها هستند که بر اساس بررسی مهندسان می‌تواند در شرایط مختلف عملکرد و کارایی بهتری داشته باشد.

در باتری‌های حالت جامد از الکترولیت‌های جامد که قابل اشتعال نیستند استفاده می‌شود. به همین دلیل احتمال آتش گرفتن این نوع باتری‌ها بسیار کم است؛ البته هنوز باتری‌های سدیم یون کارایی و عملکرد مطلوبی ندارند و باید تحقیقات بیشتری در این زمینه صورت گیرد. در حقیقت باتری‌های لیتیوم یون دقیقا به شیوه‌ای انرژی مورد نیاز انواع دستگاه‌های الکترونیکی را تأمین می‌کند که مردم می‌پسندند ولی با این وجود و به دلیل مسائل ایمنی طراحی نسل جدیدی از بازار‌ها با بازدهی بالا ضروری به نظر می‌رسد.