تُستخدم البطاريات في تخزين الطاقة الكهربية، ويتم تطوير واستحداث أنواع البطاريات باستمرار بهدف زيادة سعتها التخزينية مع إنقاص حجمها ووزنها وزيادة عدد مرات الشحن والتفريغ وبالتالي زيادة عمرها. ولهذا تتواجد العديد من أنواع البطاريات مثل بطارية الرصاص السائلة والجل وبطاريات الليثيوم أيون.
ما هي بطارية الليثيوم
بطاريات الليثيوم أيون (lithium-ion) هي بطارية قابلة لإعادة الشحن تستخدم لتخزين الطاقة الكهربائية وإعادة استخدامها عند الحاجة، وهي التقنية الأحدث المستخدمة في تطبيقات الطاقة الشمسية.
تنتمي بطاريات الليثيوم أيون للأنظمة الشمسية إلى نفس عائلة البطاريات المستخدمة في الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والمركبات الكهربائية. وتمتلك العديد من المزايا على بطاريات الرصاص الحمضية (السائلة والجل) ولكنها أغلى بكثير ،
هناك العديد من المركبات الكيميائية لليثيوم، ولكن التكنولوجيا السائدة لتطبيقات الطاقة الشمسية هي تقنيات فوسفات حديد الليثيوم (LiFePO4) وليثيوم أيون (Li-ion).
تتمتع بطاريات الليثيوم بعمق تفريغ عالي (حوالي 80٪). لديها أيضًا معدلات تفريغ ذاتي منخفضة (يمكن تخزينها لمدة 5 إلى 10 سنوات)، ولديها كثافة طاقة عالية مما يعني حجم أصغر بقدرة أكبر. وتتميز بطارية الليثيوم بكفاءة عالية تصل إلى 95-99٪، ومقاومة داخلية منخفضة للغاية، مما يجعلها أسرع في الشحن. ميزة أخرى مهمة لبطاريات الليثيوم هي أنها يمكن أن توفر دورات شحن وتفريغ أكثر من بطاريات الرصاص السائلة وبطاريات الجل.
بالنسبة لتطبيقات الطاقة الشمسية تعد بطاريات الليثيوم الحل الأقوى والأكثر فعالية وطويلة الأمد، ومع ذلك، يجب إجراء مفاضلة بين مميزات البطارية والتكاليف لمعرفة ما إذا كانت ميزانيتك مناسبة. على أي حال، إذا كنت لا تستطيع شراء بطارية ليثيوم ، ولكنك تفضل استخدام بطاريات الرصاص السائلة أو الجل ذات الدورة العميقة، فسيظل نظامك الشمسي يعمل ضمن المعايير المقبولة.
بينما يعيبها أن عمرها وعمق تفريغها يعتمدان على درجة الحرارة ولذا فقد تركزت تحسينات عدة على إطالة عمر البطارية بواسطة الإدارة الحرارية من خلال تزويدها بنظام إلكتروني لمتابعة فحص أدائها وظروف تشغيلها مثل مستوى الشحنة والزمن المتبقي لتفريغها ودرجة الحرارة والجهد والتيار، كما يرشد نظام إدارة البطارية إلى الخلايا التي يجب تبديلها قبل تلفها.
ومن عيوب البطارية أيضًا، أن الليثيوم نشط وقابل للاشتعال، واحتوائها علي مواد سامة وهو ما يستدعى الحيطة في إجراءات الإهلاك أو إعادة التدوير.
عند شراء بطارية ليثيوم تأكد من أن البطارية قادرة على الربط على التوالي مع أكثر من بطارية إذا كنت ترغب في القيام بذلك. لا يمكن توصيل بعض بطاريات الليثيوم على التوالي بسبب نظام إدارة البطارية. يمكن التحقق من ذلك في ورقة البيانات الخاصة بالبطارية.
كيف تعمل بطارية الليثيوم أيون
تتكون البطارية من ثلاثة مكونات رئيسية: القطب السالب (الآنود) والقطب الموجب (الكاثود) – وطبقة تفصل بينهما تسمى الالكتروليت. تقوم طبقة الالكتروليت بتوصيل الأيوناتـ ولكنها عازلة للإلكترونات.
حيث تستخدم مهبطًا (إلكترود موجب)، ومصعدًا (إلكترود سالب). إضافة إلى الكترودات تستخدم كنواقل. الكاثود هو أوكسيد معدني والأنود يتكون من كربون مثقب.
خلال التفريغ، الأيونات تعبر من الأنود إلى الكاثود عبر الالكترود والفاصل، أثناء الشحن تعكس العملية حيث تنتقل الأيونات من الكاثود إلى الأنود. الشكل في الأعلى يشرح العملية.
مميزات بطارية الليثيوم
بالمقارنة مع تقنيات البطاريات الأخرى عالية الجودة القابلة لإعادة الشحن تتمتع بطاريات الليثيوم بعدد من المزايا. تمتلك بطاريات الليثيوم واحدة من أعلى كثافة للطاقة مقارنة بأي تقنية بطاريات أخرى. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن توفر الخلية الواحدة من بطارية الليثيوم ما يصل إلى 3.6 فولت، أي 3 مرات أعلى من بطاريات Ni-Cd أو Ni-MH. هذا يعني أنها يمكنها توفير كميات كبيرة من التيار للتطبيقات عالية القدرة، كما أن بطاريات الليثيوم منخفضة الصيانة نسبيًا، وتتميز بمعدل تفريغ ذاتي منخفض يبلغ حوالي 1.5 – 2 ٪ شهريًا.
يبلغ حجم بطاريات الليثيوم حوالي ثلث حجم بطاريات الرصاص الحمضية ونصف وزنها مع سعة تخزين مماثلة، ويبلغ عمر بطارية الليثيوم حوالي ضعف عمر بطارية حمض الرصاص، ويمكن تفريغ بطاريات الليثيوم بنسبة 80٪ دون أي تأثير كبير على طول العمر. وهذا يعني شراء عدد أقل من البطاريات واستبدال أقل تكرارًا.
وفيما يلي أهم مميزات بطاريات الليثيوم
- طاقة نوعية عالية وقدرات تحميل عالية.
- تمتلك دورات تفريغ كثيرة والعمر الافتراضي لها كبير.
- لاتحتاج إلى صيانة.
- مقاومة داخلية منخفضة.
- كفاءة عالية.
- انخفاض مقدار التفريغ الذاتي.
- حجم أصغر ووزن أخف من بطاريات الرصاص.
- خوارزمية شحن بسيطة وأوقات شحن قصيرة بشكل معقول.
عيوب بطارية الليثيوم
- تكلفتها العالية مقارنة ببطاريات الرصاص السائلة والجل.
- تتطلب دائرة حماية للحفاظ على الجهد والتيار ضمن حدود آمنة.
- لا يمكن شحنها بشكل سريع في درجات حرارة التجمد (أقل من 0 درجة مئوية).
- بطاريات الليثيوم أيون قد تتعرض لخطر حدوث (thermal runaway)، مما يعني أنها يمكن أن تشتعل إذا لم يتم تركيبها بشكل صحيح.
- تتطلب دائرة حماية لمنع حدوث (thermal runaway).
