بطارية ليثيوم أيون

بطارية ليثيوم أيون أو بطارية حمض الرصاص؟

This post is also available in: English हिन्दी Español Français Português 日本語 Русский Tiếng Việt 简体中文

مزايا كيمياء بطارية حمض الرصاص

البطاريات هي أجهزة غريبة. لا أحد يريدهم، لكن الجميع بحاجة إليهم. يتم شراؤها فقط عند الحاجة. كم عدد الأشخاص الذين يخططون لرحلة إلى المركز التجاري المحلي إلى متجر النوافذ للبطاريات؟ فهي شراء ضغينة واشترى فقط عند الضرورة القصوى. بائع جيد يمكن أن تبيع لك اثنين من زوج من الأحذية، سيارتين وربما اثنين من المنازل إذا كان لديك المال، لكنه لا يمكن أن تبيع لك اثنين من بطاريات السيارات SLI. عند شراء بطارية ما إذا كانت بطارية للطاقة الشمسية لوحة للطاقة الشمسية، دراجة كهربائية أو UPS والعاكس نظام النسخ الاحتياطي البطارية أو بطارية الجر للرافعات الشوكية لا تتمنى كنت تعرف أكثر عن ذلك؟

كيف تعمل بطاريات حمض الرصاص، ما هي الاختلافات بين الأنواع والنماذج، وماذا عن الكيمياء المختلفة؟ يمكن أن تكون باهظة الثمن. في التطبيق التجاري أو المحلي ما هو الاسترداد، ما هي الحياة وتكلفة استبدال بطارية حمض الرصاص؟ حجم تحتاج، والمساحة المتاحة، وكفاءة الطاقة من الرصاص حمض البطارية وإعادة شحن الوقت؟ ثم، هناك التكاليف الخفية للسلامة والتخلص والبصمة الكربونية. هذه المادة يقارن بطاريات حمض الرصاص مع بطارية ليثيوم أيون ويعالج العديد من المفاهيم الخاطئة المرتبطة بكل من هذه الكيمياء.

أكثر من بطارية ليثيوم أيون

التصور السائد في الملك العام هو أن بطاريات حمض الرصاص هي التكنولوجيا القديمة. بطارية أيونات الليثيوم لديها تصور مختلف، فمن الحديث، أنظف، لديها 3 أو 4 أضعاف كثافة الطاقة وحياة دورة أطول. مع كل هذا، ما هي المزايا المحتملة التي يمكن أن تجلبها تقنية حمض الرصاص التي يبلغ عمرها 150 عامًا إلى الطاولة؟ حسنا في الواقع ، كل شيء ليس كما يبدو ، ننظر وراء عناوين الصحف في البيانات المستخدمة في المطالبات التسويق ، ثم تطبيق قليلا من الحس السليم ، والبحوث الأساسية وبعض العلوم البدائية. سوف تجد أن القصة الحقيقية مختلفة إلى حد ما.

ويتعلق المفهوم الخاطئ الأول بكثافة الطاقة الحجمية والمحددة. ولا تتعلق القيم الرئيسية من 4 إلى 5 مرات إلا بكثافة الطاقة المحددة وعدد محدود من كيمياء بطاريات الليثيوم أيونات، وبعضها لا يزال غير مُستخدم تجاريا. التين. 2 يقارن العديد من الكاثود لخلايا بطارية أيونات الليثيوم تتراوح هذه المجموعة من حوالي 100Wh/kg للكيمياء Li-FePO4 الأكثر أمانا إلى أكثر من 200Wh/kg لمتغير أكسيد النيكل والكوبالت والألومنيوم. ويرد الرسم البياني بطارية حمض الرصاص أدناه:

كثافة الطاقة من بطارية أيونات الليثيوم
الشكل 2 كثافة الطاقة من كيمياء البطاريات المختلفة على مستوى الخلية
مقارنة بطارية أيونات الليثيوم على مستوى الخلية
الشكل 3 مقارنة بطارية ليثيوم أيون وبطارية حمض الرصاص على مستوى الخلية والنظام

تنطبق هذه القيم فقط على مستوى الخلية المفردة، وليس على حالة الحزمة أو في الخدمة. التين. 3 يظهر كثافات الطاقة من كيمياء البطارية المختلفة على مستوى الخلية والنظام. يتم تخفيض كثافة الطاقة في خلايا بطارية ليثيوم أيون إلى النصف عند تركيبها بالكامل مع جميع الاتصالات، ومعدات التبريد والسلامة وإدارة البطارية.

يتم تقليل ميزة مستوى الخلية من 3 إلى 5 مرات كثافة الطاقة المحددة إلى 2 إلى 3 مرات. اعتمادا على كيمياء كاثود الليثيوم يمكن أن ننظر تقريبا في التكافؤ بين بطاريات أيونات الليثيوم وكثافة طاقة بطاريات حمض الرصاص لنظام بطارية مثبتة بالكامل في بعض التطبيقات.
والعامل الآخر، وهو حياة الدورة، هو أيضا مصدر للارتباك. كم عدد الدورات التي يمكن لبطارية أيونات الليثيوم أن تؤديها قبل أن تنخفض القدرة إلى أقل من 80٪ من تصنيفها؟ ألفين أو ثلاثة آلاف؟ يقدم الجدول 1 ملخصاً لمختلف مواد الكاثود اللي أيون للأداء وحياة الدورة.

Cathode material Short name Nominal voltage Specific energy Wh/kg (cell) Cycle life Comments
Lithium Cobalt Oxide
(LiCoO2)
LCO 3.6 150-200 500-1000 Portable devices - thermal runaway on overcharge
Lithium Manganese Oxide (LiMn2O4) LMO 3.7 100-150 300-700 Power tools, medical devices - safer than LCO
Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (LiNiMnCO2) NMC 3.6/3.7 150-220 1000-2000 E-bikes, EV, industrial - high cycle life
Lithium Iron Phosphate (LiFePO4) LFP 3.2 90-120 1000-2000 EV, SLI, Leisure - safest of all lithium ion battery chemistries
Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide (LiNiCoAlO2) NCA 3.6 200-260 500 Industrial, EV powertrain (Tesla) TR at 150C, CL 500
Lithium Titanate (Li4Ti5O12) LTO 2.4 50-80 UPS, Solar, EV powertrain (Honda, Mitsubishi). CL 3000-7000 - very safe

وكما يمكن أن نرى، فإن جميعها تقع ضمن نطاق دورة 800 إلى 2000. وبالمقارنة، يمكن لبطارية حمض الرصاص المصممة تصميمًا جيدًا أن تحقق بسهولة أكثر من 1600 دورة إلى 80٪ من DOD. فكيف كل هذا يضيف ما يصل عند النظر في تكلفة الملكية؟ وهذا يقودنا إلى النقطة التالية التي هي سعر البطارية الحمضية الرصاص. كم تكلفة بطارية أيونات الليثيوم مقارنة ببطارية حمض الرصاص؟ تكلفة مصنع تصنيع بطارية ليثيوم أيون؟ وبطبيعة الحال، بطارية أيونات الليثيوم هي أكثر تكلفة ولكن كم أكثر من ذلك بكثير. مرة أخرى، وهذا يتوقف على المستوى الذي يجري النظر فيه. البيانات الصحفية سوف تقول لنا أن أسعار لي أيونات آخذة في الانخفاض والآن في حدود 2-3 مرات من حمض الرصاص.

حقا؟ متوسط الأسعار على بحث الإنترنت في المملكة المتحدة مؤخرا للحصول على الأسعار على البطاريات الترفيهية المتاحة تجاريا من 12V و 100 هه لكل من بطارية ليثيوم أيون و بطاريات حمض الرصاص:
بطارية أيونات الليثيوم 960 دولار أو 800 دولار/كيلووات ساعة
بطارية حمض الرصاص 215 دولار أو 180 دولار/كيلووات ساعة
ومن الواضح أن حياة بطارية أيونات الليثيوم يجب أن يكون 4 أضعاف ما يعادل البطارية الحمضية الرصاص للحصول على نفس القيمة. وكما رأينا، فإن الأمر ليس كذلك.

من المهد إلى بوابة انبعاثات بطارية أيونات الليثيوم
الشكل 6 Cradle to Gate انبعاثات ثاني أكسيد الكربون لمختلف كيمياء البطاريات
التخطيطي من المهد إلى gra
الشكل 5 التخطيطي من المهد إلى بوابة مبدأ لتصنيع البطارية

في جميع الحالات كان بناء بطارية حمض الرصاص الأكثر فعالية من حيث التكلفة حتى عندما تم تركيب بطارية حمض الرصاص أكبر لإعطاء قبول أفضل تهمة وحياة دورة أطول. في هذا المثال، كان التطبيق برج اتصالات في الهند. وينطبق نفس المبدأ على معظم التطبيقات والمناطق الجغرافية، وأكثر من ذلك في المناخات الباردة. أما المفهوم الخاطئ الآخر فهو أن ليثيون تكنولوجيا أنظف وأقل تلويثاً من حمض الرصاص. وتعطى الانبعاثات من المهد إلى البوابة لمكيمي البطاريات المختلفة في التين. 5 و6.

يوضح هذا الرقم حد عمليات تصنيع البطارية. من استخراج ونقل المواد الخام الحق من خلال جميع خطوات المعالجة إلى النقطة التي البطاريات جاهزة للسفينة.

الجدول 2 هو حالة واقعية تقارن بين اقتصاديات استخدام بطارية أيونات الليثيوم وبطارية حمض الرصاص التي تعمل على مدى فترات حياة مختلفة.

Cost item Daily running costs USD Daily running costs USD
3 Years Lead Acid Battery Lithium ion battery
Amortisation 8.30 16.90
Diesel (delivered) 15.50 15.50
Maintenance 2.46 2.46
Electricity 1.47 1.47
Battery Charging 0.65 0.50
Total day/month 28.38/851 36.83/1105
6 Year
Amortisation 5.86 8.46
Diesel 15.50 15.50
Maintenance 2.46 2.46
Electricity 1.47 1.47
Battery Charging 0.54 0.50
Total day/month 25.83/775 28.39/852

هذه البيانات من مختبرات أرغون الوطنية، تبين أن إجمالي عملية التصنيع بما في ذلك استخراج ونقل المواد الخام لبطاريات أيونات الليثيوم هي أكثر من 4 أضعاف قيمة حمض الرصاص. وفيما يتعلق باستخراج المواد، فإن توريد المواد الأساسية من الكاثود مثل الكوبالت والمنغنيز والليثيوم ليس مؤكدا تماما. وتوجد عمليات الاستخراج والاستعادة ولكن عدد المناجم ومواقع التصنيع قد يحد من العرض إذا زاد الطلب زيادة كبيرة. كما تتنبأ الخريطة الجغرافية السياسية بعدم اليقين بالنسبة لبعض مصادر هذه المواد.

إن قابلية إعادة التدوير والسلامة لهذه الكيمياء من العوامل الهامة. ومن المعروف أن جميع المكونات تقريبا في بطاريات حمض الرصاص يتم إعادة تدويرها بنسبة 100٪ في حين لا توجد عمليات تجارية لإعادة تدوير بطارية أيونات الليثيوم. هذا الوضع هو مفهومة عندما تفكر في أن المكونات أكثر تكلفة من لي، شركة، Mn الخ ليست سوى جزء صغير من مجموع بطارية أيونات الليثيوم. على سبيل المثال، الليثيوم حوالي 4٪ من إجمالي وزن الخلية. أضف إلى ذلك حقيقة واضحة هي أن الليثيوم هو رد فعل عالي (أساس كثافة الطاقة العالية) ، مما يجعل استخراجه من النفايات مكلفًا بشكل مفهوم.

إن عامل التعقيد الإضافي مع العديد من المواد المختلفة في بنائه يجعل إعادة التدوير صعبة، من الناحيتين التقنية والاقتصادية. النتيجة؟ ببساطة لا يوجد حافز تجاري لإعادة تدوير هذه البطاريات. ولهذا السبب، لا تزال مرافق إعادة التدوير في المرحلة التجريبية، ومعظمها ممول من الحكومة.
وفي الوقت الحاضر، يتم تخزين الغالبية العظمى من بطاريات أيونات الليثيوم التي تم التخلص منها في انتظار تحقيق طفرة تكنولوجية أو تشريع لفرض إعادة تدويرها. إذا كان هذا الأخير أن تنفذ ثم سيكون هناك تكلفة ، في نهاية المطاف للاستهلاك. ومن شأن ذلك أن يزيد من سعر خلية ليثيون مقارنة بأنواع بطاريات حمض الرصاص.

أخيراً، لدينا الأمان. لم تطبيقات بطارية حمض الرصاص على حد علمنا كان من أي وقت مضى استدعاء سلامة كما نعلم هو الحال مع بطارية ليثيون في الأجهزة الإلكترونية المحمولة وحتى السيارات الكهربائية. التين. 7 يظهر ما حدث لفولفو هجينة جديدة في المملكة المتحدة قبل أسبوعين فقط, في وقت كتابة هذا المقال. في هذه الحالة اشتعلت بطاريات أيونات الليثيوم الخاصة بها عندما تكون في حالة شحنها.

الشكل 7 حريق ناجم عن بطارية ليثيوني في سيارة كهربائية هجينة من فولفو: أبريل 2018-المملكة المتحدة

تسبب بطارية أيونات الليثيوم في اندلاع حريق في سيارة فولفو EV جديدة
حريق سيارة فولفو المحترقة الناجمة عن بطارية الليثيوم
الحريق الناجم عن بطارية أيونات الليثيوم
رجال الإطفاء يُقَدّن الحريق الناجم عن بطارية الليثيوم

حتى عندما تم تخزين أو نقل بطاريات أيونات الليثيوم كانت سببا في حرائق خطيرة للغاية. في حين أن هذه المناسبات نادرة ، يجب الاعتراف بها ، ويجب تثبيت معدات السلامة المناسبة وبرامج إدارة البطارية. على سبيل المثال، لا تزال إدارة الإطفاء في نيويورك في طور اتخاذ قرار بشأن كيفية معالجة حرائق بطاريات أيونات الليثيوم. وهذا من شأنه أن يوحي بقوة بأن تدابير السلامة القائمة لبطاريات أيونات الليثيوم في جميع أنحاء العالم تحتاج إلى إعادة النظر فيها.

وفيما يلي وجهة نظر من دائرة الاطفاء في نيويورك :

اقتباس من المقال الإخباري: AWS Utility drive 15 نوفمبر 2016 “النار ليست أكبر مشكلة”، قال روجرز. يتم تدريب رجال الإطفاء للتعامل مع الحرائق ، لكنهم بحاجة إلى معرفة ما يتعاملون معه. بطاريات ليثيونيات يمكن أن تطلق الأحماض السامة والأبخرة القابلة للاشتعال. بعض هذه الأبخرة تستهلكها النار، ولكن إذا لم تكن كذلك، فإنها يمكن أن تشتعل أو تكون مشكلة لرجال الإطفاء. المشكلة الأكبر هي ما يحدث “بعد العملية”، أي بعد إخماد الحريق. وقال روجرز إنه حتى لو تم إيقاف البطارية، فقد تشعل من جديد لمدة تصل إلى 72 ساعة. -الملازم بول روجرز إدارة الإطفاء في نيويورك قسم عمليات المواد الخطرة “

ملخص بطارية ليثيوم أيون

بطارية أيونات الليثيوم بالتأكيد لديها خصائص أداء أفضل من حمض الرصاص. ومع ذلك، فإن هذه المزايا تنخفض بشدة بسبب الأجهزة الإضافية المرتبطة بمتطلبات السلامة والإدارة. والنتيجة الصافية هي أن بطاريات حمض الرصاص لها مزايا متميزة خاصة عند النظر في التطبيقات التي لا تقيدها الوزن أو قبول الشحن. انخفاض التكلفة الأولية لتكلفة تصنيع بطاريات الرصاص الحمضية؛ انخفاض سعر الشراء وانخفاض تكلفة الاستهلاك من حمض الرصاص جنبا إلى جنب مع تأثيره البيئي المنخفض والسلامة المتأصلة، وتوفير المزايا التالية:

  • انخفاض سعر الشراء. السعر حوالي ربع ما يعادل ليثيوني. انخفاض تكاليف التشغيل لإعطاء انخفاض التكلفة الإجمالية للملكية في معظم التطبيقات.
  • إمكانية إعادة التدوير. يتم إعادة تدوير ما يقرب من 100٪ من جميع مواد بطارية حمض الرصاص. يمكن أن توفر قيمة الخردة إيرادات إضافية تصل إلى 20٪ من تكلفة البطارية المادية. بطاريات الليثيوم ليس لديها بنية تحتية أو عملية تجارية لإعادة التدوير
  • السلامه. كيمياء حمض الرصاص هو بطبيعته أكثر أمانا من بطارية ليثيوم أيون
  • الاستدامه. 11- وهناك العديد من المصادر الراسخة لتوريد حمض الرصاص، ولا سيما من مرافق إعادة التدوير. الليثيوم وغيرها من المواد الكاثود يمكن أن يتم توريدها من المناطق الحساسة سياسيا. ولن تدعم كل من القدرة العالمية الحالية لاستخراج المواد وتصنيعها زيادة سريعة في إنتاج بطارية أيونات الليثيوم.
  • البصمة الكربونية. تصنيع بطارية حمض الرصاص لديه مهد بصمة الكربون ثلث بطاريات أيونات الليثيوم.

هناك لدينا كل شيء. صورة مختلفة عن تلك التي رسمتها شركات بطارية ليثيوم أيون. وفي حين أنه لا يمكن القول بأن حمض الرصاص له عيب في كثافة الطاقة، إلا أنه يمكن القول بأنه لا يزال تكنولوجيا تنافسية للغاية ويظل الخيار الأفضل في العديد من التطبيقات.

هل ترك تعليقاتك أدناه. نحن نقدر أفكارك.

We will keep you informed of the next article!

Sign up to our newsletter

3029

Read our Privacy Policy here

انتقل إلى أعلى