بطاريات الليثيوم ايون

ربانة · #1 17-06-2007, 16:08

مما لاشك فيه اننا نستخدم البطاريات بكثرة ويزداد اعتمدنا عليها كلما تقدمت التكنولوجيا اكثر فإكثر ففي الاعوام السابقة كنا نستخدم البطارية لتشغيل الالات الحاسبة والعاب الاطفال وأجهزة الراديو وهذه البطاريات المعروفة لدينا جميعا والتي نسميها البطاريات الجافة والتي تأتي بأحجام قياسية معروفة، ولكن مع تقدم الاجهزة التقنية مثل الكمبيوتر الكفي والكمبيوتر النقال وأجهزة الجوال واجهزة تشغيل الموسيقى MP3 اصبح اعتمادنا على البطاريات اكثر وخصوصا تلك التي يعاد شحها مرات ومرات، ولولا توفر هذا النوع من البطاريات التي يعاد شحنها لما قمنا باقتناء او استخدام هذه الاجهزة، فمثلاً لو كان عندك كاميرا رقمية وتستخدم فيها البطاريات العادية ووجدت انك تحتاج الى تغيير تلك البطاريات بمعدل كبير لترددت في استخدام الكاميرا، كذلك الحال بالنسبة للجوال والكمبيوتر النقال تخيل انك تحمل حقيبة بها بطاريات احتياطية لتستبدل بها تلك التي تفرغ لاصبح العمل بهذه الطريقة مزعجاً. كل هذه الاختراعات والاكتشافات اعتمدت على بطاريات يعاد شحنها مئات المرات دون ان تضعف او تبلى هذه البطاريات هي بطاريات الليثيوم ايون Lithium-ion Battery والتي تأتي باشكال واحجام البطاريات الجافة العادية وباشكال اخرى حسب الاجهزة التي تصنع من اجلها مثل بطاريات الجوالات وبطاريات الكمبيوتر لتناسب تصميم الجهاز وشكله.

إن بطاريات الليثيوم ايون هي شائعة الاستخدام جداً ويمكن ان تجدها في معظم الاجهزة التي تستخدمها ولعلك سمعت عزيزي القارئ على المشكلة التي تسببت في سحب نوع من اجهزة الكمبيوترات النقالة بسبب خلل في بطارية الليثيوم ايون والتي سببت في حرق جهاز الكمبيوتر مما كلف الشركة المستخدمة لها الملايين من الدولارات لاستبدلاها والشركة المنتجة تحملت الملايين من الدولارات ايضا لتعويض عن هذه الخسارة.

بطارية ليثيوم ايون لكمبيوتر نقال

والسؤال الذي يتبادر إلى اذهاننا الان ما الذي يجعل هذه البطارية بهذه القوة والطاقة وفي نفس الوقت من الممكن ان تسبب في الانفجار او الاشتعال. في هذه المقالة من كيف تعمل الاشياء سوف نقوم بشرح فكرة عمل بطاريات اعادة الشحن الليثيوم ايون وكيف نحافظ عليها لنتمكن من استخدامها بالشكل السليم لتدوم لدينا اطول فترة ممكنة.

مزايا بطاريات الليثيوم ايون
في البداية دعنا نوضح لك عزيزي القارئ ما هي المزايا التي تمتعت بها بطارية الليثيوم ايون.
تعتبر بطارية خفيفة الوزن بالمقارنة مع بطاريات اعادة الشحن مثل بطارية السيارة. والالكترود فيها مصنوع من مادة الليثيوم والكربون. ويعتبر الليثيوم عنصر نشط بمعنى ان ذرات الليثيوم تخزن الطاقة في الروابط بينها ما يجعل هذه البطاريات ذات كثافة طاقة كهربية كبيرة.
فمثلا تستطيع بطارية الليثيوم ايون بكتلة تصل الى 1 كيلو جرام من الاحتفاظ بطاقة تصل إلى 150 وات للساعة، بينما بطاريات NiMH وهو نوع من بطاريات اعادة الشحن يستخدم معدن النيكل يمكنها ان تختزن 70 وات للساعة من الطاقة لنفس الكتلة. وبطاريات اكسيد الرصاص تختزن 25 وات للساعة في الكيلو جرام. ولذلك نجد بطاريات السيارات تزداد كتلتها كلما تطلب الحصول على طاقة كهربية اكبر فمثلا للحصول على 100 وات للساعة من بطاريات اكسيد الرصاص نحتاج الى بطارية بكتلة 6 كيلو جرام.
1 تستطيع بطاريات الليثيوم ايون من الاحتفاظ بالشحنة اكثر من اي بطارية مشابهة فمثلا تفقد بطارية الليثيوم ايون 5% من شحنتها في الشهر بالمقارنة ببطاريات النيكل التي تفقد 20% من شحنتها في الشهر.
2 يمكن اعادة شحنها في اي وقت وليس مثل بعض البطاريات التي تتطلب تفريغها بالكامل لتتمكن من شحنها.
3 تستطيع شحن وتفريغ البطارية مئات المرات قبل ان تتلف.

بطارية ليثيوم ايون لكاميرا فيديو

عيوب بطاريات الليثيوم ايون
بالرغم من كل تلك المزايا التي تحدثنا عنها الا انه يوجد بعض العيوب البسيطة والتي تتلخص في النقاط التالية:
1 فترة حياة البطارية لا يزيد عن 3 سنوات من تاريخ التصنيع والانتاج سواءً استخدمت ام لم تستخدم.
2 حساسة جداً للارتفاع في درجة الحرارة واذا عملت البطارية في درجات حرارة عالية فإن فترة حياتها يصبح اقل بكثير من الوضع الطبيعي.
3 لايمكن الاستفادة من البطارية اذا تعرضت للتلف.
4 سعرها مرتفع بالنسبة للبطاريات الأخرى
5 هناك احتمال ضعيف جداً ان يحدث خلل في تجميع البطارية مما يؤدي الى اشتعالها.

كل المزايا والعيوب سوف تصبح مفهوما لنا اكثر اذا استكملنا الشرح التفصيلي لها وهذا ما سنقوم به الان.

مجموعة متنوعة من بطاريات الليثيوم ايون من انتاج شركة سوني

التركيب الداخلي لبطارية الليثيوم ايون.
تصنع بطاريات الليثيوم ايون بكافة الاشكال والاحجام، ولكن جميعها متشابه من حيث التركيب الداخلي. فمثلا لو قمنا بفتح بطارية كمبيوتر نقال (غير محبذ ابدا ان تفعل هذا لان من الممكن حدوث تلامس لاسلاك يسبب اغلاق دائرة في البطارية فيتسبب ذلك في احتراقها) لوجدنا المكونات الداخلية للبطارية والموضحة في الشكل التالي:

التركيب الداخلي لبطارية ليثيوم ايون لكمبيوتر نقال ونلاحظ انها بطاريات مجمعة مع بعضها البعض وكل بطارية من تلك عبارة عن خلية (بطارية) ليثيوم ايون

1ـمجموعة من خلايا الليثيوم ايون وهي عبارة بطاريات اسطوانية الشكل شبيهة ببطارية الالة الحاسبة والتي تعرف بـ AA.
2ـمجس حراري دقيق لمراقبة درجة حرارة البطارية باستمرار
3ـدائرة لتحويل الجهد الكهربي ودائرة للتحكم فيه ولتوفير فرق جهد منتظم وثابت على طرفي الجهاز المراد تشغيله

4ـ اطراف توصيل تسمح للطاقة ان تنتقل خارج البطارية للجهاز المراد تشغيله وكذلك
يوجد اطراف توصيل لتبادل المعلومات من البطارية والجهاز ليتمكن من معرفة حالة البطارية والمقدار المتبقي من الطاقة ليعطي لك اشارة بان البطارية قاربت على الانتهاء.
5ـ قد تحتوي بعض البطاريات على مؤشر خاص بها لتفحص مقدار الطاقة المتبقية
في البطارية بالضغط عليه.

يزود مجس الحرارة الكمبيورتر بدرجة الحرارة باستمرار، فإذا اصبحت درجة حرارة البطارية مرتفعة جداً اثناء الشحن أَو الإستعمال، فإن الكمبيوتر سيقوم بايقاف تدفق الطاقة إلى البطارية لتبريدها، فمثلاً لو حاولت تشغيل كمبيوترك النقال في السيارة بعد ان تركته فترة في الشمس فإن الكمبيوتر لن يعمل حتى تبرد البطارية. كما انه لو فرغت البطارية أو قلت الشحنة المختزنة بها إلى الحد المسموح به فإن البطارية ستتوقف فجأة عن العمل.
وفي الحقيقة ان الكمبيوتر يستهلك طاقته من البطارية نفسها ولهذا السبب فإن بطارية الليثيوم ايون تفقد 5% من طاقتها كل شهر عندما تكون غير مستخدمة ولذلك بنصح بفصل البطارية عن الجهاز في حالة عدم استخدامها لفترة طويلة

خلايا الليثيوم ايون
كما لكل بطارية غلاف خارجي لها فإن بطارية الليثيوم ايون تحاط بغلاف من المعدن وهذا الغلاف المعدني ضروري لان محتويات البطارية تكون عند ضعغط اعلى من الضغط الجوي. والغلاف يحتوي على امان خاص عندما ترتفع درجة حرارة البطارية ويزداد الضغط عن الحد المسموح به فإن فتحة صغيرة تفتح ليخرج منها الضغط الزائد. وتصبح البطارية بعد هذه الحالة عديمة الفائدة.

الغلاف المعدني يحتوي في داخله على ثلاثة رقائق ملفوفة في شكل حلزوني وهذه الرقائق هي
1 الالكترود الموجب
2 الالكترود السالب
3 العازل

هذه الطبقات الثلاثة مغمورة في محلول يعمل عمل المحلل الكهربي electrolyte وهذا المحلول في الغالب هو الاثير Ether.
اما العازل فهو مكون من شريحة رقيقة جداً من البلاستيك تعمل على عزل اللاكترود الموجب عن السالب بينما تسمح للأيونات بالمرور من خلاله.
الالكترود الموجب مصنوع من اكسيد كوبالت الليثيومLiCoO2 . والالكترود السالب مصنوع من الكربون. وعندما يتم شحن البطارية فإن ايونات الليثيوم تتحرك خلال محلول الاثير من الالكترود الموجب الى الالكترود السالب وتلتصق بالكربونز وعند استخدام البطارية فإن ايونات الليثيوم تتحرك في الاتجاه المعاكس من الكترود السالب حيث كانت على الكربون الى الالكترود الموجب LiCoO2.

لاحظ اتجاه حركة ايونات الليثيوم في المحلل الكهربي اثناء عملية الشحن في الشكل على اليمين ولاحظ اتجاه حركتها في دائرة التفريغ اي عند توصيلها بالجهاز الكهربي لتشغيله في الشكل على اليسار

تحدث حركة ايونات الليثيوم هذه فرق جهد كبير بين الكاثود والانود وتنتج كل خلية 3.7 فولت. وهذا اكبر بكثير من 1.5 فولت التي تنتج من بطاريات الجافة العادية. وهذا ما يجعل بطارية الليثيوم تعطي فرق الجهد المطلوب منها وبحجم صغير مكن من استخدامه في الجوالات والاجهزة المتنقلة مثل اجهزة الكمبيوتر والكامير وغيره.

كيف نجعل بطارية الليثيوم تدوم لفترات اطول
ان بطارية الليثيوم ايون التي توجد في الكمبيوتر او تعتبر مكلفة وباهظة الثمن ومن المستحسن ان نحسن استخدامها لتدوم لاكبر فترة ممكنة وهنا بعض الافكار التي يجب ان تتبعها:
بطاريات الليثيوم ايون تفضل الشحن الجزئي عن الشحن الكلي اي يفضل عدم استخدام البطارية حتى تفرغ تماماً، وهذا يعود للكيمياء التي تعمل من خلالها لتزودنا بالطاقة الكهربية.
عمر بطارية الليثيوم ايون لا يزيد عن 3 سنوات حتى لو لم تقم باستخدامها، لذا لا تترك البطارية هكذا بدون استخدام معتقداً انك لو فعلت ستطيل عمرها إلى 5 سنوات فهذا للاسف لن يجدي، كما لو انك قررت شراء بطارية جديدة تأكد من تاريخ انتاجها.
ابتعد عن الحرارة فهي تقضي على البطارية فلا تترك اي جهاز يحتوي على بطارية ليثيوم ايون في سيارتك تحت اشعة الشمس.

ما الاسباب التي تجعل البطارية ان تنفجر؟
عرفنا كيف نحاقظ على بطارية الليثيوم ايون ونجعلها تخدمنا لاكبر فترة ممكنة ولكن طالعتنا عدة تقارير اخبارية في الشهور الماضية عن احتراق بطاريات الليثيوم ايون المستخدمة في اجهزة الكمبيوتر النقال.

صورة لاحتراق جهاز كمبيوتر نقال في مءتمر علمي في اليابان

اذا ارتفعت درجة حرارة البطارية فإن هذا سوف يعمل عى اشعال المحلل الكهربي "الايثر" ويمكنك ان تشاهد العديد من الصور على الانترنت لحالات احتراق للبطارية داخل الجهاز. و تشتعل النار في مكونات البطارية يحدث من خلال تلامس الالكترود الموجب مع الالكترود السالب وذلك بالرغم من وجود المادة البلاستيكية العازلة حيث من المحتمل ان تحدث بعض الثقوب في الطبقة العازلة ما ينتج عنه تلامس الاكترودين فتنتج حرارة كبيرة،

هذه الحالة يمكن تشبيهها ببطارية 9 فولت تم توصيل قطبيها باي سلك او حتى بتلامسهما لقطعة من النقود فترتفع درجة الحرارة ارتفاعاً ملحوظاً نتيجة للتيار الكبير الذي يسري عبر قطعة النقود.

وهذا ما يحدث تماما اذا حدث خلل في المادة العازلة عند تلامس الالكترودين ولكن الحرارة هنا تكون اشد لان هذا النوع من البطاريات يختزن طاقة كهربية اكبر بكثير من حالة البطارية 9 فولت. وقد تنطلق شرارة تعمل على اشعال محلول الايثر داخل البطارية وينتقل اللهب الى باقي خلايا الليثيوم ايون داخل البطارية.

يجب ان ننوه إلى ان حالات الاحتراق هذه نادرة الحدوث. ولكن حالة احتراق واحدة كفيلة ان تشعل كل وسائل الاعلام لتجعل منها خبر الموسم.

وفي النهاية ارجو ان تكون الفكرة الفيزيائة لبطاريات الليثيوم ايون التي تستخدمها دائما وخصوصا في جهاز جوالك او في كمبيوترك النقال لتعلم كيف يمكن ان تستفيد من البطارية بالشكل المناسب.

وفي هذه المواقع المزيد من المعلومات التفصيلية

Battery University

http://www.batteryuniversity.com/

Inside a notebook battery pack
http://reviews.zdnet.co.uk/hardware/notebooks/0,1000000333,39281143,00.htm

Summer of the exploding laptop!

http://www.cbc.ca/news/background/tech/exploding-laptop.html

How a Lithium Ion Battery Works
http://www.laptop-batteries-guide.com/how-lithium-ion-battery-works.html

What is causing lithium-ion laptop batteries to overheat or catch fire? Is my battery at risk?
http://computer.howstuffworks.com/dell-battery-fire.htm