باتری لیتیومی

در یک سیستم برق خورشیدی جدا از شبکه، باتری یکی از اجزای بسیار مهم و کلیدی است.  وظیفه ذخیره انرژی تولیدشده توسط پنل‌ها را برای استفاده در شب و هم‌چنین هنگام ابری بودن هوا، به عهده دارد. در واقع پنل‌های خورشیدی در طول روز، تابش خورشید را جذب می‌کنند و از طریق شارژکنترلر، باتری را شارژ می‌کنند.

این روزها با توجه به مشکلات ناترازی انرژی در کشور و اقبال عمومی به استفاده از برق خورشیدی به‌عنوان برق اضطراری، استفاده از باتری بیش از پیش افزایش یافته و قیمت باتری لیتیومی   نیز در حال افزایش است. تقریباً ۴۵٪ هزینه یک سیستم برق خورشیدی جدا از شبکه مربوط به باتری است. اگر به دنبال یک سیستم برق خورشیدی جدا از شبکه پایدار، با عمر طولانی، بی‌دردسر و به‌روز هستیم، انتخاب باتری مناسب از اهمیت بالایی برخوردار است.

انواع باتری‌ها در سیستم‌های برق خورشیدی جدا از شبکه

• باتری سرب اسید (Lead-acid Battery)

(Flooded, AGM, Gel)

یکی از انواع باتری‌های سرب اسید، باتری‌های Flooded یا همان باتری‌های خودرویی هستند. اما این باتری‌ها به‌دلیل اینکه دیپ‌سایکل نیستند، عمق شارژ و دشارژ محدودی دارند و عمر مفید آن‌ها نیز پایین است، برای استفاده در سیستم‌های خورشیدی اصلاً توصیه نمی‌شوند.

در مقابل، دو نوع دیگر از باتری‌های سرب‌اسیدی یعنی AGM و Gel به‌عنوان باتری‌های دیپ‌سایکل شناخته می‌شوند و می‌توانند گزینه‌های مناسب‌تری برای کاربردهای خورشیدی باشند.

• باتری‌های لیتیومی (Lithium Battery)

باتری‌های لیتیومی دسته‌ای از باتری‌های قابل شارژ هستند که در آن‌ها از لیتیوم یا ترکیبات لیتیوم به‌عنوان جزء اصلی در آند یا الکترولیت استفاده می‌شود.

در هنگام شارژ، یون‌های لیتیوم از کاتد جدا شده و به سمت آند مهاجرت می‌کنند. هنگام دشارژ (تخلیه انرژی)، این مسیر برعکس می‌شود و یون‌های لیتیوم از آند به کاتد بازمی‌گردند، که در این فرآیند انرژی الکتریکی آزاد می‌گردد.

این باتری‌ها به دلیل چگالی انرژی بالا، وزن سبک، عمر طولانی و راندمان شارژ بالا به‌طور گسترده در تجهیزات الکترونیکی قابل حمل، خودروهای برقی و سیستم پنل خورشیدی  مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ترکیب شیمیایی و عملکرد باتری‌های لیتیومی

باتری لیتیومی به‌طور کلی شامل 4 بخش اصلی است:

1. کاتد: ترکیبی از فلزاتی مانند کبالت، آهن، نیکل و منگنز که نقش دریافت‌کننده یون‌های لیتیوم را هنگام دشارژ ایفا می‌کند.
2. آند : معمولاً از گرافیت یا مواد مبتنی بر کربن ساخته می‌شود و در زمان شارژ، یون‌های لیتیوم را در خود ذخیره می‌کند.
3. الکترولیت: محلولی شیمیایی است که وظیفه انتقال یون‌های لیتیوم بین آند و کاتد را در طول چرخه شارژ و دشارژ بر عهده دارد
4. سیستم مدیریت باتری(BMS-Battery Management System) : یک مدار الکترونیکی هوشمند است که به باتری‌های لیتیومی متصل می‌شود تا از ایمنی، سلامت و عملکرد بهینه باتری محافظت کند.

وظیفه BMS در باتری‌های لیتیومی

• محافظت از ولتاژ (جلوگیری از شارژ و دشارژ بیش از حد سلول‌ها)
• کنترل دما (جلوگیری از گرم شدن بیش از حد یا سرمای مضر برای باتری‌ها)
• توازن سلول‌ها (Cell Balancing) یکسان‌سازی ولتاژ سلول‌ها در باتری چند سلولی برای افزایش عمر باتری
• کنترل جریان (جلوگیری از جریان زیاد یا اتصال کوتاه)
• قطع اضطراری (اگر مشکلی پیش بیاید مثل گرمای زیاد یا اتصال کوتاه، BMS سیستم را قطع می‌کند.

چرا BMS بسیار مهم است؟

چون بر خلاف باتری‌های سرب اسید، باتری‌های لیتیومی:

• نسبت به ولتاژ بالا یا پایین حساس هستند.
• در صورت شارژ و دشارژ بیش از حد می‌توانند منفجر شوند یا آسیب ببینند.
• اگر یک سلول از بقیه ضعیف‌تر شود، می‌توانند کل پک باتری را نابود کند.

بنابراین BMS مثل مغز محافظ باتری عمل می‌کند.

انواع باتری‌های لیتیومی

به‌طور کلی، باتری‌های لیتیومی به چند دسته‌ی اصلی تقسیم می‌شوند که هر کدام ویژگی‌ها، مزایا و کاربردهای خاص خود را دارند. مهم‌ترین انواع باتری‌های لیتیومی عبارت‌اند از:

1. لیتیوم کبالت اکسید (Lithium Cobalt Oxide): LiCoO₂ –

چگالی انرژی بالا، عمر نسبتاً کوتاه‌تر، بیشتر در موبایل‌ها و لپ‌تاپ‌ها استفاده می‌شود.

2. لیتیوم آهن فسفات (Lithium Iron Phosphate): LiFePO₄ –

ایمنی بالا، عمر طولانی، پایداری حرارتی مناسب، مناسب برای سیستم‌های خورشیدی و خودروهای برقی.

3. لیتیوم منگنز اکسید (Lithium Manganese Oxide): LiMn₂O₄ –

پایداری حرارتی بالا، توان‌دهی خوب، استفاده در ابزارهای الکترونیکی و برخی خودروهای برقی.

4. نیکل منگنز کبالت (Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide): NMC –

تعادل بین چگالی انرژی، ایمنی و عمر، مناسب برای خودروهای الکتریکی و تجهیزات صنعتی.

5. نیکل کبالت آلومینیوم (Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide): NCA –

چگالی انرژی بسیار بالا، بیشتر در خودروهای تسلا و کاربردهای صنعتی استفاده می‌شود.

6. لیتیوم تیتانات (Lithium Titanate): LTO –

                عمر چرخه بسیار بالا، شارژ سریع، ولی چگالی انرژی پایین‌تر.

در حال حاضر و در بازار ایران، باتری لیتیوم فسفات آهن(LiFePO₄)  به‌دلیل ایمنی بسیار بالا، طول عمر طولانی، راندمان بالا و مقاومت در برابر حرارت و ضربه، به‌عنوان بهترین گزینه برای سیستم‌های ذخیره‌ساز انرژی خورشیدی مطرح است. حالا ببینیم این باتری چه ویژگی‌هایی دارد.

باتری لیتیوم فسفات آهن چیست؟

باتری لیتیوم فسفات آهن که به انگلیسی Lithium Iron Phosphate Battery نامیده می‌شود، معمولاً با نام اختصاری LiFePO₄ یا LFP شناخته می‌شود.

در این باتری‌ها از ترکیب LiFePO₄ به‌عنوان کاتد و از الکترود گرافیتی کربنی به‌عنوان آند استفاده می‌شود.

• در فرآیند شارژ: یون‌های لیتیوم از کاتد جدا شده و به سمت آند (گرافیت) حرکت می‌کنند و در آنجا ذخیره می‌شوند.
• در فرآیند دشارژ: یون‌های لیتیوم از آند به کاتد بازمی‌گردند و با یون‌های آهن در ساختار LiFePO₄ ترکیب می‌شوند، در نتیجه انرژی الکتریکی آزاد می‌شود.

این نوع باتری عمدتاً در دستگاه‌هایی با توان پایین تا متوسط و نرخ مصرف جریان پایین مورد استفاده قرار می‌گیرد، مانند سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی خورشیدی، خودروهای سبک الکتریکی، تجهیزات پزشکی و برخی وسایل قابل حمل صنعتی.

این نوع باتری برخلاف برخی دیگر از انواع لیتیومی، دچار خطر آتش‌سوزی یا انفجار نمی‌شود و حتی در شرایط کاری سخت نیز عملکردی پایدار و مطمئن دارد

مشخصات باتری‌های LFP

1. جریان تخلیه بالا (High Discharge Current)

باتری‌های LFP قادرند جریان‌های تخلیه بالا را بدون افت قابل توجه در ظرفیت یا آسیب به سلول‌ها تحمل کنند. به همین دلیل، این نوع باتری‌ها برای کاربردهایی که نیاز به تخلیه سریع و شدید دارند، بسیار مناسب هستند؛ مانند:

• وسایل نقلیه برقی
• سیستم‌های برق خورشیدی
• یوپی‌اس‌ها و سیستم‌های پشتیبان انرژی

2. خطر انفجار و آتش‌سوزی بسیار پایین (Low Risk of Fire and Explosion)

باتری‌های LFP به‌دلیل استفاده از فسفات آهن به‌عنوان کاتد، دارای ایمنی بسیار بالا هستند.فسفات آهن در مقایسه با سایرترکیبات کاتد، پایداری شیمیایی و حرارتی بالاتری دارد و کمتر مستعد واکنش‌های خطرناکی است که می‌توانند منجر به آتش‌سوزی یا انفجار شوند.

به همین دلیل، باتری‌های LFP یکی از ایمن‌ترین گزینه‌ها در میان باتری‌های لیتیومی محسوب می‌شوند، به‌ویژه در کاربردهایی که ایمنی، اولویت بالایی دارد؛ مانند:

• سیستم‌های خورشیدی خانگی
• باتری‌های ذخیره‌ساز صنعتی
• خودروهای برقی سبک
• تجهیزات پزشکی و حساس

3. طول عمر بالا (Long Cycle Life)

باتری‌های LiFePO₄ (LFP) می‌توانند تا هزاران چرخه شارژ و دشارژ را بدون افت محسوس در ظرفیت تحمل کنند.در شرایط استفاده استاندارد، این باتری‌ها معمولاً بین 2000 تا 5000 چرخه عمر مفید دارند، که چندین برابر بیشتر از باتری‌های سرب‌اسیدی یا برخی انواع دیگر باتری‌های لیتیومی است.به همین دلیل، باتری‌های LFP انتخابی بسیار مناسب برای سیستم‌هایی با نیاز به عمر طولانی هستند، مانند:

• سیستم‌های برق خورشیدی (Solar Systems)
• سیستم‌های پشتیبان انرژی
• باتری‌های صنعتی و خانگی ذخیره‌ساز

4. ظرفیت انرژی کمتر نسبت به سایر باتری‌های لیتیوم-یون (Lower Energy Density)

باتری‌های LFP در مقایسه با برخی دیگر از انواع باتری‌های لیتیوم-یون، مانند NMC یا LiCoO₂، دارای چگالی انرژی پایین‌تری هستند.علت این مسئله، استفاده از فسفات آهن به‌عنوان ماده کاتد است که در هر واحد وزن، انرژی کمتری نسبت به ترکیباتی مانند کبالت یا نیکل ذخیره می‌کند.

در نتیجه، باتری‌های LFP معمولاً بزرگ‌تر و سنگین‌تر از سایر انواع باتری‌های لیتیومی با ظرفیت مشابه هستند.به همین دلیل در کاربردهایی که فضا و وزن محدودیت مهمی دارند (مثلاً در برخی لپ‌تاپ‌ها یا پهپادها)، ممکن است گزینه‌ ایده‌آلی نباشند. با این حال، این ویژگی در بسیاری از کاربردهای ثابت مانند سیستم‌های خورشیدی یا ذخیره‌سازی خانگی و صنعتی چندان مشکل‌ساز نیست.

نوع باتری	چگالی ذخیره‌ساز انرژی (وات بر کیلوگرم)
باتری لیتیوم فسفات آهن	120
باتری سیلد اسید	35

مقایسه بین باتری GEL و LFE

ویژگی‌ها	باتری ژل (GEL)	باتری لیتیوم فسفات آهن (LFP)
نوع	سرب اسیدی با الکترولیت ژل	لیتیومی با کاتد فسفات آهن
چگالی انرژی	پایین (30-40 W/kg)	بالا (90-160 W/kg)
طول عمر چرخه‌ای	300-500 چرخه	2000-6000 چرخه
جریان تخلیه	محدود	بالا و پایدار
وزن و حجم	سنگین‎‌تر	سبک‌تر
ایمنی	خوب	بسیار بالا
قیمت	ارزان‌تر	گران‎تر ولی دوام بیشتر
نیاز به نگهداری	کم	بدون نیاز به نگهداری
کاربردها	سیستم‌های ساده خورشیدی، UPS	سیستم‎‌های مدرن خورشیدی

نتیجه‌گیری

در سیستم‌های خورشیدی جدا از شبکه، انتخاب باتری مناسب نقش بسیار مهمی در پایداری، راندمان و هزینه‌های بلندمدت دارد.   در حالی‌که باتری‌های ژل می‌توانند گزینه‌ای مقرون‌به‌صرفه برای سیستم‌های کوچک باشند، باتری‌های لیتیوم فسفات آهن (LiFePO₄) با طول عمر بالا، ایمنی بیشتر، و راندمان بهتر، انتخاب بهتری برای سیستم‌های پیشرفته‌تر و حرفه‌ای‌تر به‌شمار می‌روند. اگر هدف شما ساخت یک سیستم خورشیدی مطمئن، کم‌نگهداری و به‌روز است، سرمایه‌گذاری در باتری‌های لیتیومی، به‌ویژه LFP، در بلندمدت بسیار هوشمندانه خواهد بود