بدأ العمل الرائد لبطاريات الليثيوم في عام 1912 تحت قيادة ج.ن. لويس، ولكن لم يبدأ الاستخدام التجاري لأول بطاريات الليثيوم غير القابلة لإعادة الشحن إلا في أوائل السبعينيات. الليثيوم هو الأخف بين جميع المعادن، ويوفر أكبر إمكانات كهروكيميائية وأعلى كثافة طاقة من حيث الوزن.
فشلت محاولات تطوير بطاريات الليثيوم القابلة لإعادة الشحن بسبب مشكلات تتعلق بالسلامة. تحولت الأبحاث إلى استخدام أيونات الليثيوم بدلاً من الليثيوم المعدني في بطاريات الليثيوم غير المعدنية بسبب عدم الاستقرار المتأصل في معدن الليثيوم، خاصة أثناء الشحن. على الرغم من أن كثافة الطاقة كانت أقل قليلاً من معدن الليثيوم، إلا أن أيونات الليثيوم آمنة طالما تم اتخاذ احتياطات معينة أثناء الشحن والتفريغ. في عام 1991، قامت شركة سوني بتسويق أول بطارية ليثيوم أيون. وحذت الشركات المصنعة الأخرى حذوها.
يحتوي أيون الليثيوم عادةً على ضعف كثافة طاقة النيكل والكادميوم القياسي. لديها القدرة على زيادة كثافة الطاقة. خصائص التفريغ الخاصة به جيدة جدًا، وأداءه مشابه للنيكل والكادميوم في التفريغ. يسمح الجهد العالي للبطارية البالغ 3.6 فولت بتصميمات حزمة البطارية باستخدام خلية واحدة فقط. تعمل معظم الهواتف المحمولة اليوم ببطارية واحدة. تتطلب العبوة القائمة على النيكل ثلاث خلايا بقوة 1.2-فولت متصلة على التوالي.
بطارية الليثيوم أيون هي بطارية تحتاج إلى صيانة منخفضة، وهي ميزة لا تستطيع معظم الصناعات الكيميائية الأخرى المطالبة بها. لا توجد ذاكرة ولا يلزم إجراء دورات مجدولة لإطالة عمر البطارية. بالإضافة إلى ذلك، فإن التفريغ الذاتي أقل من النصف مقارنة بالنيكل والكادميوم، مما يجعل أيون الليثيوم مناسبًا تمامًا لتطبيقات قياس الوقود الحديثة. تسبب خلايا أيون الليثيوم ضررًا بسيطًا عند التخلص منها.
على الرغم من المزايا العامة للليثيوم أيون، إلا أن له عيوبه. إنها هشة وتتطلب دائرة حماية للحفاظ على التشغيل الآمن. تعمل دائرة الحماية المدمجة في كل حزمة على الحد من الجهد الأقصى لكل خلية أثناء الشحن وتمنع جهد الخلية من الانخفاض بدرجة منخفضة جدًا عند التفريغ. بالإضافة إلى ذلك، تقوم دائرة الحماية بمراقبة درجة حرارة البطارية لمنع حدوث حالات متطرفة. يتم تصنيف معظم العبوات عند 1C حتى 2C، حيث تساوي 1C السعة المقدرة للبطارية في ساعة واحدة. وتزيد هذه الحماية من تكلفة الإنتاج.
يعد التقدم في السن مصدر قلق لمعظم بطاريات الليثيوم أيون ويظل العديد من الشركات المصنعة صامتين بشأن هذه المشكلة. وبعد عام واحد، تفقد البطارية ما يقرب من 20 بالمائة من سعتها سنويًا بغض النظر عما إذا كانت البطارية مستخدمة أم لا. تحدث الشيخوخة بشكل أسرع عند درجات الحرارة المرتفعة. يؤدي التخزين في مكان بارد إلى إبطاء عملية شيخوخة أيون الليثيوم (وغيرها من المواد الكيميائية). يوصي المصنعون بالتخزين عند درجة حرارة 15 درجة (59 درجة فهرنهايت). بالإضافة إلى ذلك، يجب شحن البطارية جزئيًا أثناء التخزين، مع قيمة شحن موصى بها تبلغ 40 بالمائة.
بالنسبة للتكلفة مقابل كثافة الطاقة، فإن خلية أيون الليثيوم 18650 الأسطوانية هي البطارية الأكثر اقتصادا وتستخدم للحوسبة المتنقلة والتطبيقات الأخرى التي لا تتطلب هندسة رقيقة للغاية. بالنسبة للهندسة الأقل سمكًا، يوفر أيون الليثيوم المنشوري أفضل حل وسط بين نسبة التكلفة إلى الطاقة وعامل الشكل.
مزايا
- كثافة طاقة عالية - إمكانية الحصول على قدرات أعلى.
- لا يحتاج إلى تحضير طويل الأمد عندما يكون جديدًا. كل ما تحتاجه هو شحن منتظم واحد.
- تفريغ ذاتي منخفض نسبيًا - التفريغ الذاتي أقل من نصف التفريغ الذاتي للبطاريات القائمة على النيكل.
- صيانة منخفضة - لا حاجة إلى التفريغ الدوري؛ لا توجد ذاكرة.
- يمكن للخلايا المتخصصة أن توفر تيارًا عاليًا جدًا لتطبيقات مثل الأدوات الكهربائية.
محددات
- يتطلب دائرة حماية للحفاظ على الجهد والتيار ضمن الحدود الآمنة.
- مع مراعاة مرور الوقت، حتى لو لم يكن قيد الاستخدام، فإن التخزين في مكان بارد عند شحن بنسبة 40% يقلل من تأثير الشيخوخة.
- قيود النقل - قد يخضع شحن الكميات الأكبر للرقابة التنظيمية. لا ينطبق هذا القيد على البطاريات الشخصية المحمولة.
- تكلفة التصنيع - أعلى بحوالي 40 بالمائة من تكلفة النيكل والكادميوم.
- لم تنضج تمامًا - فالمعادن والمواد الكيميائية تتغير بشكل مستمر.