مقایسه باتری لیتیوم یون و باتری سرب اسید برای یو پی اس
مقدمه
باتری های سرب اسیدی حدود 150 سال است که به عنوان اولین نوع باتری های قابل شارژ مورد استفاده قرار می گیرند. با وجود اینکه امروزه انواع مختلفی از باتری ها وجود دارند با این حال باتری های سیلد اسید همچنان محبوب ترین نوع باتری های قابل شارژ برای دستگاه های مختلف محسوب شده و بادوام، ارزان و مطمئن هستند.
تولید اولین نوع باتری لیتیوم یون به دهه 1970 بازمی‌گردد. این نوع باتری در اواخر دهه 1990 و اوایل دهه 2000 با بهبود عملکرد قابل توجهی که داشت محبوبیت بیشتری پیدا کرد و تا کنون نیز از نظر تکنولوژی ساخت همچنان در حال پیشرفت است.
در حال حاضر چند نوع باتری لیتیوم یونی وجود دارد که عمدتاً با ترکیبات شیمیایی متفاوتی که دارند متمایز می شوند. متداول‌ترین آن فسفات آهن لیتیوم (LiFeP04) است که به دلیل پایداری، جریان دهی بالا، عمر طولانی و عدم تولید گرمای بیش از حد کارایی بیشتری دارد.
باتری‌های لیتیوم یونی نیاز به نگهداری و چکاپ دقیق‌تری دارند، بنابراین داشتن یک سیستم مدیریت باتری (BMS) برای آنها ضروری به نظر می رسد چرا که عواملی چون افزایش یا کاهش بیش از حد جریان عبوری از باتری، ولتاژ قطب های باتری و یا دما همگی می‌توانند باعث آسیب دائمی به باتری شوند.
لیتیوم عنصر بسیار کوچکی است و سومین عنصر کوچک پس از هیدروژن و هلیوم محسوب می شود در نتیجه چگالی انرژی بسیار بهتری نسبت به باتری های سیلد اسید دارد. از سوی دیگر لیتیوم یک عنصر بسیار واکنش پذیر و قابل شارژ است که آن را به یک ماده ایده آل برای عبور جریان از باتری تبدیل می کند.
در برخی از کاربری ها نظیر خودروهای برقی، لوازم الکترونیکی کوچک نظیر موبایل و سایر تجهیزات قابل حمل بدلیل اهمیت کاهش وزن و حجم و لزوم اندازه گیری و نمایش دقیق پارامترهای باتری و نیز نیاز به طول عمر زیاد اصولا باتری های سیلد اسیدی کاربردی نداشته و صرفا از باتری های لیتیوم یون استفاده می شود.
برای اینکه یک دستگاه یو پی اس بتواند به باتری لیتیوم یون متصل شود بهتر است برای این منظور طراحی شده باشد. چنین دستگاهی قابلیت اندازه گیری و مانیتورینگ دقیق وضعیت باتری در هر لحظه را دارد که به اختصار BMS (Battery Management System) نامیده می شود.
پارامترهای قابل اندازه گیری در این سیستم شامل ولتاژ، جریان و دمای باتری هاست.
تفاوت های اصلی باتری لیتیوم یون و باتری سرب اسید
ظرفیت باتری
ظرفیت باتری معیاری برای اندازه گیری مقدار انرژی است که باتری می تواند در خود ذخیره کند. فن آوری لیتیوم یون چگالی انرژی به طور قابل توجهی بالاتر و در نتیجه ظرفیت بیشتری در مقایسه با انواع باتری های دیگر مانند سرب-اسید دارد. باتری های سرب اسید ظرفیتی در حدود 30 تا 40 وات بر کیلوگرم (Wh/kg) دارند، در حالی که این مقدار در باتری های لیتیوم یون تقریباً 150 تا 200 Wh/kg است.
عمق دشارژ
عمق دشارژ (DoD) یک باتری نشان دهنده درصدی از باتری است که امکان تخلیه انرژی آن بصورت ایمن وجود دارد بطوریکه هیچگونه آسیبی به باتری نرسد.
عمق دشارژ باتری لیتیومی می تواند در یک چرخه به 85 درصد ظرفیت باتری نیز برسد در حالی که محدودیت عمق دشارژ برای باتری های سرب اسیدی تنها 50 درصد ظرفیت آن است. عبور از این محدودیت ها باعث آسیب دائمی به باتری ها و کاهش طول عمر آنها می شود. بالاتر بودن عمق دشارژ در باتری های لیتیوم یون به این معنی است که آنها ظرفیت و چگالی انرژی بالاتری نسبت به باتری های سرب اسیدی دارند.
راندمان
یکی از معیارهای مهم در انتحاب باتری در کاربردهای مختلف بررسی راندمان آن است. تقریباً همه باتری‌های لیتیوم یونی دارای بازدهی یا راندمان 95 درصدی هستند به این معنی که 95 درصد انرژی ذخیره شده در باتری‌های لیتیوم یونی به مصرف می رسد. در مقابل میزان بازدهی باتری های سرب اسیدی تقریباً 80 تا 85 درصد است. همچنین می توان گفت باتری های با راندمان بالاتر نرخ شارژ و عمق دشارژ بالاتری نیز دارند.
طول عمر
با استفاده مداوم و افزایش عمر، باتری ها به مرور زمان تحلیل رفته و کارایی و ظرفیت خود را از دست می دهند. باتری‌های لیتیوم یونی نسبت به باتری‌های سرب اسید طول عمر بیشتری دارند. به طور متوسط، طول عمر باتری های لیتیوم یونی بین 8 تا 10 سال با بیش از 10000 چرخه است، در حالی که عمر یک باتری سرب اسید در صورت نگهداری مناسب بین 3 تا 5 سال است.
سرعت شارژ
طبیعتا هرچه سرعت شارژ باتری ها در یک دستگاه یو پی اس بالاتر باشد قابلیت اطمینان بالاتری را ارائه می دهد. سرعت شارژ باتری نوع لیتیوم یونی نسبت به باتری VRLA یا سیلد اسید سربی بیشتر بوده بطوریکه برای شارژ باتری سیلد اسید سرب بیش از 12 ساعت زمان لازم است تا از 0٪ تا 90٪ ظرفیت کامل باتری شارژ شود این در حالیست که باتری لیتیوم یون فقط 2 تا 4 ساعت زمان برای شارژ کامل نیاز دارد. این مزیت باعث می شود در صورت قطعی های مکرر برق طی یک روز باتری ها به سرعت آماده استفاده مجدد شوند.
حجم و وزن
باتری های لیتیوم یونی در مقایسه با باتری های سرب اسیدی با ظرفیت مشابه وزن بسیار کمتری دارند. به عنوان مثال، یک باتری اسید سرب می تواند 20 یا 30 کیلوگرم در هر کیلووات ساعت وزن داشته باشد، در حالی که یک باتری لیتیوم یونی می تواند 5 یا 10 کیلوگرم در هر کیلووات ساعت وزن داشته باشد.
نحوه عملکرد باتری سرب اسید در مقایسه با باتری لیتیوم یون در دماهای مختلف
قرار گرفتن در معرض دمای شدید می تواند به شدت بر عملکرد و طول عمر باتری شما تأثیر منفی بگذارد. در این بخش عملکرد باتری‌های لیتیوم یونی و سرب اسید در دمای نامطلوب را مورد بررسی قرار می دهیم.
نحوه عملکرد در دمای زیاد
باتری‌های لیتیوم یونی در دماهای بالا بهتر از باتری‌های سرب اسیدی عمل می‌کنند. بعنوان مثال یک باتری لیتیوم یونی در دمای 55 درجه سانتی گراد چرخه عمر دو برابر بیشتر ازیک باتری سرب اسیدی که در دمای 25 درجه سانتی گراد قرار گرفته است خواهد داشت. بالاترین دمای کاری قابل تحمل برای باتری لیتیوم یون 60 درجه سانتی گراد است. باتری های سرب اسیدی در دمای بسیار بالا عملکرد خوبی ندارند. دمای کار بهینه برای باتری های سرب اسید 25 تا 30 درجه سانتی گراد است.
نحوه عملکرد در دمای کم
دمای بسیار پایین بر کیفیت شارژ و طول عمر باتری تأثیر می گذارد. در دماهای بسیار پایین، باتری های سرب اسیدی عملکرد ضعیفی دارند و ظرفیت و راندمان معمول آنها کاهش می یابد.
همچین در دمای بسیار کم الکترولیت‌های باتری‌های لیتیوم یونی ممکن است ضخیم شده و کند شوند و باعث حرکت کند یون‌ها شود. این کند شدن سرعت می تواند بر عملکرد باتری تأثیر منفی بگذارد.
مقایسه قیمت باتری سرب اسید با باتری لیتیوم یون
به طور کلی باتری های سرب اسید در مقایسه با لیتیوم یون ارزان تر هستند. هزینه باتری های لیتیوم یونی می تواند حداقل دو برابر بیشتر از سرب اسید با ظرفیت مشابه باشد. تفاوت زیاد در قیمت ها به دلیل طول عمر بیشتر، ایمنی و راندمان بالاتر باتری لیتیوم یون در مقایسه با اسید سرب است. به طور متوسط، هزینه یک باتری سرب اسیدی در هر کیلووات ساعت تقریباً 100 تا 200 دلار است، در حالی که هزینه باتری لیتیوم یونی در هر کیلووات ساعت 300 تا 500 دلار است.
مقایسه باتری سرب اسید با باتری لیتیوم یون از نظر میزان ایمنی
باتری های لیتیوم یونی در مقایسه با باتری های سرب اسیدی بسیار ایمن تر هستند. این نوع باتری همچنین ضد نشت بوده و نسبت به باتری های سرب اسید آسیب کمتری به محیط زیست وارد می کنند. البته باتری های سرب اسید نوع سیلد اسید هم که بیشتر در یو پی اس ها مورد استفاده قرار می گیرند نیز خاصیت ضد نشت دارند. باتری‌های لیتیوم یون دارای ویژگی‌های ایمنی داخلی هم هستند که از جمله می توان به محافظت در برابر حرارت در آنها اشاره کرد. باتری های سرب اسید از اسید سولفوریک به عنوان الکترولیت استفاده می کنند که در صورت نشتی تصادفی بسیار خورنده است. ای نوع باتری در صورت شارژ بیش از حد گازهای هیدروژن و اکسیژن تولید می کند که می تواند باعث انفجار شود که البته به ندرت اتفاق می افتد. علاوه بر این، باتری‌های سرب اسیدی مستعد فرار حرارتی هستند، این حالت زمانی اتفاق می‌افتد که باتری از داخل گرما تولید می‌کند و به محیط اطراف خود نیز ساطع نموده و می تواند به باتری های کنار خود و یا دستگاهها آسیب برساند.
مقایسه میزان سازگاری باتری سرب اسید و باتری لیتیوم یون در محیط های مختلف
هر دو نوع باتری به دماهای شدید و شرایط مختلف محیطی مانند رطوبت و لرزش حساس هستند.
تاثیر دما
محدوده دمایی مطلوب برای باتری های لیتیوم یونی بین 0 تا 40 درجه سانتی گراد است اما با این وجود باتری‌های لیتیوم یونی در صورت قرار گرفتن در دمای 60 درجه سانتی‌گراد همچنان می‌توانند به طور موثر کار کنند.
این مقدار برای باتری های سرب اسید بین 20 تا 25 درجه سانتی گراد می باشد.
تاثیر رطوبت
باتری‌های لیتیوم یونی انعطاف‌پذیری بهتری در رطوبت بالاتر از حد استاندارد نسبت به باتری های سرب اسید دارند. باتری‌های لیتیوم یونی عایق بندی بدنه مناسبتری نسبت به نوع سرب اسید دارند بنابراین رطوبت به اجزای داخلی باتری نمی‌رسد.
باتری های سرب اسیدی و به خصوص پایانه های آن در صورت قرار گرفتن در معرض رطوبت بیش از حد بیشتر در معرض خوردگی و آسیب هستند. اگرچه باتری های لیتیوم یونی در شرایط مرطوب عملکرد بهتری دارند، اما هر دو باتری در هوای با رطوبت کمتر کارکرد بهتر و دوام بیشتری دارند.
تاثیر لرزش و ارتعاش در محیط
لرزش و ارتعاشات شدید باعث تخریب سریع باتری، افزایش امپدانس سلولی و کاهش ظرفیت می شود. علاوه بر این، ارتعاشات شدید صفحات باتری را جابجا کرده و باعث شل شدن اجزای داخلی می شود. همچنین می‌تواند باعث ایجاد ترک در اتصالات سلول، جداکننده‌ها و بدنه شود که منجر به نشت الکترولیت و در نتیجه خوردگی شود. معمولاً باتری‌های لیتیوم یونی با پیوند محکمتری که در اجزای داخلی دارند در اثر ارتعاش آسیب ندیده یا حداقل آسیب را می بینند.
مقایسه نحوه نگهداری باتری سرب اسید و باتری لیتیوم یون
هر دو باتری های سرب اسید نوع سیلد که در یو پی اس ها کاربرد دارند و تمامی باتری های لیتیوم یونی بی نیاز از تعمیر و نگهداری بوده و نیازی به افزودن آب یا سایر مواد شیمیایی به آنها نیست. محفظه هر دو باتری در نفوذ ناپذیر طراحی شده است.
باتری لیتیوم یون برای یو پی اس مناسب تر است یا باتری سرب اسید ؟
در پاسخ به این سوال می توان گفت در مجموع باتری لیتیوم یون برای یو پی اس مناسب تر است زیرا دوام و طول عمر بیشتری دارد، راندمان بالاتری دارد، وزن کمتری داشته و حجم کمتری اشغال می کند، مطمئن تر است و خرابی کمتری دارد. اما باید در نظر داشت که استفاده از این نوع باتری بخصوص در کشور ما محدودیت های جدی به همراه دارد. از جمله باید اشاره کرد که باتری های لیتیوم یونی قیمت بسیار بالاتری در حدود 3 برابر باتری های سرب اسیدی داشته و بویژه در ایران بسیار کمیاب هستند و تولید کننده ی داخلی برای این باتری وجود ندارد. از طرف دیگر نوع خاصی از یو پی اس های خارجی برای کار با باتری های لیتیوم یونی طراحی شده اند که تقریبا می توان گفت در ایران چنین یو پی اس هایی یافت نمی شود. با در نظر گرفتن این موارد می توان گفت گزینه در دسترس برای استفاده در ایران باتری های سرب اسید هستند.
اولین دیدگاه را ثبت کنید