تا به امروز باتری های لیتیوم یون Li ion به عنوان بهترین نوع برای استفاده در وسایل حمل و نقل شناخته شده اما ظاهرا یک ظرفیت جدید به نام ” باتری لیتیوم آهن فسفات (LiFePO4) ” در حال اضافه شدن به بازار است و ممکن است در صنعت وسایل نقلیه مدرن خصوصا اسکوترهای برقی جدید بسیار پر استفاده شود. ما در این مقاله به طور اخص قصد داریم در باره کاربرد باتری فسفات در وسایل حمل و نقل الکتریکی صحبت کنیم. این باتری های لیتیوم آهن فسفات (LiFePO4)به خاطر ویژگی هایی مثل امنیت و قوام بیشتر و همچنین چرخه عمر طولانی ( نسبت به نمونه های لیتیم یون ) مورد توجه سازندگان محصولات تجاری قرار گرفت. آیا ممکن است در آینده نه چندان دور سلول های آهن فسفات جایگزین سلول های لیتیم یون در وسایل نقلیه گردد ؟!
وقتی صحبت از وسایل حمل و نقل الکتریکی می شود باید به نکاتی درباره بازدهی آن توجه داشت. قبلا در مقاله باتری های وسایل حمل و نقل الکتریکی درباره نکاتی مانند ظرفیت، مدت زمان شارژ ، بازدهی و سایر مشخصات و ویژگی باتری ها خصوصا باتری اسکوتر برقی صحبت کردیم. در ادامه می خواهیم بررسی کنیم که مشخصات اصلی باتری های فسفات چیست و چطور می تواند برای وسایل نقلیه مناسب باشد ؟
درباره ساختار باتری های فسفات
باتری شارژی با استفاده از فرآیندهای الکتروشیمیایی کار می‌کند که شامل دو مرحله اصلی است: شارژ و دشارژ. در حالت شارژ، جریان الکتریکی از طریق منبع برق خارجی وارد باتری می‌شود و باعث می‌شود که یون‌های مثبت از کاتد به آند حرکت کنند و انرژی الکتریکی به انرژی شیمیایی تبدیل شود و در باتری ذخیره گردد. در حالت دشارژ، این فرآیند برعکس می‌شود؛ یون‌های مثبت از آند به کاتد بازمی‌گردند و انرژی شیمیایی ذخیره‌شده به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود و به دستگاه متصل شده منتقل می‌گردد. این چرخه شارژ و دشارژ می‌تواند بارها تکرار شود، که به باتری قابلیت استفاده مجدد می‌دهد.
برای ساخت باتری‌های LFP فسفات ، از فسفات آهن لیتیوم (LiFePO4) به عنوان ماده کاتد استفاده می‌شود و در ساختار آن ؛ الکترود کربن گرافیت با پشتی فلزی به عنوان آند قرار دارد. برخلاف بسیاری از مواد کاتدی، LFP دارای ترکیب پلی‌آنیونی است که از بیش از یک عنصر دارای بار منفی تشکیل شده است. این ساختار باعث افزایش پایداری حرارتی و ایمنی می‌شود و آن را برای کاربردهایی که نیاز به ایمنی و طول عمر بالا دارند، مناسب می‌سازد.
در مقایسه با لیتیم یون :
در مقابل، در باتری‌های لیتیوم-یون که سابقا توسط انسان های نابغه اختراع شده بود، از موادی مانند اکسید لیتیوم کبالت (LiCoO2) به عنوان کاتد استفاده می‌شود و الکترود گرافیتی به عنوان آند قرار دارد. این مواد کاتدی دارای ساختار تک‌آنیونی هستند و به دلیل ویژگی‌های شیمیایی خاصی که دانشمندان برای آن در نظر گرفته اند، چگالی انرژی بالاتری نسبت به LFP دارند.
اگرچه ممکن است سلول های li-ion به حفاظت حرارتی بیشتری نیاز داشته باشند اما در مقایسه سایر باتری هایی مانند فسفات برای کاربردهایی که نیاز به چگالی انرژی بالا و وزن کمتر دارند مناسب باشد؛ زیرا ظرفیت ذخیره سازی نسبت به حجم بیشتر از باتری های قدیمی اسید سرب و حتی باتری های جدید فسفات است !
سرنوشت نهایی
سلول های فسفات در مقایسه با اکثر باتری های دیگر؛ مزایا و برتری هایی دارند. ویژگی هایی مانند : ایمنی بیشتر و چرخه شارژ طولانی تر در این سلول ها دیده می‌شود. حال در صورتیکه چرخه شارژ یک باتری مربوط به وسیله نقلیه بیشتر باشد؛ برای سالهای طولانی تری می توان از یک ( پک ) باتری استفاده نمود. چرخه شارژ طولانی یک مزیت جدی محسوب می گردد.
برای جایگزینی سلول فسفات 18650 با سلول های لیتیم 18650 ( با کیفیت یکسان ) باید دست کم 30% هزینه بیشتری پرداخت کرد، زیرا هر ( پک / بسته ) باتری حاوی سلول 18650 فسفات ؛ چگالی کمتری نسبت به محصولات مشابه دارد.
این یعنی اگر سازندگان بخواهند ظرفیت پک باتری ساخته شده از سلول فسفات را حفظ کنند؛ برای جایگزین کردن یک پک فسفات با پک ion باید تعداد سلول بیشتری را استفاده کنند. یا اینکه خریدار مجبور است حداقل 30% هزینه بیشتری پرداخت کند. امیدوارم با افزایش ظرفیت ذخیره سازی هر سلول 18650 ( از جنس فسفات ) و کاهش قیمت آن در مقابل مدل های مشابه؛ شرایط استفاده از باتری هایی با ایمنی بیشتر ، چرخه شارژ طولانی و بازدهی بالا برای کاربران و علاقه مندان به وسایل حمل و نقل الکتریکی محیا گردد.
در بررسی هزینه‌های خرید سلول‌های باتری لیتیوم آهن فسفات (LiFePO4) و لیتیوم-یون با ظرفیت و کیفیت مشابه، نتایج زیر به دست آمده است:
قیمت باتری‌های LiFePO4:
- LiFePO4 18650 باتری: با ظرفیت 1500 میلی‌آمپر ساعت، قیمت‌ها بین 4 تا 9 دلار متغیر هستند.
قیمت باتری‌های لیتیوم-یون:
- لیتیوم-یون 18650 باتری: با ظرفیت مشابه 1500 میلی‌آمپر ساعت، معمولاً قیمت‌ها بین 3 تا 7 دلار هستند، اما بسته به برند و مشخصات فنی می‌تواند متغیر باشد.
تحلیل:
- هزینه بالاتر LiFePO4: باتری‌های LiFePO4 به دلیل طول عمر بیشتر و ایمنی بالاتر معمولاً هزینه بالاتری دارند. این باتری‌ها مناسب‌تر برای کاربردهایی هستند که نیاز به پایداری و ایمنی بیشتر دارند، مانند سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی و خودروهای برقی.
- هزینه پایین‌تر لیتیوم-یون: این باتری‌ها به دلیل چگالی انرژی بالاتر و هزینه کمتر، بیشتر در دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل و کاربردهایی که به وزن کمتر و چگالی انرژی بیشتر نیاز دارند، استفاده می‌شوند.
