تفاوت باتری لیتیوم یون و لیتیوم فسفات

در سطح عمومی، هر دو نوع باتری که در این مقاله مقایسه می‌شوند — یعنی «باتری‌های لیتیوم یون» و «باتری‌های لیتیوم آهن فسفات (LiFePO4 یا LFP)» — زیرمجموعه‌ای از فناوری‌های مبتنی بر یون لیتیم هستند. تفاوت اصلی در مادهٔ کاتد است: باتری‌های لیتیوم-یون متداول از کاتدهای مختلفی مانند اکسید کبالت، اکسید نیکل منگنز و ترکیب‌های دیگری بهره می‌برند، در حالی که LiFePO4 از فسفات آهن لیتیوم به عنوان کاتد استفاده می‌کند. این تفاوت شیمیایی، نقشی تعیین‌کننده در ویژگی‌های ایمنی، چگالی انرژی، طول عمر، هزینه تولید، و رفتار حرارتی و چرخه‌ای باتری ایفا می‌کند. به عبارت دیگر، ما با دو انتخاب روبه‌رو هستیم که هر یک در یک یا چند جنبه نسبت به دیگری برتری دارند؛ انتخاب مناسب تابع نیازهای کاربردی، اولویت در ایمنی یا وزن و اندازه، و ملاحظات اقتصادی خواهد بود.

شیمی و ساختار داخلی؛ چرا مادهٔ کاتد مهم است؟

باتری‌ها انرژی را از طریق جابجایی یون لیتیم بین کاتد و آند ذخیره و آزاد می‌کنند. در باتری‌های لیتیوم-یون متداول، کاتد می‌تواند از ترکیباتی چون LiCoO2، LiMn2O4، یا ترکیبات نیکل-منگنز-کبالت (NMC) باشد. این مواد معمولاً انرژی ویژهٔ بالاتری ارائه می‌دهند و به همین دلیل در دستگاه‌هایی که فضای محدود و نیاز به وزن کم دارند (مثل گوشی موبایل، لپ‌تاپ) ترجیح داده می‌شوند.

در مقابل، LiFePO4 از مادهٔ فسفات آهن لیتیوم برای کاتد استفاده می‌کند که از نظر ساختاری و شیمیایی پایدارتر است. این پایداری به معنای مقاومت بیشتر در برابر تجزیه هنگام دماهای بالا، احتمال کمتر در وقوع پدیدهٔ «فرار حرارتی» و آتش‌سوزی، و رفتار قابل‌اطمینان‌تر تحت شرایط سخت است. البته این پایداری با هزینه‌ همراه است: LiFePO4 دارای چگالی انرژی پایین‌تری نسبت به برخی انواع لیتیوم-یون است، یعنی برای همان مقدار انرژی ذخیره‌شده، حجم یا وزن بیشتری نیاز است.

چگالی انرژی و محدودهٔ کاربردها

یکی از معیارهای کلیدی در انتخاب باتری، چگالی انرژی یا انرژی در واحد حجم/وزن است. باتری‌های لیتیوم یونِ با کاتدهای پرانرژی (مثل NMC یا LiCoO2) در این پارامتر برتری دارند و بنابراین برای کاربردهایی که نیاز به حداکثر برد یا کم‌وزن بودن تجهیزات دارند — از جمله بخش بزرگی از خودروهای الکتریکی، ابزارهای الکترونیک مصرفی و برخی پهپادها — انتخاب غالب هستند.

LiFePO4 با چگالی انرژی پایین‌تر مناسب کاربردهایی است که فضای زیادی در دسترس است اما ایمنی و طول عمر اهمیت بیشتری دارند؛ مثلاً ذخیره‌سازی انرژی خورشیدی خانگی یا صنعتی، سیستم‌های پشتیبان برق (UPS)، قایق‌ها، و کاروان‌ها.

” بیشتر بخوانید: مقایسه بین باتری‌های لیتیوم یون و باتری‌های لیتیوم پلیمر “

ایمنی و پایداری حرارتی؛ LiFePO4 امن‌تر است

یکی از پررنگ‌ترین تفاوت‌ها میان این دو فناوری مربوط به ایمنی است. ساختار فسفات آهن لیتیوم به‌خاطر پایداری شیمیایی‌اش در برابر تجزیه شدن گرمایی مقاوم‌تر است؛ در نتیجه LiFePO4 کمتر مستعد بیش‌گرم‌شدن و آتش‌گرفتن است. این ویژگی باعث می‌شود در محیط‌هایی که احتمال ضربه مکانیکی، دماهای بالا یا شرایط شارژ/دشارژ تهاجمی وجود دارد، LFP گزینهٔ امن‌تری باشد. در مقابل، برخی ترکیبات کاتدِ لیتیوم یون می‌توانند در شرایط نامناسب (شارژ بیش از حد، دماهای بالا، نقص در مدار کنترل) وارد مرحلهٔ فرار حرارتی شوند که ممکن است به آتش‌سوزی یا انفجار منجر شود.

به همین دلیل، در کاربردهای حساس یا در حجم‌های بزرگِ پکیج‌های باتری (مانند ایستگاه‌های ذخیره‌سازی شبکه یا بخش‌هایی از ناوگان خودروهای برقی که ایمنی بر رانج ارجحیت دارد)، LiFePO4 اغلب ترجیح داده می‌شود.

طول عمر چرخه‌ای؛ هزینهٔ عمر عملیاتی

طول عمر چرخه‌ای (تعداد سیکل‌های شارژ و دشارژ تا رسیدن به ظرفیت قابل‌استفادهٔ پایین‌تر از حدود ۸۰٪) در تصمیم‌گیری صنعتی اهمیت بالایی دارد. LiFePO4 معمولاً توانایی تحمل چرخه‌های بیشتری دارد؛ برای مثال LFP می‌تواند تا حدود ۲۰۰۰ سیکل یا بیشتر تحت شرایط عادی دوام بیاورد، در حالی که برخی باتری‌های لیتیم یون متداول ممکن است حدود ۱۰۰۰ سیکل قبل از کاهش قابل‌توجه ظرفیت داشته باشند. این بدان معناست که اگر یک کاربرد نیاز به چرخه‌های مکرر و عمر بلندمدت دارد، هزینهٔ کل مالکیت (TCO) برای LiFePO4 ممکن است در بلندمدت کمتر از گزینه‌ای با چگالی انرژی بالاتر اما عمر کمتر باشد.

با این حال، این اعداد بسیار وابسته به کیفیت سلول‌ها، پروفایل شارژ/دشارژ، دما و برد مدیریت باتری (BMS) هستند؛ یعنی دو باتری از یک نوع می‌توانند رفتار چرخه‌ای متفاوتی نشان دهند. بنابراین ارزیابی دقیق بر مبنای داده‌های کارخانه‌ای و آزمون‌های واقعی لازم است.

عملکرد شارژ/دشارژ و بازده انرژی

هر دو فناوری می‌توانند بازده شارژ/دشارژ بالایی ارائه دهند اما رفتارشان متفاوت است. باتری‌های لیتیوم یون معمولاً نرخ شارژ سریع‌تر و توان بالاتری برای چگالی توان (توان در واحد وزن یا حجم) دارند که برای کاربردهای نیازمند جریان‌های اوج قوی یا شارژ سریع مفید است. LiFePO4 ممکن است نرخ شارژ کمی کندتر داشته باشد اما در مقابل بازده انرژی بالایی در سیکل‌های متعدد حفظ می‌کند و خود تخلیهٔ کمتری نشان می‌دهد؛ این یعنی اگر باتری مدت طولانی بدون استفاده بماند، LFP شارژ خود را بهتر نگه می‌دارد.

در کاربردهایی که توان لحظه‌ای بالا (پیک) مورد نیاز است، پیاده‌سازی دقیق پک سلولی و سیستم مدیریت توان نیز تأثیر زیادی دارد. به‌علاوه، رفتار در دماهای بالا و پایین متفاوت است: LFP در دماهای بالا پایداری بهتری دارد و کمتر دچار افت عملکرد می‌شود، اما در دماهای بسیار پایین ممکن است برخی انواع لیتیوم یون با فرمولاسیون‌های ویژه برتری داشته باشند.

هزینهٔ تولید و اقتصادی بودن

از دید هزینهٔ ساخت، LiFePO4 معمولاً ارزان‌تر است؛ دلیل آن هم در دسترس بودن مواد اولیهٔ نسبتاً ارزان (آهن نسبت به نیکل یا کبالت ارزان‌تر است) و فرایندهای تولیدی کم‌ريسک‌تر است. ولی این هزینهٔ اولیه باید در کنار چگالی انرژی پایین‌تر قرار گیرد: برای دستیابی به همان ظرفیت انرژی، باتری‌های LFP ممکن است حجم یا جرم بیشتری نیاز داشته باشند که هزینهٔ مواد و ساخت بستهٔ نهایی را افزایش دهد. بنابراین تحلیل اقتصادی باید هزینهٔ اولیه، هزینهٔ نگهداری، طول عمر و هزینهٔ جایگزینی را در طول عمر سیستم در نظر بگیرد.

در برخی بازارها، کاهش قیمت سلول‌های LFP طی چند سال اخیر موجب شده این فناوری برای خودروهای برقی و محصولات ذخیره‌سازی انرژی مقرون‌به‌صرفه‌تر شود، به‌ویژه آنجا که افزایش تراکم انرژی دیگر از الزام بالایی برخوردار نیست و یا ایمنی و عمر طولانی‌تر اولویت دارند.

“بیشتر بخوانید: انواع باتری‌ و مقایسه آن ها “

بازیافت و اثرات زیست‌محیطی

مسألهٔ بازیافت باتری‌ها و بازیابی مواد ارزشمند هم اهمیت فزاینده‌ای یافته است. LiFePO4 به‌دلیل عدم استفاده از برخی فلزات سنگین و مواد پرخطر (مانند کبالت) در کاتد، از منظر زیست‌محیطی کمتر مشکل‌ساز است و فرایند بازیافت آن ساده‌تر و کم‌خطرتر تصور می‌شود. از طرف دیگر، برخی ساختارهای لیتیم یون که دارای کبالت یا نیکل زیادی هستند نیاز به فرایندهای پیچیده‌تر و ایمن‌تری برای بازیابی مواد دارند.

یکی از روش‌های نوآورانه‌، جداسازی مغناطیسی برای تصفیهٔ پودرهای مورد استفاده در ساخت باتری است؛ این روش می‌تواند ناخالصی‌ها را از پودر حذف کند و کیفیت مواد بازگردانی‌شده را بالا ببرد. چنین فناوری‌هایی می‌توانند کارایی بازیافت را افزایش داده و چرخهٔ مواد را بهبود بخشند؛ ولی باید به‌صورت فنی و اقتصادی سنجیده شوند تا مشخص شود در عمل تا چه حد مقرون‌به‌صرفه‌اند.

مدیریت باتری (BMS) و طراحی پک باتری

هر دو فناوری نیازمند یک سیستم مدیریت باتری (BMS) مناسب برای محافظت، متعادل‌سازی سلول‌ها، کنترل شارژ و دشارژ و ثبت داده‌ها هستند. نقش BMS در جلوگیری از شرایط خطرناک (شارژ بیش از حد، دشارژ بیش از حد، جریان‌های نامعمول، دماهای ناامن) حیاتی است و کیفیت BMS می‌تواند تفاوت بزرگی در ایمنی و عمر مفید بوجود آورد. بسته‌بندی فیزیکی، تهویهٔ حرارتی، کنترل دما و سیستم‌های حفاظتی الکترونیکی همه اجزای ضروری در طراحی یک پک باتری قابل‌اعتمادند.

در کاربردهای صنعتی و وسایل نقلیهٔ برقی، یک طراحی پک باتری با تهویهٔ مناسب و BMS هوشمند می‌تواند ریسک‌های ایمنی را کاهش دهد و عمر عملیاتی را افزایش دهد، فارغ از اینکه سلول‌ها LFP باشند یا انواع دیگر لیتیوم-یون.

” در صورت نیاز به خرید ماژول BMS کلیک کنید “

کاربردهای رایج؛ کجا کدام را انتخاب می‌کنند؟

• محصولات الکترونیکی کوچک و قابل‌حمل: به‌دلیل نیاز به وزن کم و چگالی انرژی بالا، معمولاً از باتری‌های لیتیوم‌یون پیشرفته استفاده می‌شود.

• خودروهای برقی مسافری و تجاری: انتخاب بین LFP و سایر لیتیوم‌-یون‌ها به عواملی مانند برد، هزینه، ایمنی و طول عمر وابسته است.
  • در نسخه‌های اقتصادی یا خودروهای سبک، اغلب LFP به‌دلیل ایمنی بیشتر و عمر طولانی ترجیح داده می‌شود.
• ذخیره‌سازی انرژی خورشیدی خانگی یا شبکه‌ای: به‌خاطر چرخهٔ شارژ/دشارژ عمیق و طول عمر زیاد، LFP معمولاً گزینهٔ برتر است.
• تجهیزات صنعتی، UPS، مراکز مخابراتی، قایق‌ها و کاروان‌ها: به‌دلیل ثبات، امکان سیکل‌های عمیق و ایمنی، باتری‌های LiFePO4 کاربرد گسترده‌ای دارند.

• ابزارهای برقی با توان بالا و تجهیزات نظامی یا صنعتی: برای نیاز به توان اوج بالا ممکن است همچنان از سلول‌های لیتیوم-یون با طراحی ویژه استفاده شود.

” بیشتر بخوانید: باتری‌های LiFePO₄ یکه تاز بازار خودروهای برقی “

ملاحظات دمایی، خود-دشارژ و نگهداری

نگهداری و شرایط محیطی تأثیر مستقیمی روی عمر و ایمنی باتری دارد. LiFePO4 در دماهای بالا پایداری بهتری نشان می‌دهد و در نتیجه در محیط‌های گرم یا هنگامی که باتری در معرض بار حرارتی است، عملکرد مطمئن‌تری دارد. هر دو نوع از شارژ و دشارژ در دماهای بسیار پایین آسیب می‌بینند اما رفتارهای آنها متفاوت است؛ طراحی‌های خاص و افزودنی‌های الکترولیتی می‌تواند عملکرد در دماهای پایین را بهبود دهد. همچنین LiFePO4 معمولاً نرخ خود-دشارژ پایین‌تری دارد که برای کاربردهایی که باتری طولانی‌مدت بدون استفاده می‌ماند مفید است.

نکات ایمنی عملی برای کاربران و نصابان

صرف‌نظر از نوع باتری، رعایت چند قاعدهٔ بنیادی ایمنی همیشه ضروری است: استفاده از شارژر و BMS مناسب، پرهیز از شارژ در دماهای نامناسب، جلوگیری از آسیب مکانیکی یا سوراخ‌شدن سلول، نگهداری از باتری در محیط خشک و تهویه‌شده، و استفاده از بسته‌بندی‌ها و اتصالات استاندارد. برای LiFePO4 نیز باید از رعایت محدودیت‌های جریان و دما اطمینان حاصل کرد، اما خطرات آتش‌سوزی ناگهانی نسبت به برخی لیتیوم-یون‌ها کمتر است.

انتخاب برای پروژه: پرسش‌هایی که باید پاسخ دهید

وقتی قرار است برای یک پروژه باتری انتخاب کنید، پرسش‌هایی که باید از خود بپرسید عبارت‌اند از:

• آیا فضا یا وزن محدود است؟
• آیا ایمنی در اولویت است؟
• آیا سیستم باید صدها یا هزاران سیکل را تحمل کند؟
• آیا هزینهٔ اولیه یا هزینهٔ کل مالکیت برای شما مهم‌تر است؟
• چه دمای عملیاتی‌ای انتظار می‌رود؟

پاسخ به این پرسش‌ها مسیر انتخاب بین LFP و انواع لیتیوم یون را روشن می‌کند. اگر فضای کمتری دارید و هر گرم و میلی‌متر حیاتی است، احتمالاً لیتیومیون با چگالی انرژی بالا انتخاب می‌شود؛ اگر ایمنی، طول عمر و پایداری حرارتی مهم‌اند، LiFePO4 منطقی‌تر است.

جدول مقایسه ویژگی ها

نوآوری‌ها و آیندهٔ بازار

صنعت باتری در حال تکامل سریع است. پیشرفت در مواد الکترولیت، آنودها، و فرایندهای تولید می‌تواند چگالی انرژی LFP را افزایش دهد یا پایداری انواع دیگر لیتیوم یون را بهبود بخشد. همچنین توسعهٔ فناوری‌های بازیافت و فرایندهای پاک‌سازی مواد می‌تواند هزینه‌ها و اثرات زیست‌محیطی را کاهش دهد. بنابراین انتخاب امروز باید با نگاه به چشم‌انداز فناوری و قابلیت تعویض یا ارتقاء سیستم در آینده همراه باشد.

جمع‌بندی و توصیهٔ نهایی

در پایان، باید گفت هیچ «برندهٔ مطلق»‌ای وجود ندارد؛ LiFePO4 و لیتیوم یون هر کدام در شرایط و کاربردهای خاصی بهترین کارایی را دارند. اگر اولویت شما ایمنی، پایداری حرارتی و طول عمر چرخه‌ای است — به‌ویژه در کاربردهای ذخیره‌سازی انرژی، UPS، ناوگان‌های کاربردی یا محیط‌های دریایی/کاروانی — LiFePO4 گزینهٔ معقول و اقتصادی در بلندمدت است. اگر اولویت اصلی شما حداکثر چگالی انرژی، وزن و فضا و همچنین شارژ سریع است — مثل گوشی‌های همراه، لپ‌تاپ‌ها یا برخی مدل‌های خودروهای الکتریکی با هدف برد بالا — انواع پیشرفتهٔ لیتیوم-یون مناسب‌تر خواهند بود.

در کاربردهای واقعی اغلب تصمیم ترکیبی است: برخی خودروسازان از LFP در نسخه‌های اقتصادی خودرو استفاده می‌کنند و برای مدل‌های با برد بیشتر از سلول‌های NMC یا مشابه استفاده می‌کنند. همچنین هنگام مقایسهٔ قیمت و هزینهٔ کل مالکیت، به هزینهٔ جایگزینی، میانگین طول عمر مورد انتظار و هزینهٔ سرویس‌دهی در طول عمر توجه کنید.

اگر پروژهٔ شما نیاز به تحلیل دقیق‌تری دارد، می‌توانید برای انتخاب باتری با مشاورین رها باتری در تماس باشید.

منابع مقاله: fogstar.co.uk ، elcanindustries.com ، evlithium.com