باتری‌های لیتیومی، یا باتری‌های لیتیوم-یون که اغلب به این نام خوانده می‌شوند، با ذخیره و آزاد کردن انرژی از طریق ذرات بسیار کوچک به نام یون‌های لیتیوم کار می‌کنند. وقتی باتری در حال تأمین انرژی برای چیزی است، این یون‌ها در واقع از یک سر باتری (آند) به سر دیگر (کاتد) سفر می‌کنند. همین حرکت کلی است که باعث می‌شود آنها نسبت به فناوری باتری‌های قدیمی‌تر بسیار خاص باشند. آنها می‌توانند توان بیشتری را در فضای کوچک‌تری بدون اینکه اصلاً سنگین باشند، جای دهند. به همین دلیل است که گوشی‌ها و لپ‌تاپ‌ها هر روز نازک‌تر می‌شوند ولی همچنان بین دو شارژ مدت زمان بیشتری دوام می‌آورند. چگالی انرژی آنها به‌طور کامل اکثر گزینه‌های موجود در بازار امروزی را فرامی‌گیرد.
باتری‌های لیتیومی امروزه تقریباً در همه‌جا حضور دارند، زندگی ما به شدت به فناوری وابسته شده است. این منابع انرژی همه چیز را از دستگاه‌های روزمره مانند تلفن‌ها و لپ‌تاپ‌ها تا چیزهای بزرگ‌تر مانند خودروهای برقی و سیستم‌های ذخیره انرژی خورشیدی به حرکت درمی‌آورند. چه چیزی باعث محبوبیت آنها شده است؟ خب، این باتری‌ها از وزن سبکی برخوردارند و در عین حال توانایی نگه داشتن شارژ را برای مدت‌های طولانی‌تری دارند. به همین دلیل است که به شدت به آنها متکی شده‌ایم، نه تنها برای اسباب‌بازی‌های جیبی ما، بلکه برای پیشبرد گزینه‌های انرژی سبزتر که شرکت‌های زیادی اکنون به طور گسترده در آن سرمایه‌گذاری می‌کنند.
باتری‌های لیتیومی از طریق ایجاد الکتریسیته با واکنش‌های شیمیایی درون خود کار می‌کنند، در واقع لیتیوم‌های ریز را حرکت می‌دهند تا جریان الکتریکی ایجاد شود. وقتی از این باتری‌ها استفاده می‌کنیم، ذرات لیتیومی شروع به حرکت از یک طرف (که آند نام دارد) به طرف دیگر (کاتد) می‌کنند و در مسیر خود از ماده‌ای به نام الکترولیت عبور می‌کنند. با حرکت این ذرات به جلو و عقب، الکتریسیته تولید می‌شود که باعث کارکرد دستگاه‌هایی از جمله تلفن‌های هوشمند و خودروهای برقی می‌شود. به دلیل کارایی بالای این باتری‌ها در ذخیره و تخلیه انرژی، باتری‌های لیتیومی برای چیزهایی مثل پنل‌های خورشیدی و توربین‌های بادی که در آنها تأمین پایدار انرژی اهمیت زیادی دارد، بسیار مهم شده‌اند.
هنگامی که باتری‌های لیتیومی را شارژ می‌کنیم، در واقع یون‌های لیتیوم به سمت قسمت آند باتری حرکت می‌کنند. برای این کار، باید مقداری الکتریسیته از خارج از خود باتری اعمال کنیم. ولتاژ باید از مقدار موجود در باتری بالاتر باشد، تقریباً مثل فشار دادن در برابر فشار آب. این فشار یون‌های کوچک را دوباره به سمت سطح آند سوق می‌دهد. این فرآیند تقریباً عکس حالتی است که باتری در حال استفاده است، زیرا در آن حالت یون‌ها به طور طبیعی به سمت کاتد حرکت می‌کنند. این حرکت‌های مداوم بین آند و کاتد برای اینکه باتری بتواند انرژی را به خوبی نگه دارد و دوباره آزاد کند، بسیار مهم هستند. بدون این تبادل، گوشی‌های ما بین هر دو شارژ به همان اندازه دوام نمی‌آوردند. و سخن را که بر سر مسائل واقعی می‌گذاریم، این فرآیند باعث می‌شود باتری‌های لیتیومی برای کاربردهایی مانند خودروهای الکتریکی و ذخیره انرژی‌های تجدیدپذیر در شبکه‌های بزرگ بسیار مفید باشند و به ما کمک کنند تا در مجموع به سمت منابع انرژی پاک‌تر حرکت کنیم.
انواع مختلفی از باتری‌های لیتیومی در دسترس هستند که هر کدام با توجه به مواد شیمیایی تشکیل‌دهنده و نحوه عملکردشان برای کاربردهای خاصی مناسب هستند. به عنوان مثال می‌توان به باتری‌های لیتیوم فروفسفات یا همان LFP اشاره کرد. این نوع باتری‌ها به دلیل مقاومت خوب در برابر گرما و عمر طولانی‌شان که تا هزاران سیکل شارژ را پوشش می‌دهد، به انتخابی محبوب برای پروژه‌های ذخیره‌سازی انرژی تبدیل شده‌اند. همین امر باعث شده است که بخش انرژی تجدیدپذیر این باتری‌ها را به جای باتری‌های سرب-اسیدی قدیمی که نیاز به نگهداری مداوم دارند، به کار گیرد. نمونه‌های واقعی از نصب این باتری‌های LFP نشان می‌دهند که می‌توانند به راحتی بیش از ۲۰۰۰ سیکل شارژ کامل را تحمل کنند و در عین حال در شرایط کاری سنگین عملکرد خوبی داشته باشند. برخلاف برخی دیگر از فناوری‌های لیتیومی، این باتری‌ها از تخلیه کامل خود نیز نمی‌ترسند و این ویژگی باعث می‌شود در سیستم‌های انرژی خورشیدی و تأمین برق پشتیبان که انعطاف‌پذیری بالایی مورد نیاز است، بسیار مفید باشند.
باتری‌های LMO به طور گسترده در خودروهای برقی استفاده می‌شوند زیرا عملکرد خوبی را در شرایط مختلف ارائه می‌دهند. یکی از مزایای اصلی این است که حتی در صورت نوسان دما، پایداری خود را حفظ می‌کنند و همچنین اغلب از بسیاری از جایگزین‌ها ایمن‌تر هستند. ماده کاتدی خاصی که درون آنها قرار دارد اجازه می‌دهد تا بتوانند به سرعت شارژ شوند و جریان‌های بالاتری را نیز تحمل کنند. فراتر از خودروهای برقی، این باتری‌ها در ابزارهای برقی که نیاز به انفجارهای کوتاه از انرژی دارند و حتی در برخی دستگاه‌های پزشکی که به منابع انرژی قابل اعتمادی نیاز دارند، به خوبی کار می‌کنند. با این حال، معایبی نیز دارند؛ بیشتر باتری‌های LMO عمر کمتری نسبت به برخی رقبا دارند. آزمایش‌های واقعی نشان می‌دهند که معمولاً قبل از نیاز به تعویض، بین ۳۰۰ تا ۷۰۰ سیکل شارژ عمر می‌کنند. برای تولیدکنندگان این بدان معناست که همواره باید تعادلی میان داشتن آن ویژگی‌های عالی عملکردی و هزینه تعویض در آینده برقرار کنند.
باتری‌های LCO به دلیل توانایی ذخیره انرژی بالا در فضاهای کوچک در بسیاری از دستگاه‌های الکترونیکی مانند گوشی‌های هوشمند، تبلت‌ها و حتی لپ‌تاپ‌ها استفاده می‌شوند. کارایی بالای این باتری‌ها در تأمین عمر مفید طولانی‌تر دستگاه‌ها بدون اشغال فضای زیاد، از ویژگی‌های برجسته آنهاست. با این حال، یک مشکل اصلی در این باتری‌ها، حساسیت بیشتر آنها به گرما و همچنین فرسودگی سریع‌تر آنها با گذشت زمان است. با وجود این محدودیت‌ها، تولیدکنندگان همچنان به دلیل عدم وجود جایگزینی با چگالی انرژی مشابه، به استفاده از باتری‌های LCO برای دستگاه‌های الکترونیکی باریک و سبک امروزی ادامه می‌دهند.
وقتی باتری‌های لیتیومی را در کنار مدل‌های قدیمی اسید سربی قرار می‌دهیم، تفاوت‌ها از نظرات کلیدی از جمله وزن، تعداد دفعات شارژ ممکن و ظرفیت ذخیره‌سازی کلی برق بسیار مشهود می‌شوند. باتری‌های لیتیومی بسیار سبک‌تر هستند و همین دلیل باعث می‌شود که به‌جای واحدهای سنگین سربی که انگار داریم آجر می‌بریم، در وسایلی که مردم همراه خود حمل می‌کنند یا در ماشین‌ها استفاده می‌شوند، عملکرد بهتری داشته باشند. کاهش وزن منجر به بهره‌وری بیشتر در جابجایی طول روز می‌شود. مزیت دیگر لیتیوم در طول عمر آنها قبل از نیاز به تعویض است. بیشتر باتری‌های لیتیومی عمرشان به حدود 2000 سیکل شارژ کامل می‌رسد، در حالی که باتری‌های سربی اسیدی معمولاً پس از 500 تا حداکثر 1000 بار شارژ دیگر از کار می‌افتند. همچنین نباید از دانسیته انرژی آنها چشم‌پوشی کرد. لیتیوم تقریباً دو برابر انرژی در واحد حجم را نسبت به فناوری اسید سربی ذخیره می‌کند. همین موضوع است که باعث می‌شود تلفن‌های همراه و لپ‌تاپ‌هایمان بدون اینکه ابعاد یا وزنشان افزایش یابد، بین هر دو شارژ، مدت زمان بیشتری کار کنند. تمام این دلایل باعث شده‌اند که لیتیوم به گزینه اصلی برای دوام و بهره‌برداری بیشتر از هر شارژ تبدیل شود.
مقایسه باتری‌های نیکل متال هیدرید (NiMH) با باتری‌های لیتیومی نشان‌دهنده تفاوت‌های آشکاری در کارایی، عملکرد و هزینه‌های بهره‌برداری آنها است. باتری‌های لیتیومی به‌سادگی کارایی بهتری دارند چرا که انرژی بیشتری را در فضای کوچک‌تری ذخیره می‌کنند و بسیار سریع‌تر شارژ می‌شوند. این موضوع یعنی زمان کمتری برای شارژ صرف می‌شود و عملکرد کلی بهتر است، ویژگی‌ای که در وسایل نقلیه الکتریکی که هر دقیقه اهمیت دارد بسیار حیاتی است. تعمیر و نگهداری نیز حوزه‌ای است که در آن باتری‌های لیتیومی پیروز هستند. این باتری‌ها دارای اثر حافظه ناخوشایندی که در باتری‌های NiMH دیده می‌شود نیستند که موجب کاهش ظرفیت آنها پس از شارژهای جزئی مکرر می‌شود. علاوه بر این، باتری‌های لیتیومی طول عمر بیشتری دارند و بنابراین اگرچه هزینه اولیه آنها ممکن است بیشتر باشد، اما بیشتر شرکت‌ها در بلندمدت متوجه می‌شوند که این باتری‌ها از نظر هزینه کل مالکیت مقرون‌به‌صرفه‌تر هستند. برای صنایعی که به انرژی قابل اطمینان نیاز دارند و نمی‌خواهند هزینه تعویض‌های مکرر آنها را ببرد، باتری‌های لیتیومی به گزینه اصلی تبدیل شده‌اند، هرچند سرمایه‌گذاری اولیه در این زمینه بیشتر باشد.
بازیابی باتری‌های لیتیومی در کاهش اثرات زیست‌محیطی آنها اهمیت زیادی دارد. بیشتر فرآیندهای بازیابی به دنبال استخراج مواد ارزشمندی مانند لیتیوم، کبالت و نیکل از باتری‌های فرسوده هستند تا این مواد دیگر هدر نروند. این فرآیند با جمع‌آوری باتری‌های استفاده‌شده از منابعی مانند خودروهای برقی و وسایل الکترونیکی مصرف‌کننده و سپس تجزیه آنها به تکه‌های کوچک‌تر آغاز می‌شود. پس از جداسازی، این فلزات باارزش تمیز می‌شوند و دوباره وارد خطوط تولید برای مجموعه‌های باتری جدید می‌گردند، که به ایجاد یک سیستم اقتصاد دایره‌وار کمک می‌کند. علاوه بر صرفه‌جویی در مواد خام، بازیابی مناسب از ورود مواد شیمیایی خطرناک به محل‌های دفن زباله جلوگیری می‌کند، جایی که می‌توانند به مرور زمان به آب‌های زیرزمینی نفوذ کنند یا اکوسیستم‌های محلی را آلوده کنند.
پایداری در استخراج لیتیوم زمانی که بخواهیم آسیب‌های محیطی را کاهش دهیم، اهمیت زیادی دارد. فرآیند استخراج لیتیوم که بسیاری از باتری‌های مدرن را تغذیه می‌کند، اغلب منجر به مشکلات زیست‌محیطی جدی می‌شود. ما اینجا در مورد تخریب زیستگاه‌ها و خشک شدن منابع آبی در مناطق معدن‌کاری صحبت می‌کنیم. اما خبرهای خوبی نیز در افق دیده می‌شود. شرکت‌ها شروع به آزمایش روش‌های پاکیزه‌تری برای استخراج لیتیوم از زمین کرده‌اند. برخی از شرکت‌ها روی تکنیک‌های استخراج از آب شور و برخی دیگر روی بهبود روش‌های سنتی استخراج تمرکز دارند. این روش‌های جدید سعی دارند تا خسارات به طبیعت را کاهش داده و از منابع بهتر استفاده کنند. چالش همچنان در یافتن راه‌هایی برای پاسخگویی به تقاضای رو به رشد لیتیوم بدون اینکه به محیط‌های محلی آسیب برسانیم، باقی مانده است. و با پیشرفت فناوری باتری، بهبودهای مداوم در عملیات استخراج و برنامه‌های بازیافتی نقش کلیدی خواهد داشت اگر بخواهیم ادامه دهیم از باتری‌های لیتیومی به شیوه‌ای پایدار استفاده کنیم.
ایمنی همچنان یکی از دغدغه‌های اصلی در کار با باتری‌های لیتیومی در نصب‌های انرژی تجدیدپذیر باقی مانده است. پیشگیری از مشکلات اضافه گرمایی و واکنش‌های گرمایی خطرناک در نصب‌های بزرگ‌مقیاس اهمیت بیشتری پیدا می‌کند، زیرا مشکلات می‌توانند به سرعت گسترش پیدا کنند. صنعت روش‌های مختلفی را برای حفظ کنترل وضعیت باتری‌ها پذیرفته است. سیستم‌های خنک‌کننده باید به درستی نصب شوند، در عین حال سیستم‌های مدیریت باتری پیشرفته (BMS) به جلوگیری از شکست‌های گرمایی احتمالی قبل از وقوع آنها کمک می‌کنند. یکی دیگر از روش‌های مهم، جداسازی الکتریکی هر سلول از دیگری است، همچنین نظارت دقیق بر دمای بهره‌برداری و آنچه در طول چرخه‌های شارژ اتفاق می‌افتد ضروری است. تحقیقات نشان می‌دهد که تقریباً یک پنجم از تمام شکست‌های باتری به دلیل مدیریت ضعیف گرما رخ می‌دهد، این موضوع توضیح می‌دهد چرا شرکت‌ها سرمایه‌گذاری زیادی در این نوع اقدامات محافظتی برای سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی خود انجام می‌دهند.
درست کار کردن با باتری‌های لیتیومی با رعایت رویه‌های مناسب دست‌زنی آغاز می‌شود. اکثر تولیدکنندگان بر اهمیت استفاده از شارژرهای معتبر و رعایت مشخصات ولتاژ تعیین‌شده تاکید می‌کنند تا از موقعیت‌های خطرناک جلوگیری شود. نحوه نگهداری نیز اهمیت دارد، گروه‌های ایمنی اغلب توصیه می‌کنند که آنها را در محلی خنک و خشک نگه دارید، دور از نقاط گرم یا مکان‌هایی که ممکن است در معرض تابش مستقیم خورشید قرار بگیرند. شرکت‌ها باید زمانی را صرف آموزش کارکنان خود در مورد نحوه صحیح دست‌زنی به این منابع انرژی کنند. بازرسی‌های منظم و برنامه‌های نگهداری می‌توانند به‌طور قابل‌توجهی خطرات احتمالی را کاهش دهند. برای سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر که به‌شدت به فناوری لیتیوم متکل هستند، رعایت این اصول اولیه تنها یک روش خوب نیست، بلکه اگر بخواهیم راهکارهای سبز انرژیمان دوام بیاورند، عملاً یک ضرورت محسوب می‌شود.
آینده فناوری باتری لیتیومی بسیار روشن به نظر می‌رسد، زیرا محققان در حال کار روی گزینه‌های بهتر و مقاوم‌تر برای ذخیره انرژی هستند. زمینه‌های اصلی که دانشمندان در آن پیشرفت می‌کنند شامل افزایش ظرفیت باتری‌ها برای نگه‌داشتن انرژی بیشتر، تسریع فرآیند شارژ و افزایش طول عمر مفید این باتری‌ها می‌شود. با این به‌روزرسانی‌ها، شاهد باتری‌هایی هستیم که توان بیشتری دارند، زمان کمتری برای شارژ نیاز دارند و بین تعویض‌ها دوام بیشتری دارند؛ امری که برای کاربردهایی مانند خودروهای برقی (EV) و ذخیره انرژی تولیدی از منابع خورشیدی و بادی بسیار مهم است. برخی دستاوردهای اخیر، ظرفیت انرژی را تا حدود 15 درصد افزایش داده‌اند و زمان‌های طولانی انتظار برای شارژ را کاهش داده‌اند. این نوع بهبود‌ها به کاهش هزینه‌ها در بخش‌های مختلفی از جمله حمل‌ونقل و تولید کمک می‌کند، در حالی که شرکت‌ها به دنبال کاهش اثر کربنی خود بدون قربانی کردن عملکرد هستند.
باتری‌های لیتیومی حالت جامد برای آینده بسیار امیدوارکننده هستند، چرا که انرژی بیشتری را در فضای کوچک‌تری ذخیره می‌کنند و در عین حال ایمنی بیشتری نسبه به باتری‌های فعلی دارند. به جای الکترولیت‌های مایع قابل اشتعال، این باتری‌های جدید از مواد جامد استفاده می‌کنند و این یعنی در صورت بروز مشکل، دیگر نگرانی از بابت نشت یا آتش‌سوزی وجود ندارد. چیزی که این فناوری را جالب می‌کند این است که فقط ایمن‌تر نیست، بلکه چگالی انرژی بالاتری هم دارد. به همین دلیل شرکت‌های خودروسازی و تولیدکنندگان دستگاه‌های الکترونیکی به این حوزه نزدیک نگاه می‌کنند. زمینه تحقیقاتی بسیار سریع در حال حرکت است و شاید ظرف چند سال آینده، گزینه‌های حالت جامد در دست‌های ما و زیر ماشین‌هایمان با قیمتی در دسترس ظاهر شوند. ما در مورد چیزی صحبت می‌کنیم که می‌تواند نحوه تأمین انرژی دستگاه‌هایمان را از تلفن‌های هوشمند تا کامیون‌های برقی تغییر دهد و عملکرد بهتری را بدون خطرات آتش‌سوزی باتری‌های فعلی فراهم کند.
