باتری‌های لیتیومی به سه جزء اصلی که با هم کار می‌کنند، یعنی آند، کاتد و الکترولیت، اتکا دارند تا به‌خوبی کار کنند و عملکرد مناسبی داشته باشند. امروزه اکثر آندها از گرافیت ساخته می‌شوند زیرا می‌توانند یون‌های لیتیومی را در هنگام شارژ باتری نگه دارند. این توانایی برای ذخیره یون‌های بسیار، چگالی انرژی چشمگیری را به باتری‌های لیتیومی می‌دهد که آنها را برای استفاده در چیزهایی مثل منابع قدرت قابل‌حمل بزرگ که مردم در سفرهای کمپینگ به کار می‌برند، مناسب می‌کند. اکنون اگر به کاتدها نگاه کنیم، معمولاً حاوی اکسیدهای فلزی مختلف لیتیومی هستند. متداول‌ترین آنها اکسید کبالت لیتیوم و فسفات آهن لیتیوم هستند. چیزی که این مواد را خاص می‌کند این است که مجموع انرژی ذخیره‌شده را افزایش می‌دهند در حالی که ثبات کل سیستم را حتی در شرایطی که دما تغییر می‌کند یا الگوهای مصرف نوسان دارد، حفظ می‌کنند.
در باتری‌ها، الکترولیت به عنوان مسیری عمل می‌کند که از طریق آن یون‌های لیتیوم بین الکترودهای مثبت و منفی به جلو و عقب حرکت می‌کنند. این مخلوط اغلب با حل کردن نمک‌های لیتیوم در حلال‌های آلی تولید می‌شود و میزان پایداری این مخلوط در دماهای مختلف، به طور مستقیم هم بر روی طول عمر باتری و هم بر روی ایمنی آن در حین کارکرد تأثیر می‌گذارد. برای مواردی مانند خودروهای برقی یا نصب‌های بزرگ ذخیره‌سازی انرژی در شبکه برق، حفظ این نوع پایداری شیمیایی به طور کامل ضروری است، چرا که هیچ‌کس نمی‌خواهد دستگاه یا سیستم آنها پس از چند ماه استفاده معمولی دچار خرابی شود. تمام این اجزا باید به درستی با هم کار کنند تا تلفن‌های ما در طول روز شارژ بمانند، تجهیزات پزشکی به طور مداوم کار کنند و منابع انرژی تجدیدپذیر بتوانند در زمان‌هایی که بیشترین نیاز به ذخیره‌سازی انرژی وجود دارد، برق را به طور کارآمد ذخیره کنند.
دیافراگم نقش مهمی در حفظ ایمنی و عملکرد صحیح باتری‌های لیتیومی ایفا می‌کند. به طور اساسی، کاری که این دیافراگم انجام می‌دهد این است که از تماس مستقیم بخش‌های مثبت و منفی باتری با یکدیگر جلوگیری می‌کند، در غیر این صورت اتصال کوتاه خطرناکی ایجاد شده و می‌تواند منجر به از بین رفتن کل باتری شود. امروزه اکثر دیافراگم‌ها از پلاستیک‌هایی مانند پلی‌اتیلن یا پلی‌پروپیلن ساخته شده‌اند. این مواد اجازه می‌دهند یون‌های لیتیوم به راحتی از میان آنها عبور کنند اما الکترون‌ها را متوقف می‌کنند. همچنین این دیافراگم‌ها از تشکیل شاخه‌های ناخواسته (دندریت‌ها) در داخل باتری جلوگیری می‌کنند. دندریت‌ها شبیه درختان کوچکی هستند که از روی دیافراگم رشد می‌کنند و اگر بزرگ شوند، می‌توانند سوراخ‌هایی در ماده ایجاد کنند و مشکلات جدی به وجود آورند.
کیفیت جداکننده در دایره‌های تولید بسیار اهمیت دارد، موضوعی که با تحقیقات زیادی پشتیبانی شده و همچنین یادآور یادداشتهای صنعتی است که در سال‌های اخیر به دلیل جداکننده‌های معیوب رخ داده‌اند. به دست آوردن ترکیب درستی که در آن یون‌ها بتوانند آزادانه حرکت کنند اما بدون اینکه قربانی از نظر ایمنی شویم، همچنان بسیار مهم است. در ساخت باتری‌هایی که دوام و عملکرد خوبی دارند، هزینه کردن روی مواد جداکننده با کیفیت دیگر یک گزینه نیست. در واقع این کار شایستگی تجاری درستی محسوب می‌شود. این جداکننده‌ها کارشان فقط این نیست که ساکت بمانند، بلکه اجزای بحرانی در انواع سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی هستند. به نصب‌های انرژی خورشیدی یا آن شارژرهای کوچک قابل حمل فکر کنید که امروزه همه جا را همراهی می‌کنند. بدون جداکننده‌های مناسب، هیچ‌کدام از این فناوری‌ها نمی‌توانند مدت‌ها به صورت ایمن و کارآمد کار کنند.
باتری‌های لیتیومی به این دلیل کار می‌کنند که یون‌های لیتیوم بین آند و کاتد به جلو و عقب حرکت می‌کنند. هنگام شارژ، این یون‌ها از آند به کاتد منتقل می‌شوند و در آنجا انرژی ذخیره می‌کنند. و هنگامی که به برق نیاز داریم، آنها دوباره از کاتد به آند بازمی‌گردند و در حین این حرکت، الکتریسیته تولید می‌کنند. بهتر یا بدتر بودن این فرآیند کلی تعیین می‌کند که چقدر باتری در کل به خوبی کار کند. مطالعات نشان داده‌اند که نگه داشتن این یون‌ها در حرکتی روان، تفاوت بزرگی در بهره‌برداری حداکثری از باتری قبل از آنکه شروع به تخریب کند، ایجاد می‌کند. هرچه جریان یون‌ها بهتر باشد، باتری طولانی‌تر دوام می‌آورد و قابل اعتمادتر می‌شود. به همین دلیل است که امروزه بسیاری از دستگاه‌ها به تکنولوژی لیتیومی برای تأمین نیازهای برقی خود متکی هستند.
واکنش‌های اکسایش-کاهش، یعنی تغییرات شیمیایی که در آن چیزها اکسید یا کاهش می‌یابند، در داخل باتری‌های لیتیومی رخ می‌دهد و این امکان را فراهم می‌کند که باتری انرژی تولید کند. در واقع، این واکنش‌ها در هر دو سر باتری - آند و کاتد - اتفاق می‌افتند، در حالی که الکترون‌ها حرکت می‌کنند و یون‌های لیتیوم به جلو و عقب می‌پرندند. درک خوب از نحوه عملکرد این واکنش‌ها در ساخت مواد بهتر برای باتری که بتوانند انرژی را به‌صورت کارآمدتری ذخیره کنند، بسیار مهم است. محققان سال‌هاست که برجسته کرده‌اند که درست کردن این شیمی است که امکان انواع فناوری‌های جدید باتری که همواره درباره‌شان می‌شنویم را فراهم می‌کند. درک بهتر از واکنش‌های اکسایش-کاهش، به معنای بهبود باتری‌های امروزی و گشودن درهایی به سوی نوآوری‌های جذاب‌تر برای دستگاه‌های ما و خودروهای برقی در آینده است.
سیستم‌های مدیریت باتری یا BMS برای حفظ ثبات باتری‌های لیتیومی بسیار مهم هستند، زیرا ولتاژ هر سلول به‌صورت جداگانه را نظارت می‌کنند. وقتی این نظارت به‌خوبی انجام شود، موجب می‌شود هر سلول در محدوده ایمن خود باقی بماند و از مسائلی مانند شارژ بیش از حد جلوگیری کند که باعث کاهش عملکرد باتری در طول زمان و در نهایت کوتاه‌تر شدن عمر آن می‌شود. یکی از وظایف کلیدی سیستم‌های BMS، هم‌ترازی سلول‌ها (Cell Balancing) نام دارد. به‌طور خلاصه، این به معنای اطمینان از این است که تمام سلول‌ها تقریباً دارای یک میزان شارژ یکسانی هستند. بیشتر تولیدکنندگان متوجه شده‌اند که هنگامی که سلول‌ها به‌خوبی هم‌تراز شوند، بسته باتری کلی طول عمر بیشتری داشته و به‌صورت یکنواخت‌تری در طول چرخه عمر خود کار می‌کند. برخی مطالعات حتی نشان می‌دهند که هم‌ترازی مناسب می‌تواند بهبودی در حدود 15 درصدی کارایی کلی باتری را در شرایط واقعی به ارمغان آورد.
تحقیقات نشان می‌دهد که زمانی که سلول‌ها به خوبی متعادل باشند، باتری‌ها معمولاً ۲۵٪ طولانی‌تر از باتری‌هایی که این ویژگی را ندارند، عمر می‌کنند. به همین دلیل سیستم‌های مدیریت باتری (BMS) امروزه اهمیت زیادی پیدا کرده‌اند، به‌ویژه برای آن بسته‌های لیتیومی خاص که در همه جا از خودروهای برقی گرفته تا راهکارهای ذخیره‌سازی انرژی خورشیدی می‌بینیم. زمانی که ولتاژ به‌خوبی پایش شود و سلول‌ها متعادل باقی بمانند، واقعاً تفاوتی در نحوه قابلیت اطمینان و کارایی این سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی ایجاد می‌شود. به عنوان مثال، در ایستگاه‌های تغذیه قابل حمل، آنها به مدت طولانی‌تری بهتر کار می‌کنند، چون اجزای داخلی آنها همواره در حال جنگیدن با یکدیگر نیستند.
مدیریت دما یکی از وظایف ضروری است که سیستم‌های مدیریت باتری (BMS) برای حفظ ایمنی انجام می‌دهند. این سیستم‌ها دارای سنسورهایی هستند که تشخیص می‌دهند چه زمانی باتری‌ها در داخل بسته‌های خود داغ می‌شوند و سپس محرک‌ها را فعال می‌کنند تا یا این گرما را به جای دیگری منتقل کنند یا کاملاً از بین ببرند. حفظ دمای مناسب برای عملکرد بهینه و ایمنی باتری‌ها بسیار مهم است. بیشتر باتری‌ها بهترین عملکرد خود را در دمای حدود 0°C تا 45°C دارند. اما وقتی دما بیش از حد بالا می‌رود، باتری‌ها به‌خوبی کار نمی‌کنند. واقعیت این است که دماهای بسیار بالا می‌توانند باعث شکست کامل باتری‌ها شوند که هیچ‌کس این اتفاق را نمی‌خواهد، به‌ویژه در شرایط حیاتی مانند مواقعی که برق اضطراری مورد نیاز است.
تنظیم گرمایی موثر کلیدی به کاهش خطر فرار گرماست، که یکی از عوامل مهم آتش‌سوزی باتری‌ها، به‌ویژه مرتبط با باتری‌های دوچرخه‌های الکتریکی و سایر کاربردهای لیتیوم-یون است. تحقیقات نشان می‌دهد که تنظیم گرمایی نقش مهمی در کاهش این خطرات دارد و نقش BMS کارآمد را در سناریوهای ایمنی باتری تاکید می‌کند.
سیستم‌های مدیریت باتری (BMS) با حفاظت‌های مهمی در برابر مواردی مانند شارژ بیش از حد و تخلیه کامل همراه هستند. طراحی‌های اکثریت مدرن BMS در واقع دو نوع قطع کننده دارند که با هم کار می‌کنند: قطع کننده‌های سفت که فرآیند را به صورت فیزیکی متوقف می‌کنند وقتی که لازم باشد، و قطع کننده‌های نرم‌تر که تنها کار را قبل از بروز شرایط بحرانی کند می‌کنند. این اقدامات ایمنی بسیار مهم هستند تا عمر باتری حفظ شود و همچنین افرادی که از آن استفاده می‌کنند محافظت شوند. به این فکر کنید که چه اتفاقی می‌افتد اگر باتری یک تلفن بیش از حد گرم شود! می‌تواند باعث آتش سوزی شود. سیستم BMS در واقع به عنوان یک سیستم هشدار زودهنگام عمل می‌کند و مشکلات را قبل از تبدیل شدن به فجایع بزرگ مانند سلول‌های متورم یا خرابی کامل، شناسایی می‌کند.
این آمار نشان می‌دهد که چقدر این سیستم‌های حفاظتی واقعاً خوب هستند. باتری‌هایی که دارای سیستم مدیریت باتری (BMS) مناسب هستند، طبق داده‌های صنعتی از چندین مطالعه، دچار خرابی نمی‌شوند. این موضوع وقتی معنی پیدا می‌کند که فکر کنید سیستم نظارتی مشکلات را قبل از اینکه جدی شوند، تشخیص می‌دهد. برای کسی که به دنبال قابلیت اطمینان بلندمدت است، هزینه کردن روی فناوری BMS با کیفیت، در ایمنی و عمر دستگاه سود بزرگی به همراه دارد. این موضوع را بیشتر در راه‌حل‌های ذخیره‌سازی خورشیدی که در آنها توقف به معنای هزینه است و همچنین در باتری‌های قدرتمند بیرونی که مردم در سفرهای کمپینگ یا شرایط اضطراری به آنها متکی هستند، به خوبی می‌بینیم.
باتری‌های لیتیومی امروزه می‌توانند انرژی بیشتری را در فضاهای کوچک‌تری نسبت به انواع قدیمی‌تر باتری ذخیره کنند. همین موضوع باعث می‌شود که آنها در ایستگاه‌های تغذیه‌ی قابل حمل که امروزه همه‌جا از آنها استفاده می‌شود، عملکرد خوبی داشته باشند. چون این باتری‌ها فضای کمتری می‌گیرند، تولیدکنندگان می‌توانند آنها را در تمام انواع دستگاه‌ها و تجهیزات جا دهند. فکر کنید به خودروهای برقی، وسایل کمپینگ، حتی سیستم‌های برق اضطراری برای خانه‌ها در زمان قطعی برق. بر اساس برخی تحقیقات بازار، این دستگاه‌های مجهز به باتری لیتیوم در واقع ظرفیت شارژی معادل ده برابر باتری‌های سربی معمولی دارند. این موضوع منطقی به نظر می‌رسد وقتی به عملکرد بهتر آنها در ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی به‌صورت کارآمد فکر کنیم.
باتری‌های لیتیومی می‌توانند هزاران بار شارژ و دشارژ شوند و در عین حال فرسودگی چندانی نشان ندهند، گاهی اوقات تا حدود 5000 سیکل عمر می‌کنند قبل از اینکه نیاز به تعویض داشته باشند. به دلیل مقاومت بالایی که دارند، این باتری‌ها برای ذخیره انرژی خورشیدی بسیار مناسب هستند. طول عمر بیشتر به این معنی است که مالکان خانه‌ها و کسب‌وکارها مجبور نیستند باتری‌های خود را به طور مکرر تعویض کنند که این امر در بلندمدت باعث صرفه‌جویی در هزینه‌ها می‌شود. بسیاری از افرادی که به باتری‌های لیتیومی در سیستم‌های خورشیدی خود تغییر داده‌اند، گزارش داده‌اند که هزینه اولیه شان را سریع‌تر از انتظار جبران کرده‌اند. این ترکیب از دوام و مقرون به صرفه بودن، باتری‌های لیتیومی را انتخابی هوشمندانه برای هر کسی که به دنبال راه‌حل‌های ذخیره انرژی در بلندمدت است، به ویژه هنگام استفاده از پنل‌های خورشیدی، می‌کند.
بیشترین بهره‌وری از باتری‌های لیتیومی با عادات شارژ هوشمند آغاز می‌شود. وقتی افراد به قواعد اولیه مانند استفاده از شارژر مناسب برای دستگاه خود و دور نگه داشتن باتری‌ها از محیط‌های بسیار گرم یا سرد پایبند باشند، در بلندمدت نتایج بهتری کسب می‌کنند. مطالعات انجام شده نشان داده‌اند که شارژ آهسته باتری به طولانی‌تر شدن عمر آن کمک می‌کند و عملکرد خوبی را در طول چرخه عمر باتری حفظ می‌کند. راهنمایی‌های مربوط به باتری دوباره و دوباره یک نکته را به کاربران یادآوری می‌کنند: رعایت الگوهای منظم شارژ برای دستیابی به حداکثر استفاده از باتری بسیار مهم است. پذیرش این رویکردهای ساده از نظر اقتصادی و زیست‌محیطی منطقی است. در نهایت، وقتی ایستگاه‌های تغذیه‌دهنده قابل حمل طول عمر بیشتری داشته باشند، مصرف‌کنندگان هزینه تعویض را صرفه‌جویی می‌کنند و ضایعات را از دستگاه‌هایی مانند تلفن‌های هوشمند تا سیستم‌های پشتیبان اضطراری که به ذخیره‌سازی باتری قابل اعتماد متکی هستند، کاهش می‌دهند.
دستورالعمل‌های ایمنی نقش بسیار مهمی در جلوگیری از فرار حرارتی دارند که همچنان یکی از بزرگ‌ترین نگرانی‌ها در مورد باتری‌های لیتیومی محسوب می‌شود. کاربران باید فقط از شارژرهایی با گواهی‌نامه‌های مناسب استفاده کنند و مراقب باشند در هنگام کار با باتری‌ها از افتادن یا له شدن آنها جلوگیری کنند. بسیاری از مشکلات تنها به دلیل نگهداری نادرست باتری‌ها در خانه رخ می‌دهد، اغلب در مجاورت منابع گرما یا در مکان‌های مرطوب. با این حال داده‌های واقعی جهان نشان دهنده چیز جالبی است - زمانی که افراد واقعاً این دستورالعمل‌های پایه‌ای را دنبال می‌کنند، تعداد حادثه‌ها به طور چشمگیری کاهش می‌یابد. برای تولیدکنندگانی که در زمینه راهکارهای ذخیره‌سازی انرژی فعالیت می‌کنند، تمرکز روی پروتکل‌های ایمنی در شرایط واقعی دیگر تنها مسئله‌ای مطابقت با مقررات نیست. این امر در حال تبدیل شدن به ضرورتی برای کسب اعتماد بازار و حفاظت از مصرف‌کنندگان و تأسیسات در برابر خطرات احتمالی است.
دانستن اینکه باتری‌های لیتیومی چگونه کار می‌کنند، تفاوت بزرگی در مدیریت انرژی در چیزهایی مثل شبکه‌های برق و وسایل همراه ایجاد می‌کند. وقتی شرکت‌ها از تکنیک‌هایی مثل پیش‌بینی بار انرژی و بهینه‌سازی چرخه‌های شارژ استفاده می‌کنند، سیستم‌های ذخیره‌سازی آنها بسیار کارآمدتر می‌شوند. این به معنای به دست آوردن بازده بیشتر با هزینه کمتر و هدر نرفتن انرژی کمتر است. نگاهی به آنچه اکنون در بازار اتفاق می‌افتد بیندازید - شرکت‌هایی که واقعاً این روش‌ها را اجرا می‌کنند، بهبودی تا ۳۰ درصدی در معیارهای عملکردی گزارش می‌دهند. ادغام این ایده‌ها در سیستم‌های موجود مدیریت انرژی به شرکت‌ها این امکان را می‌دهد تا از تمامی قابلیت‌های باتری‌های لیتیومی بهره ببرند. نتیجه چیست؟ راهکارهای ذخیره‌سازی که تنها اینقدر سریع پیشرفت تقاضا را دنبال نمی‌کنند، بلکه بدون خرابی‌های غیرمنتظره، آزمون زمان را نیز پشت سر می‌گذارند.
