بهترین دوست باتری ما این روزها باتری لیتیوم یونی است. این دستگاهی است که تلفن‌های همراه و لپ‌تاپ‌های ما را نیرو می‌دهد، دستگاه‌هایی که سهم زیادی در تغییر نحوه کار و تعامل ما با دوستان، همکاران، خرده‌فروشان و حتی غریبه‌ها داشته‌اند. نیازهای برقی که توسط تلفن های هوشمند ما ایجاد می شود در کمتر از یک ساعت باتری نیکل یا نیکل-فلز هیدرید را صاف می کند، اما با بهره وری از شیمی لیتیوم یون، می توانیم با مادرمان چت کنیم، فیلم تماشا کنیم، به دوستانمان پیام بدهیم، به آنها گوش دهیم. موسیقی، یک جفت کفش آنلاین بخرید، دستورالعمل های ناوبری به شما داده شود و در تمام طول روز عکس های بی شماری بگیرید.
پس چه چیز خاصی در مورد باتری های لیتیوم یون وجود دارد؟ کارت اصلی آنها چگالی انرژی آنها است - تقریباً دو برابر باتری NiCad است، به این معنی که یک باتری به اندازه نصف آن، همان مقدار انرژی را می دهد. آنها سبک و جمع و جور هستند که به این معنی است که برای چیزهایی مانند وسایل الکترونیکی قابل حمل بهتر از باتری های اسید سرب سنگینی هستند که اتومبیل های بنزینی ما را راه اندازی می کنند.
بنابراین چه چیزی در مورد سلول لیتیوم یونی وجود دارد که آن را نسبت به رقبای خود برتری می دهد؟
شیمی باتری لیتیوم یون
همانطور که از نام آن پیداست، یون‌های لیتیوم (Li+) در واکنش‌هایی که باتری را هدایت می‌کنند، دخیل هستند. هر دو الکترود در یک سلول لیتیوم یونی از موادی ساخته شده‌اند که می‌توانند یون‌های لیتیوم را جذب یا جذب کنند (کمی شبیه یون‌های هیدرید در باتری‌های NiMH). تلاقی زمانی است که یون های باردار یک عنصر را می توان در داخل ساختار یک ماده میزبان بدون ایجاد مزاحمت قابل توجهی نگه داشت. در مورد باتری لیتیوم یونی، یون های لیتیوم به یک الکترون در ساختار آند متصل می شوند. هنگامی که باتری تخلیه می شود، یون های لیتیوم درونی از آند آزاد می شوند و سپس از طریق محلول الکترولیت عبور می کنند تا در کاتد جذب شوند.
یک باتری لیتیوم یونی عمر خود را در حالت تخلیه کامل شروع می کند: تمام یون های لیتیوم آن در داخل کاتد قرار می گیرند و مواد شیمیایی آن هنوز توانایی تولید برق را ندارد. قبل از اینکه بتوانید از باتری استفاده کنید، باید آن را شارژ کنید. همانطور که باتری شارژ می شود، یک واکنش اکسیداسیون در کاتد رخ می دهد، به این معنی که برخی از الکترون های دارای بار منفی را از دست می دهد. برای حفظ تعادل بار در کاتد، تعداد مساوی از برخی از یون های لیتیوم با بار مثبت در محلول الکترولیت حل می شود. اینها به سمت آند می روند، جایی که در داخل گرافیت قرار می گیرند. این واکنش میان‌افزایی همچنین الکترون‌ها را در آند گرافیت رسوب می‌کند تا یون لیتیوم را «پیوند» کند.
در طول تخلیه، یون های لیتیوم از آند جدا می شوند و از طریق الکترولیت به کاتد برمی گردند. این همچنین الکترون‌هایی را که آنها را به آند متصل می‌کردند آزاد می‌کند، و این الکترون‌ها از طریق یک سیم خارجی جریان می‌یابند و جریان الکتریکی را که ما برای انجام کار استفاده می‌کردیم، فراهم می‌کنند. این اتصال سیم خارجی است که واکنش را قادر می سازد تا ادامه یابد - زمانی که الکترون ها آزادانه حرکت کنند، همچنین یون های لیتیوم با بار مثبت حرکت بار منفی آنها را متعادل می کنند.
هنگامی که کاتد پر از یون لیتیوم می شود، واکنش متوقف می شود و باتری خالی می شود. سپس باتری های لیتیوم یون خود را دوباره شارژ می کنیم و بار الکتریکی خارجی که اعمال می کنیم یون های لیتیوم را از کاتد به داخل آند برمی گرداند.
الکترولیت در یک سلول لیتیوم یونی معمولاً محلولی از نمک های لیتیوم در مخلوطی از حلال ها (مانند دی متیل کربنات یا دی اتیل کربنات) است که برای بهبود عملکرد باتری ابداع شده است. وجود نمک های لیتیوم حل شده در الکترولیت به این معنی است که محلول حاوی یون های لیتیوم است. این به این معنی است که یون های لیتیوم مجزا برای تکمیل مدار لازم نیست سفر کامل از آند به کاتد را طی کنند. همانطور که یون‌ها از آند خارج می‌شوند، یون‌هایی که قبلاً در الکترولیت، نزدیک سطح الکترود آویزان شده‌اند، می‌توانند به راحتی جذب کاتد شوند. برعکس در هنگام شارژ مجدد اتفاق می افتد.
به دلیل کوچک و سبک بودن، مقدار زیادی لیتیوم را می توان در هر دو الکترود ذخیره کرد. این همان چیزی است که به باتری های لیتیوم یونی چگالی انرژی بالایی می دهد. برای مثال، یک یون لیتیوم را می توان به ازای هر شش اتم کربن در گرافیت ذخیره کرد، و هر چه یون های لیتیوم بیشتر باشد تا در سفر از آند به کاتد (و دوباره در طی چرخه های شارژ مجدد) به اشتراک بگذارند، الکترون های بیشتری وجود دارد. حرکت آنها را متعادل کرده و جریان الکتریکی را تامین می کند.
انتقال یون‌های لیتیوم بین الکترودها با ولتاژ بسیار بالاتری نسبت به انواع باتری‌های دیگر انجام می‌شود و از آنجایی که آنها باید توسط مقدار مساوی الکترون متعادل شوند، یک سلول لیتیوم یونی می‌تواند بسته به ولتاژ 3.6 ولت یا بالاتر تولید کند. روی مواد کاتدی یک سلول قلیایی معمولی تنها حدود 1.5 ولت تولید می کند. یک باتری استاندارد سرب اسیدی خودرو برای تولید 12 ولت به شش سلول 2 ولتی نیاز دارد.
به دلیل چگالی انرژی بالا و سبکی نسبی آنها، انباشته شدن تعداد زیادی سلول لیتیوم یونی در یک مکان، یک بسته باتری بسیار سبک تر و فشرده تر از پشته های ساخته شده از انواع باتری های دیگر تولید می کند. اگر سلول‌های لیتیوم یون کافی را کنار هم قرار دهیم، می‌توانیم به ولتاژ بسیار بالایی برسیم، مانند ولتاژ مورد نیاز برای راه‌اندازی یک خودروی الکتریکی. مطمئناً، همه خودروهای ما قبلاً باتری دارند، اما آنها فقط برای روشن کردن موتور بنزینی یا دیزلی هستند، سپس سوخت تمام کار را انجام می دهد. باتری یک ماشین الکتریکی تمام منبع انرژی آن است و چیزی که به آن خرخر می کند تا از یک تپه شیب دار بالا برود. بنابراین، معمولاً 96 ولت یا حتی بیشتر خواهد داشت که، حتی با ولتاژ بالای یک سلول لیتیوم یونی، به تعداد زیادی سلول در کنار هم نیاز دارد.
آند معمولاً گرافیت است. با این حال، قرار دادن مکرر یون های لیتیوم در ساختار گرافیت استاندارد در یک باتری معمولی لیتیوم یون، در نهایت گرافیت را از هم جدا می کند. این کارکرد باتری را کاهش می دهد و آند گرافیت در نهایت خراب می شود و باتری از کار می افتد. محققان در حال کار بر روی گزینه هایی برای استفاده از گرافن (ورقه های کربن ضخیم تک اتمی) به جای گرافیت هستند. در مبحثی که در نوا منتشر خواهد شد، بیشتر در مورد گرافن و دلیل عالی بودن آن خواهید خواند.
کاتدهای مورد استفاده در باتری های لیتیوم یونی
اکسید کبالت لیتیوم (LiCoO2)
رایج ترین سلول های لیتیوم یون دارای آند کربن (C) و کاتد اکسید لیتیوم کبالت (LiCoO2) هستند. در واقع، باتری اکسید کبالت لیتیوم اولین باتری لیتیوم یونی بود که از کار پیشگامان R Yazami و J Goodenough ساخته شد و توسط سونی در سال 1991 فروخته شد. کبالت و اکسیژن به یکدیگر متصل می شوند و لایه هایی از ساختارهای اکسید کبالت هشت وجهی را تشکیل می دهند. ، توسط ورقه های لیتیوم جدا شده است. مهم است که این ساختار به یون های کبالت اجازه می دهد تا حالت های ظرفیت خود را بین Co+3 و Co+4 تغییر دهند (از دست دادن و به دست آوردن یک الکترون با بار منفی) هنگام شارژ و تخلیه.
از بین تمام باتری‌های لیتیوم یونی مختلف، این افراد دارای بیشترین چگالی انرژی هستند، به همین دلیل است که در حال حاضر باتری‌هایی هستند که در تلفن‌ها، دوربین‌های دیجیتال و لپ‌تاپ‌های ما یافت می‌شوند. نقطه ضعف آنها ناپایداری حرارتی آنها است. آندهای آنها می تواند بیش از حد گرم شود و در دماهای بالا، کاتد اکسید کبالت می تواند تجزیه شود و اکسیژن تولید کند. اگر اکسیژن و گرما را ترکیب کنید، شانس بسیار خوبی برای شروع آتش دارید و از آنجایی که گاهی اوقات مواد شیمیایی که در محلول الکترولیت استفاده می شود، مانند دی اتیل کربنات، قابل اشتعال هستند، ممکن است برخی از مشکلات ایمنی در مورد این باتری وجود داشته باشد.
باتری‌های لیتیوم یون دارای محافظ‌های داخلی هستند تا از گرم شدن بیش از حد و جلوگیری از تخلیه کامل باتری که می‌تواند آسیب‌رسان باشد، جلوگیری می‌کند. علاوه بر این، گاهی اوقات می توان از این مدارهای حفاظتی برای جلوگیری از شارژ بیش از حد باتری های لیتیوم یون استفاده کرد که می تواند عواقب جدی داشته باشد. باتری‌های لیتیوم یون در اشکال و اندازه‌های بسیار متنوعی وجود دارند و برخی از آنها حاوی دستگاه‌های محافظ داخلی، مانند کلاهک‌های هواکش، برای بهبود ایمنی هستند.
لیتیوم فسفات آهن (LiFePO4)
این سلول سرعت تخلیه بالایی دارد و به دلیل اینکه فسفات (PO4) می تواند با دماهای بالا مقابله کند، باتری پایداری حرارتی خوبی دارد و ایمنی آن را بهبود می بخشد. این امر آن را برای وسایلی مانند وسایل نقلیه برقی و ابزارهای برقی و برای ذخیره انرژی در نیروگاه ها انتخاب خوبی می کند. همچنین دارای چرخه طولانی است، به این معنی که می توان آن را بارها تخلیه و شارژ کرد. با این حال، چگالی انرژی کمتری نسبت به سلول اکسید کبالت لیتیوم دارد و نرخ خود تخلیه بالاتری دارد.
سلول باتری لیتیوم فسفات آهن شبیه به سلول لیتیوم اکسید کبالت است. آند همچنان گرافیت است و الکترولیت نیز تقریباً یکسان است. تفاوت این است که کاتد لیتیوم کبالت دی اکسید با فسفات آهن لیتیوم پایدارتر جایگزین شده است. در واقع هیچ یون لیتیوم یا آهن در کاتد فسفات آهن (FePO4) یک سلول کاملاً باردار باقی نمی ماند. یون‌های لیتیوم می‌توانند از طریق تونل‌های کاملاً مشخص در ساختار آن به داخل یا خارج مواد کاتد وارد شوند، بدون اینکه تغییر قابل‌توجهی در چارچوب فسفات آهن ایجاد کنند.
کاتد این نوع سلول از آنیون‌های فسفات با بار منفی ساخته شده است که با کاتیون‌های آهن با بار مثبت پیوند دارند و ساختاری دارند که قادر به ذخیره یون‌های لیتیوم در مولکول‌های فسفات آهن هستند. آرایش پیوند در این ساختار به این معنی است که اتم های اکسیژن به طور محکم به ساختار متصل شده اند که به کاتد پایداری شیمیایی آن را می دهد.
اکسید منگنز لیتیوم (LiMn2O4)
این نوع باتری لیتیومی از کاتدی ساخته شده از اسپینل لیتیوم منگنز (Li+Mn3+Mn4+O4) استفاده می کند. اسپینل نوعی ماده معدنی با ساختار متمایز AB2O4 است. ساختار اسپینل پایداری حرارتی بسیار خوبی دارد و ایمنی باتری را بهبود می بخشد. همچنین باعث افزایش جریان یون در الکترولیت می شود و مقاومت داخلی را کاهش می دهد که به از دست رفتن انرژی باتری در طول زمان کمک می کند.
در حالی که این نوع باتری لیتیومی سرعت تخلیه و شارژ مجدد بالایی را ارائه می دهد (همچنین به دلیل ساختار اسپینلی کاتد)، ظرفیت کمتر و طول عمر کمتری دارد.
اکسید کبالت لیتیوم نیکل منگنز (LiNiMnCoO2 یا NMC)
افزودن نیکل و کبالت دوباره به مخلوط، دوباره چیزها را کمی تغییر می دهد. نیکل انرژی ویژه بالایی را فراهم می کند و هنگامی که به ساختار پایدار اسپینل منگنز اضافه می شود، باتری با مزایای ساختار اسپینل منگنز (مقاومت داخلی کم، نرخ شارژ بالا، پایداری خوب و ایمنی) را به همراه دارد.
این باتری ها عموماً با کاتدی با یک سوم نیکل، یک سوم منگنز و یک سوم کبالت ساخته می شوند، اما نسبت آن می تواند با توجه به فرمول های مخفی سازنده متفاوت باشد. این باتری ها در ابزارهای برقی، وسایل نقلیه الکتریکی و تجهیزات پزشکی استفاده می شوند.
باتری های لیتیوم منگنز اغلب با یک باتری اکسید کبالت منگنز لیتیوم نیکل همراه می شوند و ترکیبی را تولید می کنند که در بسیاری از وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می شود. انفجارهای زیاد انرژی (برای شتاب سریع) توسط جزء لیتیوم-منگنز ایجاد می شود، و یک برد طولانی توسط جزء اکسید کبالت نیکل لیتیوم منگنز ایجاد می شود.
لیتیوم پلیمر
جایگزینی الکترولیت مایع در باتری لیتیوم یونی با یک الکترولیت جامد ایمنی باتری را بهبود می بخشد و آن را سبک تر می کند. از آنجایی که خود پلیمر بسیار نازک است، از نظر شکل و طراحی نیز انعطاف پذیری بیشتری را امکان پذیر می کند - لازم نیست در یک محفظه سفت و سخت قرار گیرد و می توان آن را بسیار فشرده ساخت.
الکترولیت پلیمری یک ماده نارسانا است که هنوز امکان تبادل یونی را فراهم می کند. در طراحی های اولیه، پلیمر چنان رسانای ضعیفی بود که قادر به تسهیل تبادل یونی نبود مگر اینکه تا حدود 60 درجه سانتیگراد گرم شود، بنابراین اکنون مقادیر کمی ژل برای جلوگیری از این مشکل اضافه می شود.
باتری لیتیوم پلیمری می تواند از هر ترکیبی از الکترودهای موجود در باتری های لیتیوم یونی استفاده کند. این فقط الکترولیت است که متفاوت است.
همانطور که باتری ها، به طور کلی، در اشکال، اندازه ها و مواد شیمیایی مختلف هستند، باتری های لیتیوم یون نیز چنین هستند. ساختارها و شیمی‌های مختلف آنها ویژگی‌های متفاوتی را ارائه می‌دهند که اغلب با مبادله بین کارایی، هزینه و ایمنی همراه است.
باتری های لیتیوم یونی برای زندگی روزمره ما ضروری هستند. آنها برای مدتی در کنار ما خواهند بود، زیرا در حال حاضر بهترین گزینه برای تامین انرژی وسایل نقلیه الکتریکی و ذخیره انرژی تولید شده از منابع باد و خورشید برای استفاده در مواقعی هستند که باد نمی وزد یا خورشید نمی تابد.
مطالعه بیشتر: