عملکرد کلی باتریهای لیتیوم یون
🔄 آخرین بهروزرسانی: آبان ۱۴۰۴
باتریهای لیتیوم یون به دلیل قابلیت شارژ دوباره، از مهمترین و پرطرفدارترین باتریهای موجود در بازاراند که روز به روز بر محبوبیت انها افزوده میشود. این باتریها کاربرد بسیار زیادی در زندگی روزمرهی ما دارند که از جملهی این کاربردها میتوان به گوشیهای تلفن همراه و لپتاپها اشاره کرد. در ادامه با نحوه عملکرد باتری لیتیوم یون آشنا خواهیم شد.
باتریهای لیتیوم یون چگونه کار میکنند
مبنای اصلی عملکرد باتری لیتیوم یون، حرکت یون لیتیوم درون باتریست که این حرکت یونها، باعث انتقال انرژی به درون مدار میشود. روش کار این باتریها همانند سلول دانیل است که در مقالههای پیشین به آن اشاره شد. شکل زیر، نحوهی عملکرد باتری لیتیوم یون را در دوحالت شارژ و دشارژ نشان میدهد.
فرایند دشارژ
در این باتریها، یونهای لیتیوم تمایل بیشتری دارند که در سمت کاتد باشند به همین دلیل موقع وصل شدن مدار، با انجام فرایندهای خود به خودی، یونهای لیتیوم با عبور از الکترولیت مایع، از سمت آند به سمت کاتد جریان میابد. همچنین الکترونها نیز با جریان یافتن درون مدار، از سمت آند به سمت کاتد حرکت کرده و در سمت کاتد به یونهای لیتیوم ملحق میشوند تا واکنش اکسایش و کاهش تکمیل گردد.
فرایند شارژ
فرآیند شارژ دقیقا برعکس فرایند دشارژ انجام میشود. در این فرآیند به دلیل تمایل زیاد یونها برای ماندن در سمت کاتد، مجبور خواهیم بود که برای جداسازی الکترونها، از یک منبع تغذیه استفاده کنیم تا واکنش های اکسایش و کاهش در هنگام دشارژ، برعکس شوند. به عبارت بهتر منبع تغذیه در این جا نقش یک نیروی خارجی را بازی میکند تا یونها را بر خلاف میل آنها، از سمت کاتد به سمت آند جا به جا کند.
شکل زیر دو فرایند شارژ و دشارژ را همزمان نشان میدهد.
اجزای باتری لیتیوم یون
هر باتری از سه جزء اصلی تشکیل شده است که عبارتاند از: آند، کاتد و الکترولیت. باتریهای لیتیوم یون نیز از این قائده مستثنی نیستند و این سه جزءاصلی را دارند. در ادامه با این اجزا بیشتر آشنا میشویم و اطلاعات تکمیلی در مقاله های بعدی توضیح داده خواهد شد.
نقش آند در عملکرد باتری لیتیوم یون
آند الکترودی است که در هنگام دشارژ باتری، لیتیوم های موجود در آن به سمت دیگر باتری حرکت میکنند و در هنگام شارژ، به کمک نیروی خارجی، یونهای لیتیوم را به آند باز میگردانیم.
آند گرافیتی
الکترود منفی یا همان آند، در باتریهای لیتیوم یون موجود در بازار معمولا از جنس گرافیت است که به دلیل پایداری بالا، انتخاب مناسبی خواهد بود. اما دارای مشکلاتی نظیر ظرفیت پایین است که محققان را بر آن داشته تا با تحقیق بر روی دیگر مواد، این مشکل را بر طرف سازند.
در شکل زیر آند گرافیتی را مشاهده میکنیم که نشان میدهد این آند از نانوصفحات گرافن تشکیل شده است. در مقالههای بعدی بیشتر در مورد این نوع از آندها صحبت میشود.
فلز لیتیوم
فلز لیتیوم یکی دیگر از آندهای باتری لیتیوم یون است که پایینترین ولتاژ را دارد و در واقع هر مادهای که در مقابل لیتیوم قرار گیرد، نقش الکترود مثبت را بازی میکند. ظرفیت بالا از جمله مزایای این آند است اما به دلیل مسائل جانبی از جمله تشکیل دندریت و آتش سوزی، استفاده از این آند در صنعت به تاخیر افتاده است.
سیلیکن
از مواد دیگر که میتوان از آن به عنوان آند در باتری لیتیوم یون استفاده نمود، سیلیکن است که ظرفیت بسیار بالایی را در اختیار قرار میدهد اما از به دلیل تغییر حجم شدید در هنگام شارژ و دشارژ، این آند دچار شکستگی شده و بعد از مدت زمان کوتاهی ظرفیت باتری افت شدیدی میکند. شکل زیر این شکستگی را بعد از چند سیکل شارژ و دشارژ نشان میدهد.
نقش کاتد در عملکرد باتری لیتیوم یون
الکترود مقابل آند، کاتد نام دارد که انواع گوناگونی را شامل میشود. در هنگام دشارژ، لیتیوم به دلیل سطح انرژی کمتر، به سمت کاتد حرکت کرده و طی مکانیزم های مختلف ذخیره سازی، درون کاتد ذخیره میشود. موادی که به عنوان کاتد در باتری لیتیوم یون استفاده میشود، ولتاژ بالایی دارند تا در هنگام دشارژ، لیتیوم در آن ذخیره شود. کاتد هایی که در باتری لیتیوم یون استفاده میشود انواع گوناگونی دارند که کاتد های NMC- LMO- LCO-LPF، از معروف ترین کاتدهای باتری لیتیوم یون هستند. در مورد هر کدام از این کاتدها، در مقاله های بعدی بیشتر توضیح داده میشود.
شکل زیر یک نمای کلی از مواد گوناگون است که ولتاژ و ظرفیت هر یک را با دیگر مواد بررسی میکند و ملاحظه میکنیم که در این شکل، مواد به کار رفته به عنوان کاتد، ولتاژ بالاتری نسبت به مواد آندی دارند. در این شکل، محور افقی نشان دهندهی ظرفیت و محور عمودی نشان دهندهی ولتاژ ماده است. این نمودار یک نمودار خوب برای مقایسه ی مواد با یک دیگر است. با نگاه به جایگاه مواد کاتدی، ملاحظه میشود که این مواد معمولا ظرفیت پایینی نسبت به مواد آندی دارند.
الکترولیت
الکترولیت یک مایع برای انتقال یونهای لیتیوم از یک سمت به سمت دیگر است که این مایع، باید رسانای بسیار خوب برای یونها و یک رسانای بد برای الکترون ها باشد. در واقع الکترولیت، با عبور ندادن الکترونها، آنها را مجبور میکند که از مدار خارجی به سمت دیگر باتری حرکت کنند تا انتقال انرژی صورت گیرد. برای هدایت یونی بالا نیاز داریم که الکترولیت حاوی نمک های لیتیوم باشد تا یونهای لیتیوم به راحتی درون باتری جا به جا شوند. لازم به ذکر است که این نمکها باید درون یک حلال غیر آبی حل شوند زیرا لیتیوم به شدت با آب واکنش داده و باتری را از کار می اندازد.
با وجود مزایای گستردهی باتریهای لیتیوم یون، پژوهشها و نوآوریها در این حوزه همچنان ادامه دارد تا چالشهای موجود مانند کاهش عمر چرخهای، ایمنی پایینتر در برخی ساختارها و هزینهی بالای تولید برطرف شود. توسعهی نسلهای جدید باتریها با استفاده از مواد پیشرفتهتر، مانند الکترولیتهای جامد و آندهای پرظرفیت، میتواند عملکرد این باتریها را بهطور چشمگیری بهبود دهد. این پیشرفتها نهتنها موجب افزایش بازده انرژی و ایمنی میشوند، بلکه زمینه را برای استفادهی گستردهتر از باتریهای لیتیوم یون در فناوریهای آینده نظیر خودروهای برقی، تجهیزات پزشکی و سیستمهای ذخیرهسازی انرژی فراهم میکنند.
نتیجه گیری
در این مقاله به نحوه عملکرد باتری لیتیوم یون پرداختیم و دیدیم که باتری لیتیوم یون چگونه کار میکند و از چه اجزایی تشکیل میشود. در نهایت با آوردن نمودار مربوط به ظرفیت و ولتاژ مواد گوناگون، به مقایسه اجمالی مربوط به دو الکترود مثبت و منفی پرداختیم. در مقالههای بعد با جزئیات هرکدام بیشتر آشنا خواهیم شد.
