باتری لیتیوم-یون
لیتیوم یون چیست و چگونه کار می کند؟
باتری لیتیوم یون یک فناوری پیشرفته باتری می باشد که از یون های لیتیوم به عنوان یک عنصر اصلی در الکتروشیمی خود استفاده می کند.در زمان خالی شدن شارژ باتری لیتیوم یون اتم های لیتیوم موجود در آند یونیزه شده و از الکترون های خود جدا می شوند. یون های لیتیوم از آند حرکت می کنند و از الکترولیت عبور می کنند تا اینکه به کاتد برسند، در آنجا آن ها با الکترون های خود مجدد ترکیب گشته و الکتریسیته را خنثی می نمایند.
یون های لیتیوم به اندازه ای کوچک هستند که می توانند از طریق جدا کننده میکرو بین آند و کاتد حرکت کنند. تا حدودی به دلیل کوچک بودن لیتیوم، باتری های لیتیوم یون قادر به داشتن ولتاژ و ذخیره جریان برق بسیار زیاد در هر واحد حجم می باشند.
کاتد و آند
باتری های لیتیوم یون می توانند از مواد مختلفی به عنوان الکترود استفاده کنند. رایج ترین آن ها ترکیب اکسید لیتیم کبالت به عنوان کاتد و گرافیت به عنوان آند است که بیشتر در دستگاه های الکترونیکی قابل حمل مانند تلفن همراه و لپ تاپ استفاده می شود. از دیگر مواد کاتدی می توان به اکسید لیتیوم منگنز ( مورد استفاده در اتومبیل های برقی ) و فسفات آهن لیتیوم اشاره کرد. باتری های لیتیوم یون معمولاً از اتر (ether) به عنوان الکترولیت استفاده می کنند.
مزایای باتری های لیتیوم یون چیست؟
در مقایسه با سایر فن آوری های باتری های قابل شارژ مانند نیکل-کادمیوم یا نیکل-فلز-هیدرید و یا باتری یو پی اس ( سیلد اسید )، باتری های لیتیوم یون دارای مزیت های قابل توجهی هستند. یکی از مزیت های باتری های لیتیوم یون آن است که آن ها بالاترین تراکم انرژی را نسبت به هر باتری شارژی دیگری دارا هستند. علاوه بر این، سلولهای باتری لیتیوم یون می توانند حداکثر 3.6 ولت یعنی 3 برابر بیشتر از فناوری هایی مانند باتری های Ni-Cd یا Ni-MH را ایجاد نمایند. این بدان معناست که آنها می توانند مقادیر زیادی جریان را برای تجهیزات پر مصرف تحویل دهند. باتری های لیتیوم نیاز کمی به تعمیر و نگهداری دارند و برای حفظ کارایی و عمر خود نیازی به چرخه کامل شارژ و دشارژ ندارند.
باتری های لیتیوم یون اثر حافظه ندارند، فرایند مضری که در آن دشارژ و شارژ ناقص باعث می شود ظرفیت باتری کاهش یابد. این اثر یک مزیت نسبت به باتری های با تکتولوژی Ni-Cd و Ni-MH می باشد. باتری های قابل شارژ لیتیوم یون دشارژ خود به خودی در حدود 1.5 تا 2 درصد را در ماه دارا می باشند. آن ها حاوی کادمیوم سمی نیستند، از این رو دفع آن ها بسیار راحت تر از باتری های نیکل کادمیوم می باشد.
میدانستید از تکنولوژی لیتیوم یون در لپ ها و گوشی های هوشمند استفاده می گردد!
با توجه به مزایای گفته شده باتری لیتیوم یون جایگزین سایر باتری ها در تلفن های هوشمند و لپ تاپ ها گردید. همچنین بر اساس تحقیقات انجام شده در شرکت باتری و یوپی اس ایولتکس باتری های لیتیوم یون در برخی برنامه های هوا فضا نیز برای تامین انرژی دستگاه های الکتریکی مورد استفاده قرار می گیرد. به طور مثال در بوینگ جدید 787 و سازگار با محیط زیست وزن یک عامل مهم بوده و در آن از این نسل باتری استفاده گردیده است.
از نظر انرژی پاک، لیتیوم یون سعی دارد به طور وسیع در تامین انرژی اتومبیل های برقی توسعه یابد. در حال حاضر، پرفروش ترین اتومبیل های برقی، نیسان لیف و تسلا مدل S، هر دو از باتری های لیتیوم یون به عنوان منبع اصلی سوخت خود استفاده می کنند. اما باید توجه داشت استفاده از این باتری برای تمامی مصارف امکان پذیر نمی باشد. به طور مثال به منظور برق اضطراری و باتری آسانسور استفاده از لیتیوم یون صحیح نمی باشد و می بایست از باتری های سیلد اسید یو پی اس استفاده نمود
برخی از مضرات باتری های لیتیوم چیست؟
باتری های لیتیوم یون با وجود فن آوری بالا بسیاری از کاستی ها از جمله در زمینه ایمنی را نیز داراست. باتری های لیتیوم یون گرایش به ایجاد گرمای بیش از حد دارند و در ولتاژ های زیاد نیز می توانند آسیب ببینند. در بعضی موارد، این موضوع می تواند به گرمازایی بیش از حد و احتراق منجر شود. این موضوع مشکلات زیادی را ایجاد کرد. به عنوان نمونه ناوگان بویینگ 787 پس از اعلام آتش سوزی باتری ها زمین گیر شدند. به دلیل خطرات ناشی از این باتری ها، تعدادی از شرکت های حمل و نقل هوایی از پذیرش محموله های عمده باتری خودداری می کنند.
باتری های لیتیوم یون برای محدود کردن خطرات و بالا بردن ایمنی به مکانیزم های خاصی احتیاج دارند که می تواند باعث افزایش وزن و محدود کردن عملکرد آن ها شود. باتری های لیتیوم یون نیز به مرور زمان مستهلک شده و بخشی از ظرفیت خود را از دست می دهند. یکی دیگر از دلایل عدم پذیرش گسترده آنها قیمت آنها است که حدود 40٪ بیشتر از Ni-Cd است. پرداختن به این موضوعات یکی از مؤلفه های اصلی تحقیق و توسعه باتری های شارژی می باشد. علیرغم چگالی بالای انرژی لیتیوم یون در مقایسه با سایر باتری ها، آنها هنوز هم در حدود صد برابر انرژی کمتری نسبت به بنزین متراکم می کنند.
نکات قابل توجه
یکی از روش های تحقیق در مورد باتری های لیتیوم یون از طریق تصویربرداری مستقیم، به طور خاص با استفاده از طیف سنجی اشعه ایکس است. به تازگی، آزمایشگاه پروفسور جری سیدلر روشی را برای انجام جذب اشعه ایکس در نزدیکی طیف سنجی ساختار لبه (XANES) روی نیمکت توسعه داده است. این روش می تواند اندازه گیری نسبتا دقیقی از ویژگی های داخل باتری را انجام دهد. در هنگام انجام این کار نیازی به باز گردن و مختل نمودن سیستم وجود ندارد. انجام این آزمایشات بسیار گران و پر هزینه هستند. دستگاه های آن ها گاهی حتی تا 1 میلیارد دلار قیمت دارند. با استفاده از این ابزار جدید دانشمندان توانسته اند سرعت توسعه فناوری ها را تا حد زیادی افزایش دهند.
یکی دیگر از مؤلفه های مهم تحقیقات دانشمندان شامل تولید مواد جدید برای بهبود عملکرد باتری است. تمرکز آن ها روی جایگزینی مواد جایگزین در باتری Li-ion و همچنین توصیف و طراحی مواد نانوساختار یا مواد است که خصوصیات آنها حتی با دقت مقیاس نانو مشخص می شود. . محققان همچنین در حال کاوش موادی هستند که می توانند جایگزینی برای فناوری های باتری لیتیوم یون باشند.
بهبود ایمنی باتری لیتیوم یون توسط ترکیبات ارگانوفلورین
بر اساس تحقیقات در ایولتکس باتری های لیتیوم یون خطر منفجر شدن در دماهای بالا، هنگام اتصال کوتاه و یا شارژ زیاد و غیره را دارند. زیرا در آنها از حلال های آلی قابل اشتعال استفاده می کنند. انفجار باتری لیتیوم یون می تواند حتی گاهی خطر جانی نیز در بر داشته باشد.
مخلوط کربناتهای حلقوی، مانند اتیلن کربنات (EC) و پروپیلن کربنات (PC) ، با ثابتهای دی الکتریک بالا و کربنات های خطی، مانند کربنات دی متیل (DMC) ، کربنات اتیل متیل (EMC) ، و کربنات دی اتیل (DEC) ، با ویسکوزیته کم معمولاً به عنوان حلال برای باتری های لیتیوم یون استفاده می شود. کربناتهای حلقوی با ثابتهای دی الکتریک بالا، امکان انحلال الکترولیتهای معدنی، مانند LiPF6 را فراهم می کنند، و کربناتهای خطی با ویسکوزیته پایین ، انتشار یونهای Li + را آسان می کنند.
پایداری حرارتی بالا و اکسیداسیون یکی از مهمترین الزامات الکترولیت به کار رفته برای کاربرد باتری های لیتیوم یون است. اخیراً باتری های لیتیوم یونی با تعداد دفعات شارژ و دشارژ زیاد برای استفاده در خودروهای هیبریدی و برقی مورد نیاز است. چندین نوع ترکیب مختلف برای بهبود پایداری حرارتی و اکسیداسیون محلول های الکترولیت مورد بررسی قرار گرفته است.
راهکار بهبود پایداری باتری لیتیوم یون
ترکیبات فسفر، مانند فسفاتها، معمولاً خواص مهار کنندگی شعله را نیز از خود نشان می دهند. مخلوط مایعات یونی نیز برای افزایش پایداری اکسیداسیون محلول های الکترولیت مفید است. علاوه بر این ترکیبات، ترکیبات ارگانوفلورین کاندیداهای جدیدی برای بهبود پایداری حرارتی و اکسیداسیون باتری های یون لیتیوم مناسب می باشند.