سایناکو | تولید کننده و وارد کننده باتری و یوپیاس
S-2104 : باتری لیتیوم چگونه کار می‌کند؟
Lithium based batteries
چقدر با باتری لیتیوم آشنایی دارید؟ در این مقاله قصد داریم در مورد باتری لیتیوم صحبت کنیم.
باتری لیتیوم چیست؟
لیتیوم سبک ترین فلز است. بیشترین پتانسیل الکتروشیمیایی را دارد و بیشترین انرژی ویژه را تأمین می‌کند. باتری‌های قابل شارژ با فلز لیتیوم می‌توانند روی آند چگالی انرژی فوق العاده بالایی را ایجاد کنند. با این حال، در اواسط دهه 1980 کشف شد که سیکل شارژ دندریت‌های ناخواسته‌ای را روی آند تولید می‌کند. این ذرات پس از رشد، به جدا کننده نفوذ کرده و باعث ایجاد اتصال کوتاه می‌شوند. دمای سلول به سرعت افزایش یافته و به نقطه ذوب لیتیوم نزدیک می‌شود و این امر باعث فرار حرارتی می شود. تعداد زیادی از باتری‌های لیتیوم فلزی قابل شارژ ارسال شده به ژاپن پس از آنکه باتری باعث آتش سوزی و سوختگی صورت یک مرد شد، در سال 1991 بازگردانده شدند.
پیشنهاد : معرفی انواع باتری لیتیوم یون
بی ثباتی ذاتی فلز لیتیوم، به ویژه در هنگام شارژ، تحقیقات را به یک محلول غیر فلزی با استفاده از یون‌های لیتیوم کشاند. در سال 1991، سونی اولین Li ion را تجاری کرد و امروزه این ماده شیمیایی تبدیل به بهترین نوع باتری در بازار تبدیل شده است. اگرچه از نظر انرژی تولیدی، کمتر از لیتیوم-فلز است؛ اما لیتیوم یون در صورت رعایت محدودیت‌های ولتاژ و جریان، بسیار بی خطر است.
اختراع باتری لیتیوم
تولید فناوری باتری لیتیوم در سال 1912 توسط G.N Lewis آغاز شد، اما در اوایل دهه 1970 بود که اولین باتری‌های لیتیوم غیر قابل شارژ به صورت تجاری در دسترس عموم قرار گرفت. تلاش برای تولید باتری‌های لیتیوم قابل شارژ در دهه 1980 ادامه یافت؛ اما به دلیل بی ثباتی در لیتیوم، فلزی که به عنوان ماده آند استفاده می شد، این روند به ناکامی رسید. (باتری فلز-لیتیوم از لیتیوم به عنوان آند استفاده می‌کند؛ Li-ion از گرافیت به عنوان آند و مواد فعال در کاتد استفاده می کند).
اعتبار اختراع باتری لیتیوم-کبالت اکسید باید به جان بی گودنوک (1922) اختصاص یابد. گفته می شود که در طول تحولات، یک دانشجوی تحصیلات تکمیلی که توسط Nippon Telephone & Telegraph (NTT) استخدام شده بود، با Goodenough در ایالات متحده کار می‌کرد. اندکی پس از دستیابی به موفقیت، دانشجو به ژاپن سفر کرد و این کشف را با خود برد. سپس در سال 1991، سونی ثبت اختراع بین المللی در مورد کاتد اکسید لیتیوم-کبالت را اعلام کرد. سالها دادخواست ارائه می‌شد، اما سونی توانست حق ثبت اختراع را حفظ کند و گودنو به خاطر تلاش‌هایش چیزی دریافت نکرد. آکادمی ملی مهندسی ایالات متحده با قدردانی از مشارکت های انجام شده در تحولات لیتیوم یون، جایزه چارلز استارک دراپر را در سال 2014 به گودناو و سایر مشارکت کنندگان اعطا کرد. در سال 2015، اسرائیل جایزه ای 1 میلیون دلاری به گودنو اعطا کرد و او نیز این جایزه را به موسسه متریال تگزاس سپرد تا در تحقیقات در مورد موارد و آلیاژ به موقیت برسند.
کلید انرژی ویژه برتر، ولتاژ بالای سلول 3.60 ولت است. پیشرفت در مواد فعال و الکترولیت‌ها امکان افزایش بیشتر چگالی انرژی را دارد. مشخصات بار در این محصول خوب است و منحنی تخلیه مسطح استفاده موثر از انرژی ذخیره شده را در یک طیف ولتاژ مطلوب و مسطح 3.70-2.80 ولت/سلول ارائه می‌دهد.
هزینه و مشخصات
در سال 1994، هزینه تولید یون لیتیوم در سلول استوانه ای 18650 بیش از10 دلار آمریکا و ظرفیت آن 1100 میلی آمپر ساعت بود. در سال 2001، قیمت به زیر 3 دلار کاهش یافت در حالی که ظرفیت به 1900 میلی آمپر ساعت رسید. امروزه 18650 سلول پرانرژی بیش از 3000 میلی‌آمپر ساعت ارائه داده و همچنان هزینه‌ها رو به کاهش است. کاهش هزینه‌ها، افزایش انرژی خاص و عدم وجود مواد سمی زمینه ساز ساخت Li-ion به عنوان باتری قابل قبول جهانی برای کاربردهای قابل حمل، صنایع سنگین، نیروگاه‌های الکتریکی و ماهواره ها است. ابعاد این محصول 18650 قطر 18 میلی متر و طول 65 میلی متر است.
باتریLi-ion یک باتری با دوام است. مزیتی که اکثر باتری‌های دیگر نمی‌توانند داشته باشند. این باتری فاقد حافظه است و برای نگهداری آن در شرایط مناسب، نیازی به شارژ کامل ندارد. ولتاژ نامی سلول 3.60 ولت به طور مستقیم می‌تواند تغذیه تلفن‌های همراه، تبلت‌ها و دوربین‌های دیجیتال را تأمین کند و ساده‌سازی و کاهش هزینه را در طراحی‌های چند سلول ارائه دهد. اشکالاتی که وجود دارد، نیاز به مدارهای محافظتی برای جلوگیری از خرابی و همچنین گرانی آنها است.
انواع باتری‌های لیتیوم یون
یون لیتیوم از کاتد (الکترود مثبت)، آند (الکترود منفی) و الکترولیت به عنوان هادی استفاده می‌کند. (آند یک باتری تخلیه منفی و کاتد مثبت است). کاتد اکسید فلز است و آند از کربن متخلخل تشکیل شده است. در هنگام تخلیه، یون‌ها از آند به کاتد جریان می‌یابند.
شکل زیر روند کار را نشان می‌دهد.
باتری‌های لیتیوم یون در انواع مختلفی ساخته می‌شوند اما همه یک مورد مشترک دارند – کلمه کلیدی “یون لیتیوم”. این باتری‌ها اگرچه در نگاه اول کاملاً شبیه به هم هستند، اما عملکرد آنها متفاوت است و انتخاب مواد فعال، مشخصه منحصر به فردی به آنها می‌دهد.
باتری لیتیوم یون اصلی سونی از کک به عنوان آند (محصول زغال سنگ) استفاده می کرد. از سال 1997، بیشتر تولیدکنندگان یون لیتیوم، از جمله سونی، برای دستیابی به یک منحنی تخلیه تر و مسطح تر، به سمت گرافیت حرکت کردند. گرافیت نوعی کربن است که دارای ثبات چرخه طولانی مدت است و در مدادهای سربی استفاده می‌شود. این ماده متداول ترین ماده کربنی است و به دنبال آن کربن‌های سخت و نرم قرار می‌گیرند. کربن‌های نانولوله هنوز کاربرد تجاری در لیتیوم یون پیدا نکرده‌اند زیرا تمایل دارند در هم گره خورده و عملکرد را تحت تأثیر قرار دهند. ماده‌ای در آینده که نوید بهبود عملکرد یون لیتیوم را می‌دهد گرافن است.
چندین ماده افزودنی برای تقویت عملکرد آند گرافیت، از جمله آلیاژهای پایه سیلیکون، امتحان شده است. شش اتم کربن (گرافیت) نیاز است تا به یک یون لیتیوم متصل شود. یک اتم سیلیکون منفرد می‌تواند به چهار یون لیتیوم متصل شود. این بدان معنی است که آند سیلیکون می‌تواند بیش از 10 برابر انرژی گرافیت را ذخیره کند، اما گسترش آند در هنگام شارژ، مشکل بزرگی است. بنابراین آندهای سیلیکون خالص کاربردی نیستند و فقط 5-3 درصد سیلیکون به طور معمول به آند یک پایه سیلیکونی اضافه می‌شود تا عمر چرخه خوبی داشته باشد.
استفاده از لیتیوم-تیتانات با ساختار نانو به عنوان یک افزودنی آند، عمر امیدوار کننده چرخه، قابلیت بار مناسب، عملکرد عالی در دمای پایین و ایمنی برتر را نشان می‌دهد؛ اما انرژی خاص، کم و هزینه زیاد است.
آزمایش با مواد کاتدی و آندی به تولیدکنندگان این امکان را می‌دهد تا خصوصیات ذاتی را تقویت کنند؛ اما یک پیشرفت ممکن است دیگری را به خطر بیندازد. اصطلاحاً “سلول انرژی” انرژی خاص (ظرفیت) را برای دستیابی به زمان طولانی اما با قدرت ویژه کمتر بهینه می‌کند. گزینه “سلول پاور” قدرت ویژه استثنایی را ارائه می‌دهد اما با ظرفیت کمتر.
تولیدکنندگان می‌توانند به راحتی و با افزودن نیکل به جای کبالت که گران‌تر است، به انرژی خاص و کم هزینه دست یابند؛ اما این امر باعث پایداری کمتر سلول می‌شود. در حالی که یک شرکت نوپا ممکن است برای دستیابی سریع به پذیرش بازار روی انرژی ویژه و قیمت پایین تمرکز کند، ایمنی و دوام را نمی‌توان نادیده گرفت. تولیدکنندگان معتبر اصرار زیادی بر ایمنی و طول عمر باتری دارند.
اکثر باتری‌های لیتیوم یونی دارای طراحی مشابه هستند که متشکل از یک الکترود مثبت اکسید فلز (کاتد) است که روی یک کلکتور جریان آلومینیوم، یک الکترود منفی (آند) ساخته شده از کربن/گرافیت یک جدا کننده و الکترولیت ساخته شده از نمک لیتیوم در یک حلال آلی می‌باشند.
مزایا
- انرژی ویژه و قابلیت بار بالا با Power Cells
- چرخه طولانی و افزایش ماندگاری، تعمیر و نگهداری آسان
- ظرفیت بالا، مقاومت داخلی کم، کارایی خوب کولنبیک
- الگوریتم شارژ ساده و زمان شارژ نسبتاً کوتاه
- تخلیه شارژ کم (کمتر از نیمی از NiCd وNiMH)
معایب
- برای جلوگیری از فرار حرارتی در صورت فشار، نیاز به مدار محافظ دارد
- در دمای بالا و هنگامی که در ولتاژ بالا نگهداری می‌شود تخریب افزایش پیدا می‌کند
- در دمای انجماد، امکان شارژ سریع وجود ندارد (<0 درجه سانتیگراد ، <32 درجه فارنهایت)
- هنگام حمل و نقل در مسافت‌های طولانی، مقررات حمل و نقل مورد نیاز است
جمع بندی
در پایان باید به این نکته اشاره کنیم که تولید فناوری باتری های لیتیوم یون انقلاب بزرگی در صنعتی دستگاه‌های قابل حمل ایجاد کرد. هر وسیله الکترونیکی که به صورت قابل حمل استفاده می‌کنیم، از یک باتری لیتیوم یون بهره می‌برد، دوربین‌ها، گوشی موبایل، لپ‌تاپ و سایر محصولات، همگی مواردی هستند که نیاز به شارژ شدن با باتری لیتیوم یون دارند. آیا شما هم از این باتری در کار خود استفاده می‌کنید؟ نظر خودتان را در مورد این نوع باتری‌ها برای ما بنویسید.
منبع : باتری یونیورسیتی
