باتری لیتیوم چگونه کار می‌کند؟

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 در هر وزن تأمین می کند. باتری های قابل شارژ با فلز لیتیوم روی آند می توانند چگالی انرژی فوق العاده بالایی را ایجاد کنند. با این حال ، در اواسط دهه 1980 کشف شد که سیکل شارژ دندریت های ناخواسته ای را روی آند تولید می کند. این ذرات رشد به جدا کننده نفوذ می کنند و باعث ایجاد یک اتصال کوتاه می شوند. دمای سلول به سرعت افزایش می یابد و به نقطه ذوب لیتیوم نزدیک می شود و باعث فرار حرارتی می شود ، همچنین به عنوان “تخلیه با شعله” شناخته می شود. تعداد زیادی از باتری های 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.

بی ثباتی ذاتی فلز لیتیوم ، به ویژه در هنگام شارژ ، تحقیقات را به یک محلول غیر فلزی با استفاده از یون های لیتیوم منتقل کرد. 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 ، لیتیوم یون در صورت رعایت محدودیت های 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 باتری های لیتیوم غیر قابل شارژ به صورت تجاری در دسترس عموم قرار گرفت. تلاش برای تولید باتری های 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 می کند ؛ 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 می کرد. 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 می شد ، اما سونی توانست حق ثبت اختراع را حفظ کند و گودنو به خاطر تلاش هایش 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 الکترولیت ها 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 می دهد.

هزینه و مشخصات

در سال 1994 ، هزینه تولید یون لیتیوم در سلول استوانه ای 18650 بیش از 10 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 میلی آمپر ساعت ارائه داده و هزینه ها کاهش می یابد. کاهش هزینه ها ، 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 ، نیروگاه های 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 باتری های دیگر نمی توانند داشته باشند. این باتری فاقد حافظه است و برای نگه داری آن در شرایط مناسب نیازی به تخلیه شارژ کامل ندارد. تخلیه شارژ داخلی کمتر از نصف سیستم های مبتنی بر نیکل است و این به کاربردهای سنج سوخت کمک می کند. ولتاژ اسمی سلول 3.60 ولت می تواند به طور مستقیم تلفن های همراه ، تبلت ها و دوربین های دیجیتال را تأمین کند و ساده سازی و کاهش هزینه را در طراحی های چند سلول ارائه دهد. اشکالاتی که وجود دارد نیاز به مدارهای محافظتی برای جلوگیری از سو استفاده و همچنین گرانی است.

انواع باتری های لیتیوم یون

یون لیتیوم از کاتد (الکترود مثبت) ، آند (الکترود منفی) و الکترولیت به عنوان هادی استفاده می کند. (آند یک باتری تخلیه منفی و کاتد مثبت است). کاتد اکسید فلز است و آند از کربن متخلخل تشکیل شده است. در هنگام تخلیه ، یون ها از آند به کاتد جریان می یابند الکترولیت و جدا کننده ؛ بار جهت را معکوس می کند و یون ها از کاتد به آند جریان می یابند. شکل زیر روند کار را نشان می دهد.

باتری های لیتیوم یون در انواع مختلفی ساخته می شوند اما همه یک مورد مشترک دارند – کلمه کلیدی “یون لیتیوم”. این باتری ها اگرچه در نگاه اول کاملاً شبیه به هم هستند ، اما عملکرد آنها متفاوت است و انتخاب مواد فعال ، شخصیت منحصر به فردی به آنها می دهد.

باتری لیتیوم یون اصلی سونی از کک به عنوان آند (محصول زغال سنگ) استفاده می کرد. از سال 1997 ، بیشتر تولیدکنندگان یون لی ، 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 می شود. این ماده متداول ترین ماده کربنی است و به دنبال آن کربن های سخت و نرم قرار می گیرند. کربن های نانولوله هنوز کاربرد تجاری در لیتیوم یون پیدا نکرده اند زیرا تمایل دارند در هم گره خورده و عملکرد را تحت تأثیر قرار دهند. ماده ای در آینده که نوید بهبود عملکرد یون لیتیوم را می دهد 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 می تواند به چهار یون لیتیوم متصل شود. این بدان معنی است که آند سیلیکون می تواند بیش از 10 برابر انرژی گرافیت را ذخیره کند ، اما گسترش آند در هنگام شارژ یک مشکل است. بنابراین آندهای سیلیکون خالص کاربردی نیستند و فقط 3-5 درصد سیلیکون به طور معمول به آند یک پایه سیلیکونی اضافه می شود 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 می دهد ، اما انرژی خاص کم و هزینه زیاد است.

آزمایش با مواد کاتدی و آندی به تولیدکنندگان این امکان را می دهد 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 می کند. گزینه “سلول پاور” قدرت ویژه استثنایی را ارائه می دهد اما با ظرفیت کمتر. “سلول ترکیبی” به عنوان سازش شناخته شده است و اندکی از هر دو را ارائه می دهد.

تولیدکنندگان می توانند به راحتی و با افزودن نیکل به جای کبالت گران تر ، به انرژی خاص و کم هزینه دست یابند ، اما این امر باعث پایداری کمتر سلول می شود. 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 نمی تواند به خطر بیفتد. تولیدکنندگان معتبر یکپارچگی بالایی بر ایمنی و طول عمر دارند.

اکثر باتری های لیتیوم یونی دارای یک طراحی مشابه هستند که متشکل از یک الکترود مثبت اکسید فلز (کاتد) است که روی یک جمع کننده جریان آلومینیوم ، یک الکترود منفی (آند) ساخته شده از کربن / گرافیت پوشانده شده روی یک جمع کننده جریان مس ، یک جدا کننده و الکترولیت ساخته شده از نمک لیتیوم در یک حلال آلی خواهد بود.

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 و NiMH)

معایب

• برای جلوگیری از فرار حرارتی در صورت فشار ، نیاز به مدار محافظ دارد
• در دمای بالا و هنگامی که در ولتاژ بالا نگهداری می شود تخریب افزایش پیدا می کند
• در دمای انجماد امکان شارژ سریع وجود ندارد (<0 درجه سانتیگراد ، <32 درجه فارنهایت)
• هنگام حمل و نقل در مقادیر بیشتر ، 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 دستگاه های قابل حمل ایجاد کرد. هر چه که به صورت قابل حمل استفاده می کنیم از یک باتری لیتیوم یون بهره می برد، دوربین ها ، گوشی موبایل ، لپ تاپ 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 می کنید؟ نظر خودتان را در مورد این نوع باتری ها برای ما بنویسید

منابع

باتری یونیورسیتی