آشنایی با باتری لیتیوم یون و چگونگی کارکرد آن

در این مطلب باتری لیتیوم یون ، انواع و طرز کار آن را بررسی می‌کنیم.

لیتیوم یون چگونه ساخته شد؟

اولین تلاش‌ برای ساخت باتری‌ لیتیومی از سال 1912 زیر نظر G.N. Lewis انجام شد، اما اوایل 1970 بود که اولین باتری‌های لیتیومی غیر قابل شارژ به صورت تجاری عرضه شدند. تلاش‌ها برای توسعه باتری‌های لیتیومی قابل شارژ در دهه 1980 ادامه یافت، اما به دلیل ناپایداری‌هایی در  فلز لیتیوم که به عنوان آند استفاده می‌شد، موفقیتی حاصل نشد. (در باتری لیتیوم-فلز از لیتیوم به عنوان آند استفاده می شود، درحالی‌که در باتری لیتیوم یون از گرافیت برای آند و از فلزات فعال به عنوان کاتد استفاده می‌شود.)

لیتیوم در بین فلزات سبک‌ترین عنصر است. به علاوه، بیش‌ترین پتانسیل الکتروشیمیایی و بیش‌ترین نسبت انرژی به وزن را دارد. باتری‌های قابل شارژ با آند لیتیومی می‌توانند چگالی انرژی بسیار زیادی ارائه کنند. با این حال، در اواسط دهه 1980 در چرخه شارژ  این باتری‌ها، رگه‌های ناخواسته‌ای روی آند مشاهده شد.  این ذرات ناخواسته به مرور رشد کرده و در قسمت جداکننده نفوذ می‌کنند و باعث اتصال کوتاه الکتریکی می‌شوند. دمای سلول به سرعت زیاد شده و به نقطه ذوب لیتیوم رسیده و باعث فرار گرمایی می‌شود. از این پدیده‌ با نام “تخلیه با شعله” (venting with flame) هم یاد می‌شود. پس از اینکه در سال 1991،  از یک باتری موبایل، گازی شعله‌ور خارج شد و صورت مردی را دچار سوختگی کرد، تعداد زیادی از باتری‌های فلزی لیتیومی قابل شارژ که به ژاپن فرستاده شده بودند، فراخوانده و بازگردانده شدند.

ناپایداری ذاتی فلز لیتیوم به خصوص در مرحله شارژ، تحقیقات را به سمت استفاده از یون لیتیوم برد. در سال 1991، سونی، اولین لیتیوم یون را تجاری‌سازی کرد. امروز این ترکیب شیمیایی در بازار به امیدوارانه‌ترین تکنولوژی با سریع‌ترین رشد در میان باتری‌ها تبدیل شده است. با وجود اینکه انرژی لیتیوم-یون نسبت به لیتیوم-فلز کمتر است، اما لیتیوم یون امن‌تر می‌باشد و محدوده های ولتاژ و جریان مورد انتظار را فراهم می‌کند.

امتیاز سرمایه‌گذاری در باتری لیتیوم-کبالت-اکساید را باید به John B.Goodenough(1992) داد. گفته شده که در زمان توسعه این تکنولوژی، یک دانشجوی کارشناسی تازه فارق التحصیل شده که توسط شرکت Nippon Telephone & Telegraph (NTT) استخدام شده بود، با Goodenough در ایالات متحده همکاری می‌کرده است. این دانشجو، بلافاصله پس از پیشرفت بسیار، نتیجه این تحقیق مهم را با خود به ژاپن ‌برد. سپس در سال 1991، سونی، کاتد لیتیوم-کبالت-اکساید را به‌صورت بین المللی به عنوان اختراع خود ثبت کرد.

سال‌ها سپری شد و سونی با پیگیری قضایی همچنان حق اختراع راه نگه داشت و Goodenough در ازای تلاش‌های خود چیزی به دست نیاورد. اما به منظور قدردانی از مشارکت‌هایی که در توسعه فناوری لیتیوم-یون انجام شده بود، در سال 2014، آکادمی ملی مهندسی ایالات متحده (U.S. National Academy of Engineering) جایزه Charles Stark Draper را به Goodenough و سایر مشارکت‌کنندگان در توسعه این فناوری اهدا کرد. در سال 2015 نیز، اسرائیل جایزه‌ای یک میلیون دلاری به Goodenough داد که او این جایزه را (Texas Materials Institute) برای کمک به تحقیقات در حوزه مواد، به موسسه مواد تگزاس اهدا کرد.

چرا این ترکیب شیمیایی در زمینه باتری پیشگام است؟

دلیل برتری باتری‌ لیتیوم یون، ولتاژ بالای 3.6 ولتی برای هر سلول است. علاوه بر این، با پیشرفت فناوری مواد فعال و الکترولیت‌ها، امکان افزایش بیشتر چگالی انرژی در این باتری‌ها به وجود آمده است. منحنی دشارژ این باتری‌ها تقریبا صاف و یکنواخت است که باعث استفاده موثر از انرژی ذخیره شده در باتری می‌شود. به علاوه، مشخصه ولتاژ هر سلول از باتری یکنواخت و به اندازه 3.7-2.8 ولت است.

در سال 1994، هزینه تولید هر سلول استوانه‌ای 18650 باتری لیتیوم یون (یک سلول 18650، قطری برابر با 18mm و طولی برابر با 65mm دارد.) بیش از 10 دلار آمریکا بود که هر کدام ظرفیتی معادل 1100mAh داشت. در سال 2001، این هزینه به زیر 3 دلار کاهش یافت. درحالی‌که ظرفیت آن به 1900mAh افزایش پیدا کرد. امروزه سلول‌های لیتیوم-یون 18650 با ظرفیت بیش از 3000mAh با قیمت کم در بازار عرضه می‌شوند. کاهش هزینه تولید، افزایش ظرفیت و استفاده از مواد غیر سمی باعث شده که راه استفاده از باتری‌های لیتیوم یون در کاربردهای قابل حمل، صنایع سنگین، قطارهای برقی و ماهواره‌ها هموار شود.

باتری لیتیوم یون هزینه نگهداری پایینی دارد، این مزیتی است که اکثر مواد شیمیایی از آن برخوردار نیستند. یکی‌دیگر از مزایای این باتری نداشتن مشکل “اثر حافظه” است. به این معنا که برای سالم ماندن باتری و ثابت بودن ظرفیت آن نیازی نیست که تنها در زمانی‌که شارژ باتری به طور کامل تخلیه شده است، آن را شارژ کرد.  به علاوه، این باتری، سرعت دشارژ خود به خودی بسیار کمی در حدود 1.5% تا 2% در ماه دارد. ولتاژ نامی 3.6 ولتی سلول لیتیوم یون می‌تواند مستقیما تغذیه گوشی‌های موبایل، تبلت‌ها و دوربین‌های دیجیتال را فراهم کند. همین باعث ساده شدن و کاهش هزینه در برابر طراحی‌های چند سلوله شده است. اما از طرفی برای حفاظت از باتری در برابر استفاده نادرست، به مدارهای محافظ نیاز است که افزایش قیمت را به دنبال دارد.

انواع لیتیوم یون

لیتیوم یون از یک کاتد (الکترود مثبت)، یک آند (الکترود منفی) و الکترولیت به عنوان رسانا استفاده می‌کند. آند یک باتری در حال دشارژ، منفی و کاتد آن مثبت است. کاتد اکسید فلز است و آند از کربن متخلخل تشکیل شده است. در حال دشارژ، یون‌ها از میان الکترولیت و جداکننده، از آند به سمت کاتد جاری می‌شوند. اما در حال شارژ جهت شارش عکس شده و یون‌ها از کاتد به آند حرکت می‌کنند. شکل زیر این پروسه را نشان می‌دهد.

وقتی سلول شارژ و دشارژ می‌شود، یون‌ها بین کاتد (الکترود مثبت) و آند (الکترود منفی) جا به جا می‌شوند. در زمان تخلیه، آند دچار اکسایش، یا کمبود الکترون شده و کاتد شاهد کاهش یا ازدیاد الکترون می‌شود. در زمان شارژ عکس این قضیه اتفاق می‌افتد.

باتری‌های لیتیوم-یون در انواع مختلفی وجود دارند، اما همه آن‌ها کلمه کلیدی “لیتیوم-یون” را به‌صورت مشترک دارند و اگرچه در نگاه اول بسیار مشابه هستند، اما تفاوت در کارایی و انتخاب مواد فعال آن‌ها باعث شده، مشخصه‌های منحصر به فردی داشته باشند.

باتری لیتیوم یون ابتدایی سونی، از ذغال کک برای آند استفاده می‌کرد. از سال 1997، اکثر سازنده‌های لیتیوم یون مانند سونی به سمت گرافیت رفتند تا به منحنی تخلیه یکنواختی دست پیدا کنند. گرافیت ساختاری از کربن است که پایداری طولانی مدت دارد و در نوک مداد استفاده می‌شود. بیشترین کربن موجود در طبیعت به‌صورت گرافیت است و پس از آن کربن‌های سخت و نرم قرار گرفته‌اند. ساختار کربن نانوتیوب، به خاطر ساختار خاص خود که روی کارایی تاثیر می‌گذارد، هنوز در لیتیوم یون‌ها کاربرد تجاری پیدا نکرده‌اند. یکی از موادی که امید است بتواند کارایی لیتیوم یون را در آینده بهبود دهد، می‌توان به گرافن اشاره کرد.

شکل زیر، منحنی ولتاژ تخلیه شارژ یک باتری لیتیوم یون مدرن با آند گرافیت و نسخه اولیه با ذغال کک را نشان می‌دهد.

یک باتری باید در محدوده دشارژ قابل استفاده، منحنی ولتاژ یکنواخت و صافی داشته باشد. آند گرافیتی باتری مدرن در این مشخصه بهتر از نسخه اولیه کک است.

برای بهبود کارایی آند گرافیتی، افزودنی‌های مختلفی از جمله آلیاژهای بر پایه سیلیکون امتحان شده است. یک یون لیتیوم با شش اتم کربن (گرافیت) پیوند برقرار می‌کند. درحالی‌که یک اتم سیلیکون می‌تواند با چهار یون لیتیوم پیوند برقرار کند. بنابراین، یک آند سیلیکونی از نظر تئوریک باید بیش از 10 برابر گرافیت انرژی ذخیره کند، اما انبساط آند در حال شارژ، یک مشکل است. به همین دلیل، آندهای سیلیکونی خالص عملی نیستند و معمولا فقط 3 تا 5 درصد سیلیکون به آندهای بر پایه سیلیکون اضافه می‌شود تا طول عمر مناسبی حاصل شود.

استفاده از ساختارهای نانوی لیتیوم-تیتانیوم به عنوان افزودنی آند باعث افزایش طول عمر باتری، قابلیت بارگذاری خوب، عملکرد عالی در دمای پایین و امنیت بالا می‌شود، اما انرژی کم و قیمت بالا از معایب آن‌ها به شمار می‌آید.

تولیدکننده‌ها می‌توانند به سادگی با اضافه کردن نیکل به جای کبالت (که گران‌تر است)، به  ظرفیت بالایی از انرژی با هزینه کمتری دست یابند.

اما این کار باعث کاهش پایداری سلول می‌شود. ممکن است یک استارت‌آپ برای پذیرفته شدن در بازار بر روی مشخصه توانی بالا و قیمت کم تمرکز کند، درحالی‌که امنیت و دوام مواردی نیستند که قابل مصالحه و فدا کردن باشند. از طرفی تولیدکننده‌های مشهور، تمرکز و انرژی زیادی را بر روی امنیت و طول عمر باتری می‌گذارند.

بیشتر باتری‌های لیتیوم یون، طراحی مشابهی دارند، یعنی از الکترود مثبت اکسید فلز (کاتد) با لایه آلومینیوم جاذب جریان، الکترود منفی (آند) ساخته شده از کربن یا گرافیت با لایه مسی جاذب جریان، یک جدا کننده و الکترولیتی ساخته شده از نمک لیتیوم در حلال آلی تشکیل شده‌اند. در جدول زیر، مزایا و محدودیت‌های لیتیوم یون به‌طور خلاصه ذکر شده است.

در این مطلب، باتری لیتیوم یون، چگونگی ساخت و انواع آن بررسی شد. امیدواریم که از آن لذت برده باشید. اگر به نوشتن علاقه دارید، می‌توانید در سایت ما عضو شوید و مقالاتتان را با نام خود منتشر کنید.