باتری لیتیومی چیست؟

پیشرفت سریع فناوری، و افزایش تقاضا از جانب دستگاه‌های هوشمند کوچک، از عوامل رشد چشمگیر تقاضا برای باتری‌های مختلف است. از جمله محبوب‌ترین انواع باتری که معمولا با قابلیت شارژپذیری مجدد نیز طراحی می‌شوند، باتری‌های لیتیومی است.

در سال‌های اخیر بازار خودروهای برقی نیز به این تقاضا بیشتر از هر زمان دیگری دامن زده است و شرکت‌های مختلف خودروسازی از این نوع باتری در محصولات خود بیش از هر زمان دیگری استفاده می‌کنند. در این مقاله فروشگاه آنارام به توضیح و شرح این سوال می‌پردازد که باتری لیتیومی چیست و کاربردهای مختلف آن را ذکر می‌کند. در ادامه این مقاله با ما همراه باشید.

باتری لیتیومی چیست؟

باتری لیتیوم-یون که به انگلیسیLi-ion  نیز خوانده می‌شود، یک خانواده از باتری‌های قابل شارژ است که در آن در زمان تخلیه، یون‌های لیتیوم از الکترود منفی به سمت الکترود مثبت و در هنگام شارژ شدن درخلاف جهت حرکت می‌کنند. باتری‌های لیتیوم-یون معمولاً برای وسایل الکترونیکی قابل‌حمل و وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می شوند و استفاده از آن‌ها در کاربردهای هوافضا و نظامی در حال افزایش است.

باتری‌های لیتیوم-یون بالاترین چگالی انرژی را فراهم می‌سازند که تقریباً دو برابر انرژی قابل دسترسی از باتری‌های نیکل-کادمیم است. باتری‌های لیتیوم-یون بیشتر برای تأمین نیروی لازم در دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل مورد استفاده قرار می‌گیرند.

باتری 2cr5 را می‌توان یکی از به صرفه ترین باتری لیتیومی برای تجهیزات و لوازم پرمصرفی نظیر دوربین عکاسی، فلاش دوربین، دستگاه های پزشکی و تجهیزات امنیتی هوشمند، معرفی نمود که از بسیاری جهات کیفیت و کارایی خود را اثبات کرده است.

اجزای یک سلول لیتیوم یونی چیست؟

ساختار شیمیایی، عملکرد، هزینه و ایمنی باتری‌های یون لیتیوم مختلف با هم تفاوت دارد. وسایل الکترونیکی دستی بیشتر از باتری‌های لیتیوم پلیمر با ژل پلیمری به عنوان الکترولیت استفاده می‌کنند، که در آنها اکسید کبالت لیتیوم (LiCoO2) به عنوان کاتد و گرافیت به عنوان آند عمل کرده و در مجموع چگالی انرژی بالایی را ارائه می‌دهند. اما ساختار و اجزای یک باتری لیتیومی چگونه است؟

• الکترودها: انتهای یک سلول با بار مثبت و منفی که به اتصال‌دهنده‌ و پایانه باتری متصل می‌شوند.
• آند: الکترود منفی
• کاتد: الکترود مثبت
• الکترولیت: مایع یا ژلی که جریان الکتریکی را هدایت میکند.
• کلکتورهای جریان: فویل‌های رسانا در هر الکترود باتری که به پایانه‌های سلول متصل می‌شوند. پایانه‌های سلول جریان الکتریکی را بین باتری، دستگاه و منبع انرژی تغذیه کننده باتری منتقل می‌کند.
• جداکننده: یک ماده پلیمری متخلخل که الکترودها را از هم جدا می‌کند و در عین حال تبادل یون‌های لیتیوم را از یک طرف به طرف دیگر امکان‌پذیر می‌سازد.

مزایا و معایب استفاده از باتری لیتیومی

باتری‌های لیتیوم یونی هر روز زندگی میلیون‌ها نفر را تامین کرده و ارتقا می‌بخشند. امری که تا چند سال پیش چندان به ذهن خطور نمی‌کرد. از لپ‌تاپ‌ها و تلفن‌های همراه گرفته تا خودروهای هیبریدی و الکتریکی، این فناوری به دلیل وزن سبک، چگالی انرژی بالا و قابلیت شارژ مجدد، در حال افزایش است. به صرفه ترین باتری برای تجهیزات الکترونیکی مانند دوربین عکاسی باتری cr123 به صرفه ترین باتری برای تجهیزات الکترونیکی مانند دوربین عکاسی است که در بازه های دمایی مختلف مقاوم و سازگار خواهد بود.

زمینه‌های تحقیقاتی برای باتری‌های یون-لیتیوم شامل افزایش طول عمر، افزایش تراکم انرژی، بهبود ایمنی، کاهش هزینه و افزایش سرعت شارژ و دیگر موارد است. تحقیقات در زمینه الکترولیت‌های غیرقابل اشتعال به عنوان راهی برای افزایش ایمنی به دلیل اشتعال‌پذیری و فرار بودن حلال‌های آلی مورد استفاده در الکترولیت‌های متداول در حال انجام است. این استراتژی‌ها شامل باتری‌های لیتیوم یونی آبی، الکترولیت‌های سرامیکی جامد، الکترولیت‌های پلیمری، مایعات یونی و سیستم‌های بسیار فلوئوریزه هستند.

در کنار این مزایا به معایبی نیز می‌توان اشاره کرد. در مقایسه با نسل‌های قدیمی‌تر باتری‌ها یعنی باتری نیکل–کادمیم و باتری نیکل– هیدرید فلز، باتری‌های لیتیوم-یون حدود ۳ تا ۵ برابر وزن و حجم کمتری دارند. این نوع از باتری انرژی زیادی تولید می‌کند اما در مقایسه با باتری‌ نیکل متال هیدرید ایمنی پائین‌تری دارند. برای مثال این نوع باتری‌ها قابلیت اشتعال‌پذیری بیشتری دارند. اما در نسل جدید باتری لیتیومی فعلی با حل مشکل کاتدی این نقصان نیز تاحدود زیادی برطرف شده است.

باتری لیتیوم یونی چگونه کار می‌کند؟

پیش از هر چیز باید بدانیم منظور از باتری لیتیومی چیست و عملکرد آن به چه نحو است. در باتری لیتیوم یونی، یون‌های لیتیوم (Li+) بین کاتد و آند در داخل حرکت می‌کنند. الکترون‌ها در مدار خارجی در جهت مخالف حرکت می‌کنند. این مهاجرت و جریان حرکت الکترون‌ها دلیلی است که باتری دستگاه مورد نظر را تغذیه می‌کند زیرا باعث ایجاد شار و جریان الکتریکی می‌شود.

در حالی که باتری در حال تخلیه است، آند یون‌های لیتیوم را به سمت کاتد آزاد کرده و جریانی از الکترون پدید می‌‌آید که به تامین انرژی دستگاه مربوطه منجر می‌شود. هنگامی که باتری در حال شارژ است، برعکس این اتفاق رخ می‌دهد: یون‌های لیتیوم توسط کاتد آزاد شده و توسط آند دریافت می‌شوند.

باتری از یک آند، کاتد، جداکننده، الکترولیت و دو جمع کننده جریان (مثبت و منفی) تشکیل شده است. آند و کاتد لیتیوم را ذخیره می‌کنند. الکترولیت یون‌های لیتیوم بار مثبت را از آند به کاتد و بالعکس از طریق جداکننده حمل می‌کند. حرکت یون‌های لیتیوم باعث ایجاد الکترون‌های آزاد در آند می‌شود که باعث ایجاد بار در جمع کننده جریان مثبت می‌شود.

سپس جریان الکتریکی از سمت کلکتور از طریق دستگاهی که تغذیه می‌شود مانند تلفن همراه، کامپیوتر و غیره به جمع کننده جریان منفی می‌رسد. جداکننده، جریان الکترون‌ها را در داخل باتری مسدود می‌کند.

دو مفهوم رایج مرتبط با باتری‌ها، چگالی انرژی و چگالی توان هستند. چگالی انرژی بر حسب وات-ساعت بر کیلوگرم (Wh/kg) اندازه گیری می‌شود و مقدار انرژی است که باتری می‌تواند نسبت به جرم خود ذخیره کند. چگالی توان بر حسب وات بر کیلوگرم (W/kg) اندازه گیری می‌شود و مقدار توانی است که باتری با توجه به جرم آن می‌تواند تولید کند.

برای ترسیم یک تصویر واضح تر، تخلیه یک استخر را تصور کنید، چگالی انرژی مشابه اندازه استخر است، در حالی که چگالی توان با تخلیه هرچه سریع‌تر استخر قابل مقایسه است.

کاربرد باتری لیتیومی چیست؟

لیتیوم یون محبوب‌ترین شیمی باتری قابل شارژی است که امروزه مورد استفاده قرار می‌گیرد. باتری‌های لیتیوم یون انرژی دستگاه‌هایی را که ما هر روز استفاده می‌کنیم، مانند تلفن‌های همراه و وسایل نقلیه الکتریکی را فراهم می‌کند. در حال حاضر، کاربرد اصلی باتری‌های لیتیوم یون قابل شارژ در دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل مانند تلفن‌های همراه، دوربین‌های دیجیتال، دستگاه‌های سیستم موقعیت‌یابی جهانی، تبلت‌ها و رایانه‌های همراه است.

اگرچه باتری‌های ثانویه تجاری لیتیوم یون نیازهای صنعت الکترونیک قابل حمل را به طور رضایت‌بخشی پوشش می‌دهند، آینده خودروهای الکتریکی به توسعه بیشتر فناوری باتری‌های لیتیوم یون بستگی دارد. باتری‌های لیتیوم یونی به دلیل توانایی آن‌ها در تبدیل شدن به یک منبع انرژی پایدار در ترکیب با برداشت انرژی خورشیدی و کاهش وزن هواپیما، کاربردهای جذابی برای هواپیماهای برون جوی، به ویژه ماهواره‌ها دارند.

حوزه دیگری که نوید کاربردهای زیادی را برای نسل بعدی باتری‌های لیتیوم یونی قابل شارژ می‌دهد، ابزارهای کاشتنی زیست‌پزشکی مانند ضربان‌سازها است. گسترش استفاده از لیتیوم یون و دیگر سیستم های باتری ثانویه، محیطی پایدار با انتشار محدود CO2 را تضمین می‌کند.