چگونه باتری‌های لیتیوم-یون کار می‌کنند؟

شاید بتوان گفت باتری ها در زندگی بشر مهمترین جزء وسایل الکتریکی قابل حمل است و باتری های قابل شارژ دربین انواع باتری ها از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است.

باتری های قابل شارژ تقریبا به ۴ دسته زیر تقسیم می شوند:

نیکل – کادیوم
هیبرید نیکل – فلز
لیتیوم – یون
لیتیم پلیمر
در آینده راجع به هرکدام از انواع باتری ها مقاله ای متشر می کنیم ولی باتوجه به کاربرد باتری لیتیوم – یون در اکثر تلفن های هوشمند در این مقاله راجع به لیتیوم صحبت می کنیم.

با توجه به این که در جدول پتانسیل الکتروشیمیایی، منفی ترین پتانسیل احیایی مربوط به فلز لیتیوم است، در نتیجه لیتیوم مناسب ترین آند برای استفاده در باتری ها می باشد. همچنین به دلیل وزن پایین لیتیوم (درواقع لیتیوم عنصر سوم جدول تناوبی است، به همین دلیل سومین عنصر سبک موجود در دنیا است) ظرفیت بالایی را برای باتری فراهم می کند.

برای مقایسه به مثال، فلز روی دارای ظرفیت Ah/g 0.82، سرب دارای ظرفیت ۰٫۲۶ Ah/g در حالیکه لیتیوم دارای ظرفیتAh/g 3.86 است.

در نتیجه ظرفیت و ولتاژ بالای فلز لیتیوم می تواند چگالی انرژی بالایی را برای باتری فراهم کند.

همچنین به دلیل کوچک بودن لیتیوم، سرعت انتقال یون ها بسیار بالا می رود به همین دلیل توان بالایی برای باتری به وجود می آورد.

تمام این ها مزایای استفاده از لیتیوم در باتری ها است اما استفاده از لیتیوم یکسری مضرات نیز دارد.

بزرگترین ضرر استفاده از لیتیوم می تواند واکنش پذیری بالای آن باشد، به دلیل اینکه لیتیوم یک فلز قلیایی است، به شدت با آب واکنش می دهد و به همین دلیل نمی توانیم از محلول های آبی به عنوان الکترولیت در باتری استفاده کنیم.

در باتری های ابتدایی از الکترولیت های آلی به جای آب استفاده کردند و این مشکل را برطرف کردند.

مقصود از باتری های ابتدایی، باتری های یکبار مصرف است.

اما برای باتری های قابل شارژ استفاده از محلول های آلی امکان پذیر نیست.

در مقالات بعدی برای شما بیان می کنیم چگونه براین مشکل غلبه کردند و چه راهکار هایی ارائه دادند.

تا اینجا متوجه شدیم چرا از فلز لیتیوم برای استفاده در باتری ها مناسب است.

هدف اصلی از تحقیقات در باتری ها، بهبود ویژگی های اصلی باتری مانند انرژی، توان، ظرفیت، ایمنی، پایداری و قیمت آن ها است و در ادامه مسائلی از قبیل طول عمر کلی و طول عمر هر سیکل باتری مورد توجه قرار می گیرد.

اما چگونه می توان این ویژگی ها را بهبود بخشید.

این ویژگی ها به مکانیزم واکنش ها و انتقال های یونی و الکترونی در باتری های لیتیومی بستگی دارد.

مثلا برای اینکه بتوانیم ظرفیت باتری را استفاده کنیم، باتری باید چرخه شارژ و دشارژ را طی کند و یا مقدار توان یک باتری به سرعت نفوذ یون های لیتیوم بستگی دارد.

بنابراین رفتار یون لیتیوم، حرکت الکترون ها در الکترود ها و الکترولیت ها، همگی باعث تغییر ویژگی های یک باتری می شود.

حال فرض کنید ما یک جریان بیش از حد از باتری بگیریم، در اینجا چه اتفاقی برای باتری می افتد؟ یون های لیتیوم فرصت این را پیدا نمی کنند تا بمانند و از انتها شروع به پر کردن مکان هایی که باید در آن قرار بگیرند، کنند و به دلیل سرعت بالا در همان ابتدای کاتد ها متوقف می شوند و آن را پر می کنند و ما نمی توانیم از کل ظرفیت باتری استفاده کنیم و ظرفیت باتری دچار کاهش می شود.

پس استفاده نادرست از باتری، جریان کشی، حرارت و سایر اشتباهاتی که در استفاده از یک باتری رخ می دهد، می تواند آسیب های جبران ناپذیری را به باتری وارد کند.

ولی می توان با فرایند هایی که دانشمندان در ساخت باتری انجام می دهند براین مشکلات غلبه کرد و طول عمر باتری ها را افزایش داد.

در مقالات بعدی راجع به ساختار باتری، مراحل ساخت آن، انواع موادی که در باتری ها به کار می روند و دلایلی که باتری ها را دچار آسیب می کند برای شما شرح خواهیم داد. پس منتظر مقالات بعدی ما در این خصوص باشید

سوالات تخصصی عمومی و تخصصی کاربران :: پیشنهادها و نکات ضروری :: چگونه باتری‌های لیتیوم-یون کار می‌کنند؟

۱. ساختار باتری لیتیوم-یون

باتری‌های لیتیوم-یون یکی از محبوب‌ترین انواع باتری‌ها هستند که در دستگاه‌های مختلف مانند موبایل‌ها، لپ‌تاپ‌ها و خودروهای الکتریکی استفاده می‌شوند. این باتری‌ها از چهار قسمت اصلی تشکیل می‌شوند:

• آند (Electrode Negative): معمولاً از گرافیت ساخته می‌شود که یون‌های لیتیوم در هنگام شارژ و تخلیه به آن وارد یا از آن خارج می‌شوند.
• کاتد (Electrode Positive): معمولاً از ترکیبات لیتیوم مانند لیتیوم کبالت اکسید یا لیتیوم آهن فسفات ساخته می‌شود.
• الکترولیت: مایع یا ژل خاصی که یون‌های لیتیوم را در بین آند و کاتد منتقل می‌کند.
• جداساز: یک لایه نازک از جنس پلاستیک که آند و کاتد را از یکدیگر جدا می‌کند و از اتصال کوتاه جلوگیری می‌کند.

۲. نحوه عملکرد باتری لیتیوم-یون

• شارژ باتری: هنگامی که باتری لیتیوم-یون شارژ می‌شود، یون‌های لیتیوم از کاتد به آند حرکت می‌کنند. این حرکت یون‌ها در الکترولیت انجام می‌شود و انرژی شیمیایی ذخیره می‌شود.
• تخلیه باتری: هنگام استفاده از باتری (تخلیه)، یون‌های لیتیوم از آند به کاتد بازمی‌گردند و این حرکت، انرژی الکتریکی تولید می‌کند که توسط دستگاه مصرف می‌شود.

۳. ویژگی‌ها و مزایای باتری‌های لیتیوم-یون

• چگالی انرژی بالا: باتری‌های لیتیوم-یون انرژی بیشتری نسبت به باتری‌های قدیمی‌تر مانند نیکل-کادمیوم دارند.
• طول عمر بیشتر: این باتری‌ها به دلیل ساختار شیمیایی خود معمولاً عمر بیشتری دارند.
• سبک و فشرده: این باتری‌ها به‌دلیل ساختار شیمیایی و طراحی خود بسیار سبک و فشرده هستند، که آنها را مناسب برای استفاده در دستگاه‌های قابل حمل می‌کند.

۴. چگونه می‌توان عمر باتری لیتیوم-یون را افزایش داد؟

• شارژ به‌موقع: از شارژ کامل باتری تا ۱۰۰٪ خودداری کنید و در عوض آن را در محدوده ۲۰٪ تا ۸۰٪ نگه دارید تا طول عمر آن بیشتر شود.
• حفظ دمای مناسب: باتری‌های لیتیوم-یون در دمای بالا سریع‌تر تحلیل می‌روند. از قرار دادن دستگاه در معرض دماهای بالا یا بسیار پایین خودداری کنید.
• استفاده از شارژر مناسب: همیشه از شارژرهای اصلی یا معتبر استفاده کنید تا از آسیب به باتری جلوگیری شود.

۵. آیا باتری‌های لیتیوم-یون خطرناک هستند؟

در صورتی که باتری لیتیوم-یون آسیب ببیند یا در معرض شرایط نامناسب (مثل دماهای بسیار بالا یا شارژ بیش از حد) قرار گیرد، ممکن است خطراتی مانند آتش‌سوزی یا انفجار ایجاد کند. برای جلوگیری از این خطرات:

• از استفاده از باتری‌هایی که دچار آسیب شده‌اند خودداری کنید.
• همیشه از دستگاه‌های خود به‌طور صحیح مراقبت کنید و از شارژ بیش از حد آن جلوگیری کنید.

۶. چه عواملی بر عملکرد باتری لیتیوم-یون تأثیر می‌گذارند؟

• دما: دماهای بالا می‌توانند باعث کاهش کارایی و عمر باتری شوند.
• چرخه‌های شارژ و تخلیه: هر بار که باتری شارژ و تخلیه می‌شود، عمر مفید آن کاهش می‌یابد. باتری‌های لیتیوم-یون معمولاً حدود ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ چرخه شارژ و تخلیه عمر دارند.
• نوع استفاده: استفاده از باتری در شرایطی که نیاز به انرژی زیاد است، مانند بازی‌های سنگین یا برنامه‌های پردازشی، می‌تواند عمر باتری را کاهش دهد.

۷. نکات ایمنی در استفاده از باتری‌های لیتیوم-یون

• از وارد شدن ضربه به باتری خودداری کنید.
• از باتری‌های لیتیوم-یون آسیب‌دیده استفاده نکنید و آنها را در محل‌های مناسب برای بازیافت قرار دهید.
• باتری را در دمای بیش از حد بالا یا پایین قرار ندهید.