باتری لیتیوم یون چیست و چطور کار می‌کند؟

باتری آیون لیتیوم (Lithium-Ion) یا باتری لیتیوم یون – به اختصار انگلیسی Li-ion – نوعی باتری قابل شارژ است. باتری های لیتیوم یون معمولاً برای تحرک وسایل قابل حمل و خودروهای الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرند و محبوبیت آنها برای کاربردهای نظامی و هوافضا در حال افزایش است.
نمونه اولیه باتری لیتیوم یون توسط آکیرا یوشینو در سال ۱۹۸۵ بر اساس تحقیقات قبلی جان گودناف، ام استنلی ویتینگهام، راشد یازومی و کویچی میزوشیما در طول دهه های ۱۹۷۰ تا ۱۹۸۰ توسعه یافت و سپس یک باتری لیتیوم یونی تجاری توسط تیم سونی و آساهی کاسی به رهبری یوشیو نیشی در سال ۱۹۹۱ گسترش یافت.

باتری لیتیوم یون یک فناوری باتری پیشرفته است که از یون‌های لیتیوم به عنوان یک جزء کلیدی در الکتروشیمی خود استفاده می‌کند.
در طول یک چرخه تخلیه، اتم‌های لیتیوم در آنُد یونیزه شده و از الکترون‌های خود جدا می‌شوند. یون‌های لیتیوم از آند حرکت می‌کنند و از الکترولیت عبور می‌کنند تا به کاتد برسند، جایی که با الکترون‌های خود ترکیب می‌شوند و از نظر الکتریکی خنثی می‌شوند.

یون‌های لیتیوم به اندازه‌ای کوچک هستند که می‌توانند از طریق یک جداکننده میکرو تراوا بین آند و کاتد حرکت کنند. تا حدی به دلیل اندازه کوچک لیتیوم (در رتبه سوم پس از هیدروژن و هلیوم)، باتری‌های لیتیوم یونی قادر به داشتن ولتاژ بسیار بالا و ذخیره شارژ در واحد جرم و واحد حجم هستند.
باتری‌های لیتیوم یونی می‌توانند از مواد مختلف به عنوان الکترود استفاده کنند. رایج‌ترین ترکیب اکسید کبالت لیتیوم (در کاتد) و گرافیت (در آند) است که بیشتر در دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل مانند تلفن‌های همراه و لپ‌تاپ یافت می‌شود.

سایر مواد کاتدی شامل اکسید منگنز لیتیوم (مورد استفاده در خودروهای هیبریدی الکتریکی و الکتریکی) و فسفات آهن لیتیوم است. باتری‌های لیتیوم یونی معمولاً از اتر (یک دسته از ترکیبات آلی) به عنوان الکترولیت استفاده می‌کنند.

باتری‌های لیتیوم یونی چگالی انرژی بالایی دارند و نرخ خود تخلیه پایینی ندارد. این باتری‌ها از آنجایی که حاوی الکترولیت‌های قابل اشتعال هستند، می‌توانند خطر ایمنی داشته باشند و اگر آسیب دیده و یا نادرست شارژ شوند می‌توانند به انفجار و آتش سوزی منجر شوند. سامسونگ به دنبال آتش سوزی‌های باتری لیتیوم یون مجبور به فراخوان گوشی‌های گلکسی نوت ۷ شد و چندین حادثه انفجار باتری در بوئینگ‌های ۷۸۷ رخ داده است.

برخی از مزایای باتری لیتیوم یون

در مقایسه با سایر فناوری‌های باتری قابل شارژ (نیکل-کادمیم یا نیکل-فلز-هیدرید)، باتری‌های لیتیوم یون دارای چندین مزیت هستند. آنها یکی از بالاترین چگالی انرژی را در بین هر فناوری باتری امروزی دارند (۱۰۰-۲۶۵ Wh/kg یا ۲۵۰-۶۷۰ Wh/L)

باتری لیتیوم یونی می‌توانند تا ۳٫۶ ولت، ۳ برابر بیشتر از فناوری‌هایی مانند Ni-Cd یا Ni-MH تولید کنند. این بدان معنی است که این باتری‌ها می‌توانند مقدار زیادی جریان را برای لوازم الکترونیکی پرقدرت ارائه دهند.

باتری‌های لیتیوم یونی نسبتاً کم تعمیر کم اشکال هستند و برای حفظ عمر خود نیازی به چرخه برنامه‌ریزی شده ندارند.
باتری‌های لیتیوم یون اثر حافظه ندارند (اثر حافظه که به عنوان اثر باتری، اثر باتری تنبل یا حافظه باتری نیز شناخته می‌شود، اثری است که در باتری‌های قابل شارژ نیکل-کادمیم و نیکل-فلز هیدرید مشاهده شده که باعث می‌شود شارژ کمتری در آنها نگهداری شود. به نظر می‌رسد این باتری‌ها ظرفیت کمتری را «به یاد می آورد».) و این یک مزیت نسبت به نیکل کادمیوم/ Ni-Cd و نیکل متال هیدرید/ Ni-MH است.

باتری‌های لیتیوم یونی نیز نرخ خود تخلیه پایینی در حدود ۱٫۵ تا ۲ درصد در ماه دارند. آنها حاوی کادمیوم سمی نیستند، که دفع آنها و را راحت تر از باتری های Ni-Cd می‌کند.
با توجه به این مزایا، باتری‌های لیتیوم یونی جایگزین باتری‌های نیکل کادمیوم به عنوان رهبر بازار در دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل (مانند تلفن‌های هوشمند و لپ تاپ) شده‌اند. باتری‌های لیتیوم یونی همچنین برای تامین انرژی سیستم‌های الکتریکی برای برخی کاربردهای هوافضا – جایی که وزن یک عامل هزینه قابل توجه است – استفاده می‌شوند، (در بوئینگ ۷۸۷ جدید).

از دیدگاه انرژی پاک، بدلیل کاربردهای بالقوه باتری‌های لیتیوم یونی در خودروهای برقی این باتری‌هاقابل توجه قرار گرفته‌اند. در حال حاضر، در پرفروش‌ترین خودروهای الکتریکی، نیسان لیف و تسلا مدل Sاز باتری‌های لیتیوم یونی به عنوان منبع سوخت اصلی خود استفاده شده است.

برخی از معایب باتری لیتیوم یون

باتری‌های لیتیوم یونی علی‌رغم وعده‌های تکنولوژیکی خود، هنوز دارای کاستی‌هایی هستند، به‌ویژه از نظر ایمنی. باتری‌های لیتیوم یونی تمایل به گرم شدن بیش از حد دارند و در ولتاژ بالا آسیب می‌بینند. در برخی موارد این اتفاق می‌تواند منجر به فرار حرارتی و احتراق شود. این امر باعث ایجاد مشکلات قابل توجهی شده است، به ویژه زمینگیر شدن ناوگان بوئینگ ۷۸۷ پس از گزارش آتش‌سوزی باتری در هواپیما.

به دلیل خطرات این باتری‌ها، تعدادی از شرکت‌های حمل و نقل از جابجایی عمده باتری‌ها با هواپیما خودداری می‌کنند. باتری‌های لیتیوم یونی به مکانیسم‌های ایمنی برای محدود کردن ولتاژ و فشار داخلی نیاز دارند که می‌تواند باعث افزایش وزن و محدود کردن عملکرد در برخی موارد شود.

باتری‌های لیتیوم یونی نیز در معرض پیری هستند، به این معنی که ممکن است ظرفیت خود را از دست بدهند و اغلب پس از چند سال از کار بیفتند. عامل دیگری که موفقیت آنها را محدود می‌کند هزینه آنها است که حدود ۴۰٪ بیشتر از نیکل کادمیوم است.

پرداختن به این مسائل یک مؤلفه کلیدی برای تحقیقات فعلی در مورد این فناوری است. در نهایت، علیرغم چگالی انرژی بالای لیتیوم یون در مقایسه با انواع دیگر باتری‌ها، آنها هنوز هم در حدود صد برابر کمتر از بنزین (که دارای ۱۲۷۰۰ وات ساعت بر کیلوگرم وزن یا ۸۷۶۰ وات ساعت در لیتر در حجم) هستند، چگالی انرژی دارند.

اَشکال باتری لیتیوم یون

باتری‌های لیتیوم یونی به شکل‌های مختلفی در دسترس هستند که به طور کلی می‌توان آن ها را به چهار گروه تقسیم کرد:

۱٫ استوانه‌ای کوچک (بدنه جامد بدون پایانه، مانند بدنه‌های مورد استفاده در باتری‌های قدیمی تر لپ‌تاپ)
۲٫ استوانه‌ای بزرگ (بدنه جامد با پایانه‌های سیم‌دار بزرگ)
۳٫ تخت یا کیسه‌ای (بدنه نرم، مسطح، مانند باتری‌هایی که در تلفن‌های همراه و لپ‌تاپ‌های جدیدتر استفاده می‌شوند.
۴٫ باتری‌های پلاستیکی سفت و سخت با پایانه‌های سیم‌دار بزرگ (مانند باتری‌های خودرو الکتریکی)

مارک الیس، تحلیلگر فن‌آوری باتری از Munro & Associates، سه نوع باتری اصلی لیتیوم یونی که در خودروهای برقی جدید بکار می‌رود را دسته‌بندی می‌کند:
باتری‌های استوانه‌ای (مثل تسلا)، باتری‌های کیسه‌ای منشوری (مثل LG)، باتری‌های قوطی منشوری (مثل سامسونگ، پاناسونیک و …)
که هرکدام برای خود معایب و مزایایی برای محیط‌ زیست دارند.

جهت خرید باتری‌های لیتیوم یونی به وب‌سایت سرزمین باتری مراجعه کنید. 

www.BatteryLand.ir