باتری لیتیوم چیست؟ مزایا و معایب

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 شوندو 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 لیتیم-یون معمولاً برای تأمین نیروی لازم در دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل مورد استفاده قرار می‌گیرند.

در مقایسه با نسل‌های قدیمی‌تر باتری‌ها یعنی باتری نیکل–کادمیم و باتری نیکل– هیدرید فلز، باتری‌های لیتیم-یون حدود ۳ تا ۵ برابر وزن و حجم کمتری دارند. باتری لیتیم-یون انرژی زیادی تولید می‌کند اما در مقابله با باتری‌های نیکل-هیدرید ایمنی آنها پایین است. برای نمونه این نوع باتری‌ها زود آتش می‌گیرند. اما نسل جدید باتری لیتیم-یون با حل «مشکل کاتدی» هر نیاز را برآورده می‌کنند.

اصول شیمی، عملکرد، هزینه و ایمنی باتری‌های یون لیتیم 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 (LiCoO۲) به عنوان کاتد و گرافیت به عنوان آند عمل کرده، و در مجموع چگالی انرژی بالایی را ارائه می‌دهند.باتری‌های فسفات آهن لیتیوم (LiFePO۴)، اکسید منگنز لیتیوم (اسپینل LiMn۲O۴، یا مواد لایه‌ای لیتیمی پایه Li۲MnO۳) و اکسید کبالت منگنز نیکل لیتیوم (LiNiMnCoO۲) ممکن است عمر طولانی‌تری ارائه دهند و ممکن است ظرفیت باردهی بالاتری داشته باشد. از چنین باتری‌هایی به‌طور گسترده‌ای برای ابزارهای الکتریکی، تجهیزات پزشکی و سایر کاربردها استفاده می‌شود.

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.

طرز ساخت

باتری‌های یون لیتیومی از سه بخش درست شده‌اند. الکترود مثبت و منفی و الکترود. معمولاً جنس الکترود منفی از کربن و جنس الکترود مثبت از اکسید فلزی است. الکترولیت نمک لیتیم در یک حلال ترکیب آلی است.

به صورت تجاری جنس الکترود منفی (آند) از گرافیت است. جنس الکتورد مثبت(کاتد) یکی از ماده‌های زیر است: یک لایه ای از اکسید (مثل لیتیم کبالت اکسید)، پلی آنیون مثل (لیتیم آهن فسفات) یا یک لعل مثل منگنز اکسید.

عموماً الکترولیت مخلوطی از ترکیبات آلی کربنی مثل اتیلن کربنات یا دی‌اتیل کربنات که شامل کمپلکس شیمیایی یون‌های لیتیم است، می‌باشد. این الکترولیت‌ها که معمولاً در آب حل نمی‌شوند و محلول آبی تشکیل نمی‌دهند عموماً از نمک‌های آنیون غیر هماهنگ مثل lithium hexafluorophosphate (LiPF6), lithium hexafluoroarsenate monohydrate (LiAsF6), lithium perchlorate (LiClO4), lithium tetrafluoroborate (LiBF4), and lithium triflate (LiCF3SO3) استفاده می‌کنند.

بسته به نوع مواد استفاده شده در باتری‌های لیتیمی، ولتاژ، چگالی انرژی، طول عمر و ایمنی به‌طور قابل توجهی می‌تواند تغییر کند. در حال حاضر تلاش‌ها برای بهبود عملکرد این باتری‌ها با استفاده از نانوفناوری ادامه دارد. حوضه‌هایی که روی این موضوع کار می‌کنند: مواد مورد استفاده در الکترودها در مقیاس نانو و دیگر ساختارهای جایگزین الکترود می‌باشد.

لیتیم خالص واکنش‌پذیری (شیمی) بسیار بالایی دارد. این ماده با آب شدیداً واکنش نشان می‌دهد و به شکل لیتیم هیدروکسید (LiOH) و گاز هیدروژن در می‌آید. به همین خاطر از موادی برای الکترولیت استفاده می‌کنند که در آب حل نمی‌شود و محفظه باتری برای اینکه رطوبت رو به خودش جذب نکند عایق کاری می‌شود.

باتری‌های لیتیمی نسبت به باتری‌های نیکل–کادمیم بسیار گرانتر هستند اما در رنج گرمای بیشتری کار می‌کنند و چگالی انرژی بیشتری دارند. این باتری‌ها نیاز به مدار محافظ دارند تا ولتاژ پیک رو کنترل کنند.

در صورتی باتری بیش از تخلیه شود یا بیش از حد شارژ شود باتری خراب می‌شود. به همین منظور از مدار محافظ الکترونیکی در باتری‌ها استفاده می‌شود. این مدار را شما حتی روی باتری‌های قدیمی گوشی‌های قدیمی نیز می‌توانید ببینید. دلیل استفاده از کلمه بسته باتری نیز همین می‌باشد.

مدار الکترونیکی روی یک باتری لیتیمی به منظور جلوگیری از شارژ و دیشارژ بیش از حد

برای مثال باتری‌های لپتاپ یا گوشی‌ها شامل: سنسور دما، مدار تنظیم کننده ولتاژ، نمایش دهنده میزان شارژ، و سایر اتصالات می‌باشد. این اجزا میزان وظعیت شارژ و جریان خروجی را نشان می‌دهند، میزان حداکثر شارژ دفعه قبلی رو ذخیره می‌کنند و دمای باتری را نشان می‌دهند. این طراحی خطر اتصال کوتاه را کاهش می‌دهد.

خود تخلیه باتری

باتری‌ها رفته رفته و به مرور زمان خود به خود از میزان شارژ آنها کاسته می‌شود. برای باتری‌های لیتیومی امروزی معمولاً این میزان به ۱٫۵ تا ۲ درصد در ماه می‌رسد. با افزایش دما و وضعیت شارژ باتری این نرخ می‌تواند افزایش یابد. باتری‌های لیتیومی سال ۱۹۹۹ میزان خود تخلیه ای در حدود ۸٪ در دمای ۲۱ درجه و ۱۵٪ در دمای ۴۰ درجه و ۳۱٪ در دمای ۶۰ درجه سانتی گراد داشتند.برای باتری‌های باتری نیکل– هیدرید فلز این نرخ در سال تا قبل از سال ۲۰۱۷ به ۱۰٪ تا ۳۰٪ در ماه بود اما با تغییر جزئی در ساختار این باتری‌ها به ۰٫۰۸٪ تا ۰٫۳۳٪ در ماه می‌رسد که بسیار قابل توجه است.

یک باتری لیتیومی یونی چگونه کار می‌کند؟

آند و کاتد چنین باتری‌هایی به ترتیب از کربن و اکسید لیتیم ساخته شده‌اند. الکترولیت از نمک‌های لیتیم ساخته شده‌است که در حلال‌های آلی محلول ساخته شده‌اند. مواد آند بیشتر گرافیت هستند و مواد کاتد می‌تواند هر کدام از این مواد باشد: اکسید کبالت لیتیم (LiCoO2)، فسفات لیتیم آهن (LiFePO4) یا اکسید منگنز لیتیم (LiMn2O4). الکترولیت‌هایی که معمولاً استفاده می‌شوند از نمک لیتیم مانند لیتیم هگزافلوروفسفات (LiPF6)، لیتیم تترافلوئوروبات (LiBF4)، لیتیم پرکلرات (LiClO4) و … هستند، که در حلال‌های آلی مانند اتیلن کربنات، کربنات دی متیل، دی اتیل و محلول کربنات حل شده‌اند. الکترولیت مورد استفاده در آن‌ها یک محلول غیر آبی است، زیرا در محلول آبی (H2O)، لیتیم (فلز قلیایی بسیار واکنش‌پذیر) با آب به فرم هیدروکسید لیتیم و گاز هیدروژن به شدت واکنش نشان می‌دهد، که این امر اصلاً مدنظر نیست.

در طول شارژ، یون لیتیم از کاتد به سوی آند حرکت کرده و در لایه آند ساکن می‌شود. جریان یون لیتیم از طریق الکترولیت است. وقتی این فرایند انجام می‌گیرد، باتری لیتیومی شارژ می‌شود و انرژی الکتریکی در آن ذخیره می‌گردد. در طی فرایند تخلیه، لیتیوم یون از طرف آند به طرف کاتد بر می‌گردد. وقتی که باتری لیتیومی پر می‌شود، حرکت جریان‌های الکترونی مخالف به طرف لیتیم یون‌ها، در مدار بیرونی انجام می‌گیرد. با توجه به حرکت این الکترون‌ها، جریان الکتریکی تولید می‌شود. در واقع، اختلاف پتانسیل و مقاومت که بین الکترودها ایجاد می‌شود، باعث می‌شود که جریان الکتریکی به حرکت در آید. وقتی که باتری لیتیومی از طریق یک منبع خارجی شارژ می‌شود، حرکت یونی اتفاق می‌افتد.

عملکرد محیطی باتری های لیتیوم

الکترولیت های مورد استفاده در باتری های لیتیوم می توانند الکترولیت های مایع یا پلیمر باشند. باتری های لیتیوم از جمله الکترولیت های مایع برای چندین سال در بازار وجود دارد. باتری های قابل شارژ یون لیتیوم که دارای الکترولیت مایع هستند برای برنامه هایی مانند کامپیوترهای نوت بوک ، دوربین فیلمبرداری وتلفن های همراه . باتری های لیتیوم مبتنی بر فناوری الکترولیت های مایع دارای اشکالاتی هستند. الکترولیت مایع به طور کلی به آب بندی هرمتیک نیاز دارد ، که ممکن است چگالی انرژی را کاهش دهد. علاوه بر این ، به دلایل ایمنی ، باتری های قابل شارژ یون لیتیوم و باتری های اولیه فلز لیتیوم که دارای الکترولیت مایع هستند ، به گونه ای طراحی شده اند که در صورت وجود برخی سو استفاده ها ، به طور خودکار تخلیه شوند ، مانند افزایش قابل توجه فشار داخلی که می تواند ناشی از گرم شدن داخلی یا خارجی باشد. اگر سلول تحت فشار شدید تخلیه نشود ، می تواند منفجر شود زیرا الکترولیت مایع استفاده شده در سلول های Li مایع به شدت قابل اشتعال است. یک گزینه جایگزین برای باتری های لیتیوم با الکترولیت مایع ، آنهایی هستند که دارای الکترولیت پلیمر جامد هستند. الکترودهای پلیمر جامد به طور کلی الکترولیت هایی از نوع ژل هستند که حلال و نمک را در منافذ پلیمر به دام می اندازند تا محیطی برای هدایت یونی فراهم کنند. الکترولیت های پلیمری معمولی در جدول ۱۵٫۹ نشان داده شده است .

موارد معمول مصرف باتری های لیتیوم یونی

باتری های لیتیوم یونی نوعی باتری قابل شارژ که در بسیاری از برنامه ها ، اما معمولاً در صنعت الکترونیک مورد استفاده قرار می گیرند. باتری های لیتیوم یون برق قابل حمل را تأمین می کنند ، و اسباب های الکترونیکی مانند تلفن های همراه ، لپ تاپ ها و تبلت ها را تأمین می کنند. باتری های لیتیوم یون همچنین برای تأمین انرژی تجهیزات پزشکی ، وسایل نقلیه الکتریکی و ابزارهای برقی مورد استفاده قرار می گیرند.

گذشته از صنعت الکترونیک ، لیتیوم یک ماده معدنی اصلی در استخراج ، تولید ، ذخیره انرژی و … است..

باتری های لیتیوم یون انواع مختلفی دارند ، اما به طور کلی از اجزای زیر تشکیل شده اند

• کاتد یا الکترود مثبت: منبع یون های لیتیوم است که ظرفیت و ولتاژ باتری ها را تعیین می کند

• آند یا الکترود منفی: بخشی که یون ها را از طریق یک واحد خارجی ذخیره و آزاد می کند

• الکترولیت: متوسطی که یون ها را بین کاتد و آند منتقل می کند
• جدا کننده: سدی که از تماس کاتد و آند با یکدیگر جلوگیری می کند

خطرات ایمنی و زیست محیطی باتری لیتیوم یون

با وجود استفاده گسترده و ذخیره سازی کم مصرف ، باتری Li-Ion عالی نیست. اگر به طور نامناسب تولید ، استفاده و ذخیره شود ،می تواتد یک خطر ایمنی باشد. از آنجا که باتری حاوی الکترولیت های قابل اشتعال است ، باتری های لیتیوم یونی تمایل دارند تا جایی که منفجر شوند تحت فشار قرار بگیرند در صورتی که آسیب های ساختاری را حفظ کنند. در صورت شارژ سریع ، باتری های لیتیوم یون همچنین می توانند خطر اتصال کوتاه و ایجاد انفجار را داشته باشند.

به همین دلیل و به دلیل کاربرد گسترده آن در اکثر محصولات تجاری ، استانداردهای ایمنی و آزمایش ایمنی باتری های    Li-Ion  سختگیرانه تر از انواع دیگر باتری ها است. الکترولیت های قابل اشتعال موجود در باتری های لیتیوم یون به این معنی است که تولید نامناسب می تواند منجر بهنتایج اغلب فاجعه باری شود . باتری های لیتیوم یون همچنین در صورت شارژ بیش از حد ولتاژ ، در معرض آسیب قرار می گیرند. به طور معمول ، یک باتری Li-Ion دارای ولتاژ بین ۲٫۵ تا ۳٫۶۵ ولت است (یا بسته به ترکیب سلول تا ۳۵/۴ ولت). بیش از حد این ولتاژ به دلیل شارژ نا مناسب می تواند منجر به پیری زودرس سلول های باتری شود که در بهترین حالت به این معنی است که باتری با کمتری انرژی ذخیره می کند و یا در بدترین حالت باعث منفجر شدن اجزای واکنش دهنده در سلول ها می شود.

باتری های Li-Ion اگر خیلی طولانی ذخیره شوند  ، می توانند زودتر از موعد هم خراب شوند ، این بدان معناست که در صورت استفاده نهایی ، نمی تواند به دامنه ولتاژ طبیعی خود برسد. این خطر را ایجاد می کند زیرا با وجود اینکه کاربر دستورالعمل های بسته را برای شارژ دنبال می کند ، احتمال شارژ بیش از حد وجود دارد. در حالی که اجزای فلزی باتری های لیتیوم قابل بازیافت هستند و حتی برای سوزاندن و زباله سوزها نیز بی خطر هستند ، استفاده مجدد از آنها برای استفاده مجدد و تولید مثل در محصولات دیگر فرآیندی طولانی و گران است که به نوبه خود تولیدکنندگان را به سمت بازیافت و در عوض فقط اجزای جدید را استخراج کنید.

تا زمانی که پیشرفتهای چشمگیری در تولید باتریهای Li-Ion به وجود نیاید ، آنها همیشه تهدیدی برای محیط زیست محسوب می شوند: برای تولید یک کیلوگرم لیترون یون ۶۷ مگاژول انرژی لازم است.

عملکرد باتری های لیتیوم یونی

هنگامی که یک باتری لیتیوم یونی دشارژ میشود، یون های لیتیوم از سمت الکترود منفی (آند) به سمت الکترود مثبت (کاتد) حرکت میکنند و هنگامی که این باتری ها در حال شارژ هستند یون ها به جهت مخالف حرکت میکنند که الکترود منفی به الکترود مثبت تبدیل میشود در حالیکه الکترود مثبت به آند تبدیل میشود.

برخی از مزیت های باتری لیتیوم یون

یک باتری Li-ion قادر به ذخیره سازی ۱۵۰ وات-ساعت الکتریسیته در هر کیلوگرم از باتری است، که این در مقایسه با ۱۰۰ وات-ساعت الکتریسیته در باتری نیکل-هیدرید فلز (NiMH) و حتی فقط ۲۵ وات-ساعت الکتریسیته در باتری سرب اسید است.باتری های Li-ion نگهدارنده شارژ عالی هستند. آنها تنها چیزی در حدود ۵% از شارژ خود را هر ماه از دست میدهند که این در مقابل ۲۰% از دست دادن شارژ ماهانه در باتری NiMHاست. در باتری های Li-ion قبل از شارژ نیاز به دشارژ کامل ندارند. باتری های Li-ion قابلیت شارژ/دشارژ (تخلیه یا از دست دادن شارژ) بیشتری دارند.

برخی از معایب باتری لیتیوم یون

باتری های Li-ion شروع روند تخریبشان بلافاصله پس از خروج کارخانه است. آنها معمولا پس از دو تا سه سال از تاریخ تولید کارخانه در صورت استفاده یا عدم استفاده،روندکاهشی دارند.
باتری های Li-ion به دمای بالا بسیار حساس هستند. دمای بالا باعث کاهش هرچه بیشتر کارایی آنها در مقایسه با سایر باتری ها میشود.اگر یک باتری Li-ion به طور کامل شارژ شود، باعث آسیب به آن میشود.
باتری Li-ion در مقایسه با سایر باتری ها گران قیمت تر هستند.