باتری های لیتیوم یون چیست و چه ویژگی هایی دارد؟ در دنیای مدرن، جایی که وابستگی ما به دستگاه‌های الکترونیکی روز به روز بیشتر می‌شود، باتری‌ها نقشی حیاتی در زندگی روزمره ما ایفا می‌کنند. در ادامه این مطلب، به معرفی و ویژگی باتری های لیتیوم یون خواهیم پرداخت.
در میان انبوهی از انواع باتری، مدل لیتیومی به عنوان یکی از پیشگامان این عرصه، به دلیل مزایای متعدد، جایگاه ویژه‌ای یافته است. برخلاف باتری‌های سنتی که از واکنش‌های شیمیایی غیرقابل برگشت برای تولید برق استفاده می‌کنند، باتری‌های لیتیومی با اتکا به حرکت یون‌های لیتیوم بین دو الکترود، قابلیت شارژ مجدد را دارا هستند.
این ویژگی منحصر به فرد، نه تنها عمر مفید باتری را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد، بلکه به حفظ محیط زیست نیز کمک می‌کند. باتری های لیتیومی (Lithium-ion battery) با تراکم انرژی بالا، قادر هستند در ابعاد کوچک، انبوهی از انرژی را ذخیره سازند. این امر، آن‌ها را به منبع تغذیه‌ای ایده‌آل برای دستگاه‌های قابل حمل مانند گوشی‌های هوشمند، لپ‌تاپ‌ها و تبلت‌ها تبدیل کرده است.
ویژگی باتری های لیتیوم یون چیست؟
باتری لیتیومی در انواع مختلفی از جمله لیتیوم یونی، لیتیوم پلیمری و لیتیوم فسفات آهن تولید می‌شوند. هر نوع از این باتری‌ها، ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارد و به همین دلیل، در طیف وسیعی از دستگاه‌ها و صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرند. در ادامه، ویژگی باتری های لیتیوم یون را مورد بررسی قرار خواهیم داد.
باتری‌های لیتیوم یون (Lithium-ion) چه مزایایی دارند؟
مدل‌های یون لیتیوم‌ها، عموماً دو برابر چگالی انرژی باتری‌های نیکل کادمیوم دارند و پتانسیل آن‌ها بسیار بالاتر است. این باتری‌ها دارای مشخصات بارگیری عالی هستند و در زمینه تخلیه بار عملکرد مشابهی با باتری‌های نیکل کادمیوم را ایفا می‌کنند.
ولتاژ سلولی بالا (اختلاف بار بین دو تا الکترود) با میزان 3.6 ولت این امکان را می‌دهد که در طراحی باتری از یک سلول استفاده شود. در واقع، سلول به معنای یک آند و یک کاتد است که توسط الکترولیت از هم جدا شده‌اند. بیشتر موبایل‌های امروزی، باتری‌هایی با یک سلول دارند.
باتری‌های لیتیوم یون، نیازمند به تعمیر و نگهداری کمتری هستند که این امکان را به آن‌ها می‌دهد تا به عنوان یکی از کمترین باتری‌های نیازمند به مراقبت شیمیایی شناخته شوند. باتری‌های لیتیومی بدون حافظه شارژ هستد و به هیچ چرخه برنامه‌ریزی شده‌ای برای افزایش عمر نیاز ندارند.
همچنین، تخلیه خود به خودی باتری در آن‌ها کمتر از نصف باتری‌های مشابهی است که از نیکل استفاده شده و بعد از دور انداختن، به طبیعت آسیب بسیار کمی وارد می‌کند.
بیشتر بخوانید: آشنایی با نحوه عملکرد باتری خودرو و انواع آن
باتری‌های لیتیوم یون چه معایبی دارند؟
یکی از مشکلات باتری‌های لیتیوم یون این است که عمر مفید آن‌ها، به علت وجود ولتاژ و جریان، از زمان تولید کاهش می‌یابد. به عنوان مثال، عمر مفید باتری (تقریباً 4 سال) از زمان تولید باتری محاسبه می‌شود. گرما نیز بر تاثیرگذاری باتری‌های لیتیوم یون تأثیر زیادی دارد، به گونه‌ای که حضور باتری در محیط‌های گرم مداوم می‌تواند تا 2 سال از عمر مفید باتری را کاهش دهد.
تخلیه کامل این باتری‌ها نیز می‌تواند به آن صدمه بزند؛ بنابراین بهتر است از تخلیه کامل آن‌ها پرهیز شود. همچنین، قیمت نسبتاً بیشتری نسبت به باتری‌های دیگر دارند و در صورت باز شدن پک و جلد، احتمال انفجار باتری‌ها بسیار زیاد است.
برای حفظ ولتاژ و جریان در محدوده ایمن، باتری لیتیوم یون نیاز به مدار محافظ دارد. در مورد تأثیر عمر باتری بر ظرفیت آن، جدا از اینکه باتری استفاده شده باشد یا نه، نگهداری آن در مکان خنک، همراه با داشتن حداقل 40 درصد شارژ، به عمر مفید آن کمک می‌کند.
محدودیت‌های حمل و نقل نیز وجود دارد. حمل و نقل مقادیر بزرگ باتری ممکن است تابع قوانین نظارتی باشد. همچنین، تولید این مدل باتری گران قیمت تمام می‌شود و تقریباً 40 درصد گران‌تر از تولید باتری‌های نیکل-کادمیوم است.
چگالی انرژی باتری لیتیوم یون بسیار بالاست و پتانسیل ظرفیت بسیار بیشتری از باتری‌های دیگر را دارد. برخی از این قطعات می‌توانند جریان بسیار بالایی را برای کاربردهایی مانند ابزارهای برقی فراهم کنند.
به طور طبیعی و با گذر زمان، از میزان شارژ این باتری‌ها کاسته می‌شوند. برای باتری‌های لیتیومی امروزی، این کاهش معمولاً حدود 1.5 تا 2 درصد در ماه است. این نرخ می‌تواند با افزایش دما و وضعیت شارژ باتری افزایش یابد.
برای مثال، باتری‌های لیتیومی در سال 1999 میزان تخلیه خود را به میزان حدود 8% در دمای 21 درجه، 15% در دمای 40 درجه و 31% در دمای 60 درجه سانتی‌گراد داشتند.
بیشتر بخوانید: بهترین روش برای شارژ باتری ماشین
باتری‌های لیتیوم یون چه معایبی دارند؟
یکی از مشکلات باتری‌های لیتیوم یون این است که عمر مفید آن‌ها، به علت وجود ولتاژ و جریان، از زمان تولید کاهش می‌یابد. به عنوان مثال، عمر مفید باتری (تقریباً 4 سال) از زمان تولید باتری محاسبه می‌شود. گرما نیز بر تاثیرگذاری باتری‌های لیتیوم یون تأثیر زیادی دارد، به گونه‌ای که حضور باتری در محیط‌های گرم مداوم می‌تواند تا 2 سال از عمر مفید باتری را کاهش دهد.
تخلیه کامل این باتری‌ها نیز می‌تواند به آن صدمه بزند؛ بنابراین بهتر است از تخلیه کامل آن‌ها پرهیز شود. همچنین، قیمت نسبتاً بیشتری نسبت به باتری‌های دیگر دارند و در صورت باز شدن پک و جلد، احتمال انفجار باتری‌ها بسیار زیاد است.
برای حفظ ولتاژ و جریان در محدوده ایمن، باتری لیتیوم یون نیاز به مدار محافظ دارد. در مورد تأثیر عمر باتری بر ظرفیت آن، جدا از اینکه باتری استفاده شده باشد یا نه، نگهداری آن در مکان خنک، همراه با داشتن حداقل 40 درصد شارژ، به عمر مفید آن کمک می‌کند.
محدودیت‌های حمل و نقل نیز وجود دارد. حمل و نقل مقادیر بزرگ باتری ممکن است تابع قوانین نظارتی باشد. همچنین، تولید این مدل باتری گران قیمت تمام می‌شود و تقریباً 40 درصد گران‌تر از تولید باتری‌های نیکل-کادمیوم است.
چگالی انرژی باتری لیتیوم یون بسیار بالاست و پتانسیل ظرفیت بسیار بیشتری از باتری‌های دیگر را دارد. برخی از این قطعات می‌توانند جریان بسیار بالایی را برای کاربردهایی مانند ابزارهای برقی فراهم کنند.
به طور طبیعی و با گذر زمان، از میزان شارژ این باتری‌ها کاسته می‌شوند. برای باتری‌های لیتیومی امروزی، این کاهش معمولاً حدود 1.5 تا 2 درصد در ماه است. این نرخ می‌تواند با افزایش دما و وضعیت شارژ باتری افزایش یابد.
برای مثال، باتری‌های لیتیومی در سال 1999 میزان تخلیه خود را به میزان حدود 8% در دمای 21 درجه، 15% در دمای 40 درجه و 31% در دمای 60 درجه سانتی‌گراد داشتند.
باتری‌های یون لیتیومی چگونه ساخته می‌شوند؟
لیتیوم یون‌ها از سه بخش تشکیل شده‌اند:
· الکترود مثبت (آند)
· الکترود منفی (کاتد)
· الکترولیت
معمولاً الکترود منفی از کربن ساخته شده و الکترود مثبت از اکسید فلزی مانند لیتیوم کبالت اکسید است. الکترولیت نیز نمک لیتیم در یک حلال آلی دارد و به صورت تجاری، الکترود منفی (کاتد) از گرافیت تهیه می‌شود.
جنس الکترود مثبت (آند) ممکن است شامل یک لایه از اکسید مانند لیتیم کبالت اکسید، پلی آنیون مانند لیتیم آهن فسفات، یا یک لعل مانند منگنز اکسید شود. عموماً، الکترولیت مخلوطی از ترکیبات آلی کربنی مانند اتیلن کربنات یا دی‌اتیل کربنات است که یون‌های لیتیم دارد.
این الکترولیت‌ها معمولاً در آب حل نمی‌شوند و محلول آبی تشکیل نمی‌دهند. این ماده، از نمک‌های آنیون غیر هماهنگی مانند لیتیم هگزافلوروفسفات (LiPF6)، لیتیم هگزافلوروآرسنات منی‌هیدرات (LiAsF6)، لیتیم پرکلرات (LiClO4)، لیتیم تترافلوئوروبورات (LiBF4) و لیتیم تریفلوئورومتان سولفونات (LiCF3SO3) نیز استفاده می‌کنند.
بسته به نوع مواد استفاده شده در باتری‌های لیتیومی، ولتاژ، چگالی انرژی، طول عمر و ایمنی می‌تواند به‌طور قابل توجهی متفاوت باشد. تلاش‌ها برای بهبود عملکرد این باتری‌ها با استفاده از نانوفناوری همچنان ادامه دارد.
لیتیم خالص واکنش‌پذیری بسیار بالایی دارد و با آب شدیداً واکنش نشان می‌دهد و به شکل لیتیم هیدروکسید (LiOH) و گاز هیدروژن درآمیخته می‌شود. به همین خاطر از موادی برای الکترولیت‌ها استفاده می‌کنند که در آب حل نشوند و محفظه باتری برای جلوگیری از جذب رطوبت داشته باشد.
اگر باتری بیش از حد تخلیه و یا بیش از حد شارژ باشد، امکان دارد باعث خراب شود. به همین دلیل از مدارهای محافظ الکترونیکی در باتری‌ها استفاده می‌کنند.
بیشتر بخوانید: انواع باتری سرب اسیدی ، کدام باتری اسیدی بهتر است؟
باتری لیتیوم یون را چه کسی اختراع کرده است؟
در دهه 70 میلادی، «گودنوف» و همکارانش «فیل ویزمن»، «کوئیچی میزوزیما» و «فیل جونز» در دانشگاه آکسفورد، بسته‌های باتری لیتیوم یون را معرفی کردند. تحقیقات آن‌ها که در سال 1980 منتشر شد، توسط شرکت سونی که در اوایل دهه 90، اولین باتری‌های لیتیومی را تولید کرد، به فناوری تجاری تبدیل شد.
از آن زمان، این باتری‌ها به محصولی عادی تبدیل شده‌اند. همچنین، سالانه حدود 5 میلیارد باتری تولید می‌شود که بیشتر آن‌ها در چین (طبق گزارش خبری بلومبرگ در سال 2013) است. سه پیشگام فناوری باتری لیتیومی، یعنی «جان گودنوف»، «م. استنلی ویتینگام» و «آکیرا یوشینو»، جایزه نوبل شیمی سال 2019 را به خاطر کارهای پیشگامانه‌شان دریافت کردند.
جمع‌بندی
باتری‌های لیتیومی، علیرغم قیمت نسبتاً بالاتر، کیفیت و بازدهی مناسبی دارند. تنها شرط برای بهره‌وری بیشتر از این باتری‌ها، عدم قرار گرفتن در معرض گرما و استفاده فوری پس از تولید است. همچنین، قابلیت شارژ مداوم دستگاه شما نیز یکی از شرایط استفاده از این باتری‌ها محسوب می‌شوند.
