اجزای الکترونیکی و پلیمرها

باتری های حاوی پلیمرهای لیتیمی

استفاده از پلیمرها در ساخت باتری ها، در سه زمینه ی مختلف می باشد. برای مثال، پلیمرها، ممکن است در تولید جداسازهای باتری های سنتی مورد استفاده قرار گیرد تا بدین صورت، جدایش فیزیکی بین صفحات مثبت و منفی ایجاد شود ولی جریان الکترون، در داخل الکترولیت، برقرار باشد. الیاف پلی استر و پلی پروپیلن ممکن است همچنین برای تقویت صفحات باتری های معمولی مورد استفاده قرار گیرد. عملکرد ثانویه ی این پلیمرها، در ساخت محفظه ی باتری است. این محفظه علاوه بر مقاومت در برابر عوامل شیمیایی، باید استحکام مناسبی را ایجاد کند.
باتری های حاوی پلیمرهای لیتیمی نیز تولید شده اند. این باتری ها، برای کاربردهای سیار و همچنین ارتباطات سیار و ابزارهای دستی، مناسب می باشند. ولتاژ نمونه وار این باتری ها، 3.7 V می باشد و ظرفیت آنها نیز در حد 100 mAh تا 4500 mAh می باشد. نرخ تخلیه ی این باتری ها، نیز در حدود 5 ساعت است. پلیمرهای مورد استفاده در این باتری ها، ممکن است تا حدی عملکرد الکتروشیمیایی داشته باشند.
کارایی باتری های لیتیمی معمولی، در طی چند ده سال، دو برابر شده است. در واقع این میزان از کارایی از 280 Wh/lit در سال 1995، به 580 Wh/Lit رسیده است. این مسئله نتیجه ای از تغییر فرمولاسیون آند و کاتد می باشد. در طراحی های کنونی، آند به طور نمونه وار یک مخلوط از گرافیت است. این مخلوط ترکیبی از لیتیم، نیکل و کبالت نیز به همراه دارد. هزینه ها کاهش می یابد و بدین صورت، میزان اعتماد به باتری، افزایش می یابد. این باتری ها، امروزه، به عنوان منابع انرژی متداول در وسایل قابل حمل، مانند لپ تاپ ها و گوشی های تلفن همراه، استفاده می شوند.
در یک تکنولوژی طراحی جدید که بوسیله ی شرکت NEC ژاپن، پیشنهاد شده است، یک باتری قابل شارژ رادیکالی- آلی با قابلیت انعطاف پذیری (ORB)، تولید شده است که ضخامتی کمتر از یک میلی متر دارد و می تواند در 36 ثانیه، به میزان 90 درصد، شارژ شود. این باتری می تواند، پیش از خراب شدن، چند هزار بار، شارژ شود. ORB از ژل خاصی ساخته شده است که غیر آتشگیر، غیر منفجر شونده و دوستادار محیط زیست می باشد. جزء اصلی این باتری عبارتست از پلی تترامتیل پیپریدینیلوکسی متااکریلات. این ماده دارای پایداری رادیکالی بالایی است و در زمان شارژ باتری، به کاتیون تبدیل می شود. در نتیجه، وقتی باتری تخلیه می شود، این مواد به رادیکال های پایدار تبدیل می شوند.
نمونه های آزمایشی از این باتری با ولتاژ3.6 V وجود دارند که دانسیته ی توانی برابر با 10 kW/kg دارند (در مقایسه با دانسیته ی 1.0 KW/kg برای باتری های یون لیتیمی متداول). NEC هم اکنون در حال استفاده از این باتری جدید در تولید کامپیوترهای شخصی رومیزی می باشد.
رویه های دیگر، شامل استفاده از کاتدهای نیکل، کبالت، منگنز (NCM) می باشد که از یک محلول جامد از نیکل، کبالت و منگنز، تولید شده است. در انتهای سال 2006، NCM با مخلوطی از نیکل، کبالت و اکسید آلومینیوم جایگزین شد. این توسعه، موجب شد تا دانسیته ی انرژی به حدود 620 Wh/Lit افزایش یابد.
باتری های پلیمری یون لیتیمی (LIP) به صورت نرمال، باتری های پلیمر لیتیمی نامیده می شوند. این باتری ها، غیر سمی هستند و مشابه با طراحی یون لیتمی می باشند، با این تفاوت که اندکی سبک تر و گران قیمت ترند. ولتاژ نرمال مربوط به یک سلول LIP برابر 4.2 V می باشند و عمر مفید این باتری ها در دمای اتاق، نیز در حدود 3 سال تخمین زده شده است. البته با افزایش دمای کاری، مثلا به دمایی در حدود 50 تا 60 درجه ی سانتیگراد، این عمر مفید به طور قابل توجهی، کاهش می یابد. رژیم شارژ شدن این باتری های قابل شارژ بر طبق نظر تولید کننده می باشد.
تفاوت اصلی میان باتری های یون لیتیمی معمولی و باتری های پلیمری لیتیمی، این است که طراحی اولی بر اساس الکترولیت مایع است در حالی که دومی، طراحی بر اساس یک ساختار ساندویچی دارد که بخش های خارجی آن، غشاءهای الکترولیتی پلیمری و متخلل هستند. در این ساختار، یک برهمکنش میان لایه های غشاها، ایجاد می شود. به هر حال، الکترولیت های مایع به دلیل توسعه ی الکترولیت های انعطاف پذیر بوسیله ی شرکت Ohara ژاپن، به چالش کشیده شد. این شرکت یک الکترولیت انعطاف پذیر با عرض 150 میلی متر و ضخامت 50 میکرون را برای باتری های قابل شارژ تولید کرد. این شرکت اعتقاد دارد که انتقال به حالت جامد، موجب می شود تا ایمنی باتری افزایش یابد. این شرکت همچنین اعتقاد دارد که برای این نوع از الکترولیت ها در باتری های لایه نازکی کاربرد دارد که در کارت های مدارهای مجتمع و یا سایر محصولات الکترونیکی، استفاده می شوند.
در ابتدا، الکترولیت مربوط به باتری های پلیمری لیتیمی به شکل یک الکترولیت پلیمری جامد بودند اما این فهمیده شد که کارایی آنها، می تواند با استفاده از الکترولیت های ژله ای در سیستم جداسازی، بهبود یابد. این الکترولیت ها که به گفته ی برخی افراد، الکترولیت های ژلونیک هستند، یک الکترولیت پلیمری خشک است اما این فهمیده شده است که کارایی آنها می توناد با استفاده از الکترولیت ژله ای در سیستم جداسازی، بهبود داد. این الکترولیت ها که به گفته ی برخی افراد، الکترولیت های ژلونیکی هستند، در واقع یک پلیمر واقعی نستند و این فهمیده شده است که این باتری ها، در واقع یون های لیتیمی پلاستیکی هستند و نه پلیمرهای لیتیمی.
علارغم این انعطاف پذیری ظاهری در باتری های پلیمر لیتیمی، آنها به طور طبیعی تنها در حالت مسطح، مورد استفاده قرار می گیرند و حتی در حین فرایند نصب نیز خمیده نمی شوند. به هر حال، این مسئله ممکن است که باتری ها را در شکل های خاص، تولید کرد. مثلا برای تولید باتری های تلفن همراه، این باتری ها دارای اشکال خاص خود می باشند به نحوی که بتوانند در فضای طراحی شده، قرار گیرند. در سال های اخیر، این باتری ها، به طور قابل توجهی کوچک سازی شده است و ضخامت و وزن آنها کاهش یافته است. این جالب توجه است که در مقایسه با باتری های نیکل، کادمیومی با توان برابر، باتری های پلیمر یون لیتیمی ممکن است 30 % کوچکتر و سبک تر باشند. رژیم شارژ کردن این باتری ها، یک مورد حیاتی در ایمنی آنها محسوب می شود و این ضروری است که شارژر باتری مورد استفاده، تطابق خوبی با الزامات باتری داشته باشد.
پلیمرهای فلز- لیتیمی (LMP) یک تکنولوژی نسبتاً جدید است که بوسیله ی شرکت کانادایی Avestor Limited Partnership تولید شده است. این نوع از باتری در کاربردهای ارتباطات راه دور، مورد استفاده قرار می گیرد. باتری های LMP این شرکت از 4 المان تشکیل شده است. یک آند فویلی شکل تولید شده از لایه ای بسیار نازک از لیتیم فلزی که علاوه بر نقش منبع لیتیم، به عنوان جمع کننده ی جریان نیز عمل می کند. الکترولیت پلیمری جامد که از حل شدن نمک لیتیم در داخل یک کوپلیمر مناسب، تولید می شود. کاتد اکسید فلزی نیز یک ترکیب بین لایه ای با خاصیت برگشت پذیری (reversible intercalation compound) از اکسید وانادیم است که با نمک لیتیم و یک پلیمر مخلوط می شود و موجب تشکیل یک کامپوزیت پلاستیکی می شود. در نهایت، یک فویل آلومینیومی موجب تشکیل یک جمع کننده ی جریان می شود. باتری های Avestor می توانند در گستره ی دمایی بین -40℃ تا +65℃ کار کنند.
این شرکت دو مدل از این نوع باتری ها را به بازار ارائه کرده است. مدل SE 48S63 در سال 2004 به بازار فرستاده شد و یک باتری 48 V مستقیم با توان 63 Ah و وزنی برابر با 27 کیلوگرم است. در اکتبر 2005، این شرکت مدل SE 4880 را به بازار ارائه کرد که دارای توان 80 Ah است.
تحقیقات بر روی تغییر ویژگی های این تکنولوژی، نیز در دانشگاه MIT انجام شده است. شیمی این سلول ها، بر اساس استفاده از آندهای لیتیمی، الکترولیت های بلوک کوپلیمری (BCE) و کاتدهای اکسید فلزی دارای یون لیتیم می باشد.
اولین نسل از BCE ها از پلی اکسی اتیلن متا اکریلات (POEM) و پلی الکیل متا اکریلات دوپ شده با مقادیر بالای نمک های لیتیمی تولید می شوند. MIT همچنین یک نسل ثانویه از الکترولیت های بر پایه ی پلیمر را بر روی الکترولیت های کوپلیمر گرافت تولید کرده است که در آنها، سنتز رادیکال آزاد برای پلیمر گرافت مورد استفاده قرار می گیرد این مسئله منجر می شود تا پلیمر،ی با پنجره ی الکتروشیمیایی گسترده ای داشته باشد و این مسئله موجب می شود تا پایداری گرمایی بالایی ایجاد گردد و بدین صورت، حرارت دهی تا دمای 300 درجه ی سانتیگراد مقدور می باشد بدون آنکه تخریب گرمایی در ساختار ایجاد شود.
Avestor گزارش داده است که یک مدل بزرگتر از این باتری ها که وزنی برابر با 175 کیلوگرم دارد، می تواند توان 42 kW تولید کند و نرخ انرژی آن نیز برابر با 21 kWh می باشد. Avestor توانست به طراحی با دانسیته ای بین 120 تا 200 وات ساعت بر کیلوگرم برسد در حالی که طراحی مربوط به MIT، توانست با استفاده از طراحی آند فلز لیتیمی و کاتد لیتیم- کبالت اکسید، به دانسیته هایی در حد 400 تا 650 وات ساعت بر کیلوگرم برسد.
تاکنون، استفاده از باتری های یون لیتیمی محدود به استفاده های الکترونیکی بوده که در واقع ابعاد این باتری ها، بسیار کوچک بوده است. به هر حال، در یک معامله میان تولیدکننده ای باتری ماشین در آمریکا به نام Johnson Controls و یک تولیدکننده ی صنعتی باتری در فرانسه، دو شرکت به طور مشارکتی بر روی توسعه ی باتری های یون لیتیومی برای تولید ماشین های الکترونیکی هیبریدی مانند Toyota Prius مشارکت کرده اند. مدل مورد بررسی می تواند تا 35 کیلوگرم وزن داشته باشد و ولتاژ کاری آن نیز 300 ولت است. این توسعه موجب بیان برخی راه حل ها برای مسئله ی افزایش مقیاس این باتری ها،شده است. در این دوره ی بررسی این مشارکت کننده ها، بر روی طراحی هیدرید فلزی کار کردند که هم اکنون در ماشین های هیبریدی، مورد استفاده قرار می گیرد.


منبع مقاله : Polymer in electronic/ Keith Cousins