مترجم: سعید علیزاده
منبع:راسخون
منبع:راسخون
باتری لیتیوم –یون یک سلول الکتروشیمیایی است که در اتوموبیل‌ها، دوربین‌های دیجیتال، کامپیوترها، ساعت‌ها و ... استفاده می‌شود. پایین را بخوانید تا بدانید که این باتری‌ها از داخل چگونه کار می‌کنند.
باتری‌های لیتیوم –یون به دلیل وزن سبکشان در بسیاری از دستگاه‌های الکتریکی مانند گوشی‌ها، پخش‌کننده‌های MP3، لپ تاپ‌ها و ... مورد استفاده قرار می‌گیرند. این باتری‌ها قابل شارژ هستند و در مقایسه با سایر باتری‌ها دارای چگالی انرژی بالایی هستند. مقدار انرژی ذخیره شده در باتری‌ها در واحد حجم مقدار بالایی است و نوع انرژی ذخیره شده در آن‌ها از نوع انرژی الکتروشیمیایی است. این نوعی انرژی الکتریکی است، که از مواد شیمیایی از طریق واکنش‌های شیمیایی ناشی می‌شود. از دست دادن انرژی نیز به آرامی رخ می‌دهد.
عملکرد یک سلول الکتروشیمیایی
عملکرد اولیه هر نوع سلول الکتروشیمیایی متشکل از دو عنصر مهم الکترودها و الکترولیت‌ها است. آنود و کاتود دو الکترودی هستند که انرژی الکتریکی (یون‌ها) را هدایت می‌کنند. آنود به انتهای منفی باتری وصل است در حالی‌که کاتود به انتهای مثبت باتری وصل است. الکترودها در الکترولیت‌ها واقع هستند، که به عنوان محیط مایع برای حرکت یون‌ها عمل می‌کند. الکترولیت به عنوان یک بافر عمل می‌کند و به واکنش‌های شیمیایی در باتری کمک می‌کند. حرکت الکترون‌ها در داخل الکترولیت و در بین الکترودها باعث ایجاد جریان الکتریکی می‌شود.
یک باتری لیتیوم –یون چگونه کار می‌کند؟
آنود و کاتود چنین باتری‌هایی به ترتیب از کربن و اکسید لیتیم ساخته شده‌اند. الکترولیت از نمک‌های لیتیم ساخته شده است که در حلال‌های آلی محلول ساخته شده‌اند. مواد آنود بیشتر گرافیت هستند و مواد کاتود می‌تواند هر کدام از این مواد باشد: اکسید کبالت لیتیم (LiCoO2)، فسفات لیتیم آهن (LiFePO4) یا اکسید منگنز لیتیم (LiMn2O4). الکترولیت‌هایی که معمولا استفاده می‌شوند از نمک لیتیم مانند لیتیم هگزافلوروفسفات (LiPF6)، لیتیم تترافلوئوروبات (LiBF4)، لیتیم پرکلرات (LiClO4) و ... هستند، که در حلال‌های عالی 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 اصلا مدنظر نیست.
در طول شارژ، یون لیتیم از کاتود به سوی آنود حرکت کرده و در لایه آنود ساکن می‌شود. جریان یون لیتیم از طریق الکترولیت است. وقتی این فرایند انجام می‌گیرد، باتری شارژ می‌شود و انرژی الکتریکی در آن ذخیره می‌گردد. در طی فرایند تخلیه، لیتیوم یون از طرف آنود به طرف کاتود بر می‌گردد. وقتی که باتری 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 از طریق یک منبع خارجی شارژ می‌شود، حرکت یونی اتفاق می‌افتد.
حال اجازه دهید نگاهی بیاندازیم به واکنش‌های شیمیایی که در الکترودها اتفاق می‌افتد.
در آنود: xLi+ + xe- + 6C → LixC6
در کاتود: LiCoO2 → Li1-xCoO2 + xLi+ + xe-
واکنش کلی: Li+ + LiCoO2 → Li2O + CoO
مدارهای مختلفی که در داخل باتری حضور دارند:
• کنترل‌کننده IC (مدار مجتمع): این مدار بر ولتاژ و سطح جریان در باتری نظارت می‌کند.
• کنترل کلید: این کلیدها از ترانزیستورهای اثر میدانی ساخته شده‌اند، که پس از دریافت سیگنال از کنترلر IC فرایند شارژ یا تخلیه را قطع می‌کند.
• فیوز: هنگامی که دمای سوئیچ کنترل از میزان معینی بالاتر می‌رود، فیوز جریان جاری را قطع می‌کند. این عمل باتری را از جریان بیش از حد حفظ می‌کند.
• ترمیستور: جریان جاری در باتری به کمک ترمیستور کنترل می‌شود، که مقاومت آن با توجه به جریانی که از آن میگذرد می‌تواند متفاوت باشد.
• سوئیچ مثبت ضریب دما (PTC): سوئیچ همچنین در برخی باتری‌های لیتیم –یون به جای ترمیستور، برای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد مدار استفاده می‌شود.
ظرفیت باتری به عنوان مثال، میزان شارژی که می‌تواند ذخیره کند، بستگی به سطح الکترود استفاده شده دارد. تعداد چرخه‌های شارژ و تخلیه زیاد است و همچنین سرعت شارژ زیاد است. اما مشکل انفجار بر اثر دمای بیش از حد وجود دارد. توصیه می‌شود که هرچند وقت باتری را جایگزین کنید، تا از انفجار آن جلوگیری شود.
