ساختار باتری های لیتیوم یون (Lithium-ion battery) و مقایسه آن با باتری های فلز هوا

باتری های لیتیوم یون (Lithium-ion battery) باطری‌های بسیار محبوبی هستند که کاربرد گسترده‌ای در وسایل الکترونیکی شارژی مثل لپ‌تاپ‌ها و گوشی‌های موبایل دارند. این باتری‌ها چگالی انرژی بسیار زیادی و در حدود ۱۰۰ الی ۲۵۶ وات بر کیلوگرم دارند که تقریبا ۲ برابر چگالی انرژی باتری‌های نیکل-کادمیوم است.

معرفی این باطری ها (LIB) را می‌توان انقلابی در صنعت تولید باتری‌های وسایل الکترونیکی قلمداد کرد که خیلی از مسائل را حل کرده است. امروزه به لطف این باتری ها می‌توانید یک گوشی هوشمند پر مصرف را حداقل ۲۴ ساعت بدون شارژ کردن استفاده کنید یا اینکه با یک دوربین عکاسی DSLR ساعت‌ها در طبیعت به عکاسی بپردازید و نگران تمام شدن شارژ باتری نباشید.

دیگر مزیت قابل توجه باتری‌های لیتیوم-یون، وزن پایین آن‌هاست که به ویژه در مورد دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل مثل دوربین‌های عکاسی و گوشی‌های موبایل، از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است. وزن این باتری‌ها نسبت به باتری‌هایی که قبلا در ساخت این وسایل استفاده می‌شد، حدود ۸۰ درصد پایین‌تر است. حجم پایین این باتری‌ها نیز امکان ساخت ابزارهای الکترونیکی بسیار کوچک تر و قابل‌حمل‌تر را فراهم آورده است.

مکانیسم عمل باطری‌ لیتیم یون (LIB)

باتری‌های لیتیم یونی، سلول‌هایی الکتروشیمیایی هستند و بنابراین دارای سه قسمت کاتد یا الکترود مثبت، آند یا الکترود منفی و الکترولیت می‌باشند. معمولا در ساخت باتری‌های لیتیم-یونی از گرافیت برای ساخت آند استفاده می شود. این باتری ها دارای آند گرافیتی بیشترین کاربرد را در ساخت دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل دارند زیرا گرافیت وزن پایینی دارد.

در انواع مختلف باتری لیتیوم-یونی، مواد مختلفی برای ساخت کاتد مورد استفاده قرار می‌گیرند که پرکاربردترین آن‌ها، اکسید کبالت منیزیم است. از این ماده به عنوان کاتالیزور در کاتد باتری‌های فلز-هوا نیز استفاده می‌شود.

برای ساخت کاتد باتری لیتیم یون می‌توان از مواد دیگری مثل اکسید لیتیوم منیزیم که در باتری‌های مورد استفاده در خودروهای هیبریدی و خودروهای برقی استفاده می‌شود و فسفات آهن لیتیوم استفاده کرد.

الکترولیت‌های مورد استفاده در باتری لیتیوم-یونی، نمک‌های لیتیوم محلول در حلال‌های آلی و به ویژه اتر هستند.

در شکل فوق یک باتری لیتیوم-یون دارای کاتد اکسید لیتیوم کبالت را مشاهده می‌کنید.  این باتری ها نوعی باتری ثانویه محسوب می‌شود. باتری‌های ثانویه به باتری‌هایی گفته می‌شود که قابلیت شارژ شدن داشته باشند.

سازوکار این باتری‌ها به این شکل است که در هنگام فرایند شارژ شدن، همانطور که در شکل فوق مشاهده می‌کنید، یون‌های لیتیوم دارای بار مثبت از الکترود مثبت جدا شده و پس از عبور از الکترولیت، به الکترود منفی که در این مورد، از نوع گرافیتی است، می‌رسند.

زمانی که همه‌ی یون‌های لیتیوم موجود به آند مهاجرت کرده باشند، باتری کاملا شارژ شده است و واجد انرژی ذخیره شده‌ی الکتریکی است. در هنگام شارژ شدن، منبع برق خارجی، نیروی لازم را برای حرکت کاتیون‌های لیتیوم به آند فرآهم می‌آورد و اختلاف پتانسیل لازم برای عملکرد باتری را بین الکترودها تأمین می‌کند.

هنگامی که باتری مورد استفاده قرار می‌گیرد و تخلیه‌ی شارژ شروع می‌شود، اتفاقی که در باتری لیتیوم-یون می‌افتد این است که یون‌های لیتیوم به سمت کاتد بر می‌گردند و زمانی که دیگر یونی باقی نماند که از آند به کاتد برود، شارژ باتری کاملا تخلیه شده است.

در طول فرایند خالی شدن شارژ که اصطلاحا دشارژ شدن باتری نام دارد، الکترون‌ها به دلیل اختلاف پتانسیل الکتریکی از آند به سمت کاتد جریان می‌یابند ولی نه از طریق الکترولیت، بلکه از طریق مدار خارجی و در نتیجه جریانی از الکترون‌ها انرژی الکتریکی لازم برای عملکرد وسیله‌ی الکترونیکی را فرآهم می‌آورد.

مقایسه‌ی باتری‌های لیتیم یون(Lib) با باتری فلز-هوا (Metal–air)

اگر بخواهیم باتری‌ لیتیوم-یون را با باتری هوا-فلز مقایسه کنیم، می‌توانیم بگوییم که چگالی انرژی این باتری‌ها بالا و در حدود ۱۰۰ الی ۲۶۵ وات بر کیلوگرم است ولی بیشتر از باتری‌های هوا-فلز نیست که چگالی انرژی آن‌ها به میزان شگفت انگیز ۱۱۰۰ تا ۵۲۰۰ وات بر کیلوگرم می رسد؛ به این معنی که شارژ بیشتر در خود ذخیره می‌کنند.

به علاوه، این باتری‌ها عمری طولانی دارند و سال‌ها به خوبی کار می‌کنند. نکته‌ی دیگری که سب استفاده‌ی گسترده از باتری لیتیوم-یون شده است، تعویض راحت آن می‌باشد که همانطور که در باتری‌های گوشی‌های همراه می‌بینید، هرکسی می‌تواند آن را انجام دهد.

باتری‌های لیتیوم-یون باوجود اینکه باتری‌هایی سبک محسوب می‌شوند ولی در مقایسه با باتری‌های هوا-فلز وزن بالاتری دارند. برای استفاده از این باتری‌ها حتما باید یک مدار به سیستم اضافه شود و شکل آن‌ها نیز محدود به شکل مستطیلی است. به علاوه، به دلیل واکنش‌پذیری بالای لیتیوم، در صورت استفاده‌ی نامناسب، امکان انفجار این باتری‌ها دور از انتظار نیست. نکته‌ی منفی دیگر در مورد باتری‌های نوع لیتیوم-یون، زمان شارژ شدن نسبت بالای آن‌ها می‌باشد.

باتری‌های هوا-فلز محیط زیست را آلوده نمی‌کنند و وزن و چگالی آن‌ها نیز از باتری‌های لیتیوم-یون کمتر است. زمان شارژ این باتری‌ها خیلی پایین است و ایمنی بسیار بالایی داشته و به هیچ وجه قابلیت انفجار یا اشتعال ندارند. این باتری‌ها را می‌توان پس از پایان عمرشان بازیافت کرد و البته دسترسی به مواد اولیه‌ی آن‌ها نیز خیلی خیلی راحت است.

هزینه‌ی ساخت باتری‌های هوا-فلز نسبت به هزینه‌ی ساخت باتری‌های لیتیوم-یون بالاتر است. به ویژه اگر در ساخت آن‌ها از کاتالیست‌هایی از جنس فلزات گران‌بها استفاده شود. قابلیت پلاریزاسیون نیز یکی از مشکلات باتری‌های نوع فلز-هوا است که در باتری لیتیوم-یون مشاهده نمی‌شود.

گاهی اوقت کانال‌های کاتد به دلیل وجود اکسیدهای فلزی که در الکترولیت حل نمی‌شوند، مسدود می‌شود. این مشکل نیز در باتری‌های لیتیوم-یونی مشاهده نمی‌شود.

به طور کلی می‌توان گفت که باتری‌های هوا-فلز در صورتی که هزینه‌های ساختشان پایین‌تر بیاید گزینه‌های مناسب‌تری نسبت به باتری‌های لیتیوم-یونی هستند. چگالی انرژی این باتری‌ها برای استفاده در وسایل الکترونیکی قابل حمل بسیار عالی است. تصور کنید با یک بار شارژ باتری گوشی خود، چندین هفته نیازی به شارژ کردن مجدد نخواهید داشت. به علاوه می‌توانید از منفجر نشدن گوشی خود نیز مطمئن باشید!