باتری‌های لیتیوم-یونی

جعبه‌ی خاطرات ادیسون
موضوع: باتری‌ها
محققین و نویسندگان: علیرضا صف‌شکن، مبینا کریمی، مصطفی بهنام‌فر، عماد ملائی
گویندگان: سید مصطفی ناظمی، آیدین خلقی، مبینا کریمی، محدثه قانعی
اسفند1400

در اواخر دهه 1880، یک جدال علمی تمام‌عیار بین استاد و شاگرد سابق در گرفت. توماس ادیسون، پادشاه الکتریسیته امریکا در مقابل نیکلاس تسلا، یاغی صربستانی. جریان مستقیم در برابر جریان متناوب! طی یک اجلاس تصمیم گرفته می‌شد که در آینده تکنولوژی باید از کدوم یک استفاده کنه. بااینکه قدرت و رسانه‌ها طرف ادیسون بود، اما این تسلا و جریان AC بود که پیروز جنگ شد. با پایان پادشاهی، ادیسون داشته هاش رو در یک جعبه جمع کرد ... نگاهی می‌کنیم به صندوقچه جریان مستقیم در وولکانو، جعبه خاطرات ادیسون ...

باتری! عضو جدایی‌ناپذیر از زندگی ما. عضوی که با ذخیره انرژی توی وسایل برقی به ما کمک می‌کنه. از توسعه گوشی‌های همراه بگیر تا ماشین‌های برقی. بعضی از اون‌ها یک‌بارمصرف هستند و بعضی دیگه تا 500 دوره شارژ و تخلیه میشن. بعضی هاشون قابل انفجارن و بعضی دیگه سمی. عده ایشون قلمی‌ن عده دیگه به سکه‌ای. خلاصه که انواع مختلفی دارند و دنیای جدیدی از تکنولوژی رو تو دلشون پرورش میدن. ساختار اصلی باتری‌ها از یک واکنش الکتروشیمیایی بین دو الکترود شکل می گیره. الکترودهایی که با تغییر عدد اکسایش، الکترونی رو وارد مدار میکنن، دقیقاً همون جریانی رو میسازن که ما دنبالشیم.

باتری‌ها هم یه چیزی مثل سرسره هستند. به‌صورت کلی چگالی انرژی اونها مشخص میکنه چه تعداد افرادی توی سرسره باتری جا میشن. ولتاژ اونها مشخص میکنه چقدر مقاومت و اصطکاکی دارن. سرعت شارژ و تخلیه شدن به ما میگه که سرعت بالارفتن و پایین اومدن چقدره. بعضی از باتری‌ها غیرقابل شارژن و بعضی اونها تعداد چرخه‌هایی دارن که عمرشون رو مشخص میکنه. خلاصه که ما با یک منبع ذخیره انرژی روبرو هستیم که الکترون‌ها رو بالای سرسره میفرستیم که بعداً بتونیم ازشون استفاده کنیم. باتری‌ها بر اساس الکترودشون تقسیم‌بندی میشن که ما به چند دسته از اونها میپردازیم. ما برای شما بهترین و پرکاربردترین اون ها انتخاب کردیم تا بشنوین و لذت ببرین.

باتری لیتیوم - یونی

به دنیای قابل شارژ خوش آمدید! این جمله آغاز سخنرانی جان گودیناف، برنده نوبل 2019 شیمیه. نوبلی که به‌منظور تحقیق و توسعه باتری‌های لیتیومی داده شد. از اهمیت تحقیقاتی مسئله که بگذریم واقعاً با دنیای عجیبی طرف هستیم. دنیایی که هرکی با یه شارژر دنبال پریز برق میگرده تا نیازهای تکنولوژیکی خودش رو رفع کنه. این باتری‌ها سرتاسر دنیا رو فراگرفتن و مثل یک طوفان شن در حال گسترش هستن. اما چرا انقدر باتری‌های لیتیوم یونی یا به‌اختصار لیتیومی بر سر زبان‌ها افتاده؟ باتری‌های لیتیومی تاریخچه چندان درازی ندارن. توسعه اونها به دهه 90 میلادی برمیگیرده و تجاری شدن اونها همزمان با تلفن‌های همراه قدیمی! در واقع به نحوی میشه گفت ما دنیای موبایلمون رو مدیون توسعه چنین باتری‌هایی هستیم. اونها در همه‌ی فاکتورها از باتری‌های دیگه بالاترن. چه در چرخه عمر، چه در مدت‌زمان شارژ چه در ولتاژ خروجی. اما با تمامی این خواص، قیمیت تموم شده گرون‌تری هم ارائه میدن.

باتری‌های لیتیومی باتوجه‌به الکترولیت درونشون به دودسته لیتیوم یونی ساده و لیتیوم یونی پلیمری تقسیم میشن. در دسته لیتیوم یون پلیمر، ما با الکترولیت پلیمری روبرو هستیم. مثل پلی‌اتیلن اکسید. اما نمک‌های لیتیومِ محلول در حلال‌های آلی به‌عنوان الکترولیت مایع برای باتری لیتیوم یون ساده استفاده میشن

توسعه تحقیقات هر دودسته تقریباً پایاپای بوده و هر کدوم ویژگی خودشون رو دارند. مثلاً در دسته پلیمیری، ما میتونیم باتری‌های با اشکال متفاوت بیشتری بسازیم و خوب کاربردهای بیشتری رو در بر میگیرن. ولی به دلیل نداشتن لایه محافظ، احتمال اورشارژ و خرابی بیشتری رو دارن. از نقطه اشتراکات این دودسته هم میشه به قدرت ولتاژ یکسان و طول عمر مشابه هم اشاره کرد. (پیش خودمون باشه ولی اگر دیدید باطری موبایلتون بادکرده بدونید از اون دسته پلیمیریه ?) اما لیتیوم یون در واقع خلاصه شده ترکیبات لیتیوم با دیگر عناصر هست که به‌خاطر سختی در تلفظ یا گستردگی زیاد به‌اختصار یون گفته میشه. چندین دسته مهم از این مواد رو بررسی می‌کنیم.

لیتیوم کبالت اکسید یا LCO ها، این نوع باتری با چگالی انرژی بالا جایگاه یکی از بهترین انتخاب‌ها برای لپ تاب و گوشی همراه رو به خودش اختصاص میده. باتری شامل لایه‌های کاتدی کبالت اکسید، اندی از جنس گرافیت و یون‌های لیتیوم میشه. قیمت متوسط این باتری باعث کاربرد فراوون اون شده ولی از نقطه‌ضعف‌های اون میشه به طول عمر کوتاه، پایداری حرارتی کم و قابلیت ذخیره یون محدود اشاره کرد. این نوع باتری‌ها از صفحات الکترولیتی جامد یا SEIها استفاده می کنن. در دسته جدید با افزودن آلومینیوم شاهد کاهش ولتاژ هستیم. به همین نسبت قیمت تموم شده و کاربرد اون هم کاهش پیدا میکنه. این نوع جدید عمدتاً توسط تسلا و پاناسونیک استفاده میشن.

لیتیم منگنز اکسید یا LMO ها، این نوع از باتری‌ها از اولین دسته تجاری شده باتری‌های لیتیومیه که از لیتیوم منگنز اکسید به‌عنوان کاتد بهره میبرن. از خواص این باتری میشه به پایداری حرارتی بالا و ایمنی بیشتر اشاره کرد. مقاومت درونی کم این اجازه رو به باتری میده تا ولتاژ بالارو به مدار برسونه و قابلیت شارژ سریع رو در اون افزایش بده. ولی این دسته نسبت به دیگر باتری‌ها طول عمر و تعداد چرخه‌های کمی رو تجربه میکنن. اما خواص اونها به همین‌جا ختم نمیشه. در تحقیقات جدید این دسته از باتری‌ها رو با دسته NMCها ترکیب میکنن و خواص فوق‌العاده از اون ها بدست میاد. این ترکیب باعث بالارفتن چگالی انرژی و افزایش طول عمر باتری میشه. این باتری‌ها در ماشین‌های برقی و هیبریدی مثل ماشین‌های شرکت نیسان، BMWو تسلا کاربرد داره .

لیتیم نیکل منگنز کبالت اکسید یا NMC ها، یکی از موفق‌ترین دسته از باتری‌هاست. در جایی که چگالی انرژی بالا و طول عمر طولانی و قدرت ولتاژ خوب به هم میرسن. با آند گرافیتی که با تزریق لایه‌هایی از سیلیکون خواص بهتری رو نشون میده. ولی قدرت این نوع باتری‌ها در ترکیب نیکل با کبالت نهفته شده. جایی که هر کدوم از این مواد خواص خاصی از خود نشون میدن. از کاربرد این باتری‌های میشه به وسایل خانگی قابل‌حمل و دوچرخه‌های برقی اشاره کرد.

لیتیوم آهن فسفات یا LFP ها، کاتدی که در دانشگاه تگزاس ساخته شد، با ارائه یک واکنش الکتروشیمیایی با مقاومت کم و ایمنی بالا باعث تولید باتری‌های پر کاربردی شده که امروزه سرتاسر جهان رو تسخیر کردن. استفاده از نانوذرات نمک فسفات باعث شده تا باتری با جریان و ولتاژ بالارو در کنار عمر بلندمدت داشته باشیم. از امتیازهای منفی LFPها میشه به نرخ خود تخلیه شوندگی بالا، چگالی انرژی کم و اشکال فیزیکی خاص، اشاره کرد.

لیتیوم تایتانات یا LTO ها، به‌جای گرافیت، از لیتیوم تایتانات در جایگاه آند استفاده میکنن و کاتد اون ها، عمدتاً از لیتیوم منگنز اکسید تشکیل شده. این نوع باتری‌ها که از اوایل دهه 90 میلادی شناخته شدن قدرت و عملکرد بالارو در کنار قیمت کم به ما ارائه میدن. ولی بااین‌وجود، خواص اصلی این باتری‌ها طول عمر بالا و تعداد سیکل‌های متعدد هست. LTOها به‌خاطر استفاده از مواد با خلوص بالا قیمت بیشتری هم دارن که البته این مواد قابلیت ultra-fast charge (اولترا فست‌شارژ) را در آن‌ها فراهم کرده.

گسترش روزافزون این تکنولوژی باعث شده تا تعداد فراوانی از باتری‌های لیتیوم یونی در صنعت مورداستفاده قرار بگیرن. متأسفانه این صنعت آن‌چنان در ایران پیشرفت نکرده و بیشتر باتری‌ها وارداتی هستن. امیدواریم که به‌زودی از این محصول پرکاربرد در صنایع کشورمون جای بگیره.