نحوه کار باتری لیتیومی

نحوه کار باتری لیتیومی:
توان برای حرکت؛ این همان کار باتری است. باتری ها به راحتی برق را برای مصارف کوچک و قابل حمل ما تأمین می کنند.

اما مشکلی وجود دارد که اکثر باتری ها خیلی زود تخلیه می شوند و اگر از شارژر مخصوص استفاده نکنیم، مجبوریم آن ها را دور بیندازیم.

این کار از نظر اقتصادی با چالش همراه است و برای محیط زیست نیز مضر است؛ در سراسر جهان، ما سالانه میلیاردها باتری یکبار مصرف را دور می اندازیم. باتری های قابل شارژ به حل این مشکل کمک می کنند و معروف ترین نوع آن ها باتری «یون لیتیوم» (Lithium ion) است که به باتری لیتیومی یا باتری لیتیوم یون نیز معروف شده است.

تلفن همراه، لپ تاپ و پخش کننده MP3 احتمالاً از آشناترین وسایلی هستند که از باتری لیتیومی استفاده می کنند. باتری های لیتیومی تقریباً از سال 1991 مورد استفاده گسترده قرار گرفته اند، اما شیمی اولیه آن ها برای اولین بار توسط »گیلبرت لوئیس» (Gilbert N. Lewis)، شیمی دان آمریکایی (1875-1946)، در سال 1912 کشف شد.

باتری های لیتیومی در انواع فناوری های قابل حمل از مسواک های برقی و تبلت ها گرفته تا ماشین های الکتریکی و کامیون ها کاربرد دارند. در این ادامه این آموزش، نگاهی دقیق تر به نحوه کار باتری لیتیومی خواهیم انداخت.

باتری های غیر قابل شارژ:
باتری های معمولی مانند روی-کربن و قلیایی را نمی توان دوباره شارژ کرد، زیرا واکنش های شیمیایی تولیدکننده انرژی در آن ها برگشت پذیر نیست. هنگامی که انرژی الکتریکی این باتری ها مصرف شود، هیچ راهی برای پر کردن مجدد آن ها وجود ندارد.

کار باتری اساساً یک آزمایش شیمیایی است که در یک قوطی فلزی کوچک اتفاق می افتد. اگر دو انتهای باتری را به چیزی مانند چراغ قوه متصل کنید، واکنش های شیمیایی آغاز می شود:

مواد شیمیایی داخل باتری به آرامی اما به طور نظام مند از هم جدا می شوند و برای تشکیل سایر مواد شیمیایی، به هم می پیوندند و جریانی از ذرات دارای بار مثبت به نام یون و الکترون دارای بار منفی را تولید می کنند.

یون ها در باتری حرکت می کنند، الکترون ها در مداری که باتری به آن متصل است گردش می کنند و موجب تولید انرژی الکتریکی می شوند که چراغ قوه را روشن می کند.

تنها مشکل این است که این واکنش شیمیایی می تواند فقط یک بار و فقط در یک جهت اتفاق بیفتد. به همین دلیل باتری های معمولی را نمی توان دوباره شارژ کرد.

باتری های قابل شارژ:
مواد شیمیایی مختلفی در باتری های قابل شارژ استفاده می شود که با واکنش های کاملاً متفاوت از هم جدا می شوند.

تفاوت عمده این است که واکنش های شیمیایی در یک باتری قابل شارژ برگشت پذیر هستند.

هنگامی که باتری در حال تخلیه است، واکنش ها یک طرفه می شوند و باتری برق می دهد و زمانی که باتری در حال شارژ است، واکنش ها برعکس می شوند و باتری انرژی را ذخیره می کند.

این واکنش های شیمیایی می تواند صدها بار در هر دو جهت اتفاق بیفتد، بنابراین یک باتری قابل شارژ معمولاً از 2 یا 3 تا 10 سال عمر مفید دارد (بسته به اینکه چقدر از آن می شود و به چه میزان مراقبت می شود).

نحوه کار باتری لیتیومی:
یک باتری لیتیومی، مانند باتری لپ تاپ تصویر زیر، از تعدادی واحد تولید برق به نام سلول ساخته شده است که ولتاژ هر کدام تقریباً 3 تا 4 ولت است.

بنابراین یک باتری لیتیومی که ولتاژ آن 10 تا 16 ولت است، معمولاً به سه تا چهار سلول نیاز دارد. باتری تصویر زیر 10٫8 ولت دارد و دارای سه سلول است.

مانند هر باتری دیگری، یک باتری لیتیومی قابل شارژ از یک یا چند واحد تولید برق به نام سلول ساخته می شود. هر سلول اساساً دارای سه بخش است: یک الکترود مثبت (متصل به ترمینال مثبت باتری یا +)، یک الکترود منفی (متصل به ترمینال منفی یا -) و یک ماده شیمیایی به نام الکترولیت در بین آن ها.

الکترود مثبت معمولاً از یک ترکیب شیمیایی به نام لیتیوم کبالت اکسید (LiCoO2) یا در باتری های جدیدتر از لیتیوم آهن فسفات (LiFePO4) ساخته می شود. الکترود منفی به طور کلی از کربن (گرافیت) ساخته می شود و الکترولیت یک نوع باتری نسبت به نوع دیگر متفاوت است که البته در درک ایده اساسی نحوه کار باتری تأثیری ندارد.

باتری های لیتیوم یون نسبت به باتری های حاوی فلزات سنگین مانند کادمیوم و جیوه آسیب کمتری به محیط زیست می رسانند، اما بازیافت آن ها هنوز نسبت به سوزاندنشان یا انتقال آن ها به محل دفن زباله ترجیح داده می شود.

شارژ و تخلیه باتری لیتیومی:
همان طور که از نام آن ها پیداست، باتری های یون لیتیوم تماماً بر اساس حرکت یون های لیتیوم کار می کنند.

یون ها هنگام شارژ شدن باتری به یک طرف حرکت می کنند (وقتی که توان جذب می شود) و هنگام تخلیه باتری (برای تأمین برق) برعکس حرکت می کنند:

• هنگام شارژ، یون های لیتیوم (دایره های زرد) از الکترود مثبت (قرمز) به الکترود منفی (آبی) از طریق الکترولیت (خاکستری) جریان می یابند.
• الکترون ها نیز از الکترود مثبت به سمت الکترود منفی جریان می یابند، اما مسیر طولانی تری را در اطراف مدار بیرونی طی می کنند. الکترون ها و یون ها در الکترود منفی ترکیب می شوند و لیتیوم را در آنجا رسوب می دهند.
• وقتی دیگر هیچ یونی جریان پیدا نمی کند، باتری کاملاً شارژ شده و آماده استفاده است.
• هنگام تخلیه، یون ها از طریق الکترولیت از الکترود منفی به الکترود مثبت برمی گردند. الکترون ها از طریق الکترود منفی به سمت الکترود مثبت جریان می یابند و لپ تاپ را شارژ می کنند. وقتی یون ها و الکترون ها در الکترود مثبت با هم ترکیب می شوند، لیتیوم در آنجا رسوب می کند.
• وقتی تمام یون ها به عقب برگشتند، باتری کاملاً تخلیه شده و دوباره نیاز به شارژ دارد.

هنگامی که باتری کاملاً شارژ می شود، تمام یون های لیتیوم بین لایه های گرافن (ورق های کربن به ضخامت یک اتم) در الکترود گرافیت ذخیره می شوند (همه آن ها به سمت چپ منتقل شده اند). در این حالت شارژ، باتری در واقع یک ساندویچ چندلایه است و لایه های گرافن با لایه های یون لیتیوم جایگزین می شوند.

با تخلیه باتری، یون ها از الکترود گرافیت به الکترود اکسید کبالت (از چپ به راست) حرکت می کنند. وقتی باتری کاملاً تخلیه شود، همه یون های لیتیوم به سمت الکترود اکسید کبالت در سمت راست حرکت کرده اند.

یک بار دیگر، یون های لیتیوم به صورت لایه ای در بین لایه های یون کبالت (قرمز) و یون اکسید (آبی) قرار می گیرند. با شارژ و تخلیه باتری، یون های لیتیوم از یک الکترود به الکترود دیگر رفت و برگشت می کنند.