معرفي باتري‌هاي ليتيم-يون
باتري وسيله‌اي است كه انرژي شيميايي را به طور مستقيم به انرژي الكتريكي تبديل مي‌كند. در واقع يك باطري ماشين شامل يك يا چند پيل ولتايي (Voltaic Cell) است كه بر اثر واكنش‌هاي شيميايي اكسيد و احيا مولد جريان الكتريسيته هستند. هر پيل ولتايي از دو الكترود تشكيل شده است كه بين آن‌ها با الكتروليت پر مي شود. الكتروليت محلولي رسانا شامل يون‌ها است. معمولا تركيبات الكتروفعال درون الكتروليت حل مي شوند كه مي‌توانند با الكترودها واكنش شيميايي بدهند و انرژي شيميايي را با انتقال بار در سطح مشترك الكترود-الكتروليت به انرژي الكتريكي تبديل كنند.
ولتاژ خروجي يك باتري به طور مستقيم با ماهيت شيميايي واكنش الكتروشيميايي پيل در ارتباط است. به عنوان مثال در باتري‌هاي سرب-اسيد، واكنش شيميايي هر پيل 2 ولت جريان را توليد مي‌نمايد. در باتري‌هاي ليتيمي واكنش الكتروشيميايي صورت گرفته ولتاژ تقريبي 3 ولت را توليد مي نمايد كه توليد اين ولتاژ يكي از ويژگي‌هاي مهم اين نوع باتري‌ها است. بنابراين با بهره گيري از واكنش هاي ليتيمي مي‌توان با به كارگيري تعداد پيل كمتر به ولتاژ بالاتر دست يافت.
اجزا باتري‌هاي ليتيم-يون
به طور كلي هر باتري از 3 بخش اصلي الكترود مثبت، الكترود منفي و الكتروليت تشكيل شده است. در باتري‌هاي ليتيم-يون، الكترود مثبت يا كاتد از يك تركيب ليتيم مانند ليتيم كبالت اكسيد و الكترود منفي يا آند از كربن ساخته شده و يك لايه جدا كننده در بين آن‌ها قرار دارد. نمايي از يك پيل باتري ليتيمي در شكل 2 نمايش داده شده است. الكتروليت در باتري هاي ليتيمي نيز از نمك ليتيم دريك حلال آلي ساخته شده است. استفاده از حلال آلي در نقش الكتروليت به دليل اشتعال زا بودن نيازمند انجام پاره اي از اقدامات ايمني است. اقدامات ايمني و همچنين موارد ديگري كه براي بهبود عملكرد باتري هاي ليتيمي به كار گرفته مي شوند، مهندسي ساختار الكتروليت را بسيار پيچيده مي نمايد. الكتروليت در اين باتري ها از مجموعه اي از مواد تشكيل شده كه هر كدام وظيفه خاص خود را دارند. نقص در عملكرد هر يك از اجزاي الكتروليت باعث نقص در عملكرد كل باتري مي‌شود. در بخش‌هاي بعد هر يك از اين اجزا به طور كامل شرح داده مي‌شوند
علاوه بر موارد بالا، باتري‌هاي ليتيمي مجهز به مدارهاي الكترونيكي محافظ و فيوزهاي جهت جلوگيري از عكس شدن قطبيت، اعمال ولتاژ بيش از حد، گرم شدن بيش از حد و موارد ايمني ديگر هستند.
- عملكرد باتري‌هاي ليتيم يون
با توجه به موارد ذكر شده در بالا اگر فرض كنيم كه يك نمونه از باتري ليتيمي داراي الكترود مثبت ليتيم-كبالت اكسيد و الكترود منفي گرافيتي باشد، در فرايند شارژ (Charging) در الكترود مثبت نيم واكنش و در الكترود منفي نيم واكنش:
رخ مي‌دهد. در مجموع مي‌توان گفت كه در فرايند شارژ، ليتيم فلزي موجود در ساختار الكترود مثبت به يون ليتيم تبديل شده و يون‌هاي ليتيم موجود در الكتروليت در بين لايههاي كربن (گرافيت) ذخيره مي‌شود. چنين فرآيند هايي كه در كل شارژ باتري را باعث مي شوند، نيازمند صرف انرژي (الكتريكي) هستند. در فرايند تخليه شارژ (Discharging) عكس واكنش‌هاي فوق صورت گرفته و انرژي الكتريكي ذخيره شده آزاد مي‌شود.
الكترودهاي باتري‌هاي ليتيم-يون
الكترود مثبت
الكترود هاي مورد استفاده در باتري هاي قابل شارژ بايد داراي واكنش برگشت‌پذير، هدايت الكتريكي بالا و واكنش الكتروشيميايي سريع باشند. همچنين الكترودها بايد ساختاري پايدار داشته و در چرخه‌هاي مختلف شارژ و تخليه شارژ دستخوش تغيير نشوند.
تحقيقات زيادي براي دستيابي به الكترودي با ويژگي‌هاي مناسب انجام گرفته و گستره وسيعي از الكترودها طراحي و ساخته شده است. يكي از انواع الكترودهاي مورد استفاده ليتيم-كبالت اكسيد است. اين نوع الكترود به صورت تجاري در دسترس است و باتري‌هاي ساخته شده با اين الكترود داراي ظرفيت مناسب (ظرفيت يك باتري مقداري از الكتريسيته است كه باتري مي تواند ذخيره كند)، انرژي و توان بالا و طول عمر نسبتا مناسب است.
در ابتدا براي سنتز اين ماده از تركيب كردن اكسيدها و كربنات‌هاي مناسب و سپس حرارت دادن تا دماي بالاي 900 درجه سانتيگراد استفاده مي‌شد. در نهايت مواد سنتز شده به يكديگر ساييد شده و پرس مي‌شدند كه باعث توليد الكترودهايي با ساختار غيريكنواخت مي‌گرديد. با پيشرفت روش‌هاي جديد سنتز نانو مواد مانند سل-ژل (Sol-gel) الكترودهاي جديد با ذرات همگن و يكنواخت ساخته شده‌اند كه عملكردي بسيار مطلوب‌تر دارند. امروزه تحقيقات زيادي براي ساخت نانومواد جديد جهت استفاده در باتري‌هاي ليتيمي در سراسر دنيا انجام مي‌شود كه هر روز باتري‌هايي با طول عمر بيشتر و بازده بالاتر توليد مي‌شود..
دسته ديگري از مواد كه مي‌توانند نامزد استفاده به عنوان الكترود مثبت باتري‌هاي ليتيم يون باشند، نانو لوله‌ها و نانو سيم‌ها در اندازه‌هاي مختلف هستند. به عنوان مثال نانو لوله اكسيد واناديوم (V2O5) و نانو سيم‌هايي كه در بين ساختار لايه‌اي خود پذيرنده ليتيم هستند از اين دسته اند. ساختارهايي مانند نانو سيم LiCoO2 و Li(Ni1/2Mn1/2)O2 تهيه شده و به عنوان ميزبان بين لايه‌اي در الكترود مثبت باتري‌هاي ليتيم يون مورد استفاده قرار گرفته است. اين دسته از الكترودها قابليت بسيار خوبي را از جمله افزايش بازده، افزايش قدرت و سرعت نسبت به مواد توده‌اي از خود نشان مي دهند.
الكترود منفي
تركيبات كربني مي‌تواند ساختارهاي متفاوت و در نتيجه خصوصياتي متفاوت داشته باشند. گرافيت كه يكي از متداولترين ساختارهاي كربن است، داراي لايههاي كربني با هيبريد Sp2 مي‌باشد. گرافيت داراي هدايت الكتريكي بالا در درون لايه‌ها مي باشد كه به دليل تحرك الكترون‌هاي π (الكترون هاي غير مستقر) مي باشد. در مقابل هدايت الكتريكي گرافيت در بين لايه‌ها كم مي باشد. اين ساختار ويژه كربن در گرافيت باعث مي شود كه ليتيم بتواند به راحتي در بين لايههاي آن قرار گيرد و واكنش تبادل الكترون را انجام دهد. شكل 4- ب نماي كلي يك الكترود منفي را نمايش مي دهد.
معرفي باتري‌هاي ليتيم-يون
باتري وسيله‌اي است كه انرژي شيميايي را به طور مستقيم به انرژي الكتريكي تبديل مي‌كند. در واقع يك باطري ماشين شامل يك يا چند پيل ولتايي (Voltaic Cell) است كه بر اثر واكنش‌هاي شيميايي اكسيد و احيا مولد جريان الكتريسيته هستند. هر پيل ولتايي از دو الكترود تشكيل شده است كه بين آن‌ها با الكتروليت پر مي شود. الكتروليت محلولي رسانا شامل يون‌ها است. معمولا تركيبات الكتروفعال درون الكتروليت حل مي شوند كه مي‌توانند با الكترودها واكنش شيميايي بدهند و انرژي شيميايي را با انتقال بار در سطح مشترك الكترود-الكتروليت به انرژي الكتريكي تبديل كنند.
ولتاژ خروجي يك باتري به طور مستقيم با ماهيت شيميايي واكنش الكتروشيميايي پيل در ارتباط است. به عنوان مثال در باتري‌هاي سرب-اسيد، واكنش شيميايي هر پيل 2 ولت جريان را توليد مي‌نمايد. در باتري‌هاي ليتيمي واكنش الكتروشيميايي صورت گرفته ولتاژ تقريبي 3 ولت را توليد مي نمايد كه توليد اين ولتاژ يكي از ويژگي‌هاي مهم اين نوع باتري‌ها است. بنابراين با بهره گيري از واكنش هاي ليتيمي مي‌توان با به كارگيري تعداد پيل كمتر به ولتاژ بالاتر دست يافت.
اجزا باتري‌هاي ليتيم-يون
به طور كلي هر باتري از 3 بخش اصلي الكترود مثبت، الكترود منفي و الكتروليت تشكيل شده است. در باتري‌هاي ليتيم-يون، الكترود مثبت يا كاتد از يك تركيب ليتيم مانند ليتيم كبالت اكسيد و الكترود منفي يا آند از كربن ساخته شده و يك لايه جدا كننده در بين آن‌ها قرار دارد. نمايي از يك پيل باتري ليتيمي در شكل 2 نمايش داده شده است. الكتروليت در باتري هاي ليتيمي نيز از نمك ليتيم دريك حلال آلي ساخته شده است. استفاده از حلال آلي در نقش الكتروليت به دليل اشتعال زا بودن نيازمند انجام پاره اي از اقدامات ايمني است. اقدامات ايمني و همچنين موارد ديگري كه براي بهبود عملكرد باتري هاي ليتيمي به كار گرفته مي شوند، مهندسي ساختار الكتروليت را بسيار پيچيده مي نمايد. الكتروليت در اين باتري ها از مجموعه اي از مواد تشكيل شده كه هر كدام وظيفه خاص خود را دارند. نقص در عملكرد هر يك از اجزاي الكتروليت باعث نقص در عملكرد كل باتري مي‌شود. در بخش‌هاي بعد هر يك از اين اجزا به طور كامل شرح داده مي‌شوند
علاوه بر موارد بالا، باتري‌هاي ليتيمي مجهز به مدارهاي الكترونيكي محافظ و فيوزهاي جهت جلوگيري از عكس شدن قطبيت، اعمال ولتاژ بيش از حد، گرم شدن بيش از حد و موارد ايمني ديگر هستند.
- عملكرد باتري‌هاي ليتيم يون
با توجه به موارد ذكر شده در بالا اگر فرض كنيم كه يك نمونه از باتري ليتيمي داراي الكترود مثبت ليتيم-كبالت اكسيد و الكترود منفي گرافيتي باشد، در فرايند شارژ (Charging) در الكترود مثبت نيم واكنش و در الكترود منفي نيم واكنش:
رخ مي‌دهد. در مجموع مي‌توان گفت كه در فرايند شارژ، ليتيم فلزي موجود در ساختار الكترود مثبت به يون ليتيم تبديل شده و يون‌هاي ليتيم موجود در الكتروليت در بين لايههاي كربن (گرافيت) ذخيره مي‌شود. چنين فرآيند هايي كه در كل شارژ باتري را باعث مي شوند، نيازمند صرف انرژي (الكتريكي) هستند. در فرايند تخليه شارژ (Discharging) عكس واكنش‌هاي فوق صورت گرفته و انرژي الكتريكي ذخيره شده آزاد مي‌شود.
الكترودهاي باتري‌هاي ليتيم-يون
الكترود مثبت
الكترود هاي مورد استفاده در باتري هاي قابل شارژ بايد داراي واكنش برگشت‌پذير، هدايت الكتريكي بالا و واكنش الكتروشيميايي سريع باشند. همچنين الكترودها بايد ساختاري پايدار داشته و در چرخه‌هاي مختلف شارژ و تخليه شارژ دستخوش تغيير نشوند.
تحقيقات زيادي براي دستيابي به الكترودي با ويژگي‌هاي مناسب انجام گرفته و گستره وسيعي از الكترودها طراحي و ساخته شده است. يكي از انواع الكترودهاي مورد استفاده ليتيم-كبالت اكسيد است. اين نوع الكترود به صورت تجاري در دسترس است و باتري‌هاي ساخته شده با اين الكترود داراي ظرفيت مناسب (ظرفيت يك باتري مقداري از الكتريسيته است كه باتري مي تواند ذخيره كند)، انرژي و توان بالا و طول عمر نسبتا مناسب است.
در ابتدا براي سنتز اين ماده از تركيب كردن اكسيدها و كربنات‌هاي مناسب و سپس حرارت دادن تا دماي بالاي 900 درجه سانتيگراد استفاده مي‌شد. در نهايت مواد سنتز شده به يكديگر ساييد شده و پرس مي‌شدند كه باعث توليد الكترودهايي با ساختار غيريكنواخت مي‌گرديد. با پيشرفت روش‌هاي جديد سنتز نانو مواد مانند سل-ژل (Sol-gel) الكترودهاي جديد با ذرات همگن و يكنواخت ساخته شده‌اند كه عملكردي بسيار مطلوب‌تر دارند. امروزه تحقيقات زيادي براي ساخت نانومواد جديد جهت استفاده در باتري‌هاي ليتيمي در سراسر دنيا انجام مي‌شود كه هر روز باتري‌هايي با طول عمر بيشتر و بازده بالاتر توليد مي‌شود..
دسته ديگري از مواد كه مي‌توانند نامزد استفاده به عنوان الكترود مثبت باتري‌هاي ليتيم يون باشند، نانو لوله‌ها و نانو سيم‌ها در اندازه‌هاي مختلف هستند. به عنوان مثال نانو لوله اكسيد واناديوم (V2O5) و نانو سيم‌هايي كه در بين ساختار لايه‌اي خود پذيرنده ليتيم هستند از اين دسته اند. ساختارهايي مانند نانو سيم LiCoO2 و Li(Ni1/2Mn1/2)O2 تهيه شده و به عنوان ميزبان بين لايه‌اي در الكترود مثبت باتري‌هاي ليتيم يون مورد استفاده قرار گرفته است. اين دسته از الكترودها قابليت بسيار خوبي را از جمله افزايش بازده، افزايش قدرت و سرعت نسبت به مواد توده‌اي از خود نشان مي دهند.
الكترود منفي
تركيبات كربني مي‌تواند ساختارهاي متفاوت و در نتيجه خصوصياتي متفاوت داشته باشند. گرافيت كه يكي از متداولترين ساختارهاي كربن است، داراي لايههاي كربني با هيبريد Sp2 مي‌باشد. گرافيت داراي هدايت الكتريكي بالا در درون لايه‌ها مي باشد كه به دليل تحرك الكترون‌هاي π (الكترون هاي غير مستقر) مي باشد. در مقابل هدايت الكتريكي گرافيت در بين لايه‌ها كم مي باشد. اين ساختار ويژه كربن در گرافيت باعث مي شود كه ليتيم بتواند به راحتي در بين لايههاي آن قرار گيرد و واكنش تبادل الكترون را انجام دهد. شكل 4- ب نماي كلي يك الكترود منفي را نمايش مي دهد.
عمر باتري هاي خودرو برقي