باتری لیتیوم یونی

 معرفی باتری‌های لیتیم-یون
باتری وسیله‌ای است که انرژی شیمیایی را به طور مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. در واقع یک باطری ماشین شامل یک یا چند پیل ولتایی (Voltaic Cell) است که بر اثر واکنش‌های شیمیایی اکسید و احیا مولد جریان الکتریسیته هستند. هر پیل ولتایی از دو الکترود تشکیل شده است که بین آن‌ها با الکترولیت پر می شود. الکترولیت محلولی رسانا شامل یون‌ها است. معمولا ترکیبات الکتروفعال درون الکترولیت حل می شوند که می‌توانند با الکترودها واکنش شیمیایی بدهند و انرژی شیمیایی را با انتقال بار در سطح مشترک الکترود-الکترولیت به انرژی الکتریکی تبدیل کنند.
ولتاژ خروجی یک باتری به طور مستقیم با ماهیت شیمیایی واکنش الکتروشیمیایی پیل در ارتباط است. به عنوان مثال در باتری‌های سرب-اسید، واکنش شیمیایی هر پیل 2 ولت جریان را تولید می‌نماید. در باتری‌های لیتیمی واکنش الکتروشیمیایی صورت گرفته ولتاژ تقریبی 3 ولت را تولید می نماید که تولید این ولتاژ یکی از ویژگی‌های مهم این نوع باتری‌ها است. بنابراین با بهره گیری از واکنش های لیتیمی می‌توان با به کارگیری تعداد پیل کمتر به ولتاژ بالاتر دست یافت.

 اجزا باتری‌های لیتیم-یون
به طور کلی هر باتری از 3 بخش اصلی الکترود مثبت، الکترود منفی و الکترولیت تشکیل شده است. در باتری‌های لیتیم-یون، الکترود مثبت یا کاتد از یک ترکیب لیتیم مانند لیتیم کبالت اکسید و الکترود منفی یا آند از کربن ساخته شده و یک لایه جدا کننده در بین آن‌ها قرار دارد. نمایی از یک پیل باتری لیتیمی در شکل 2 نمایش داده شده است. الکترولیت در باتری های لیتیمی نیز از نمک لیتیم دریک حلال آلی ساخته شده است. استفاده از حلال آلی در نقش الکترولیت به دلیل اشتعال زا بودن نیازمند انجام پاره ای از اقدامات ایمنی است. اقدامات ایمنی و همچنین موارد دیگری که برای بهبود عملکرد باتری های لیتیمی به کار گرفته می شوند، مهندسی ساختار الکترولیت را‌ بسیار پیچیده می نماید. الکترولیت در این باتری ها از مجموعه ای از مواد تشکیل شده که هر کدام وظیفه خاص خود را دارند. نقص در عملکرد هر یک از اجزای الکترولیت باعث نقص در عملکرد کل باتری می‌شود. در بخش‌های بعد هر یک از این اجزا به طور کامل شرح داده می‌شوند
علاوه بر موارد بالا، باتری‌های لیتیمی مجهز به مدارهای الکترونیکی محافظ و فیوزهای جهت جلوگیری از عکس شدن قطبیت، اعمال ولتاژ بیش از حد، گرم شدن بیش از حد و موارد ایمنی دیگر هستند.
- عملکرد باتری‌های لیتیم یون
با توجه به موارد ذکر شده در بالا اگر فرض کنیم که یک نمونه از باتری لیتیمی دارای الکترود مثبت لیتیم-کبالت اکسید و الکترود منفی گرافیتی باشد، در فرایند شارژ (Charging) در الکترود مثبت نیم واکنش و در الکترود منفی نیم واکنش:
رخ می‌دهد. در مجموع می‌توان گفت که در فرایند شارژ، لیتیم فی موجود در ساختار الکترود مثبت به یون لیتیم تبدیل شده و یون‌های لیتیم موجود در الکترولیت در بین لایه‌‌های کربن (گرافیت) ذخیره می‌شود. چنین فرآیند هایی که در کل شارژ باتری را باعث می شوند، نیازمند صرف انرژی (الکتریکی) هستند. در فرایند تخلیه شارژ (Discharging) عکس واکنش‌های فوق صورت گرفته و انرژی الکتریکی ذخیره شده آزاد می‌شود.
 الکترودهای باتری‏های لیتیم-یون
الکترود مثبت
الکترود های مورد استفاده در باتری های قابل شارژ باید دارای واکنش برگشت‌پذیر، هدایت الکتریکی بالا و واکنش الکتروشیمیایی سریع باشند. همچنین الکترودها باید ساختاری پایدار داشته و در چرخه‌های مختلف شارژ و تخلیه شارژ دستخوش تغییر نشوند.
تحقیقات زیادی برای دستیابی به الکترودی با ویژگی‌های مناسب انجام گرفته و گستره وسیعی از الکترودها طراحی و ساخته شده است. یکی از انواع الکترودهای مورد استفاده لیتیم-کبالت اکسید است. این نوع الکترود به صورت تجاری در دسترس است و باتری‌های ساخته شده با این الکترود دارای ظرفیت مناسب (ظرفیت یک باتری مقداری از الکتریسیته است که باتری می تواند ذخیره کند)، انرژی و توان بالا و طول عمر نسبتا مناسب است.
در ابتدا برای سنتز این ماده از ترکیب کردن اکسیدها و کربنات‌های مناسب و سپس حرارت دادن تا دمای بالای 900 درجه سانتیگراد استفاده می‌شد. در نهایت مواد سنتز شده به یکدیگر سایید شده و پرس می‌شدند که باعث تولید الکترودهایی با ساختار غیریکنواخت می‌گردید. با پیشرفت روش‌های جدید سنتز نانو مواد مانند سل-ژل (Sol-gel) الکترودهای جدید با ذرات همگن و یکنواخت ساخته شده‌اند که عملکردی بسیار مطلوب‌تر دارند. امروزه تحقیقات زیادی برای ساخت نانومواد جدید جهت استفاده در باتری‌های لیتیمی در سراسر دنیا انجام می‌شود که هر روز باتری‌هایی با طول عمر بیشتر و بازده بالاتر تولید می‌شود
دسته دیگری از مواد که می‌توانند نامزد استفاده به عنوان الکترود مثبت باتری‌های لیتیم یون باشند، نانو لوله‌ها و نانو سیم‌ها در اندازه‌های مختلف هستند. به عنوان مثال نانو لوله اکسید وانادیوم (V2O5) و نانو سیم‌هایی که در‌ بین ساختار لایه‌ای خود پذیرنده لیتیم هستند از این دسته اند. ساختارهایی مانند نانو سیم LiCoO2 و Li(Ni1/2Mn1/2)O2 تهیه شده و به عنوان میزبان بین لایه‌ای در الکترود مثبت باتری‌های لیتیم یون مورد استفاده قرار گرفته است. این دسته از الکترودها قابلیت بسیار خوبی را از جمله افزایش بازده، افزایش قدرت و سرعت نسبت به مواد توده‌ای از خود نشان می دهند.
 الکترود منفی
ترکیبات کربنی می‌تواند ساختارهای متفاوت و در نتیجه خصوصیاتی متفاوت داشته باشند. گرافیت که یکی از متداولترین ساختارهای کربن است، دارای لایه‌های کربنی با هیبرید Sp2 می‌باشد. گرافیت دارای هدایت الکتریکی بالا در درون لایه‌ها می باشد که به دلیل تحرک الکترون‌های π (الکترون های غیر مستقر) می باشد. در مقابل هدایت الکتریکی گرافیت در بین لایه‌ها کم می باشد. این ساختار ویژه کربن در گرافیت باعث می شود که لیتیم بتواند به راحتی در بین لایه‌های آن قرار گیرد و واکنش تبادل الکترون را انجام دهد. شکل 4- ب نمای کلی یک الکترود منفی را نمایش می دهد.