موضوع مقاله: باتری یون‌لیتیم | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # باتری یون‌لیتیم | مقدمه: باتری‌های لیتیوم-یون معمولاً برای وسایل الکترونیکی قابل‌حمل و وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می شوندو استفاده از آنها در کاربردهای هوافضا و نظامی در حال افزایش است. | ## بخش 1: باتری یون‌لیتیم | باتری‌های لیتیوم-یون بالاترین چگالی انرژی را فراهم می‌سازند که تقریباً دو برابر انرژی قابل دسترسی از باتری‌های نیکل-کادمیم است. باتری‌های لیتیم-یون معمولاً برای تأمین نیروی لازم در دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل مورد استفاده قرار می‌گیرند. در مقایسه با نسل‌های قدیمی‌تر باتری‌ها یعنی باتری نیکل–کادمیم و باتری نیکل– هیدرید فلز، باتری‌های لیتیم-یون حدود ۳ تا ۵ برابر وزن و حجم کمتری دارند. باتری لیتیم-یون انرژی زیادی تولید می‌کند اما در مقابله با باتری‌های نیکل-هیدرید ایمنی آنها پایین است. وسایل الکترونیکی دستی بیشتر از باتری‌های لیتیوم پلیمر (با ژل پلیمری به عنوان الکترولیت) استفاده می‌کنند، که در آنها اکسید کبالت لیتیوم به عنوان کاتد و گرافیت به عنوان آند عمل کرده، و در مجموع چگالی انرژی بالایی را ارائه می‌دهند. باتری‌های فسفات آهن لیتیوم ، اکسید منگنز لیتیوم (اسپینل ، یا مواد لایه‌ای لیتیمی پایه ) و اکسید کبالت منگنز نیکل لیتیوم ممکن است عمر طولانی‌تری ارائه دهند و ممکن است ظرفیت باردهی بالاتری داشته باشد. از چنین باتری‌هایی به‌طور گسترده‌ای برای ابزارهای الکتریکی، تجهیزات پزشکی و سایر کاربردها استفاده می‌شود. در باتری یون‌لیتیم، یون‌های لیتیم هنگام شارژ و دشارژ میان الکترود منفی و الکترود مثبت جابه‌جا می‌شوند. باتری معمولاً از آند، کاتد، جداکننده، الکترولیت و کلکتورهای جریان مثبت و منفی تشکیل می‌شود. الکترولیت یون‌های مثبت لیتیم را از میان جداکننده بین آند و کاتد منتقل می‌کند و حرکت این یون‌ها، همراه با حرکت الکترون‌ها در مدار بیرونی، جریان الکتریکی ایجاد می‌کند. زمینه‌های تحقیقاتی برای باتری‌های یون-لیتیوم شامل افزایش طول عمر، افزایش تراکم انرژی، بهبود ایمنی، کاهش هزینه و افزایش سرعت شارژ و دیگر موارد است. تحقیقات در زمینه الکترولیت‌های غیرقابل اشتعال به عنوان راهی برای افزایش ایمنی به دلیل اشتعال‌پذیری و فرار بودن حلال‌های آلی مورد استفاده در الکترولیت‌های متداول در حال انجام است. این استراتژی‌ها شامل باتری‌های لیتیوم یونی آبی، الکترولیت‌های سرامیکی جامد، الکترولیت‌های پلیمری، مایعات یونی و سیستم‌های بسیار فلوئوریزه هستند. | ## بخش 2: باتری یون‌لیتیم | بازار باتری‌های لیتیوم-یونی طبق گزارش‌های منتشر شده، بازار جهانی باتری‌های لیتیوم-یونی در سال ۲۰۱۷ معادل ۲۹٫۸۶ میلیارد دلار بوده‌است و انتظار می‌رود این رقم تا سال ۲۰۲۶ به ۱۳۹٫۳۶ میلیارد دلار برسد. بازار پر رونق خودروهای برقی، پیشرفت سریع فناوری، و افزایش تقاضا از جانب دستگاه‌های هوشمند کوچک، از عوامل رشد چشمگیر این بازار است. در سال ۲۰۱۲ تقریباً ۶۶۰ میلیون سلول استوانه ای لیتیوم-یونی در صنعت ساخته شده‌است؛ سایز 18650 پرکاربردترین سایز باتری مورد استفاده است. اگر شرکت تسلا موفق به رسیدن به هدف فروش ۴۰۰۰۰ خودروی برقی مدل اس خود در سال ۲۰۱۴ شود و اگر باتری ۸۵ کیلووات-ساعتی که تعداد ۷۱۰۴ عدد از این سلول‌ها در آن به کار برده می‌شود، محبوبیتی که در ایالات متحده آمریکا دارد در خارج آن نیز به‌دست بیاورد، تحقیقی در سال ۲۰۱۴ وجود دارد که نشان می‌دهد مدل اس به تنهایی ۴۰٪ از تولید جهانی باتری‌های لیتیوم-یونی در سال ۲۰۱۴ را بخود اختصاص خواهد داد. در سال ۲۰۱۵ قیمت‌ها در حدود ۳۰۰ تا ۵۰۰ دلار به ازای هر کیلووات ساعت تخمین زده می‌شود. اصلی‌ترین شرکت‌های دارای نقش در صنعت و بازار باتری‌های لیتیوم-یونی شرکت‌های: پاناسونیک، تسلا، سامسونگ اس‌دی‌آی، CATL و ال‌جی کِمیکال می‌باشند. جنس الکترود مثبت(آند) یکی از ماده‌های زیر است: یک لایه ای از اکسید (مثل لیتیم کبالت اکسید)، پلی آنیون مثل (لیتیم آهن فسفات) یا یک لعل مثل منگنز اکسید. عموماً الکترولیت مخلوطی از ترکیبات آلی کربنی مثل اتیلن کربنات یا دی‌اتیل کربنات که شامل کمپلکس شیمیایی یون‌های لیتیم است، می‌باشد. بسته به نوع مواد استفاده شده در باتری‌های لیتیمی، ولتاژ، چگالی انرژی، طول عمر و ایمنی به‌طور قابل توجهی می‌تواند تغییر کند. در حال حاضر تلاش‌ها برای بهبود عملکرد این باتری‌ها با استفاده از نانوفناوری ادامه دارد. حوضه‌هایی که روی این موضوع کار می‌کنند: مواد مورد استفاده در الکترودها در مقیاس نانو و دیگر ساختارهای جایگزین الکترود می‌باشد. این ماده با آب شدیداً واکنش نشان می‌دهد و به شکل لیتیم هیدروکسید (LiOH) و گاز هیدروژن در می‌آید. به همین خاطر از موادی برای الکترولیت استفاده می‌کنند که در آب حل نمی‌شود و محفظه باتری برای اینکه رطوبت رو به خودش جذب نکند عایق کاری می‌شود. | ## بخش 3: باتری یون‌لیتیم | باتری‌های لیتیمی نسبت به باتری‌های نیکل–کادمیم بسیار گرانتر هستند اما در رنج گرمای بیشتری کار می‌کنند و چگالی انرژی بیشتری دارند. این اجزا میزان وضعیت شارژ و جریان خروجی را نشان می‌دهند، میزان حداکثر شارژ دفعه قبلی رو ذخیره می‌کنند و دمای باتری را نشان می‌دهند. خود تخلیه باتری باتری‌ها رفته رفته و به مرور زمان خود به خود از میزان شارژ آنها کاسته می‌شود. باتری‌های لیتیومی سال ۱۹۹۹ میزان خود تخلیه ای در حدود ۸٪ در دمای ۲۱ درجه و ۱۵٪ در دمای ۴۰ درجه و ۳۱٪ در دمای ۶۰ درجه سانتی گراد داشتند. برای باتری‌های باتری نیکل– هیدرید فلز این نرخ در سال تا قبل از سال ۲۰۱۷ به ۱۰٪ تا ۳۰٪ در ماه بود اما با تغییر جزئی در ساختار این باتری‌ها به ۰٫۰۸٪ تا ۰٫۳۳٪ در ماه می‌رسد که بسیار قابل توجه است. الکترولیت از نمک‌های لیتیم ساخته شده‌است که در حلال‌های آلی محلول ساخته شده‌اند. الکترولیت‌هایی که معمولاً استفاده می‌شوند از نمک لیتیم مانند لیتیم هگزافلوروفسفات (LiPF6)، لیتیم تترافلوئوروبات (LiBF4)، لیتیم پرکلرات (LiClO4) و … هستند، که در حلال‌های آلی مانند اتیلن کربنات، کربنات دی متیل، دی اتیل و محلول کربنات حل شده‌اند. الکترولیت مورد استفاده در آن‌ها یک محلول غیر آبی است، زیرا در محلول آبی (H2O)، لیتیم (فلز قلیایی بسیار واکنش‌پذیر) با آب به فرم هیدروکسید لیتیم و گاز هیدروژن به شدت واکنش نشان می‌دهد، که این امر اصلاً مدنظر نیست. وقتی این فرایند انجام می‌گیرد، باتری لیتیومی شارژ می‌شود و انرژی الکتریکی در آن ذخیره می‌گردد. وقتی که باتری لیتیومی پر می‌شود، حرکت جریان‌های الکترونی مخالف به طرف لیتیم یون‌ها، در مدار بیرونی انجام می‌گیرد. در واقع، اختلاف پتانسیل و مقاومت که بین الکترودها ایجاد می‌شود، باعث می‌شود که جریان الکتریکی به حرکت در آید. وقتی که باتری لیتیومی از طریق یک منبع خارجی شارژ می‌شود، حرکت یونی اتفاق می‌افتد. | ## جمع‌بندی | حال اجازه دهید نگاهی بیندازیم به واکنش‌های شیمیایی که در الکترودها اتفاق می‌افتد.