نسل جدید باتری های لیتیوم - یونی در راه است
باتری های لیتیوم - یونی باتری هایی هستند که امروزه بسیار فراگیر شده و امکان ظرفیت های بالای ذخیره سازی در حجم و ابعاد کوچک را فراهم کرده اند. امروزه بیشتر باتری هایی که ما می بینیم، مانند باتری گوشی های موبایل، دوربین های دیجیتال، لپ تاپ ها و بسیار از دستگاههای دیگر، از این نوع باتری ها هستند.
باتری لیتیوم-یون یک خانواده از باتری‌های قابل شارژ است که در آن در زمان تخلیه، یون‌های لیتیوم از الکترودمنفی به سمت الکترود مثبت و در هنگام شارژ شدن وارونه حرکت می‌کنند.اگرچه این باتری ها در مقایسه به نسل های قدیمی تر باتری ها یعنی )NiCd نیکل – کادمیوم) و) NiMH (نیکل – مولیبدن) ، وزن سبک تری دارند و علاوه بر این از دوره ماندگاری بیشتری در هر بار شارژ بهره می برند اما بهتر از این نیز می توانند باشند .باتری های لیتیوم - یونی یکی از انواع، به سرعت رو به رشد در بازار هستند که تقریبا هر شش ماه یکبار، ترکیبی از لیتیوم با یک فلز یا غیر فلز دیگر که خصوصیات جدیدی را ارائه می کند، به بازار معرفی می نمایند. به خصوص ،در حال حاضر که قیمت این باتری ها کاهش یافته . بنابر این باید راه حلی برای بهبود بخشیدن به این تکنولوژی یافت. یکی از راه های ممکن این است که باتری های لیتیوم – یون بتوانند انرژی بیشتری در خود ذخیره کنند. یکی ازاجزای مهم برای ذخیره سازی انرژی در باتری های لیتیوم – یونی ، آند، است. بنابراین بسته به اینکه جنس آند از چه چیزی باشد می توان کارایی این باتری هارا افزایش داد.
گروهی از دانشمندان آزمایشگاه بین المللی لارنس برکلی توانسته اند بعد از انجام یک سال آزمایشات متعدد و طی کردن صدها بار عملیات شارژ و دشارژ نوع جدیدی از آند را طراحی کنند که ظرفیت انرژی را در این باتری ها افزایش دهند.آندهای جدید از موادی با قیمت مناسب ساخته شده اند که کاملاً با تکنولوژی ساخت باتری های لیتیومی استاندارد سازگار است .
در زیر نمونه ای از مقایسه ی باتری های نسل قدیم یعنی نیکل- کادمیم و نیکل-مولیبدن را از لحاظ ولتاژ ودانسیته ی انرژی با باتری های لیتیوم – یون نمایش می دهیم:
گسترش با تریهای ظرفیت بالا
گائو لیو یکی از اعضای اتحادیه ی تکنولوژی انرژی های زیست محیطی (EETD) می گوید: هنگامی که الکترود ها ،لیتیوم را به سمت خود جذب می کنند همیشه این چالش وجود خواهد داشت که مواد تشکیل دهند ه ی آند ها در باتری های لیتیوم – یون ظرفیت بالا ، دچار تغییر( یا تورم ) حجم شوند.
وی همچنین می گوید: امروزه آند اغلب باتری های لیتیوم – یون از گرافیت ساخته شده اند ،گرافیت رسانای خوب جریان الکتریسیته است و همچنین هنگامی که یون ها بین لایه های گرافن جای می گیرند، آند گرافیتی منبسط می شود. آندهای مبتنی بر سیلیکون از نظر تئوری در مقایسه با آندهای‌گرافیتی، ظرفیت را ده برابر بهبود می‌دهند، اما آندهای مبتنی بر سیلیکون تاکنون برای استفاده عملی به اندازه کافی پایداری نداشته‌اند و درآنها هنگام انبساط و انقباض ناشی از ورود و خروج (شارژ و تخلیه) یون‌های لیتیوم به یا از سیلیکون، ترک‌هایی ایجاد می‌شود که به سرعت قطب های الکتریکی را در آند از هم جدا می کند،که باعث می شود رسانندگی کاهش یابد ،درنتیجه سریعاٌ باعث افت عملکرد می‌شوند.بنا براین محققان به دنبال راه حلی هستند که بتوانند همانطور که از سیلیکون استفاده می کنند ،رسانندگی الکتریکی را کاهش ندهند. بسیاری از روش هایی که پیشنهاد شده بود به طور خیره کننده ای پر خرج بودند.
یکی از روش هایی که هزینه ی کمتری در بر دارد میکس کردن ذرات سیلیکونی در یک ماده ی پلیمری چسبنده ی قابل انعطاف با کربن سیاه می باشد که هدایت الکتریکی را افزایش می دهد. یکی از پلیمر هایی که مورد آزمایش قرار گرفته PAN نامیده می شود که دارای بار مثبت است، این پلیمر ها همانند یک هادی رسانا می توانند بارمثبت از دست دهند اما به سرعت ضریب رسانندگیشان کاهش می یابد.
یکی از روش هایی که هزینه ی کمتری در بر داشت میکس کردن ذرات سیلیکونی در یک ماده ی پلیمری چسبنده ی قابل انعطاف با کربن سیاه می باشد که هدایت الکتریکی را افزایش می دهد. یکی از پلیمر هایی که مورد آزمایش قرار گرفته PAN نامیده می شود که دارای بار مثبت است، این پلیمر ها همانند یک هادی رسانا می توانند بارمثبت از دست دهند اما به سرعت ضریب رسانندگیشان کاهش می یابد. یک پلیمر ایده آل پلیمری است که بتواند به راحتی الکترون جذب کند یا از دست بدهد.بنابراین یک پلیمر مناسب از روی تعداد الکترون تراز آخر که "پایینترین تراز مولکولی اشغال نشده " نام دارد شناسایی می شود ،که باید به گونه ای باشد که الکترون بتواند به راحتی در آنجا مستقر شود یا اینکه آزادانه بتواند حرکت کند.چرا که طبق تصور ما، هنگام شارژ اولیه الکترون باید توسط اتم لیتیوم جذب شود.
بنا بر این دو نفر از اعضای اتحادیه ی تکنولوژی انرژی های زیست محیطی به سراغ یک سری از پلیمر های هدایت کننده ی پایه که به صورت کوتاه PFs نامیده می شود رفتند.هنگامی که متوجه عملکرد عالی این پلیمرها شدند تصمیم گرفتند با همکاری با بخش اپتیکی آزمایشگاه برکلی یک طیف نگاری پرتو ایکس بر روی پلیمر ها انجام دهند تا بتوانند خصوصیات الکترونیکی مهمشان را تعیین کنند.
رهنمود های عملی
* از تخلیه کامل باتری های لیتیوم یون خودداری کنید، زیرا اینکار باعث زودتر فرسوده شدن باتری می شود. برای باتری های لیتیوم-یون تخلیه جزئی و شارژ مجدد مکرر بسیار بهتر از تخلیه کامل باتری است. شارژ کردن مجدد باتری نیمه خالی لیتیوم یون هیچ مشکلی ایجاد نمی کند زیرا این نوع از باتری ها اثر حافظه ندارند. (اثر حافظه در باتری های مبتنی بر نیکل، مانند نیکل کادمیوم و نیکل متال هایدراید وجود دارد.) عمر کوتاه باتری ها در لپ تاپ ها، بیشتر به خاطر اثر حرارت بالا است، تا الگوی شارژ/تخلیه آنها.
* باتری هایی که نشان دهنده مقدار ظرفیت دارند (مانند باتری های لپ تاپ، یا باتری های دوربین ها) باید برای کالیبراسیون، در هر 30 بار شارژ یکبار بصورت عمدی کاملا تخلیه شوند. کار کردن دستگاه با باتری تا زمانی که کاملا تخلیه شود برای این کار کفایت می کند. اگر این الگو رعایت نشود، نشان دهند ظرفیت با مرور زمان دقت خود را از دست می دهد، طوری که ممکن است در حالیکه باتری هنوز توان دارد، آنرا خالی اعلام کند.
* باتری های لیتیوم یون را باید خنک نگاه داشت. یکی از بدترین کارهایی که در مورد این باتری می توان انجام داد، نگهداشتن آن در یک ماشین در بسته در یک روز گرم است. برای نگهداری طولانی مدت این باتری ها باید باتری را تا 40 درصد ظرفیت آن شارژ کرد و سپس در یک جای خشک و خنک نگهداری کرد.
* باید تا حد امکان هنگامی که لپ تاپ از برق شهر استفاده می کند، باتری را از آن خارج کرد و بیرون نگاه داشت. البته بعضی از سازندگان لپ تاپ نگرانی هایی در مورد اینکار، به خاطر امکان جمع شدن رطوبت و گرد و خاک در محل اتصال باتری دارند.
منبع:hitna
