باتری های لیتیمی

چرا لیتیم؟ (راز قدرت باتری‌های امروزی)

برای ساخت یک باتری ایده‌آل جهت استفاده در وسایل الکترونیکی قابل‌حمل، دو ویژگی اساسی نیاز داریم: ولتاژ بالا و وزن کم (چگالی انرژی بالا). فلز لیتیم (Li) هر دو ویژگی را در بالاترین سطح ممکن در اختیار ما می‌گذارد:

1. کمترین پتانسیل کاهشی استاندارد: لیتیم \(E^{\circ }=-3.04V\)، کمترین پتانسیل کاهشی را در میان تمام عناصر جدول تناوبی دارد. این یعنی لیتیم قوی‌ترین کاهنده است و تمایل بسیار شدیدی به از دست دادن الکترون (اکسایش) دارد. وقتی لیتیم در نقش آند قرار می‌گیرد، اختلاف پتانسیل (ولتاژ) بسیار بالایی با کاتد ایجاد می‌کند.

2. سبک‌ترین فلز: لیتیم با چگالی حدود \(0.53g/cm^{3}\) سبک‌ترین فلز شناخته شده است. این سبکی باعث می‌شود باتری‌های ساخته شده از آن، به ازای هر گرم وزن، انرژی بسیار زیادی ذخیره کنند.

۲. انواع باتری‌های مبتنی بر لیتیم در کتاب درسی

در شیمی دوازدهم، دو دسته باتری لیتیمی بررسی می‌شود:

الف) باتری‌های دگمه‌ای لیتیمی (سلول‌های اولیه - غیرقابل شارژ):

• این باتری‌ها به شکل سکه یا دگمه ساخته می‌شوند و در ساعت‌ها، ماشین‌حساب‌ها و دستگاه‌های پزشکی (مثل ضربان‌ساز قلب) کاربرد دارند.

• ولتاژ: معمولاً ولتاژ بالایی در حدود \(3V\) تولید می‌کنند 

• عمر طولانی‌تری دارند اما پس از مصرف واکنش‌دهنده‌ها، غیرقابل شارژ و یک‌بارمصرف (سلول اولیه) هستند.

ب) باتری‌های لیتیم-یونی (سلول‌های ثانویه - قابل شارژ):

• این باتری‌ها قلب تپنده لپ‌تاپ‌ها، تلفن‌های همراه و خودروهای الکتریکی امروزی هستند.

• چرا لیتیم-یون؟ استفاده از فلز لیتیمِ خالص به دلیل واکنش‌پذیری شدید با رطوبت هوا و خطرات انفجار، ایمن نیست. بنابراین، مهندسان از یون‌های لیتیم \(Li^{+}\) که در لابه‌لای لایه‌های مواد دیگر (مثل گرافیت و اکسید فلزات واسطه) جای‌گیری کرده‌اند، استفاده می‌کنند.

۳. مکانیسم کارکرد باتری لیتیم-یونی (شارژ و دشارژ)

مهم‌ترین نکته کنکوری این باتری‌ها، جهت حرکت الکترون‌ها و یون‌های لیتیم در هنگام استفاده (دشارژ) و هنگام اتصال به برق (شارژ) است.

• هنگام استفاده (دشارژ - تخلیه):

باتری در حال کار کردن مثل یک سلول گالوانی عمل می‌کند.

1. یون‌های لیتیم \(Li^{+}\)از سمت آند (الکترود منفی، معمولاً گرافیت) رها می‌شوند.

2. الکترون‌ها از طریق مدار بیرونی (سیم‌ها و دستگاه شما) از آند به کاتد می‌روند.

3. یون‌های \(Li^{+}\)از درون محیط باتری (الکترولیت) به سمت کاتد (الکترود مثبت) حرکت کرده و در لابه‌لای لایه‌های آن جای می‌گیرند.

• هنگام شارژ (اتصال به منبع برق):

باتری مانند یک سلول الکترولیتی عمل می‌کند (واکنش غیرخودبه‌خودی با زورِ برق انجام می‌شود).

1. جهت حرکت برعکس می‌شود!

2. با اعمال ولتاژ خارجی، یون‌های \(Li^{+}\)از کاتد کنده شده و دوباره به سمت آند حرکت می‌کنند تا برای استفاده بعدی ذخیره شوند.

3.  نکته طلایی و مفهومی: در باتری‌های لیتیم-یونی، چه در حال شارژ و چه در حال دشارژ، یون‌های  \(Li^{+}\)همواره از طریق الکترولیت بین دو الکترود جابه‌جا می‌شوند، درحالی‌که الکترون‌ها همواره از طریق مدار بیرونی حرکت می‌کنند. این دو هرگز مسیر یکدیگر را طی نمی‌کنند.