سنگ بنای انرژی نو: توسعه و اصول باتری‌های لیتیومی را بخوانید

باتری‌های لیتیومی نوع رایجی از باتری‌های قابل شارژ هستند که واکنش الکتروشیمیایی آنها بر اساس مهاجرت یون‌های لیتیوم بین الکترودهای مثبت و منفی انجام می‌شود. باتری‌های لیتیومی از مزایای چگالی انرژی بالا، طول عمر بالا و نرخ خود تخلیه پایین برخوردارند، بنابراین به طور گسترده در دستگاه‌های الکترونیکی مختلف و خودروهای الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

اصل کار باتری‌های لیتیومی بر اساس مهاجرت یون‌های لیتیوم بین الکترودهای مثبت و منفی است. در طول فرآیند شارژ، یون‌های لیتیوم از ماده مثبت (معمولاً اکسیدی مانند لیتیوم کبالتات) آزاد می‌شوند، از الکترولیت عبور می‌کنند و سپس به ماده منفی (معمولاً یک ماده کربنی) وارد می‌شوند. در طول فرآیند تخلیه، یون‌های لیتیوم از ماده منفی جدا شده و از طریق الکترولیت به ماده مثبت حرکت می‌کنند و جریان و انرژی الکتریکی تولید می‌کنند که تجهیزات خارجی را به کار می‌اندازد.

اصول کار باتری‌های لیتیومی را می‌توان به مراحل زیر ساده کرد:

۱. در طول فرآیند شارژ، الکترود منفی باتری لیتیومی الکترون‌های خارجی را جذب می‌کند. برای اینکه از نظر الکتریکی خنثی بماند، الکترود مثبت مجبور به آزاد کردن الکترون‌ها به سمت بیرون می‌شود و یون‌های لیتیومی که الکترون از دست داده‌اند، به الکترود منفی جذب شده و از طریق الکترولیت به الکترود منفی حرکت می‌کنند. به این ترتیب، الکترود منفی الکترون‌ها را دوباره پر کرده و یون‌های لیتیوم را ذخیره می‌کند.

۲. هنگام تخلیه، الکترون‌ها از طریق مدار خارجی به الکترود مثبت برمی‌گردند و یون‌های لیتیوم نیز از ماده الکترود منفی حذف می‌شوند و انرژی الکتریکی ذخیره شده در این فرآیند آزاد می‌شود و از طریق الکترولیت به الکترود مثبت برمی‌گردد و الکترون‌ها برای شرکت در واکنش کاهش ترکیب لیتیوم با هم ترکیب می‌شوند تا ساختار آن بازیابی شود.

۳. در فرآیند شارژ و دشارژ، در واقع، این فرآیند تعقیب الکترون‌ها توسط یون‌های لیتیوم است که طی آن ذخیره و آزادسازی انرژی الکتریکی حاصل می‌شود.

توسعه باتری‌های لیتیومی مراحل مختلفی را پشت سر گذاشته است. در اوایل دهه 1970، باتری‌های لیتیوم-فلزی برای اولین بار معرفی شدند، اما به دلیل فعالیت بالا و مسائل ایمنی فلز لیتیوم، دامنه کاربرد آنها محدود شد. پس از آن، باتری‌های لیتیوم-یونی به فناوری اصلی تبدیل شدند که از ترکیبات غیرفلزی لیتیوم به عنوان مواد الکترود مثبت برای حل مشکل ایمنی باتری‌های لیتیوم-فلزی استفاده می‌کنند. در دهه 1990، باتری‌های لیتیوم-پلیمری با استفاده از ژل‌های پلیمری به عنوان الکترولیت، ایمنی و چگالی انرژی باتری‌ها را بهبود بخشیدند. در سال‌های اخیر، فناوری‌های جدید باتری لیتیومی مانند باتری‌های لیتیوم-گوگرد و باتری‌های لیتیوم-حالت جامد نیز در حال توسعه بوده‌اند.

در حال حاضر، باتری‌های لیتیوم-یونی هنوز رایج‌ترین و بالغ‌ترین فناوری باتری هستند. این باتری‌ها دارای چگالی انرژی بالا، چرخه عمر طولانی و نرخ خود-دشارژ پایین هستند و به طور گسترده در تلفن‌های همراه، رایانه‌های نوت‌بوک، وسایل نقلیه الکتریکی و سایر زمینه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. علاوه بر این، باتری‌های لیتیوم-پلیمری به دلیل چگالی انرژی بالا و ویژگی‌های طراحی نازک، در زمینه‌هایی مانند دستگاه‌های نازک و سبک و هدفون‌های بی‌سیم نیز به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند.

چین پیشرفت چشمگیری در زمینه باتری‌های لیتیومی داشته است. چین یکی از بزرگترین تولیدکنندگان و مصرف‌کنندگان باتری‌های لیتیومی در جهان است. زنجیره صنعت باتری لیتیومی چین کامل است، از تهیه مواد اولیه تا تولید باتری، مقیاس و قدرت فنی مشخصی دارد. شرکت‌های باتری لیتیومی چین پیشرفت‌های مهمی در تحقیق و توسعه فناوری، ظرفیت تولید و سهم بازار داشته‌اند. علاوه بر این، دولت چین مجموعه‌ای از سیاست‌های حمایتی را برای تشویق توسعه و نوآوری در صنعت باتری لیتیومی معرفی کرده است. باتری‌های لیتیومی به یک راه‌حل اصلی انرژی در زمینه‌هایی مانند دستگاه‌های الکترونیکی و وسایل نقلیه الکتریکی تبدیل شده‌اند.