بطارية الليثيوم الأيونية

أصبحت بطارية الليثيوم الأيونية مكونًا لا غنى عنه في مجموعة واسعة من الأجهزة والمركبات بدءًا من أجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف المحمولة إلى السيارات الهجينة والكهربائية. وتتراوح مزاياها بين كثافة طاقتها العالية وقابليتها لإعادة الشحن وخفة وزنها (أخف من بطاريات حمض الرصاص بما يصل إلى 701 تيرابايت أخف من بطاريات حمض الرصاص)؛ علاوة على أنها لا تنتج منتجات ثانوية سامة كما تفعل بطاريات حمض الرصاص؛ ولذلك يعمل مصنعوها بلا كلل من أجل تطوير مواد أفضل للكاثود/الأنود والإلكتروليتات الصلبة التي تضمن بطاريات ذات قدرة عالية للاستخدام الآمن داخل البطاريات - فقط للحفاظ على هذه المزايا!

تشمل الابتكارات الحديثة بطارية الليثيوم الأيونية التي تستخدم بولي (سائل أيوني) ككهارل بدلاً من استخدام المذيبات العضوية المتطايرة مثل الكوبالت في الليثيوم منخفض الكثافة الحالي كمادة كهارل. ويبشر هذا التطور الثوري بكثافة طاقة أعلى بتكاليف أقل مع تقليل الاعتماد على المعادن باهظة الثمن والمزعجة مثل الكوبالت الموجود في الليثيوم منخفض الكثافة اليوم.

وتتكون بطاريات الليثيوم الأيونية من أنود وكاثود وفاصل وإلكتروليت؛ حيث يقوم الأنود بتخزين أيونات الليثيوم بينما يعمل الكاثود كمساحة لتخزين الإلكترونات، بينما يمنع الفاصل تدفق الإلكترونات داخل البطارية. وأخيراً، يقوم إلكتروليت بنقل أيونات الليثيوم الموجبة الشحنة بين القطب الموجب والكاثود أثناء التفريغ والعودة إلى القطب الموجب أثناء الشحن من خلال عمليات الإقحام/إلغاء الإقحام التي تحدث في وقت واحد - وتعرف هذه العملية باسم الإقحام/إلغاء الإقحام من الناحية التقنية.

يتم دمج أنود يتكون عادةً من مادة الجرافيت مع كاثود مصنوع من كبريتيدات أو نيتريدات معدنية غير قابلة للاشتعال لتخزين أيونات الليثيوم من خلال الإقحام، حيث يتم تضمينها فيزيائياً بين طبقات ثنائية الأبعاد من الكربون التي تشكل الجرافيت السائب، لأغراض التخزين. ويتضمن تفريغ الخلية أنوداً يخضع لنصف تفاعل أكسدة ينتج عنه أيونات ليثيوم موجبة بينما ينتج في الوقت نفسه إلكترونات سالبة الشحنة من خلال دائرة خارجية؛ وأثناء التفريغ يخضع الأنود لنصف تفاعل أكسدة ينتج عنه أيونات ليثيوم موجبة بينما تنتقل الإلكترونات السالبة الشحنة عبر دائرة خارجية إلى المهبط حيث يحدث نصف تفاعل اختزال ويتدفق التيار الكهربائي عبر الدائرة الخارجية.

هناك العديد من الأنواع، مثل بطارية ليثيوم أيون بجهد 72 فولت، وبطارية ليثيوم 12 فولت 20 أمبير، وبطارية ليثيوم 20 أمبير. يجب أن تحدث تفاعلات الأكسدة والاختزال في درجة الحرارة والظروف المثلى؛ وإلا فإن التغييرات الهيكلية الكبيرة يمكن أن تقلل من سعة البطارية بشكل كبير وتقلل من قدرتها على الدوران (مقياس عدد عمليات الشحن والتفريغ التي يمكن للبطارية التعامل معها قبل أن تبدأ سعتها في التضاؤل)، مما قد يزيد من الضغط الداخلي للخلية ويشكل تهديدًا لسلامة الأجهزة المحمولة مثل الأجهزة اللوحية والهواتف الذكية.