كيف تعمل بطاريات الليثيوم أيون

2019-09-24 18:06:42

لا يتجاوز عمر الهاتف الذكي أكثر من عقد بقليل ، ولكن أجهزة الكمبيوتر بحجم الجيب في قلب هذا التحول المجتمعي ممكنة حقًا فقط بسبب تقنية أخرى: بطاريات ليثيوم أيون.

تم بيع هذه الأنواع من البطاريات لأول مرة تجاريًا في عام 1991 بواسطة سوني لكاميرات الفيديو الخاصة بها ، وهي جيدة لأكثر من الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية المحمولة. إنهم في قلب ثورتين تكنولوجيتين أخريين مع القدرة على تغيير المجتمع: الانتقال من محركات الاحتراق الداخلي إلى المركبات الكهربائية ، والتحول من شبكة كهربائية تعمل بالوقود الأحفوري إلى مولدات الطاقة المتجددة التي تخزن فائض الكهرباء في البطاريات من أجل إستخدام مستقبلي.

فكيف تعمل هذه البطاريات؟ قضى العلماء والمهندسون وظائف كاملة في محاولة بناء بطاريات أفضل ولا تزال هناك ألغاز لا نفهمها بالكامل. يتطلب تحسين البطاريات من الكيميائيين والفيزيائيين النظر في التغييرات على المستوى الذري ، بالإضافة إلى المهندسين الميكانيكيين والكهربائيين الذين يمكنهم تصميم وتجميع حزم البطاريات التي تشغل الأجهزة. بصفتي عالم مواد في جامعة واشنطن ومختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني ، ساعد عملي في استكشاف مواد جديدة لبطاريات الليثيوم في الهواء وبطاريات المغنيسيوم وبالطبع بطاريات أيونات الليثيوم.

دعونا نفكر في يوم من حياة إلكترونين. سنقوم بتسمية أحدهم أليكس ولديه صديق يدعى جورج.


تشريح البطارية

كيف تبدو البطارية القلوية AA القياسية في الداخل. حامل رئيسي / ويكيميديا كومنز

يعيش Alex داخل بطارية AA قلوية قياسية ، كما هو الحال في مصباح يدوي أو جهاز تحكم عن بعد. داخل بطارية AA ، هناك حجرة مملوءة بالزنك وأخرى مملوءة بأكسيد المنغنيز. في أحد طرفيه ، يتم تعليق الزنك بشكل ضعيف فقط على الإلكترونات مثل أليكس. على الجانب الآخر ، يسحب أكسيد المنغنيز الإلكترونات بقوة نحو نفسه. في الوسط ، منع الإلكترونات من الانتقال مباشرة من جانب إلى آخر ، هو قطعة من الورق مغمورة في محلول من البوتاسيوم والماء ، والتي تتعايش كأيونات البوتاسيوم الإيجابية وأيونات الهيدروكسيد السالبة.

عند وضع البطارية في جهاز وتشغيلها ، تكتمل الدائرة الداخلية للجهاز. يتم سحب أليكس من الزنك ، من خلال الدائرة وإلى أكسيد المنغنيز. على طول الطريق ، تعمل حركته على تشغيل الجهاز ، أو مصباح كهربائي أو أي شيء متصل بالبطارية. عندما يغادر أليكس ، لا يمكنه العودة: الزنك الذي فقد روابط إلكترونية مع الهيدروكسيد لتكوين أكسيد الزنك. هذا المركب مستقر للغاية ولا يمكن تحويله بسهولة إلى زنك.

على الجانب الآخر من البطارية ، يكتسب أكسيد المنغنيز ذرة أكسجين من الماء ويترك أيونات هيدروكسيد خلفه لموازنة هيدروكسيد يستهلكه الزنك. بمجرد أن يترك جميع جيران أليكس الزنك وانتقلوا إلى أكسيد المنغنيز ، تنفد البطارية وتحتاج إلى إعادة التدوير.


مزايا أيون الليثيوم

دعنا نقارن هذا بجورج ، الذي يعيش في بطارية ليثيوم أيون. بطاريات أيونات الليثيوم لها نفس اللبنات الأساسية مثل خلايا AA القلوية ، مع بعض الاختلافات التي تمنح مزايا رئيسية.

يعيش جورج في الجرافيت ، وهو أضعف من الزنك في التمسك بالإلكترونات. والجزء الآخر من بطاريته هو أكسيد الليثيوم الكوبالت ، الذي يسحب الإلكترونات بقوة أكبر بكثير من أكسيد المنغنيز - مما يمنح بطاريته القدرة على تخزين طاقة أكبر بكثير في نفس المقدار من البطارية القلوية. يحتوي المحلول الذي يفصل بين الجرافيت وأكسيد الكوبالت الليثيوم على أيونات الليثيوم المشحونة إيجابياً ، والتي تتشكل بسهولة وتكسر الروابط الكيميائية أثناء تفريغ البطارية وإعادة شحنها.

عندما تتحرك الإلكترونات خارج البطارية ، تتحرك أيونات الليثيوم داخلها للحفاظ على التوازن الكهربائي. الإسلام والصياد ، مراجعات الجمعية الكيميائية ، 2014. ، CC BY

هذه التفاعلات الكيميائية قابلة للعكس ، على عكس تكوين أكسيد الزنك ، وهو ما يسمح للإلكترونات وأيونات الليثيوم بالتدفق ذهابًا وإيابًا على مدار العديد من دورات الشحن والتفريغ.


هذه العملية ليست فعالة بنسبة 100٪ ، على الرغم من ذلك - تفقد جميع البطاريات في النهاية قدرتها على الاحتفاظ بالطاقة. ومع ذلك ، كانت عائلة كيميائيات Li-ion قوية بما يكفي للسيطرة على تقنية البطارية اليوم.