ساختار شیمیایی، فیزیکی و علمی سلول‌های باتری لیتیومی

باتری لیتیومی نتیجه سال‌ها تلاش علمی در زمینه شیمی انرژی، علم مواد و مهندسی ساخت است. هر سلول لیتیومی، فارغ از فرم و کاربرد، دارای ساختار شیمیایی و فیزیکی دقیقی است که مستقیماً بر عملکرد، عمر، ایمنی و ویژگی‌های کاربردی آن اثرگذار است.

اجزا و لایه‌های اصلی سلول لیتیومی

1. آند (Anode):

• عمدتا از گرافیت، کربن یا ترکیبات نانوکربن ساخته می‌شود.
• هنگام شارژ، یون‌های لیتیوم وارد آند شده و ذخیره می‌شوند؛ هنگام دشارژ، خارج شده و انرژی الکتریکی ایجاد می‌کنند.
• کیفیت آند بر ظرفیت قابل دستیابی، سرعت دشارژ و عمر سیکل تاثیر مستقیم دارد.

2. کاتد (Cathode):

• بسته به نوع باتری، از اکسیدهای مختلف لیتیوم (مانند لیتیوم کبالت، لیتیوم منگنز، آهن فسفات، نیکل منگنز کبالت) ساخته می‌شود.
• کاتد محل ذخیره و آزادسازی یون‌های لیتیوم هنگام دشارژ است.
• نوع کاتد تعیین‌کننده ولتاژ اسمی، ایمنی و پایداری باتری است.
  • مثلاً LiCoO₂ در Li-ion،
  • LiFePO₄ در فسفات آهن (LiFePO4).

3. الکترولیت (Electrolyte):

• پلیمر، مایع آلی یا ژل؛ واسطه حرکت یون‌های لیتیوم بین آند و کاتد.
• تاثیرگذار بر سرعت شارژ/دشارژ، ایمنی و دامنه دمای کارکرد سلول.
• در برخی مدل‌های پیشرفته از الکترولیت جامد برای افزایش ایمنی و تراکم انرژی استفاده می‌شود.

4. جداکننده (Separator):

• فیلم نازک میکروپروس یا کامپوزیتی.
• مانع تماس مستقیم آند و کاتد، جلوگیری از اتصال کوتاه.
• اجازه عبور یون‌های لیتیوم، اما نه الکترون‌های آزاد.

5. پوشش و بدنه (Casing):

• جنس: فلز (استوانه‌ای)، پلیمر (پک نرم)، کامپوزیت یا آلیاژ.
• وظیفه: محافظت مکانیکی، ایمنی حرارتی، مقاوم‌سازی در برابر ضربه و فشار.

ساختار فیزیکی و فرم سلول‌ها

• سلول استوانه‌ای (Cylindrical): مثل 18650، 21700؛ مقاوم در برابر ضربه، مناسب سامانه‌های صنعتی، پاوربانک‌ها و خودرو.
• سلول کیسه‌ای (Pouch/Polymer): انعطاف‌پذیر، سبک؛ کاربرد در ربات‌ها، مدل پروازی و موبایل.
• سلول منشوری (Prismatic): برای پک باتری خودرو، صنعت و UPS با ظرفیت بالا.
• سلول سکه‌ای (Coin/Button): کاربرد در تجهیزات پزشکی، سنسور، ساعت و ابزار دقیق.

واکنش شیمیایی اصلی در سلول لیتیومی

فرآیند اصلی به صورت زیر است:

• شارژ: یون‌های لیتیوم از کاتد به آند مهاجرت می‌کنند، ذخیره‌سازی انرژی.
• دشارژ: یون‌ها از آند به کاتد بازمی‌گردند، ایجاد جریان الکتریکی قابل مصرف در مدار.

معادله اصلی (برای یک مدل LiCoO₂):

LiCoO2+C6↔Li1−xCoO2+LixC6LiCoO2+C6↔Li1−xCoO2+LixC6

این فرآیند برگشت‌پذیر است و تعداد سیکل‌های معتبر شارژ/دشارژ را تعیین می‌کند.

تاثیر کیفیت شیمی و ساختار بر عمر، ایمنی و عملکرد

• آند و کاتد با چگالی انرژی بالا: افزایش ظرفیت و کاهش وزن باتری.
• مواد با مقاومت بالا به دما و ضربه: افزایش ایمنی و پایداری پروژه‌های حساس.
• الکترولیت پایدار و ایمن: جلوگیری از نشت، انفجار و آتش‌سوزی.
• جداکننده‌های پیشرفته: بهبود ایمنی، افزایش عمر سلول، و کاهش خطر اتصال کوتاه.

جداول تخصصی مقایسه ساختار سلول و ویژگی‌ها