مقدمه:
همان طور که در مقالات گذشته دیدیم، هر باتری از سه جز اصلی تشکیل شده است. آند یکی از مهمترین قسمت های باتری لیتیوم یون است که در انواع و اقسام گوناگون دسته بندی می‌شود. پایداری، ظرفیت بالا، هزینه‌ی کم و سادگی در فرایند ساخت از ویژگیهای مربوط به هر یک از این دسته بندی‌هاست. در ادامه با هر یک از این آندها به صورت مختصر آشنا میشویم و ومزایا و معایب هر کدام را برمی‌شماریم.
آند درجی(Intercalation anode):
در این نوع از آندها، یون لیتیوم در هنگام ورود به ساختار آند، بدون ایجاد هیچ پیوند کولانسی، ما بین لایه های آند قرار میگیرد. در واقع لیتیوم بین لایه‌ها جای گرفته و به این ترتیب لیتیوم درون آند ذخیره می‌شود و به همین دلیل به این آندها، آند های درجی گویند چرا که لیتیوم ما بین لایه های آن درج می‌شود.گرافیت یکی از رایج ترین آندهای درجی است که در صنعت بسیار از آن استفاده می‌شود. اما به دلیل ظرفیت پایین، مجبور خواهیم بود که آندهای دیگر را جایگزین آن کنیم. با توجه به شکل زیر در گرافیت به ازای هر 6 اتم کربن حداکثر یک اتم لیتیوم می‌تواند ذخیره شود. از آنجا که ظرفیت به طور مستقیم با مقدار لیتیوم ذخیره شده مرتبط است، گرافیت در مقایسه با آند فلزی لیتیوم، ظرفیت پایینی دارد، اما به دلیل عدم وجود رشد دندریتی و رسانایی مناسب، به عنوان یک آند تجاری مورد استفاده قرار میگیرد.
آند آلیاژی(Alloy anode):
با توجه به ظرفیت پایین گرافیت، نیاز به آندهایی است که ظرفیت بالایی داشته باشند. گروهی از آندها که می‌توانند به مقدار زیادی اتم لیتیوم را ذخیره کنند آندهای نوع آلیاژی هستند که جنس آن‌ها از فلز یا نیمه‌هادی است. عملکرد این آندها به این صورت است که لیتیوم با یک فلز یا نیمه‌رسانا تشکیل آلیاژ میدهد و به این طریق اتم لیتیوم ذخیره می‌شود.
در این نوع از مواد، در مقایسه با گرافیت که به ازای هر 6 اتم کربن فقط یک اتم لیتیوم ذخیره می‌شود، به ازای هر اتم فلز چندین اتم لیتیوم می‌تواند ذخیره شود. از مهمترین این آندها می‌توان سیلیکون، قلع و آنتیموان را نام برد. برای سیلیکون ظرفیتی در حدود 4000mAh/g و برای قلع ظرفیت 900mAh/g ذکر شده که در مقایسه با گرافیت که ظرفیتی در حدود 350mAh/gدارد، مقدار نسبتا زیادی است.
شکل زیر ظرفیت آندهای آلیاژی مختلف را نشان میدهد که ملاحظه می‌شود سیلیکن بیشترین مقدار را به خود اختصاص داده است.
مشکل آندهای آلیاژی:
در این آندها، ذخیره و آزاد شدن لیتیوم همراه با تغییر حجم گسترده‌ای همراه است که می‌تواند تا 400 درصد حجم اولیه هم برسد. در طی سیکلهای کاری، در اثر تنش‌های ناشی از تغییر حجم، پدیده خردشدگی (Pulverization) مواد فعال رخ میدهد. خردشدگی موجب می‌شود اتصال بین مواد فعال، افزودنی‌ها و رسانای جمع‌کننده جریان قطع شود. با روی دادن این پدیده، ماده فعال از نظر الکتریکی ایزوله می‌شود؛ از این‌رو انتقال الکترونی برای انجام واکنش اکسیداسیونی به آن صورت نمی‌گیرد. لذا حجم بزرگی از مواد فعال بدون استفاده مانده و در ظرفیت شرکت نمی‌کنند و در نهایت این موضوع باعث افت شدید ظرفیت در طی سیکل کاری می‌شود. شکل زیر این موضوع را بهتر نشان میدهد.
آند تبادلی(Conversion anode):
نوع سوم از آندها، بر مبنای یک واکنش تبادلی (Conversion) است. در واقع در هنگام ذخیره‌ی لیتیوم، یک واکنش تبادلی صورت میگیرد که شکل زیر بهتر و گویاتر این موضوع را نشان میدهد.
شکل بالا مکانیزم و واکنش این نوع الکترودها را نشان میدهد. در این شکل M (یا Me) یک عنصر واسطه است که تحت اکسایش قرار میگیرد و X یک آنیون نظیر اکسیژن، گوگرد و مانند آن است. حسن این آندها اینست که به ازای هر واحد MxXy، تعداد n یون لیتیوم (که n بیشتر از یک است) در واکنش درگیر است در حالی‌که در آندهای درجی گرافیتی دیدیم به ازای هر 6 اتم کربن، یک یون لیتیوم ذخیره می‌شود. در شکل زیر، سه نمونه از آندهای تبدلی به همراه واکنش مربوطه را مشاهده می‌کنیم. در این واکنشها، اکسیژن بین عنصر واسطه و فلز لیتیوم مبادله می‌شود.
مشکلات آندهای تبادلی:
آندهای تبادلی شباهت زیادی به آندهای آلیاژی دارند، و مانند آندهای آلیاژی، دارای مشکل تغییر حجم، خردشدگی و تشکیل SEI هستند. در این آندها رسانش یونی و الکترونی پایین است و علاوه بر آن سرعت انجام واکنش تبادلی نیز کند است. این سرعت پایین، منجر به اورپتانسیل بالا در هنگام شارژ و دشارژ می‌شود. در این اورپتانسیل‌ها اختلاف زیادی بین ولتاژ شارژ و دشارژ به وجود می‌آید که اصطلاحا هیسترزیس نامیده می‌شود که در شکل زیر با پیکان قرمز رنگ نشان داده شده است.
این شکل نشان میدهد که در مرتبه اول لیتیوم‌گیری، رفتار آند تفاوت قابل ملاحظه‌ای با مراتب بعدی شارژ و دشارژ دارد. هیسترزیس در این نوع آندها به یک ولت می‌رسد در حالی‌که در آند گرافیتی وLTO (یک نوع آند درجی است)در حدود 0.2 ولت است. این هیسترزیس بیشتر از همه ناشی از پلاریزاسیون فعالسازی است که در مقالات مربوطه توضیح داده می‌شود.
نتیجه گیری:
در این آموزش ما به بررسی انواع اندها پرداختیم و دیدیم که آندها به سه دسته‌ی درجی، آلیاژی و تبادلی تقسیم بندی می‌شوند. در ادامه با مزایا و معایب هرکدام آشنا شدیم و با بررسی واکنشها و نمودارها، ویژگیهای هرکدام رابه صورت جزئی تر بررسی کردیم. در مقالات دیگر، با آندهای بیشتری آشنا میشویم و ساختار شیمیایی و کریستالی هر کدام را به صورت جداگانه خواهیم شناخت.
منبع: edu.nano.ir
