باتری های لیتیوم پلیمر

مقدمه:

در این مقاله قرار است به باتری‌های لیتیم پلیمر پرداخته شود و ببینیم که این باتری‌ها به چه صورت کار کرده و دلیل استفاده از این تکنولوژی چه می‌باشد. سابقه تولید و استفاده از سلول‌های لیتیوم-پلیمر (LiPo) به پژوهش‌های گسترده انجام‌شده در دهه 1980 میلادی بر روی سلول‌های لیتیوم یون و لیتیوم فلز برمی‌گردد. این پژوهش‌ها منجر به موفقیت بزرگی در این زمینه با تولید اولین سلول استوانه‌ای لیتیوم یون توسط شرکت سونی در سال 1991 شد. پس‌ازآن سایر شکل‌های ساختاری و بسته‌بندی شامل قالب کیسه‌ای با نام لیتیوم پلیمر نیز معرفی شدند.

تفاوت اصلی سلول‌های لیتیوم پلیمر این است که به‌جای استفاده از الکترولیت لیتیوم نمک مانند (LiPF6) که در حلال ارگانیک مانند (EC/DMC/DEC) نگه‌داری می‌شود، در این باتری‌ها از الکترولیت پلیمر جامد(SPE) مانندپلی اتیلن اکساید (PEO)، پلی آکریلونایتریل (PAN)، پلی متیل متاکریلات (PMMA) یا پلی وینیلیدین فلوراید (PVdF) استفاده‌ شده ‌است. در واقع، الکترولیت مایع، جای خودش را به الکترولیت جامد داده و یونها قرار است درون این پلیمرها از یک سمت به سمت دیگر حرکت کنند.

پس تا این‌جا متوجه شدیم که یک باتری لیتیم پلیمر، تفاوت اصلی‌اش با باتری لیتیم یون، در الکترولیت درون باتری است که از حالت مایع به حالت جامد تغییر شکل داده است. معمولا آند در این باتری‌های لیتیوم پلیمر، گرافیت است است. در شکل زیر ساختار یک باتری لیتیم پلیمر را مشاهده می‌کنیم و می‌بینیم که این باتری‌ها از لحاظ ساختار، بسیار شبیه به یک باتری لیتیم یون هستند.

می‌دانیم که نقش الکترولیت در باتری، جا‌به‌جایی یون‌ها از یک سمت به سمت دیگر است که یک الکترولیت جامد باید این کار را به خوبی انجام دهد و اگر قرار باشد که جابه‌جایی یون درون الکترولیت جامد سخت باشد، باتری دیگر قابلیت دشارژ راحت را نداشته و باید الکترولیت را عوض کنیم. از الکترولیت‌های جامد انتظار می‌رود که به دلیل جامد بودن، حرکت یون درون آنها سخت باشد اما با طراحی درست این مواد، می‌توان از این مشکل عبور کرد. در واقع، با روشهایی، الکترولیت پلیمری را به نمک لیتیمی آغشته می¬کنند که این کار سبب میشود یونهای لیتیم، راحت درون پلیمر به حرکت درآیند.

یک الکترولیت جامد باید هفت خصوصیت را دارا باشد تا بتواند تبدیل به یک گزینه ی مناسبی برای یک باتری لیتیم پلیمر شوداولین ویژگی، هدایت یونی بالا است. همانطور که اشاره شد، فرض کنید که یک الکترولیت، نتواند یون‌ها را خوب انتقال دهد در نتیجه به دلیل سخت شدن حرکت یون‌ها، جریان به شدت محدود شده و باتری خوب کار نخواهد کرد.

دومین ویژگی برای یک الکترولیت جامد این است که تعداد انتقال لیتیم نزدیک به صد رد صد را داشته باشد به این معنی که حین عبور دادن یون‌ها، یونی را درون خود نگه ندارد زیرا در این صورت، غلظت لیتیم در جایی از الکترولیت، بالا رفته و امکان دارد که دیگر یون‌ها نتوانند به سمت دیگر باتری حرکت کنند.

سومین ویژگی که یک ویژگی اساسی برای همه‌ی الکترولیت‌ها به حساب می‌آید، هدایت الکترونی پایین است زیرا در غیر این صورت، الکترون آزاد شده در الکترود، به جای این که از خارج باتری به سمت الکترود دیگر برود، از طریق الکترولیت به ناحیه‌ی دیگر رفته و در واقع، این الکترون آزاد شده، انرژی را به خارج باتری منتقل نکرده و انرژی ذخیره شده، در داخل باتری آزاد شده و به بیرون منتقل نشده است. پس الکترولیت باید الکترون‌ها را بر خلاف یون‌ها به سختی از خود عبور دهد.

ویژگی‌های دیگر یک الکترولیت جامد، پایداری شیمیایی بالا،پایداری مکانیکی خوب،هزینه‌ی پایین و بی‌خطر بودن برای محیط زیست است که تحقیقات بسیاری در این زمینه در حال انجام است تا الکترولیت‌های پلیمری را بهبود ببخشند.

باتری‌های لیتیم پلیمر نسبت به باتری‌های لیتیم یون، مزیت‌هایی دارند که یکی از مهم‌ترین مزیت‌های این باتری‌ها، عدم نشت الکترولیت است که به دلیل وجود نداشتن الکترولیت مایع، الکترولیت به بیرون از باتری نمی‌رود. علاوه بر این، باتری‌های لیتیم پلیمر، به دلیل عدم ایجاد دندریت، احتمال آتش سوزی در آن‌ها تقریبا به صفر می‌رسد و به دلیل این ویژگی، نیاز به بدنه‌ی محکم در این باتری‌ها وجود ندارد ولی در باتری‌های لیتیم یون، مجبوریم که بدنه را از مواد محکم طراحی کنیم تا از انفجار آن جلوگیری شود. به همین دلیل، باتری‌های لیتیم پلیمر، وزن کمتری نسبت به باتری‌های لیتیم یون دارند.

یکی دیگر از مزیت‌های باتری‌های لیتیم پلیمر، طراحی این باتری‌ها در اشکال و اندازه‌های مختلف است که به طور مثال، در گوشی‌های تلفن همراه نازک، باتری‌های لیتیم پلیمر انتخاب بسیار مناسبی است. فناوری لایه‌نازک این امکان را فراهم کرده‌است که باتری‌ها در هر شکل دلخواهی طراحی‌شده و قابل جاسازی درگوشی‌های همراه و تبلت‌ها باشند.

باتری‌های لیتیوم پلیمر به شکل بسیار نازک و در حد ضخامت یک کارت اعتباری قابل ساخت هستند. باتری‌های لیتیوم پلیمر به شکل گسترده‌ای درگوشی‌های همراه، تبلت‌ها، پاور بانک‌ها، لپ‌تاپ‌های سبک‌وزن، دستگاه‌های پخش موسیقی، دسته‌های بی‌سیم بازی‌ها، سیگارهای الکترونیک و سایر کاربری‌هایی که اندازه باتری در آن‌ها مهم است و چگالی انرژی از قیمت اهمیت بیشتری دارد، مورداستفاده قرار می‌گیرد.

طراحی اولیه باتری‌های پلیمری به دهه 1970 برمی گردد که در آن ازالکترولیت پلیمر جامد(خشک)، به شکل یک لایه ‌نازک پلاستیکی استفاده شده بود. این عایق اجازه تبادل یون‌ها (اتم‌های باردار) را می‌دهد و جایگزین جداکننده‌های متخلخل سنتی است که درون الکترولیت قرار می‌گیرند. باتری لیتیوم پلیمر از این نظر منحصربه ‌فرد است که الکترولیت ریز متخلخل جایگزین جداکننده ی متخلخل سنتی شده‌است.

در واقع، جداکننده‌ی پلیمری، جای خود را به یک پلیمر با ضخامت بیشتر داده است که این پلیمر جدید، در ساختار خود، حاوی یون‌های لیتیوم است تا هدایت یونی، به شکل بهتری رخ دهد. باتری‌های لیتیوم- پلیمر انرژی بالایی دارند و می‌توانند در اندازه کوچک‌تری نسبت به باتری‌های لیتیوم- یون متداول ساخته شوند ولی هزینه ساخت آن‌ها نسبت به طراحی استوانه ‌ای بالاتر است.

در طراحی های اولیه، پلیمر جامد رسانایی ضعیفی در دمای اتاق داشت و باتری باید تا دمای 60 درجه سلسیوس (140 درجه فارنهایت) گرم می شد تا بتواند جریان را از خود عبور دهد. برای مثال باتری‌های پلیمری بزرگ برای کاربردهای ثابت و غیر متحرک نیاز به گرم شدن داشتند، اما این باتری‌ها به‌تدریج حذف شدند. برای رسانا شدن باتری‌های لیتیوم- پلیمر جدید در دمای اتاق، الکترولیت به شکل ژل به آن اضافه شد. در این حالت، رسانایی یونی الکترولیت، در دمای پایین‌تر بیشتر است و جریان بهتر برقرار می‌شود و در حقیقیت، ژل یک حالت بین مایع و جامد دارد که یون ها به راحتی از آن عبور می کنند.

باتری‌های لیتیوم پلیمر بر روی سیستم‌های متعددی مانند لیتیوم کبالت، NMC، لیتیوم فسفات و لیتیوم منگنز قابل پیاده‌سازی بوده و محدود به یک ساختار شیمیایی برای باتری نیستند ولی اکثر باتری‌های لیتیوم پلیمر مبتنی بر استفاده ازکبالت بوده و مواد فعال دیگری نیز ممکن است به آن‌ها اضافه شود.

در شکل زیر، یک شماتیک کلی از الکترولیت پلیمری را می‌بینیم که فرایند تولید آن نیز به صورت تقریبی قابل مشاهده است. در واقع برای ساخت یک الکترولیت پلیمری، روش‌های بسیار زیادی وجود دارد که یکی از این روش‌ها، مخلوط کردن اجزای مختلف اعم از نمک لیتیم (برای افزایش رسانایی) و زنجیره‌های پلیمری است تا ساختار مورد نظر شکل گیرد. بعضی وقت‌ها، با اضافه کردن ترکیبات دیگری همچون نانوصفحات گرافت اکساید، ویژگی‌هایی که مد نظر است، ایجاد می‌شود و این مواد افزودنی جانبی، خصوصیاتی همچون استحکام را برای الکترولیت پلیمری به ارمغان می آورند.

خلاصه و نتیجه گیری:

در این مقاله به کلیات باتری‌های لیتیم پلیمر پرداختیم و دیدیم که فرق اساسی این باتری‌ها با باتری‌های لیتیم یون، در الکترولیت آن‌هاست که با بررسی دقیق‌تر این باتری‌ها، یک مقایسه‌ی اجمالی بین باتری‌های لیتیم پلیمر و لیتیم یون صورت گرفت.باتری‌های لیتیم پلیمر، از لحاظ عملکرد شبیه باتری‌های لیتیم یون هستند و دیدیم که به دلیل وزن سبک‌تر آنها، یک باتری مناسب برای کاربرد‌هایی است که مسئله‌ی وزن، مسئله‌ی مهمی به شمارمی‌رود. در نهایت با بررسی ساختار حدودی الکترولیت‌های پلیمری، بحث را به پایان رساندیم.

منبع: ویکی پدیا