اصول کار باتری های لیتیومی: فرآیند شارژ، فرآیند تخلیه، و صفحه پوشش باتری

در زمینه ذخیره سازی انرژی مدرن، باتری های لیتیومی به عنوان یک باتری ثانویه بسیار کارآمد، به طور گسترده در تجهیزات الکترونیکی، وسایل نقلیه الکتریکی، سیستم های ذخیره انرژی خورشیدی و سایر زمینه ها استفاده شده است. اصل کار باتری های لیتیومی مبتنی بر مهاجرت یون های لیتیوم بین الکترودهای مثبت و منفی برای ذخیره و آزادسازی شارژ است. این مقاله به طور سیستماتیک ساختار اصلی، فرآیند شارژ و دشارژ و اجزای ساختاری کلیدی باتری‌های لیتیومی را تجزیه و تحلیل می‌کند. ضمیمه باتری لیتیومی منشوری بخش مهمی از باتری های لیتیومی منشوری است و طراحی و کیفیت ساخت آن ارتباط مستقیمی با آب بندی و ایمنی باتری دارد.

باتری های لیتیومی از چهار جزء اصلی تشکیل شده اند: الکترود مثبت (کاتد)، الکترود منفی (آند)، الکترولیت و جداکننده. کاتد معمولاً از لیتیوم-دارای مواد اکسیدی-مثل اکسید لیتیوم کبالت، اکسید لیتیوم منگنز، یا لیتیوم فسفات آهن استفاده می‌کند{3}}که می‌تواند یون‌های لیتیوم را درهم‌آمیزی کند و{4}}می‌کند. آند عموماً از مواد مبتنی بر کربن- (مانند گرافیت) یا فلز لیتیوم استفاده می‌کند که می‌تواند یون‌های لیتیوم را جذب و آزاد کند. الکترولیت به‌عنوان یک محیط یونی-رسانا-مایع یا جامد{10}}را تسهیل می‌کند و در عین حال کاتد و آند را از نظر الکتریکی جدا می‌کند تا از جریان الکترون بین آنها جلوگیری کند. جداکننده یک ماده عایق متخلخل است که بین الکترودها قرار گرفته است. از تماس مستقیم (و در نتیجه اتصال کوتاه) جلوگیری می کند در حالی که به یون های لیتیوم اجازه می دهد از طریق منافذ آن مهاجرت کنند.

در ساختار بسته بندی باتری، درب بالایی یک سلول باتری منشوری عملکردهای متعددی از جمله آب بندی، عایق کاری و کاهش فشار را انجام می دهد. درپوش با لیزر{1}}به محفظه باتری جوش داده می‌شود تا یک مهر و موم هرمتیک ایجاد کند، از نشت الکترولیت و جلوگیری از ورود رطوبت و اکسیژن خارجی جلوگیری کند. به طور معمول ویژگی‌های کلیدی مانند ترمینال مثبت، پورت پرکننده الکترولیت و شیر کاهش فشار ایمنی را یکپارچه می‌کند، درب بالایی یک جزء حیاتی برای اطمینان از یکپارچگی و ایمنی باتری است.

در طول فرآیند شارژ، واکنش های الکتروشیمیایی در الکترودهای مثبت و منفی باتری لیتیومی رخ می دهد. هنگامی که یک ولتاژ خارجی اعمال می شود، یون های لیتیوم (Li⁺) از شبکه کریستالی مواد الکترود مثبت استخراج می شوند و الکترون ها آزاد می شوند. این یون‌های لیتیوم از طریق الکترولیت و جداکننده به الکترود منفی مهاجرت می‌کنند، در حالی که الکترون‌ها از طریق مدار خارجی از الکترود مثبت به الکترود منفی جریان می‌یابند و جریان شارژ ایجاد می‌کنند. در الکترود منفی، یون‌های لیتیوم در ساختار لایه‌ای ماده کربنی وارد می‌شوند، با الکترون‌ها ترکیب می‌شوند و در یک حالت اتمی در داخل ماده ذخیره می‌شوند. این فرآیند تا زمانی ادامه می یابد که تمام یون های لیتیوم قابل استخراج از الکترود مثبت به الکترود منفی مهاجرت کنند یا باتری به ولتاژ پایان شارژ خود برسد.

با ادامه شارژ، اختلاف پتانسیل در باتری افزایش می یابد و انرژی شیمیایی ذخیره شده افزایش می یابد. برای اطمینان از ایمنی، باتری‌های لیتیومی از مدارهای مدیریت شارژ اختصاصی برای تنظیم جریان و ولتاژ استفاده می‌کنند و از مسائلی مانند فروپاشی ساختاری الکترود مثبت، تجزیه الکترولیت یا آبکاری فلز لیتیوم ناشی از شارژ بیش از حد جلوگیری می‌کنند. هنگامی که سلول های باتری در یک بسته مونتاژ می شوند، پوشش جعبه باتری آلومینیومی حفاظت ساختاری و رابط های مدیریت حرارتی را فراهم می کند و از یکپارچگی ساختاری ماژول و اتلاف گرمای موثر در طول شارژ اطمینان می دهد.

هنگامی که باتری لیتیومی تخلیه می شود، واکنش در جهت معکوس ادامه می یابد. یون‌های لیتیوم ذخیره‌شده در الکترود منفی از لایه‌های مواد کربنی بین-می‌آیند و از طریق الکترولیت و جداکننده به الکترود مثبت مهاجرت می‌کنند. به طور همزمان، الکترون ها از طریق مدار خارجی از الکترود منفی به الکترود مثبت جریان می یابند و انرژی الکتریکی را برای بار خارجی تامین می کنند. در الکترود مثبت، یون‌های لیتیوم دوباره در شبکه بلوری مواد الکترود قرار می‌گیرند و با الکترون‌ها ترکیب می‌شوند تا ترکیبات لیتیومی پایدار را تشکیل دهند. این فرآیند تا زمانی ادامه می یابد که اختلاف پتانسیل بین الکترودها به ولتاژ پایان تخلیه کاهش یابد یا غلظت یون لیتیوم در باتری به تعادل برسد.

مهاجرت مکرر یون‌های لیتیوم بین الکترودهای مثبت و منفی در طول چرخه‌های شارژ{0}}به عنوان مکانیسم "صندلی گهواره‌ای" شناخته می‌شود، به همین دلیل است که باتری‌های لیتیومی اغلب به عنوان باتری‌های صندلی گهواره‌ای شناخته می‌شوند. این مکانیسم عملیاتی به مواد الکترود نیاز دارد که دارای پایداری ساختاری و هدایت یونی عالی برای حفظ ظرفیت بالا در صدها تا هزاران سیکل باشند. در بسته‌بندی باتری، صفحات پوشش باتری لیتیوم{5} یونی از روش‌های مهر و موم و عایق با دقت بالا استفاده می‌کنند تا از جداسازی الکتریکی و آب‌بندی بین پایانه‌های مثبت و منفی و محفظه باتری اطمینان حاصل کنند، در نتیجه از اتصال کوتاه داخلی و نشت خارجی جلوگیری می‌کنند.