کاربرد گرافیت در باتری‌ های لیتیوم یونی

گرافیت به دلیل هزینه نسبتا کم و چگالی انرژی آن، متداول‌ترین مورد استفاده به عنوان ماده آند در تولید باتری‌های لیتیوم یونی است. گرافیت خواص رسانایی بسیار خوبی دارد و در بیشتر موارد به راحتی در دسترس است. باتری ها از جمله تکنولوژی های پیشرفته قرن بیست و یکم هستند که برای نگهداری انرژی الکتریکی و استفاده بعدی از آن در انواع دستگاه های الکترونیکی مورد استفاده قرار می گیرند. در این راستا، گرافیت به عنوان یکی از مهم ترین اجزای باتری های لیتیوم یونی شناخته شده است. در این مقاله، به معرفی باتری های لیتیوم یونی، استفاده گرافیت در این باتری ها و همچنین تاثیر آن بر عملکرد این باتری ها پرداخته خواهد شد.

باتری های لیتیوم یونی چیست؟

باتری های لیتیوم یونی باتری هایی هستند که برای خلوص بالایی از فلز لیتیوم و ترکیب هایی از آن تولید می شوند. این باتری ها برای کم کردن وزن و محدود کردن اندازه باتری در تلفن های همراه، دوربین ها، لپ تاپ ها، تبلت ها و دیگر دستگاه های الکترونیکی به کار می روند. علاوه بر این، باتری های لیتیوم یونی برای درمان بیماری های نوروولوژیکی نیز به کار می روند.

باتری های لیتیوم یونی چگونه کار می کنند؟

باتری های لیتیوم یونی شامل دو الکترود با فلز لیتیوم هستند که به جای آن دو گرافیت استفاده می شود. هر اثر از گرافیت که به عنوان الکترود مشابه استفاده می شود، به نام سل گرافیت نامیده می شود. الکترولیت به عنوان واسط بین دو الکترود در باتری های لیتیوم یونی استفاده می شود. دستگاه های الکترونیکی به عنوان باتری مصرف کننده انرژی الکتریکی از باتری های لیتیوم یونی استفاده می کنند. در باتری های لیتیوم یونی، فلزاتی مانند کبالت، نیکل و منیزیم به عنوان مواد نگهدارنده بکار رفته است.

گرافیت در باتری‌ های لیتیوم یونی

باتری‌های لیتیوم‌یون برای دستگاه‌های هوشمند، لپ تاپ‌ها، سیستم‌های خورشیدی و خودرو‌های الکتریکی فواید بسیاری دارند. گرافیت یکی از عناصری است که در ساختار باتری لیتیومی بکار گرفته می‌شود و این طرح به دلیل دارا بودن مشخصاتی متفاوت برای باتری لیتیومی بسیار شایسته است.

کاربرد گرافیت در باتری‌ های لیتیوم یونی

گرافیت در باتری‌های لیتیوم یونی (Li-ion) به عنوان جاذب الکترودی برای یون لیتیوم در استفاده از آن به عنوان ذخیره کننده انرژی سوختی به کار می‌رود. در باتری‌های Li-ion، گرافیت به عنوان الکترود منفی یا کاتد منفی به کار می‌رود.

در طراحی باتری Li-ion، یون لیتیوم به‌صورت الکترولیت در حلال حرکت می‌کنند و در طی شارژ می توانند به عنوان یک جابجا کننده از الکترود مثبت به الکترود منفی حرکت کنند. در طی تخلیه، یون‌های لیتیوم از الکترود منفی به الکترود مثبت حرکت می‌کنند.

کاربرد گرافیت در در باتری‌ های Li-ion

گرافیت به دلیل قابلیت بالایی که برای جذب یون‌های لیتیوم دارد، به عنوان الکترود منفی بسیار مناسب است. این خواص شامل بسیار معدود بودن حجم و وزن نسبت به جذب زیاد یون‌های لیتیوم، مقاومت در برابر شوک‌های حرارتی، عدم تجزیه در مدت طولانی حفظ و کیفیت ذخیره‌شده‌ای هستند که آن را برای استفاده در باتری‌ها بسیار محبوب کرده‌اند.

بدین ترتیب، گرافیت به عنوان یکی از مهم‌ترین جزء الکترود منفی در باتری‌های Li-ion به کار می‌رود و بسیاری از باتری‌های موبایل، لپ‌تاپ، خودروهای الکتریکی، و غیره از آن استفاده می‌کنند.

معرفی باتری های لیتیوم یونی

باتری های لیتیوم یونی یکی از مهم‌ترین نیروگاه های موبایلی هستند و بسیاری از دستگاه‌های الکترونیکی مانند موبایل، لپ تاپ، دوربین دیجیتال و بسیاری از دستگاه های الکتریکی حاوی این باتری ها هستند. گرافیت به عنوان الکترود منفی در بسیاری از باتری های لیتیوم یونی استفاده می‌شود.

ویژگی باتری‌ های لیتیم یونی

باتری های لیتیوم یونی از ویژگی های خاصی برای ذخیره انرژی برخوردار هستند. برخلاف باتری های نیکل سرب و نیکل کادمیوم، به علت وزن سبک و نسبت توان به وزن بالا، باتری های لیتیوم یونی می‌توانند در گوشی‌های هوشمند، دسته‌های بازی و بسیاری محصولات دیگر استفاده شوند. با این حال، نسخه‌های موجود از باتری این کمپانی ها هنوز هزینه و قابلیت شارژ بیشتری در اختیار مصرف کنندگان و تولید کنندگانشان نیست.

گرافیت به عنوان الکترود منفی در باتری های لیتیوم یونی

الکترود منفی یا آند در سطح گرافیت ساخته می‌شود و در این فرآیند، لیتیم به گرافیت پوشانده می‌شود. هنگامی که باتری شارژ می‌شود، یون‌های الکترولیت (LiPF6) با گرافیت ردیف می‌شوند و یون‌های لیتیم، به عنوان یک الکترولیت، بین الکترودها جابجا می‌شود. هنگامی که باتری تخلیه می‌شود، فرآیند برعکس است و یون‌های لیتیم از الکترود گرافیتی به الکترود ساخته شده از مواد دیگر یعنی ساختار کاتد، حرکت می‌کنند.

ویژگی های خاص گرافیت

گرافیت، کربن سفید یا کربن شکافته نیز شناخته شده است. این یک عنصر بسیار شیمیایی است و با داشتن خواص ظاهری متعدد مورد استفاده قرار می‌گیرد. به عنوان مثال، گرافیت به دلیل خاص ضخامت کم، محکم بودن، ضد زنگ بودن و تحمل بالای حرارت، برای هدایت حرارت و بسیاری دیگر از جمله کاتد در باتری های لیتیوم یونی از آن استفاده می‌شود.

کاربرد باتری های لیتیوم یونی

باتری های لیتیوم یونی هم اکنون در بین دانشمندان و تولیدکنندگان محصولات الکترونیکی بسیار معروف هستند. این باتری ها به دلیل ارزش بالای انرژی، طول عمر بالا و حجم کم، در دستگاه های الکترونیکی مختلفی مانند تلفن های همراه، دستگاه های پزشکی، دستگاه های الکترونیکی وسایل نقلیه و بسیاری دیگر از محصولات الکترونیکی استفاده می‌شوند. گرافیت یکی از عواملی است که اهمیت بیشتری در این باتری ها پیدا کرده است.

باتری های لیتیوم یونی چگونه کار می‌کنند؟

در باتری های لیتیوم یونی، عنصر لیتیوم به عنوان کاتد (نیمه مثبت) استفاده می‌شود و گرافیت به عنوان آنود (نیمه منفی) استفاده می‌شود. الکترولیتی مانند لیتیوم هیدروکسید بین دو الکترود وجود دارد که به عنوان جابه جایی برای یون های لیتیوم در باتری عمل می‌کند.

هنگامی که به باتری برق تزریق می‌شود، یون های لیتیوم از کاتد به آنود حرکت می‌کنند. این باعث می‌شود که گرافیت به طور موقت بار منفی گردد. بار منفی بر روی سطح گرافیت باعث می‌شود که یون های لیتیوم از جریان الکتریکی به سمت گرافیت حرکت کنند و با عکس‌العمل شیمیایی بر روی سطح گرافیت، نشسته و با بار الکتریکی رابطه برقرار کنند. در این حالت، انرژی ذخیره شده در باتری به شکل تجمع الکتریکی در داخل ذرات لیتیوم یونی به ظاهر میدان الکتریکی، ذخیره می‌شود. بعد از آن، هنگامی که باتری به بار خالی می‌رسد، این فرایند جلوتر گرفته و الکترولیتِ پیرامون گرافیت پوشش دارد، باتری خالی می‌شود و برای شارژ مجدد از قسمت اندود-کاتد کمک گرفته می‌شود.

چرا گرافیت در باتری لیتیومی به‌ کار می‌رود؟

باتری‌های لیتیوم‌یون دارای سه قسمت اصلی هستند، کاتد، آند و الکترولیت. برای ساخت باتری مناسب با خواص مطلوب، مواد مختلفی برای طراحی کاتد و آند استفاده می‌شوند. از گرافیت به ‌‌‌عنوان ماده‌ اولیه آند باتری لیتیومی استفاده می‌شود، به دلیل دارا بودن مشخصات جذب الکترن و خروج آن نسبتا آسان.

گرافیت در باتری های لیتیوم چه نقشی دارد؟

گرافیت به عنوان ماده‌ اولیه آند باتری لیتیومی استفاده می شود. هنگامی که باتری شارژ شده است، یون لیتیوم به آند نزدیک می شوند و به صورت تحلیل شده کم درجه حرارتی که به وسیله بیش از حد جریان الکتریکی برای پر شدن باتری به آن فرستاده می‌شود، گرافیت در برابر نوع خاص دیگری از یون‌ها به نام آنیون حفاظت می کند.

بعد از اتصال مدار، الکترن ها به گرافیت جذب خواهد شد و در نتیجه، یون لیتیوم نیز متصل به آن خواهند شد. بعداً، خارج شدن یون‌ها لیتیوم از گرافیت آند و رسیدن به کاتد به روش الکتروشیمی رخ می‌دهد، که در نتیجه نیروی الکتریکی تولید می شود.