باتری‌های قابل شارژ لیتیوم یون: دورنما

باتری‌های قابل شاررژ لیتیوم یون: دورنما

چکیده: هر سلول باتری انرژی الکتریکی را در بصورت انرژی شیمیایی در دو الکترود، یکی کاهنده (آند) و دیگری اکسید کننده (کاتد) ذخیره می­کند که این دو توسط یک الکترولیت که وظیفه­ی انتقال ترکیبات یونی واکنش درون سلول و نیروهای الکترونیکی خارج باتری را دارد. خروجی دشارژ، یک جریان الکترونیکی بیرونی I در یک ولتاژ V برای مدت زمان Δt است. واکنش شیمیایی باتری قابل شارژ برای استفاده از جریان و ولتاژ مورد نظر باید برگشت پذیر باشد. پارامترهای کلیدی باتری قابل شارژ شامل امنیت، چگالی انرژی که در یک ورودی و خروجی توان مشخص به ترتیب قابل ذخیره و برداشت هستند، عمر باتری در حالت بکارگیری (سیکلی) و عدم استفاده، بازده ذخیره سازی و هزینه ساخت می­شود. باتری­های مرسوم قابل شارژی که در دمای محیط کار می­کنند دارای الکترودهای جامد و الکترولیت مایع هستند. الکترود مثبت (کاتد) شامل یه چهارچوبی هستند که کاتیون­های متحرک بصورت برگشت پذیر در یک بازه­ی معینی از جامد-محلول در آن قرار داده می­شود. 

Each cell of a battery stores electrical energy as chemical energy in two electrodes, a reductant (anode) and an oxidant (cathode), separated by an electrolyte that transfers the ionic component of the chemical reaction inside the cell and forces the electronic component outside the battery. The output on discharge is an external electronic current I at a voltage V for a time Δt. The chemical reaction of a rechargeable battery must be reversible on the application of a charging I and V. Critical parameters of a rechargeable battery are safety, density of energy that can be stored at a specific power input and retrieved at a specific power output, cycle and shelf life, storage efficiency, and cost of fabrication. Conventional ambient-temperature rechargeable batteries have solid electrodes and a liquid electrolyte. The positive electrode (cathode) consists of a host framework into which the mobile (working) cation is inserted reversibly over a finite solid −solution range. The solid −solution range, which is reduced at higher current by the rate of transfer of the working ion across electrode/electrolyte interfaces and within a host, limits the amount of charge per electrode formula unit that can be transferred over the time Δt = Δt(I). Moreover, the difference between energies of the LUMO and the HOMO of the electrolyte, i.e., electrolyte window, determines the maximum voltage for a long shelf and cycle life. The maximum stable voltage with an aqueous electrolyte is 1.5 V; the Li-ion rechargeable battery uses an organic electrolyte with a larger window, which increase the density of stored energy for a given Δt. Anode or cathode electrochemical potentials outside the electrolyte window can increase V, but they require formation of a passivating surface layer that must be permeable to Li+ and capable of adapting rapidly to the changing electrode surface area as the electrode changes volume during cycling.