Si funksionon bateria me jone litiumi

Si funksionon bateria me jone litiumi

Ne kete udhezues do te shpjegojme si funksionon bateria me jone litiumi (Li-ion). Nxjerja ne treg e ketij produkti ishte nje revolucion ne fushen e baterive. Fale tyre eshte e mundur te kesh paisje me permasa te vogla, autonomi te larte dhe nivel te rritur sigurie.

Me poshte do tregojme se cilat janë dinamikat që qëndrojnë në themel të funksionimit të baterive me jone litiumi, duke folur edhe per procesin e karikimit dhe shkarkimit.

Permbajtja

Cfarë është një bateri me jone litiumi

Si funksionon bateria me jone litiumi

Në thelb, një bateri me jone litiumi përbëhet nga një seri përbërësish kimikë të mbeshtjelle nga nje shtresë e lidhur me pjesën e jashtme përmes dy skajeve metalike, njëra pozitive dhe tjetra negative.

Kur këto dy skaje vihen në kontakt me njëri-tjetrin (përmes një materiali përçues), shkaktohet një reaksion që bën që grimcat e brendshme të baterisë të bashkohen dhe ndahen vazhdimisht, në mënyrë që të prodhohen elementë të tjerë kimikë, të quajtur jone.

Në veçanti, jonet janë përgjegjëse për prodhimin e energjisë për të furnizuar baterinë, ndërsa elektronet janë përgjegjëse për krijimin e energjisë elektrike të nevojshme për funksionimin e pajisjes me të cilën është lidhur (telefon, tabletë, etj).

Bateritë me jone litiumi, falë karakteristikave të tyre të veçanta strukturore dhe kimike, aktualisht përdoren gjerësisht si në fushën e elektronikës (telefonat inteligjentë, tabletët, laptopët etj) dhe në sektorë shumë të ndryshëm, si ai i hibridit dhe makina elektrike.

Qëllimi i këtij udhëzuesi do të jetë t’ju shpjegojë kriterin që qëndron në themel se si funksionon bateria me jone litiumi dhe arsyet e problemeve më të zakonshme që hasen në to.

Historia e baterive me jone litiumi

Si funksionon bateria me jone litiumi

Historia e baterive të litiumit fillon në vitin 1912, kur akumulatori i parë i këtij lloji u shpik nga Gilbert N. Newis: ato ishin jo të rikarikueshme, megjithatë të afta të furnizonin tensione shumë më të larta se bateritë e tjera në përdorim në epokë falë pranisë së litiumit.

Sidoqoftë, kjo shpikje nuk u konsiderua veçanërisht e dobishme deri në vitin 1970, kur kimisti MS Whittingham ishte në gjendje të zhvillonte një prototip të baterisë së rikarikueshme duke përdorur litium.

Megjithatë, edhe kjo shpikje nuk gjeti suksesin e dëshiruar pasi litiumi është një metal i lehtë, por jashtëzakonisht i paqëndrueshëm dhe baterite mund te shperthenin; Prandaj zhvillimi i baterive me jone litiumi u la serish menjan.

Kjo deri në vitin 1991, kur JB Goodenough krijoi baterinë e parë Li-Ion për Sony, duke ndryshuar materialin e ndërtimit të katodës dhe duke rritur fuqinë e saj. Projekti u perfeksionua më tej, në të njëjtin vit, nga Akira Yoshino, i cili arriti të eliminojë plotësisht litiumin në formë të pastër nga bateritë e rikarikueshme, duke e zëvendësuar atë me jone litium, domethënë me therrmija të afta të shkëputen nga atomi i litiumit pas një reaksion kimik.

Ky hap i fundit ishte i një rëndësie thelbësore për sigurinë e atyre që, deri më sot, janë bateritë e rikarikueshme më të përdorura në botë. Duke filluar nga ai vit, falë studimeve të vazhdueshme mbi strukturën kimike të komponentëve të baterisë dhe me futjen graduale të mekanizmat e sigurisë, rreziqet që lidhen me bateritë me jone litiumi janë reduktuar jashtëzakonisht shumë. Gjithashtu eshte rritur kapaciteti i ruajtjes së energjisë dhe kohëzgjatjes me kalimin e kohës.

Whittingham, Goodenough dhe Yoshino u nderuan me Çmimin Nobel në Kimi në vitin 2019, pikërisht për zhvillimin e baterive me jone litiumi.

Si funksionon bateria me jone litiumi

Si funksionon bateria me jone litiumi

Tani te shikojme ne detaje se si funksionon bateria me jone litiumi. Ajo përbëhet nga një ose më shumë pjesë elektronike të afta për të gjeneruar energji, të quajtura qeliza; çdo qelizë përbëhet kryesisht nga tre elementë: një elektrodë pozitive, e quajtur katodë; një elektrodë negative, e quajtur anodë; dhe një lende kimike, e quajtur elektrolit.

Bateritë e këtij lloji janë përgjithësisht të rikarikueshme, pra të afta për të grumbulluar energji (gjatë karikimit) dhe për ta çliruar atë (gjatë shkarkimit): ky mekanizëm mundësohet nga rrjedha e joneve dhe elektroneve, pra therrmijave që qe shkëputen nga atomet, të cilat udhëtojnë nga anoda në katodë dhe anasjelltas përmes elektrolitit.

Më lejoni të shpjegoj më mirë dinamikën e këtij mekanizmi. Kur bateria mbledh energji dhe është në fazën e karikimitkatoda lëshon disa nga jonet e saj të litiumit, të cilët udhëtojnë nëpër materialin elektrolitik, duke ndjekur qarkun e brendshëm dhe grumbullohen brenda anodës, në të cilën rrjedhin vazhdimisht, duke krijuar energji dhe duke u ngarkuar negativisht. Kur jonet e litiumit nga katoda ndalojnë së qarkulluari nëpër materialin elektrolitik, procesi ndalon dhe bateria ngarkohet.

Ndersa kur bateria lëshon energji dhe është në fazën e shkarkimit, ndodh procesi i kundërt: jonet, duke ndjekur qarkun e jashtëm të secilës qelizë në drejtim të kundërt, qarkullojnë nga anoda në katodë, duke furnizuar me energji paisjen e lidhur; kur arrijnë në destinacionin e tyre, ato kombinohen me elektronet e pranishme në katodë, duke u depozituar atje. Kur anoda nuk ka më jone litium për të lëshuar, procesi ndalon: bateria shkarkohet plotësisht.

Është pikërisht distanca e përshkuar nga jonet e litiumit ajo që përcakton kohën e nevojshme për të ngarkuar dhe shkarkuar një bateri: duke qenë se e para nga dy fazat zhvillohet në një qark të brendshëm dhe tjetra në një rrugë të jashtme, është e vetëkuptueshme që ngarkimi i baterisë është shumë më i shpejtë se shkarkimi.

Megjithatë, siç e dini me siguri, autonomia e një baterie me jone litiumi është jashtëzakonisht e ndryshueshme, bazuar në llojin e pajisjes që fuqizon dhe aktivitetet që kryhen.

Për më tepër, çdo qelizë zbaton mekanizma sigurie që synojnë reduktimin e problemeve për shkak të mbinxehjes: nëse qeliza ose bateria arrijnë një temperaturë shumë të lartë gjatë fazës së karikimit, rrjedha e energjisë hyrëse ndërpritet menjëherë dhe, si rezultat, ajo nuk mund të karikohet më.

Edhe pse bateritë me jone litiumi mbizotërohen nga i njëjti parim funksionimi, ato nuk janë të gjitha të njëjta: në fakt ekzistojnë lloje dhe karakteristika të ndryshme, të cilat ndryshojnë kryesisht për shkak të materialeve me të cilat janë bërë anoda, katoda dhe elektroliti.

Për shembull, shumica e baterive në telefonave dhe tabletëve janë të llojit Litium-Oksid Kobalti/LCO (ose LiCoO2). Ato përbëhen nga një katodë oksidi kobalti dhe një anodë grafiti; bateritë e makinave elektrike, nga ana tjetër, përdorin kombinimin kimik të litiumit, nikelit, magnezit dhe oksidit të kobaltit/LiNMC (LiNiMnCoO2): katoda, në këtë rast, është bërë nga nikeli, magnezi dhe kobalti; Katoda e pranishme në bateritë e përdorura për furnizimin me energji të pandërprerë, përdor një katodë litium dhe oksid magnezi, në përgjithësi me shtimin e kobaltit.

Të mirat dhe të këqijat e baterive me jone litiumi

Futja e baterive me jone litiumi ka sjellë disa përfitime në botën e elektronikës. Si fillim, ndryshe nga bateritë nikel-kadmium (ose NiCd) bateritë Li-Ion nuk vuajnë nga efekti memorie: domethen nga një fenomen që e bën një bateri të besojë se mban me pak energji se gjendja e tij fillestare.

Efekti i memories është jashtëzakonisht i shpeshtë në bateritë NiCd dhe aktivizohet kur për ndonjë arsye, bateria ringarkohet kur ka ende energji të mbetur brenda saj; për t’i rikthyer gjërat në normalitet, duhet ta shkarkoni plotësisht baterinë dhe ta rikarikoni menjëherë më pas.

Një avantazh tjetër i madh i baterive me jone litiumi është se ato janë relativisht të lehta në krahasim me sasinë e energjisë që mund të ruajnë; megjithatë, për ndërtimin e baterive të këtij lloji nuk parashikohet përdorimi i kadmiumit, një material jashtëzakonisht toksik i cili përdoret edhe sot, ndonëse në një masë shumë më të vogël se në dekadën e fundit.

Megjithatë, jo gjithçka eshte perfekte edhe pse me kalimin e kohës, janë zbatuar mekanizma sigurie të aftë për të minimizuar mundësinë e mbinxehjes dhe zjarreve si pasojë e saj, gjithmonë duhet t’i kushtoni vëmendje nxehtësisë, pasi bateritë e litiumit ndikohen shumë. Bateria duhet të mbahet gjithmonë në temperaturën e dhomës dhe qelizat nuk duhet të rikarikohen kur pajisja është tashmë e nxehtë, pasi mund të ketë rënie të performancës për shkak të vështirësisë së ruajtjes së energjisë.

Për më tepër, bateritë duhet të karikohen me një tension/voltazh të përshtatshëm: përdorimi i karikuesve tepër të fuqishëm mund të ulë ndjeshëm jetën dhe efikasitetin e secilës qelizë, si dhe të shkaktojë grumbullime të rrezikshme gazi (të çliruar natyrshëm gjatë ngarkimit/shkarkimit), i cili mund të shkaktojë shpërthime të papritura dhe të rrezikshme.

Një aspekt tjetër që duhet t’i kushtohet vëmendje, veçanërisht në lidhje me pajisjet elektronike si telefonat, tabletët dhe laptopët, është niveli minimal i karikimit. Lejimi i një baterie me jone litiumi për të arritur ngarkesën 0% mund të ndikojë negativisht në jetëgjatësinë e saj: nëse kalimi i joneve nga katoda në anodë ndërpritet plotësisht, therrmijat e litiumit mund të dëmtojnë në mënyrë të pariparueshme këtë të fundit, duke ulur performancën e baterisë. Për më tepër, pajisja mund të ketë disa vështirësi ose të marrë më shumë kohë për t’u ndezur përsëri, pasi kalimi i joneve duhet të rifillojë nga e para.

Për këtë arsye, është praktikë e mirë të shmangni shkarkimin e plotë të një pajisjeje elektronike e paisur nga një bateri Li-ion, përpara se ta rikarikoni atë; për të njëjtën arsye, nëse planifikoni të mos përdorni një pajisje elektronike për një kohë të gjatë, kujdesuni që ta ruani me baterinë të ngarkuar në të paktën 50%.

Duke pasur parasysh karakteristikat e saj, duhet thënë se një bateri jone litiumi ka një kohëzgjatje të kufizuar. Prodhuesit në përgjithësi e përcaktojnë këtë parametër në termat e cikleve të karikimit, pas së cilës qelizat e baterisë mund të mos jenë në gjendje të grumbullojnë më shumë energji në mënyrë korrekte, për shkak të konsumimit te anodes ose i materialit kimik brenda saj. Sidoqoftë, mos u shqetësoni: një bateri e menaxhuar mirë, idealja do të ishte të ruani vazhdimisht ngarkimin midis 30-80%, mund të mbetet e funksionale edhe për më shumë se pesë vjet.