باتریها و پیلهای ثانویه
باتریها انرژی الکتریکی را در واکنشهای برگشتپذیر الکترودی ذخیره میکنند؛ پیلهای ثانویه (قابل شارژ) میتوانند با معکوس کردن این واکنشها توسط جریان شارژ خارجی، به طور مکرر چرخهزنی شوند.
Definition
وسیلهای که انرژی را در حالتهای شیمیایی الکترودهای خود ذخیره میکند و آن را به صورت جریان الکتریکی از طریق یک واکنش ردوکس آزاد میسازد؛ در یک پیل ثانویه، واکنش برگشتپذیر است و امکان شارژ و دشارژ مکرر را فراهم میکند.
Scope
این موضوع اصول عملکرد باتریها را پوشش میدهد: واکنشهای الکترودی که بار را ذخیره و آزاد میکنند، تمایز بین پیلهای اولیه (یکبار مصرف) و ثانویه (قابل شارژ)، معماری پیلهای لیتیوم-یون با درونلایه، معیارهای کلیدی عملکرد مانند ظرفیت، چگالی انرژی، و عمر چرخه، و منشأ کاهش ظرفیت و تخریب. این موضوع از شیمیهای کلاسیک سرب-اسید و نیکل تا سیستمهای مدرن لیتیوم-یون را در بر میگیرد.
Core questions
- واکنشهای الکترودی چگونه انرژی الکتریکی را ذخیره و آزاد میکنند؟
- چه چیزی یک پیل ثانویه قابل شارژ را از یک پیل اولیه یکبار مصرف متمایز میکند؟
- شیمی درونلایه لیتیوم-یون چگونه به چگالی انرژی بالا دست مییابد؟
- چه فرآیندهایی باعث کاهش ظرفیت و محدود شدن عمر چرخه میشوند؟
Key theories
- الکتروشیمی درونلایه
- در پیلهای لیتیوم-یون، یونهای لیتیوم به طور برگشتپذیر در الکترودهای میزبان لایهای یا چارچوبی در طول چرخهزنی وارد و از آنها خارج میشوند و بار را بدون حل کردن الکترود ذخیره میکنند، که این امر عمر چرخه طولانی و چگالی انرژی بالا را ممکن میسازد.
- برگشتپذیری و تخریب
- عمر چرخه به میزان برگشتپذیری کامل واکنشهای الکترودی بستگی دارد؛ واکنشهای جانبی مانند رشد لایه بینفازی جامد-الکترولیت، رسوب لیتیوم، و تغییر ساختاری، مواد فعال و الکترولیت را مصرف میکنند و باعث کاهش ظرفیت میشوند.
Clinical relevance
باتریهای قابل شارژ، لوازم الکترونیکی قابل حمل، وسایل نقلیه الکتریکی، ایمپلنتهای پزشکی، و ذخیرهسازی انرژی شبکه را تأمین میکنند؛ چگالی انرژی، ایمنی، و طول عمر آنها برای برقیسازی و استقرار انرژیهای تجدیدپذیر محوری است و تحقیقات فشردهای در زمینه مواد را به دنبال دارد.
History
پلانته پیل سرب-اسید قابل شارژ را در سال ۱۸۵۹ اختراع کرد؛ ویتینگهام در دهه ۱۹۷۰ درونلایه لیتیوم را نشان داد، گودیناف کاتدهای اکسید کبالت لیتیوم را در سال ۱۹۸۰ شناسایی کرد، و یوشینو اولین پیل لیتیوم-یون عملی را ساخت که در سال ۱۹۹۱ تجاری شد و با جایزه نوبل شیمی ۲۰۱۹ به رسمیت شناخته شد.
Key figures
- John B. Goodenough
- M. Stanley Whittingham
- Akira Yoshino
- Gaston Planté
Related topics
Seminal works
- winter2004
- goodenough2013
- newman2004
Frequently asked questions
- چرا باتریهای قابل شارژ با گذشت زمان ظرفیت خود را از دست میدهند؟
- چرخهزنی مکرر باعث واکنشهای جانبی آهسته و تغییرات ساختاری میشود—مانند رشد لایه بینفازی جامد-الکترولیت، از دست دادن لیتیوم قابل چرخهزنی، و ترکخوردگی الکترود—که به طور دائمی مواد فعال را حذف کرده و مقاومت داخلی را افزایش میدهند.
- چه چیزی باعث میشود باتریهای لیتیوم-یون اینقدر انرژی ذخیره کنند؟
- لیتیوم سبک است و ولتاژ پیل بالایی میدهد، و میزبانهای درونلایه به یونهای لیتیوم اجازه میدهند تا به طور برگشتپذیر بین الکترودها با حداقل اختلال ساختاری جابجا شوند، که این امر ولتاژ بالا، ظرفیت بالا، و عمر چرخه طولانی را ترکیب میکند.