مواد باتری و الکترود
مواد باتری و الکترود، جامداتی هستند که انرژی الکتروشیمیایی را ذخیره میکنند: ساختارهای میزبانی که به طور برگشتپذیر یونها را جذب و آزاد میکنند، همراه با الکترولیتهایی که یونها را بین آنها منتقل میکنند در حالی که الکترونها از طریق مدار خارجی جریان مییابند.
Definition
مواد الکترود باتری، جامداتی هستند که با واکنشهای الکتروشیمیایی برگشتپذیر، معمولاً ورود و خروج یونها، بار را ذخیره میکنند؛ آنها به همراه یک الکترولیت رسانای یون، سلولی را تشکیل میدهند که در آن انرژی شیمیایی به عنوان انرژی الکتریکی ذخیره و آزاد میشود.
Scope
این موضوع به شیمی مواد باتریهای قابل شارژ، با تمرکز بر سیستم لیتیوم-یون میپردازد: میزبانهای کاتدی لایهای، اسپینلی و پلیآنیونی؛ آندهای کربنی و آلیاژی؛ و الکترولیتهای مایع، پلیمری و جامد. این موضوع به بررسی چگونگی تعیین ولتاژ، ظرفیت و نرخ یک الکترود توسط ساختار بلوری و شیمی ردوکس آن، تغییرات ساختاری همراه با چرخهزنی، و فصل مشترکهایی که پایداری و طول عمر را کنترل میکنند، میپردازد.
Core questions
- چگونه الکترودهای بینلایه ای بار را به طور برگشتپذیر ذخیره میکنند؟
- چه عواملی ولتاژ و ظرفیت یک ماده الکترود را تعیین میکنند؟
- چگونه تغییرات ساختاری در چرخهزنی، طول عمر باتری را محدود میکنند؟
- الکترولیتهای مایع، پلیمری و جامد چه نقشهایی ایفا میکنند؟
Key concepts
- میزبان بینلایه ای
- مواد کاتد و آند
- ولتاژ و ظرفیت سلول
- الکترولیتها
- فصل مشترک الکترولیت-جامد
- عمر چرخه و تخریب
Key theories
- الکتروشیمی بینلایه ای
- میزبانهای لایهای و چارچوبی به طور برگشتپذیر یونهایی مانند لیتیوم را در جایگاههای خالی وارد میکنند که با تغییر همزمان در حالت اکسیداسیون فلز واسطه میزبان همراه است؛ پتانسیل ردوکس و تعداد جایگاهها، ولتاژ و ظرفیت سلول را تعیین میکنند.
- الکترولیتها و فصل مشترکها
- یک الکترولیت باید یون عامل را هدایت کند در حالی که الکترونها را مسدود کرده و در برابر هر دو الکترود پایدار بماند؛ واکنشها در فصل مشترک الکترود-الکترولیت لایههای غیرفعالکننده را تشکیل میدهند که از سلول محافظت میکنند اما ظرفیت را مصرف کرده و عمر چرخه را کنترل میکنند.
Mechanisms
در هنگام دشارژ، یونها یک الکترود را ترک میکنند، از طریق الکترولیت مهاجرت میکنند و وارد الکترود دیگر میشوند در حالی که الکترونها در مدار خارجی حرکت میکنند و فلزات واسطه میزبان تغییر حالت اکسیداسیون میدهند؛ شارژ این فرآیند را معکوس میکند، با انبساط و انقباض ساختار میزبان و تشکیل و تکامل لایههای فصل مشترک.
Clinical relevance
مواد باتری و الکترود، نیروی مورد نیاز لوازم الکترونیکی قابل حمل، وسایل نقلیه الکتریکی و ذخیرهسازی در مقیاس شبکه را تأمین میکنند؛ پیشرفتها در شیمی کاتد، آند و الکترولیت که چگالی انرژی را افزایش میدهند، ایمنی را بهبود میبخشند و طول عمر را افزایش میدهند، برای برقیسازی و یکپارچهسازی انرژیهای تجدیدپذیر حیاتی هستند.
History
کشف الکترودهای بینلایه ای توسط ویتینگهام در دهه ۱۹۷۰ و شناسایی کاتدهای اکسیدی لایهای و پلیآنیونی توسط گودیناف در دهه ۱۹۸۰، همراه با آند کربنی یوشینو، باتری لیتیوم-یون تجاری را در سال ۱۹۹۱ تولید کرد. از آن زمان، شیمی مواد به طور پیوسته باعث افزایش چگالی انرژی و جستجو برای شیمیهای حالت جامد و فراتر از لیتیوم شده است.
Key figures
- John B. Goodenough
- M. Stanley Whittingham
- Akira Yoshino
Related topics
Seminal works
- armand2008
- whittingham2004
Frequently asked questions
- بینلایه ای شدن در باتری به چه معناست؟
- بینلایه ای شدن، وارد کردن برگشتپذیر یونها، مانند لیتیوم، به جایگاههای خالی یک ساختار بلوری میزبان بدون تخریب آن است. میزبان این یونها را با شارژ و دشارژ شدن باتری میپذیرد و آزاد میکند، که روش ذخیره بار در بسیاری از الکترودهای قابل شارژ است.
- چرا باتریهای لیتیوم-یون با گذشت زمان ظرفیت خود را از دست میدهند؟
- چرخهزنی مکرر باعث خستگی ساختاری تدریجی میزبانهای الکترود، از دست دادن لیتیوم فعال به لایههای فصل مشترک و واکنشهای جانبی آهسته با الکترولیت میشود. این عوامل با هم جمع شده و میزان باری را که سلول میتواند ذخیره کند کاهش میدهند و عمر مفید آن را کوتاه میکنند.