كيف تصنع بطاريات الليثيوم؟

لا شك بأن بطاريات الليثيوم التي يدخل في تركيبها عنصر الليثيوم تعتبر من البطاريات الجيدة والتي تعيش لوقت أطول من البطاريات العادية، فهل تعلم كيف يتم صناعة بطاريات الليثيوم؟

وتختلف بطاريات الليثيوم عن أنواع البطاريات الأخرى نظرًا لطاقتها العالية والتكلفة المنخفضة لكل دورة وهي تحظى بشعبية واسعة في هذه الفترة حيث أنها تستخدم في الهواتف المحمولة والسيارات الكهربائية والحواسيب المحمولة وعدة أجهزة كهربائية أخرى. وهي قابلة لإعادة الشحن وتصنع من خلية واحدة لإنتاج الطاقة أو أكثر من خلية.

وقد اكتشفت كيميائيتها  عام 1912 وأنتجت شركة سوني عام 1991 بطاريات الليثيوم وطرحتها تجارياً في الأسواق، وهي تستخدم في وقتنا الحالي في الهواتف النقالة والسيارات والطائرات، وعلى الرغم من العديد من المزايا التي ساهمت في نجاح صناعتها وزيادة انتاجها، إلا أن بطاريات الليثيوم لها عدد من العيوب.

تحتوي خلايا إنتاج الطاقة الموجودة في بطارية الليثيوم على المكونات التالية:

تتألف عملية صناعة بطاريات الليثيوم من عدة مراحل:

لا يوجد تصميم موحد لبطاريات الليثيوم، من الممكن تصنيع بطاريات مختلفة تحقق فولطية، وضع شحن، عمر وعامل أمان مميزة بحسب المزدوجات الإلكتروكيمائية المتوفرة. باستخدام مكونات مختلفة يمكننا تصميم بطاريات ليثيوم أيون ذات معدلات طاقة واستطاعة مختلفة.

الإنتاج على مستوىً واسع يتطلب تطوير نظم تصنيع أقطاب متماثلة هندسياً واستخدام مواد فعالة محددة. الأقطاب يتم تغطيتها بطبقة رقيقة معدنية معقدة الصنع تتضمن مواد فعالة، لواصق وإضافات ناقلة. كمية الإضافات غير الفعالة وتلك التي تغلف الخلية تقلل من كثافة الطاقة التي تؤمنها البطارية، كما أن مستوى المسامية والانضغاط في القطب الواحد يؤثر على أداء البطارية. بالإضافة إلى كل هذا فإن كلفة التصنيع تعد حاجزاً أيضاً أمام تصنيع بطاريات أكثر فعالية.

وصناعة بطاريات الليثيوم أيون لم يكن متاحاً حتى اكتشاف أكسيد الليثيوم-كوبالت (LiCoO2) الذي يسمح باستخراج أيونات الليثيوم وتوليد عدد كبير من الفراغات ضمن الهيكلية (بدون شحنة كريستالية) تصل إلى حد نصف الأيونات المتوفرة. استخدام LiCoO2 مع الغرافين (العنصر الرئيسي للقطب السالب) يسمح بإدخال ذرات الليثيوم ضمن طبقات الغرافين الموجودة ضمن الفراغات بين البنى السداسية التي تتوضع وفقها ذرات الكربون.

وأثناء الشحن تنتقل شوارد الليثيوم من القطب الموجب (الكاثود) إلى القطب السالب (الأنود) عبر إلكتروليت صلب أو سائل، وأثناء التفريغ في الاتجاه المعاكس. عند كل قطب الأيونات إما تحافظ على شحنتها وتدخل ضمن الفراغات ضمن البنى الكرستالية عند القطب السالب أو أنها تشغل مكاناً سانحاً في بنية القطب الموجب نشأ بنتيجة ترك أيون الليثيوم للبنية الكرستالية. عند انتقال الإيون فإن المصفوفة المضيفة أما ترجع أو تتأكسد مما يحرر أو يلتقط إلكتروناً. 

بطارية الليثيوم هي من أنماط البطاريات القابلة لإعادة الشحن، تتكون من عدة خلايا مرتبطة ببعضها البعض، كل خلية مؤلفة من ثلاثة أجزاء رئيسية وهي القطب الموجب (كاثود)، والقطب السالب (أنود)، وكهرل سائل (الالكتروليت).

ولا يُستخدم أيون عنصر الليثيوم في صناعة بطاريات الليثيوم نظرًا لأن الليثيوم شديد التفاعل في شكله الأولي، ولذلك يتم الاستعاضة عنه بأكاسيد الليثيوم (أكسيد الليثيوم الكوبالت – LiCoO2) في الكاثود، في حين تُستخدم مركبات الليثيوم كربون في الأنود، يتم استخدام مثل هذه المواد لأنها تسمح بالتخلل، أي أن الأقطاب الكهربائية قادرة على تحريك أيونات الليثيوم بسهولة داخل وخارج هياكلها.

وعندما تكون البطارية قيد الاستخدام تتدفق أيونات الليثيوم من الأنود إلى الكاثود، وتتحرك الإلكترونات من الكاثود إلى الأنود، في حين تتدفّق أيونات الليثيوم من الكاثود إلى الأنود، وتتحرّك الإلكترونات من الأنود إلى الكاثود عندما يتم شحن البطارية.

وتمتاز بطارية الليثيوم بالعديد من المزايا فهي:

وبالمقابل فإن لها بعض العيوب ومنها: