سه محققی که فناوری را در قلب عصر گوشیهای هوشمند و تحول اجتماعی حاصل از آن توسعه دادند، برنده جایزه نوبل شیمی 2019 شدند. کارهای جان بی. گودناف، ام. استنلی ویتینگهام و آکیرا یوشینو پیشرفت های مهمی در باتری های لیتیوم یونی ایجاد کردند که مقادیر زیادی انرژی را در سلول های باتری کوچک ذخیره می کنند و سریع و آسان شارژ می شوند.
این نوع باتری ها برای اولین بار در سال 1991 توسط سونی برای دوربین های فیلمبرداری خود به صورت تجاری فروخته شد. آنها در مرکز دو انقلاب تکنولوژیکی دیگر با قدرت دگرگونی جامعه قرار دارند: انتقال از موتورهای احتراق داخلی به وسایل نقلیه الکتریکی، و تغییر از یک شبکه الکتریکی با سوختهای فسیلی به ژنراتورهای انرژی تجدیدپذیر که برق مازاد را در باتریها ذخیره میکنند. استفاده در آینده.
پس این باتری ها چگونه کار می کنند؟ دانشمندان و مهندسان تمام دوران حرفهای خود را صرف ساخت باتریهای بهتر کردهاند و هنوز رازهایی وجود دارد که ما به طور کامل آنها را درک نمیکنیم. بهبود باتری ها به شیمیدانان و فیزیکدانان نیاز دارد که به تغییرات در سطح اتمی و همچنین مهندسان مکانیک و برق که می توانند بسته های باتری که دستگاه ها را تغذیه می کنند طراحی و مونتاژ کنند، نگاه کنند. به عنوان یک دانشمند مواد در دانشگاه واشنگتن و آزمایشگاه ملی شمال غرب اقیانوس آرام، کار من به کشف مواد جدید برای باتری های لیتیوم-هوا، باتری های منیزیم و البته باتری های لیتیوم-یون کمک کرده است.
بیایید یک روز از عمر دو الکترون را در نظر بگیریم. نام یکی از آنها را الکس می گذاریم و او دوستی به نام جورج دارد.
آناتومی باتری
الکس در داخل یک باتری AA قلیایی استاندارد زندگی می کند، مانند چراغ قوه یا کنترل از راه دور. در داخل یک باتری AA، یک محفظه پر از روی و دیگری پر از اکسید منگنز وجود دارد. در یک انتها، فقط رویبه طور ضعیف به الکترون ها می چسبدمثل الکس از طرف دیگر، اکسید منگنزبا قدرت می کشدالکترون ها به سمت خودش در این بین، جلوگیری از رفتن مستقیم الکترون ها از یک طرف به سمت دیگر، یک تکه کاغذ است که در محلولی از پتاسیم و آب خیس شده است که به صورت یون های پتاسیم مثبت و یون های هیدروکسید منفی با هم وجود دارند.
هنگامی که باتری در دستگاه قرار می گیرد و روشن می شود، مدار داخلی دستگاه تکمیل می شود. الکس از روی، از طریق مدار خارج می شود و به اکسید منگنز می رود. در طول مسیر، حرکت او به دستگاه یا لامپ یا هر چیز دیگری که به باتری متصل است انرژی می دهد. وقتی الکس می رود، نمی تواند برگردد: روی که یک الکترون را از دست داده است با هیدروکسید پیوند می زند و اکسید روی را تشکیل می دهد. این ترکیب بسیار پایدار است و به راحتی نمی توان آن را دوباره به روی تبدیل کرد.
در طرف دیگر باتری، اکسید منگنز یک اتم اکسیژن از آب به دست میآورد و یونهای هیدروکسید را پشت سر میگذارد تا هیدروکسید مصرفشده توسط روی را متعادل کند. زمانی که همه همسایگان الکس روی را ترک کردند و به سمت اکسید منگنز رفتندباتری تمام شده استو نیاز به بازیافت دارد.
مزایای لیتیوم یون
بیایید این را با جورج مقایسه کنیم که در باتری لیتیوم یونی زندگی می کند. باتریهای لیتیوم یون دارای همان بلوکهای ساختمانی اولیه سلولهای AA قلیایی هستند، با چند تفاوت که مزایای عمدهای را به همراه دارد.
جورج در گرافیت زندگی می کند که حتی از روی در نگه داشتن الکترون ها ضعیف تر است. و بخش دیگر باتری او اکسید لیتیوم کبالت است که الکترون ها را بسیار قوی تر از اکسید منگنز می کشد - که به باتری او توانایی ذخیره انرژی بسیار بیشتری را در همان مقدار فضا نسبت به باتری قلیایی می دهد. محلول جداکننده گرافیت و اکسید لیتیوم کبالت حاوی یون های لیتیوم با بار مثبت است که به راحتی با تخلیه و شارژ باتری پیوندهای شیمیایی تشکیل می دهند و می شکنند.
