يحمل أيون الليثيوم شحنة +1، وهذه الخاصية الأساسية هي ما يحرك شحنة أيون الليثيوم التي تشغل أجهزتك. فكر في الأمر كمغناطيس ذو قطب موجب، يسحب دائمًا، وليس محايدًا أبدًا. هذه الشحنة الإيجابية الوحيدة هي المحرك وراء كل بطارية ليثيوم أيون تمتلكها.
ستتعرف على سبب وجود هذه الشحنة على المستوى الذري، وكيف تتدفق شحنة أيون الليثيوم عبر بطارية الليثيوم 3.7 فولت الموجودة في جيبك. وفي النهاية، ستفهم العلوم البسيطة التي تكمن خلف أجهزتك اليومية، بدءًا من الهواتف الذكية وحتى السيارات الكهربائية.
أ يحتوي أيون الليثيوم على شحنة +1 لأنه يتخلى عن إلكترون واحد ليصبح مستقرًا.
تعمل هذه الشحنة +1 على دفع الأيونات داخل البطارية، مما يؤدي إلى توليد التيار الكهربائي الذي يقوم بتشغيل الأجهزة.
يساعدك فهم هذه الشحنة البسيطة على معرفة كيفية عمل البطاريات وسبب كفاءتها.
تحتوي كل ذرة على ثلاث جسيمات أساسية. البروتونات لها شحنة موجبة. النيوترونات محايدة، لذلك ليس لها سحب كهربائي. الإلكترونات لها شحنة سالبة. فكر في الذرة وكأنها نظام شمسي صغير. النواة موجودة في المركز . تتجمع البروتونات والنيوترونات في النواة. تدور الإلكترونات في أغلفة حول النواة.
يحتوي الليثيوم على العدد الذري 3. وهذا يعني أنه يحتوي على 3 بروتونات في نواته. تحتوي ذرة الليثيوم المحايدة أيضًا على 3 إلكترونات. الشحنات الموجبة والسالبة توازن بعضها البعض. الذرة ليس لها شحنة إجمالية. وهو في حالة توازن كهربائي.
ملكية |
قيمة |
|---|---|
العدد الذري |
3 |
6.94 |
الليثيوم الموجود بشكل طبيعي له شكلين يسمى النظائر. يحتوي الليثيوم-6 على 3 بروتونات و3 نيوترونات. يحتوي الليثيوم-7 على 3 بروتونات 4 نيوترونات . الليثيوم 7 أكثر شيوعًا. انها تشكل أكثر من 92% من الليثيوم الطبيعي. يحتوي كلا النظيرين على 3 بروتونات و3 إلكترونات في حالتهما المحايدة. توازن البروتونات والإلكترونات هو نفسه في كلا الشكلين.
يوجد في ذرة الليثيوم المحايدة 3 بروتونات موجبة. هناك أيضًا 3 إلكترونات سالبة. الذرة متوازنة. لكن هذا التوازن لا يدوم.
إلكترونات التكافؤ هي الإلكترونات الموجودة في الغلاف الخارجي للذرة. يمكن لهذه الإلكترونات أن تشكل روابط كيميائية. يقررون كيفية تفاعل الذرة مع الذرات الأخرى.
يحتوي الليثيوم على التكوين الإلكتروني 1s⊃2;2s⊃1;. الغلاف الأول يحتوي على 2 إلكترون الغلاف الثاني يحمل 1 إلكترون. هذا الإلكترون الخارجي الوحيد هو إلكترون التكافؤ. يتم الاحتفاظ بهذا الإلكترون بشكل فضفاض بواسطة النواة.
الذرات تريد الاستقرار. يريدون قذائف خارجية كاملة. الهيليوم لديه هذا بالفعل. يحتوي الهيليوم على غلاف أولي مملوء بإلكترونين. يمكن أن يصل الليثيوم إلى نفس الحالة بفقدان إلكترون التكافؤ الخاص به.
إزالة هذا الإلكترون يتطلب طاقة. طاقة التأين الأولى للليثيوم هي 520 كيلوجول/مول.
طاقة التأين الأولى للليثيوم هي 520 كيلوجول/مول.
قارن هذا باكتساب إلكترون. عندما يكتسب الليثيوم إلكترونًا، فإنه يتحرر فقط 59.6 كيلوجول/مول . يفضل الليثيوم أن يفقد إلكترونه. والاستقرار الناتج يجعل التجارة جديرة بالاهتمام.
عندما يفقد الليثيوم إلكترون التكافؤ، تتغير الذرة. لديه الآن 3 بروتونات ولكن إلكترونان فقط. الشحنة الإيجابية تتفوق على السلبية. والنتيجة هي رسوم صافية قدرها +1.
الليثيوم، مع التكوين 1s⊃2;2s⊃1;، يفقد إلكترونًا واحدًا للوصول إلى تكوين الغاز النبيل للهيليوم ، 1s⊃2؛، مكونًا Li⁺. Li⁺ وHe لهما نفس تكوينات الإلكترون.
هذه هي شحنة أيون الليثيوم. تتغير الذرة من الليثيوم المحايد إلى أيون الليثيوم. يحتوي هذا الأيون على شحنة موجبة صافية قدرها +1. هذه الحقيقة البسيطة تدفع كيمياء البطارية . تريد الذرة التخلص من هذا الإلكترون. تريد الوصول إلى حالة مستقرة. هذه الرغبة تشغل أجهزتك.
مصدر الصورة: بيكسلز
تتكون بطارية الليثيوم أيون من ثلاثة أجزاء رئيسية. الأنود هو القطب السالب. الكاثود هو القطب الموجب. ويجلس المنحل بالكهرباء بينهما ويسمح للأيونات بالتحرك . فهو يسمح لأيونات الليثيوم بالمرور لكنه يمنع الإلكترونات. تذوب أملاح الليثيوم مثل LiPF₆ في سائل لتكوين هذا المسار. قدرة المنحل بالكهرباء على حمل الأيونات على وشك 10 مللي سيمنز/سم عند درجة حرارة الغرفة. تحدد هذه السرعة مدى سرعة تفريغ البطارية.
عند استخدام جهازك، تبدأ البطارية في التفريغ. ذرات الليثيوم عند الأنود تفقد الإلكترونات . وهذا ما يسمى الأكسدة. تصبح الذرات أيونات Li⁺. ثم تقوم شحنة أيون الليثيوم البالغة +1 بتشغيل العملية برمتها.
يحمل المنحل بالكهرباء هذه الأيونات الإيجابية من الأنود إلى الكاثود . تأخذ الإلكترونات مسارًا مختلفًا. يسافرون عبر الدائرة الخارجية. وهذا يعطي الطاقة لجهازك. هذا الفصل بين المسارات مهم جداً. يعمل تدفق الإلكترون في الدائرة على توليد التيار الكهربائي الذي يستخدمه هاتفك.
غالبًا ما يكون الأنود الموجود في الخلايا التجارية مصنوعًا من الجرافيت أو السيليكون أو مزيج من الاثنين معا . تختلف مواد الكاثود أكثر. يستخدم المصنعون أكسيد كوبالت الليثيوم (LCO)، أو أكسيد منغنيز الليثيوم (LMO)، أو فوسفات حديد الليثيوم (LFP)، أو أكسيد كوبالت نيكل الليثيوم (NMC). كل مزيج يعطي أداء مختلف قليلا.
الجهد الذي تراه على ملصق البطارية يأتي من هذه العملية الكيميائية. خلية واحدة تعطي الجهد الاسمي بين 3.6 فولت و 3.7 فولت . غالبًا ما يكون رقم 3.7 فولت علامة تسويقية. المتوسط الفعلي أثناء التفريغ أقرب إلى 3.6 فولت. يأتي هذا الجهد من الخصائص المحددة لمواد الإلكترود.
يتبع تدفق الإلكترونات ترتيبًا واضحًا أثناء التفريغ :
يرسل تفاعل أكسدة الأنود الإلكترونات إلى الدائرة الخارجية.
تنتقل هذه الإلكترونات عبر الدائرة باتجاه القطب الموجب.
يستخدم تفاعل تخفيض الكاثود هذه الإلكترونات.
تحدد سرعة إطلاق الإلكترون مقدار التيار الذي يتدفق عبر جهازك.
الشحن يعكس هذه العملية برمتها. يقوم مصدر طاقة خارجي بدفع الإلكترونات نحو القطب الموجب. تعود أيونات الليثيوم عبر المنحل بالكهرباء لتنضم إليها. يعيد هذا التدفق العكسي البطارية إلى حالتها الجاهزة.
تنزلق الأيونات إلى طبقات الجرافيت من خلالها إقحام . هذه العملية يضع أيونات الليثيوم بين طبقات الجرافيت دون كسر البنية. يبقى الإطار سليمًا، مما يساعد البطارية على الاستمرار لفترة أطول. أثناء التفريغ، تغادر الأيونات من خلال إزالة التداخل وتتدفق عائدة إلى الكاثود.
وتتكرر هذه الدورة بكفاءة عالية جدًا. بطاريات ليثيوم أيون لديها كفاءة كولومبية أكثر من 99% . تبدأ نسبة بعض الخلايا عند 99.1% وتتحسن إلى 99.5% بعد 15 دورة. البعض الآخر يبدأ عند 99.5% ويصل 99.9% بعد 30 دورة . وهذا يعني أن كل إلكترون وأيون تقريبًا يقوم بعمل مفيد.
عادة ما يكون جهد الشحن الكامل لخلية واحدة 4.2 فولت. قطع التفريغ حوالي 3.0 فولت. الاسمية بطارية الليثيوم 3.7 فولت ضمن هذا النطاق. تعمل كل بطارية ليثيوم 3.7 فولت تمتلكها تستخدم نفس الكيمياء الأساسية.
تدفع رسوم 1+ هذه العملية برمتها. وبدونها لن تتحرك الأيونات. لن تتدفق الإلكترونات. لن تعمل بطاريتك القابلة لإعادة الشحن. هذه الشحنة الموجبة البسيطة تحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية. إنه يشغل كل شيء بدءًا من هاتفك الذكي وحتى سيارتك الكهربائية.
تبدأ شحنة أيون الليثيوم +1 بإلكترون واحد مفقود. تعمل هذه الشحنة الموجبة على نقل الأيونات من الأنود إلى الكاثود وبالعكس. أنت تعتمد على هذا التدفق كل يوم. تعمل نفس الكيمياء على تشغيل هاتفك الذكي وسيارتك الكهربائية. يصل الطلب العالمي المتوقع على بطاريات الليثيوم أيون 2,722 جيجاوات ساعة بحلول عام 2030 . تعتمد بطارية الليثيوم 3.7 فولت على هذا المبدأ الأنيق. هذه الشحنة تجعل الطاقة المحمولة الحديثة ممكنة.
تعطي ذرة الليثيوم إلكترونًا واحدًا لتصبح مستقرة. وبعد ذلك، يصبح لديه 3 بروتونات وإلكترونان فقط. يمنح البروتون الإضافي أيون الليثيوم شحنته +1.
تصل خلية واحدة إلى 4.2 فولت عند شحنها بالكامل. التصنيف المعتاد هو 3.7 فولت. لك بطارية ليثيوم 3.7 فولت تعمل بين 3.0 فولت و4.2 فولت في الاستخدام اليومي.
يمكن لمعظم بطاريات الليثيوم أيون التعامل مع 300 إلى 500 شحنة كاملة قبل أن تفقد قدرتها الملحوظة. دورة واحدة كاملة تعني شحنة واحدة بالإضافة إلى تفريغ واحد. تستهلك البطارية القابلة لإعادة الشحن ببطء مع كل دورة.
