البطاريات الليثيوم-أيون هي جزء مهم من حياتنا اليومية، حيث تستخدم في تشغيل العديد من الأجهزة الإلكترونية مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، وكذلك في السيارات الهجينة والكهربائية. تتميز هذه التقنية بوزنها الخفيف، وكثافة طاقتها العالية، وقدرتها على إعادة الشحن. لكن كيف تعمل هذه البطاريات؟
تتكون البطارية من القطب الموجب (الكاثود)، والقطب السالب (الأنود)، والفاصل، والإلكتروليت، واثنين من مجمعات التيار (الموجب والسالب). يقوم الكاثود والأنود بتخزين الليثيوم، بينما ينقل الإلكتروليت الأيونات الموجبة من الأنود إلى الكاثود، والعكس بالعكس، من خلال الفاصل.
حركة الأيونات تخلق إلكترونات حرة في الأنود، مما يسبب شحنة في مجمع التيار الموجب. ثم ينتقل التيار الكهربائي من مجمع التيار عبر الجهاز الذي يتم تشغيله (هاتف، كمبيوتر، إلخ) إلى مجمع التيار السلبي. يقوم الفاصل بحجب تدفق الإلكترونات داخل البطارية.
عند تفريغ البطارية وتوفير التيار الكهربائي، يقوم الأنود بإطلاق أيونات الليثيوم إلى الكاثود، مما يولد تدفقًا للإلكترونات من جهة إلى أخرى. وعند شحن الجهاز، يحدث العكس: تُطلق أيونات الليثيوم من الكاثود وتُستقبل في الأنود.
من المفاهيم الأكثر شيوعًا المرتبطة بالبطاريات هما كثافة الطاقة وكثافة القدرة. تقاس كثافة الطاقة بالواط-ساعة لكل كيلوغرام (Wh/kg)، وهي مقدار الطاقة التي يمكن للبطارية تخزينها نسبةً إلى كتلتها. بينما تقاس كثافة القدرة بالواط لكل كيلوغرام (W/kg)، وهي مقدار القدرة التي يمكن أن تولدها البطارية نسبةً إلى كتلتها. للتوضيح، يمكن تصور كثافة الطاقة كحجم المسبح، بينما كثافة القدرة تشبه السرعة التي يمكن بها تصريف الماء من المسبح.
تتجه جهود تطوير البطاريات بشكل عام نحو تحسين أداء البطاريات من خلال زيادة كفاءتها وقدرتها على تخزين الطاقة، وتقليل التكاليف، وتعزيز عمرها الافتراضي. تهدف هذه الجهود إلى تلبية الطلب المتزايد على البطاريات في مجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك الإلكترونيات المحمولة، والسيارات الكهربائية، والطاقة المتجددة.
تعمل الجهود أيضًا على تحسين استدامة البطاريات من خلال استخدام مواد صديقة للبيئة، وزيادة قدرة البطاريات على إعادة التدوير، وتقليل الأثر البيئي لإنتاجها والتخلص منها.
