مزایای آندهای لیتیوم فلزی

باتری‌های قابل شارژ با آندهای لیتیوم فلزی طی دهه‌ها موضوع تحقیقات گسترده‌ای بوده‌اند و امروزه به نظر می‌رسد که رسیدن آن‌ها به بازار نزدیک‌تر از همیشه است. اما چرا آندهای لیتیوم فلزی در علم باتری تا این حد مورد توجه قرار دارند؟ در این مقاله سعی می‌کنیم دلیل جذابیت و هیجان پیرامون فلز لیتیوم را روشن کنیم.

چرا لیتیوم؟

عناصر زیادی می‌توانند در باتری‌های قابل شارژ مورد استفاده قرار بگیرند. پس چه ویژگی‌ای باعث شده است لیتیوم تا این حد برای خودروهای الکتریکی جذاب باشد؟

سبک و کوچک است

لیتیوم سبک‌ترین فلز در جدول تناوبی است و می‌تواند نسبت به جرم خود انرژی زیادی ذخیره کند. لیتیوم بخشی از گروهی از عناصر به نام فلزات قلیایی است که چند ویژگی مشترک دارند: همگی نرم هستند، نقطه ذوب پایینی دارند و بسیار واکنش‌پذیرند. از آنجایی که اتم‌های لیتیوم نسبت به اتم‌های دیگر عناصر جرم کمتری دارند، این فلز برای کاربردهایی که وزن و اندازه اهمیت دارد، مانند وسایل الکترونیکی مصرفی یا خودروهای الکتریکی، ماده‌ای ایده‌آل محسوب می‌شود.

برای مقایسه، سدیم (Na) که عنصر بعدی در گروه فلزات قلیایی است، تقریباً سه برابر لیتیوم جرم دارد. به همین دلیل، باتری‌های مبتنی بر سدیم همواره در زمینه چگالی انرژی نسبت به باتری‌های لیتیومی در موقعیت نامطلوبی قرار خواهند داشت.

لیتیوم-سبک‌ترین-فلز-در-جدول-تناوبی-است.png" alt="لیتیوم سبک‌ترین فلز در جدول تناوبی است" class="wp-image-37259" title="مزایای آندهای لیتیوم فلزی 1" srcset="https://3etop.ir/wp-content/uploads/2025/08/لیتیوم-سبک‌ترین-فلز-در-جدول-تناوبی-است.png 1536w, https://3etop.ir/wp-content/uploads/2025/08/لیتیوم-سبک‌ترین-فلز-در-جدول-تناوبی-است-400x239.png 400w, https://3etop.ir/wp-content/uploads/2025/08/لیتیوم-سبک‌ترین-فلز-در-جدول-تناوبی-است-1300x775.png 1300w, https://3etop.ir/wp-content/uploads/2025/08/لیتیوم-سبک‌ترین-فلز-در-جدول-تناوبی-است-768x458.png 768w, https://3etop.ir/wp-content/uploads/2025/08/لیتیوم-سبک‌ترین-فلز-در-جدول-تناوبی-است-700x417.png 700w, https://3etop.ir/wp-content/uploads/2025/08/لیتیوم-سبک‌ترین-فلز-در-جدول-تناوبی-است-150x89.png 150w" sizes="(max-width: 1536px) 100vw, 1536px" />

سخاوتمند با الکترون‌ها

فلزات قلیایی به‌راحتی الکترون خود را از دست می‌دهند و لیتیوم پایین‌ترین پتانسیل کاهش را در این گروه دارد. این بدان معناست که باتری‌های لیتیوم-یون ولتاژ نسبتاً بالایی نسبت به سایر انواع باتری‌ها دارند و ولتاژ بالاتر به معنای ذخیره انرژی بیشتر است.

مقدار زیادی از آن وجود دارد

لیتیم فراوان است: به‌قدر کافی لیتیم در پوسته زمین وجود دارد که بتوان برای یک میلیارد سال آینده، سالانه ۱۰۰ میلیون خودرو الکتریکی تولید کرد. این فلز تقریباً به همان میزان رایج است که کلر، عنصری که در نمک خوراکی (سدیم کلرید) یافت می‌شود. مانند کلر، لیتیم نیز معمولاً در نمک‌ها در سراسر جهان، خاک رس، چشمه‌های آب گرم و حتی آب دریا یافت می‌شود.

لیتیم به‌ندرت در غلظت‌های بالا دیده می‌شود، بنابراین جمع‌آوری آن می‌تواند چالش‌برانگیز باشد، اما روش‌های بهتر و دوستدار محیط زیست برای استخراج آن در حال توسعه و به‌کارگیری هستند. همچنین، مانند بسیاری از فلزات دیگر، لیتیم می‌تواند بازیافت و مجدداً برای ساخت باتری‌های جدید استفاده شود.

چرا آندهای لیتیوم فلزی؟

هنگام انتخاب ماده‌ای برای آند باتری مبتنی بر لیتیوم، گزینه‌های مختلفی وجود دارد. مهم‌ترین ویژگی‌های یک ماده آند، ظرفیت و ولتاژ آن است که در مجموع قابلیت ذخیره انرژی کلی باتری را تعیین می‌کنند.

در زمینه آندهای باتری خودروهای الکتریکی، سه گزینه اصلی وجود دارند: گرافیت، سیلیکون و لیتیوم فلزی. لیتیوم فلزی در زمینه چگالی انرژی برنده است، اما هر یک از این مواد چالش‌های خاص خود را دارند.

گرافیت	لیتیوم فلزی 2" srcset="https://3etop.ir/wp-content/uploads/2025/08/گرافیت.png 201w, https://3etop.ir/wp-content/uploads/2025/08/گرافیت-150x150.png 150w" sizes="(max-width: 150px) 100vw, 150px" />	مزایا: جلوگیری از رشد دندریتی‌ها در شارژ با سرعت پایین پایداری قابل قبول طول عمر چرخه‌ای خوب	چالش‌ها: چگالی انرژی پایین‌تر محدودیت در شارژ سریع تشکیل دندریتی‌ها هنگام شارژ با سرعت بالا
سیلیکون	لیتیوم فلزی 3" srcset="https://3etop.ir/wp-content/uploads/2025/08/سلیکون-1.png 201w, https://3etop.ir/wp-content/uploads/2025/08/سلیکون-1-150x150.png 150w" sizes="(max-width: 150px) 100vw, 150px" />	مزایا: چگالی انرژی خوب شارژ سریع‌تر نسبت به گرافیت	چالش‌ها: طول عمر چرخه‌ای ضعیف به دلیل خرد شدن سیلیکون پایداری پایین لایه SEI؛ اغلب نیاز به لیتیم اضافی دارد کاهش ولتاژ هزینه بالای آندهای پیشرفته سیلیکونی
فلز لیتیوم	لیتیوم فلزی 4" srcset="https://3etop.ir/wp-content/uploads/2025/08/فلز-متال.png 201w, https://3etop.ir/wp-content/uploads/2025/08/فلز-متال-150x150.png 150w" sizes="(max-width: 150px) 100vw, 150px" />	مزایا: بالاترین چگالی انرژی بدون محدودیت در شارژ سریع قابلیت شکل‌گیری در محل (نیازی به آند در فرآیند تولید نیست)	چالش‌ها: نیاز به مهار یا جلوگیری از رشد دندریتی‌ها واکنش با الکترولیت‌های مایع، سولفیدها و پلیمرهای جامد هزینه بالای فویل لیتیوم (در صورت عدم استفاده از آند بدون فویل)

گرافیت

گرافیت تا کنون رایج‌ترین ماده آند در باتری‌های لیتیوم-یون سنتی است. آندهای گرافیتی ابتدا برای جلوگیری از تشکیل دندریتی‌های لیتیوم معرفی شدند؛ ساختارهای ریشه‌ای مانند لیتیوم خالص که می‌توانند داخل باتری رشد کرده و آن را از درون خراب کنند. ساختار مولکولی گرافیت فاصله‌های طبیعی‌ای برای قرارگیری یون‌های لیتیوم هنگام شارژ باتری فراهم می‌کند، فرآیندی که به آن «درون‌نشینی» (intercalation) گفته می‌شود، و همزمان فاصله بین یون‌ها به اندازه‌ای است که نتوانند به هم متصل شوند و دندریت بسازند.

با این حال، گرافیت ظرفیت نسبتاً پایینی دارد و نمی‌تواند تعداد زیادی یون لیتیوم را در فضای مشخصی جای دهد. این یعنی آندهای مبتنی بر گرافیت چگالی انرژی پایینی ارائه می‌کنند و در خودروهای الکتریکی محدوده حرکت محدودی ایجاد می‌کنند. همچنین سرعت درون‌نشینی لیتیوم در گرافیت محدود است که به عنوان یک گلوگاه مهم، سرعت شارژ سریع خودرو را محدود می‌کند.

گرافیت همچنین با الکترولیت‌های مایع در باتری‌های لیتیوم-یون سنتی واکنش می‌دهد. این واکنش لایه‌ای پایدار به نام «رابط الکترولیت-جامد» (SEI) ایجاد می‌کند که بخش عمده گرافیت را از تماس با الکترولیت محافظت می‌کند. کاهش ظرفیت ناشی از واکنش‌های جانبی، هرچند هنوز مسئله‌ای است، نسبت به مواد دیگر مانند سیلیکون کمتر مشکل‌ساز است. این پایداری نسبی باعث محبوبیت گرافیت به عنوان ماده میزبان آند شده است، با وجود سایر معایب آن. با این حال، این واکنش‌های جانبی هنوز لیتیم مصرف می‌کنند، ظرفیت باتری را کاهش می‌دهند و محصولات جانبی ایجاد می‌کنند که حرکت لیتیوم داخل و خارج از آند را دشوارتر می‌کند. این دو اثر، توان خروجی و انرژی ذخیره‌شده باتری را کاهش داده و منجر به شارژ کندتر، شتاب کمتر و محدوده حرکت کوتاه‌تر می‌شود.

سیلیکون

سیلیکون به‌عنوان یک گزینه جایگزین برای گرافیت در آندها مورد بررسی قرار گرفته است. از نظر تئوری، سیلیکون می‌تواند تقریباً ۱۰ برابر بیشتر از گرافیت لیتیوم ذخیره کند. با این حال، لیتیوم در سیلیکون همانند گرافیت به‌صورت مرتب درون‌نشینی نمی‌کند؛ بلکه سیلیکون به‌طور شیمیایی با لیتیوم ترکیب می‌شود و ساختار مولکولی کاملاً جدیدی ایجاد می‌کند.

در نتیجه، سیلیکون در طول شارژ به‌طور چشمگیری منبسط و در طول دشارژ منقبض می‌شود که باعث ترک‌خوردگی و خرد شدن سیلیکون در طول چرخه‌های متعدد می‌شود. این فرایند ترک‌خوردگی باعث می‌شود لایه SEI به‌طور مداوم در چرخه‌های متعدد تخریب و دوباره شکل بگیرد، که نرخ مصرف لیتیوم توسط واکنش‌های جانبی را افزایش می‌دهد. این موضوع باعث کاهش ظرفیت باتری، افزایش مقاومت سلول و در نتیجه کاهش ولتاژ می‌شود. بنابراین، باتری‌های مبتنی بر آندهای سیلیکونی معمولاً به‌سرعت قابلیت ذخیره انرژی خود را از دست می‌دهند.

چند راهکار برای این مشکل وجود دارد، اما همه آن‌ها با محدودیت‌هایی همراه هستند. می‌توان مقداری لیتیوم به سیلیکون اضافه کرد تا کاهش ظرفیت جبران شود، که به آن پیش‌لیتیم‌گذاری (pre-lithiation) گفته می‌شود، اما این کار هزینه را افزایش داده و فرایند تولید را پیچیده‌تر می‌کند.

باتری‌ها می‌توانند تحت فشار بسیار زیاد نگه داشته شوند تا از ترک‌خوردن سیلیکون جلوگیری شود، اما جرم خود دستگاه فشار، بخش زیادی از مزایای سیلیکون را خنثی می‌کند. ساختارهای نانوساختاری سیلیکون نیز می‌توانند برای غلبه بر این چالش‌ها طراحی شوند، اما این روش‌ها پیچیده‌تر و گران‌تر از گرافیت ساده هستند و مزیت ظرفیت نظری استفاده از سیلیکون را کاهش می‌دهند.

در نهایت، سیلیکون باعث کاهش ولتاژ سلول می‌شود و انرژی ذخیره شده را کاهش می‌دهد. به همین دلایل، معمولاً سیلیکون با گرافیت ترکیب می‌شود و اغلب فقط در مقادیر کم استفاده می‌شود.

فلز لیتیوم

فلز لیتیوم می‌تواند به عنوان یک ماده آند ایده‌آل برای باتری‌های مبتنی بر لیتیوم به دلایل متعددی مورد استفاده قرار گیرد:

• آند فلز لیتیوم بالاترین چگالی انرژی وزنی (میزان انرژی قابل ذخیره‌سازی به ازای واحد جرم) ممکن را ارائه می‌دهد.
• نرخ‌های شارژ می‌توانند به‌طور قابل توجهی بهبود یابند، زیرا لیتیوم به‌طور مستقیم روی آند رسوب می‌کند.
• با استفاده از الکترولیت مناسب، می‌توان باتری با معماری بدون آند طراحی کرد که تنها از فلز خالص لیتیوم استفاده کند؛ این کار باعث صرفه‌جویی در مواد و هزینه‌های تولید شده و چگالی انرژی را افزایش می‌دهد.

چرا همه آندها از فلز لیتیوم ساخته نمی‌شوند؟

فلز لیتیوم خالص تمایل به تشکیل دندریت‌ها دارد، که می‌تواند ایمنی و طول عمر باتری را کاهش دهد. بسیاری از مواد الکترولیت، مانند مایعات، پلیمرهای جامد و سولفیدها، قادر به جلوگیری کامل از تشکیل دندریت‌ها نیستند.

فلز لیتیوم همچنین بسیار واکنش‌پذیر است، که برای سولفیدها، مایعات و پلیمرهای جامد مشکل ایجاد می‌کند. این واکنش‌پذیری باعث مصرف لیتیوم می‌شود، بنابراین باتری برای عملکرد صحیح باید لیتیوم اضافی به صورت فویل نازک لیتیوم داشته باشد. متأسفانه، استفاده از فویل لیتیوم یک تعادل بین چگالی انرژی حجمی (میزان انرژی ذخیره شده در حجم مشخص) و هزینه ایجاد می‌کند. فویل‌های بسیار نازک لیتیوم گران‌قیمت هستند و کار با آن‌ها دشوار است، و فویل‌های ضخیم‌تر مزیت چگالی انرژی حجمی را از بین می‌برند که دلیل اصلی جایگزینی گرافیت بوده است.

همچنین فویل‌های لیتیوم مشکل دندریت را پیچیده‌تر می‌کنند. فویل تولید شده همیشه دارای ناخالصی‌ها یا تغییرات جزئی در خود ماده است که باعث تشدید پوشش‌دهی لیتیوم در نقاط خاص شده و رشد دندریت‌ها را تسریع می‌کند.

فناوری باتری QuantumScape برای رفع چالش‌های اساسی فلز لیتیوم طراحی شده است. جداکننده سرامیکی الکترولیت جامد آن‌ها توانایی مقاومت در برابر دندریت‌ها را در نرخ‌های توان مرتبط با خودروهای برقی نشان داده است. این جداکننده با فلز لیتیوم بسیار پایدار است، که مصرف لیتیوم در واکنش‌های جانبی را کاهش داده و به بازده کولمب بسیار خوب کمک می‌کند.

این پایداری باعث می‌شود لیتیوم اضافی لازم نباشد و سلول‌ها بتوانند بدون آند ساخته شوند. در عوض، هنگام شارژ شدن سلول، لیتیوم از کاتد از طریق جداکننده سرامیکی الکترولیت جامد استخراج شده و به صورت فلز خالص لیتیوم روی آند ته‌نشین می‌شود. این فرایند تضمین می‌کند که آند عاری از ناخالصی باشد و هزینه‌های مواد و تولید مربوط به ساخت و ادغام فویل لیتیوم در سلول از بین می‌رود.

به جای افزودن مواد آند اضافی و گران‌قیمت، فناوری QuantumScape با ساده‌سازی طراحی سلول، باتری‌های بهتری تولید می‌کند. حذف نیاز به گرافیت، سیلیکون یا فویل لیتیوم، مسیر افزایش چگالی انرژی و بهبود برد خودرو را فراهم می‌کند و همزمان شارژ سریع ۱۵ دقیقه‌ای را ممکن می‌سازد. ما معتقدیم فناوری باتری جامد فلز لیتیوم ما، امیدوارکننده‌ترین مسیر برای دستیابی به عملکرد نسل بعدی باتری‌ها است.