مقالات, مقالات دانشجویی, مقالات عمومی

باتری ها

بدون باتری، تلفن همراه، لپ‎تاپ یا چراغ‎قوه، خودروی برقی یا جاروی برقی، ساعت‎های کوارتز، ماشین‎حساب‎های جیبی یا رادیوهای ترانزیستوری وجود ندارند و آن دسته از کسانی که در زندگی روزمره خود به استفاده از ضربان‎ساز قلب، سمعک یا صندلی چرخدار برقی نیاز دارند، با مشکل روبرو خواهند شد.

زندگی بدون باتری به مثابه سفر به گذشته (یک یا دو قرن پیش) است، زمانی که تقریبا تنها راه تولید انرژی سیار استفاده از بخار یا مکانیزم چرخ‎دنده ساعت‎ها بود. باتری‎ها (منابع تغذیه‎ای مناسب و سهل‎الاستعمال با ابعاد متغیر به کوچکی ناخن یک انگشت یا به بزرگی یک صندوق بزرگ هستند که) در هر زمان و در هر مکان انرژی مطمئن و پایدار به مصرف کننده تحویل می‎دهند. هرچند سالانه میلیاردها باتری دور ریخته می‎شود و این باتری‎ها تأثیر زیادی در محیط‎زیست دارند، اما بدون آن‌ها نمی‌توان زندگی مدرن امروزی را ادامه داد.

شاید فکر کنید باتری هم یک وسیله کسل کننده مانند همه چیزهایی است که تاکنون دیده‌اید. اما باتری وسیله‎ای است که همزمان با اتصال آن به مدار جریان برق آغاز و این استوانه کوچک کسل کننده به یک نیروگاه بسیار کوچک شخصی تبدیل می‎شود! بیایید ببینیم در باتری چه می‎گذرد ….

باتری چیست؟

باتری یک منبع انرژی شیمیایی مستقل با توانایی تولید مقدار محدودی انرژی الکتریکی در موارد مورد نیاز است. برخلاف الکتریسیته معمولی که از طریق کابل از محل نیروگاه به منزل شما می‎رسد، باتری به آرامی (طی چند روز، هفته، ماه یا حتی سال) بسته‎های انرژی شیمیایی درون خود را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند.

ایده اصلی انرژی قابل حمل چیز جدیدی نیست. بشر همیشه راه‎هایی برای تولید انرژی در حین حرکت داشته است. حتی انسان‎های ماقبل تاریخ نیز می‎دانستند که چطور می‎توانند با سوزاندن چوب آتش درست کنند، سوزاندن روش دیگری برای تولید انرژی (گرما) از مواد شیمیایی است (سوزاندن در یک واکنش شیمیایی به نام احتراق باعث آزاد شدن انرژی می‎شود). در زمان انقلاب صنعتی (در سده‎های ۱۸ و ۱۹ میلادی) بشر با سوزاندن توده‎های زغال سنگ انرژی تولید و انرژی لازم برای وسایلی مانند لوکوموتیو بخار را تأمین می‏کرد. اما جمع‌آوری چوب کافی برای پختن یک وعده غذایی ممکن است یک ساعت زمان ببرد یا در مورد لوکوموتیو معمولا چندین ساعت طول می‎کشد تا بویلر لوکوموتیو به اندازه کافی گرم شود و بخار تولید کند. در مقابل، باتری‌ها انرژی فوری و قابل حمل در اختیار مصرف‎کننده قرار می‌دهند. کافیست کلید خودروی برقی خود را بچرخانید، خودرو در عرض چند ثانیه روشن می‎شود!

اجزای اصلی باتری

واحد قدرت اصلی درون باتری سلول نام دارد. هر سلول از سه بخش اصلی تشکیل شده است: دو الکترود (پایانه‌های الکتریکی) و یک ماده شیمیایی به نام الکترولیت (که میان دو الکترود قرار دارد). برای افزایش راحتی و ایمنی، معمولا اجزای سازنده باتری درون یک جعبه فلزی یا پلاستیکی قرار داده می‎شوند. دو پایانه الکتریکی دیگر نیز وجود دارد که با علامت + (مثبت) و – (منفی) روی بدنه باتری مشخص و به الکترودهای داخلی متصل شده‎اند. به زبان ساده، تفاوت بین باتری و سلول در این است که باتری حاصل اتصال دو یا چند سلول است بنابراین قدرت باتری برابر با مجموع قدرت سلول‎هاست.
با اتصال الکترودها به مدار (به عنوان مثال جایگذاری باتری در چراغ قوه) فعالیت الکترولیت آغاز می‎شود و مواد شیمیایی داخل آن به آهستگی به مواد دیگری تبدیل می‎شوند. یون‌ها (اتم‌های با الکترون‎های بسیار کمتر یا بسیار بیشتر) از مواد موجود در الکترودها تشکیل شده و در واکنش‎های شیمیایی با الکترولیت شرکت می‌کنند. در همین زمان، الکترون‌ها از طریق مدار خارجی از یک پایانه به پایانه دیگر می‎روند و بار متصل به باتری را تغذیه می‎کنند. این فرآیند تا زمان تبدیل کامل مواد شیمیایی الکترولیت ادامه می‎یابد. در این مرحله، حرکت یون‎ها از طریق الکترولیت و جریان الکترون‎ها از طریق مدار متوقف می‎شود و باتری خالی است.

چرا باتریها به دو ماده مختلف نیاز دارند؟

شایان ذکر است که همواره الکترودها از دو ماده رسانای الکتریکی مختلف ساخته می‎شوند (بنابراین هرگز جنس فلز دو الکترود یکسان نیست). همین نکته کلید درک اصول عملکرد باتری است: یکی از مواد «الکترون ده» و دیگری «الکترون‎خواه» است. اگر هر دو الکترود از یک ماده ساخته شده باشند، این اتفاق نمی‎افتد و هیچ جریانی جاری نمی‎شود.

برای درک این موضوع باید به تاریخچه الکتریسیته بپردازیم و به سال ۱۷۹۲ یعنی زمانی برگردیم که دانشمند ایتالیایی لوئیجی گالوانی دریافت که با کمی کمک از پای قورباغه می‎توان برق تولید کرد.

باتری 1

کار عملی: آیا تا به حال با فرو کردن یک میخ (از جنس روی) و یک سکه (از جنس مس) داخل یک لیمو ترش یک باتری ساده ساخته‎اید؟ اتم‎های این دو فلز مختلف از نظر توانایی حفظ الکترون‎های موجود در ساختار خود متفاوتند. الکترون‌ها (نماد e آبی رنگ) از اتم‎های روی خارج و از طریق مداری که به اتم‌های مس موجود در سکه متصل است، جریان می‎یابند. این جریان الکترونی تأمین کننده توان مفیدی است که به عنوان مثال قادر به روشن کردن یک لامپ کوچک یا LED (قرمز) است..

گالوانی دو فلز مختلف را به پای یک قورباغه مرده چسباند و جریان الکتریکی تولید کرد. به اعتقاد او این جریان توسط قورباغه و با آزاد کردن «الکتریسیته حیوانی» تولید شده بود. (همانطور که الساندرو ولتا نیز خیلی زود به این نکته پی برد)، نکته مهم در کار گالوانی استفاده از دو فلز مختلف بود. در واقع، بدن قورباغه در نقش ماده الکترولیت باتری که از دو الکترود مختلف فلزی ساخته شده بود، عمل می‌کرد. چه مرده چه زنده، هیچ چیز خاصی در بدن قورباغه وجود نداشت. یک ظرف شیشه ای پر از مواد شیمیایی مناسب (یا حتی یک لیمو ترش) نیز به همین خوبی کار می‎کرد.

چه نکته خاصی در مورد الکترودها مطرح است؟ توانایی عناصر شیمیایی در جذب الکترون‎ها به سمت خود (یا دفع آن‎ها به سمت عناصر با توانایی جذب الکترون بالاتر دیگر) متفاوت است. این گرایش electronegativity نام دارد. دو فلز مختلف را به یک ماده الکترولیت بچسبانید، سپس آن‎ها را از طریق یک مدار خارجی به یکدیگر متصل کنید. بین آنها یک مسابقه طناب‌کشی درمی‎گیرد. یکی از فلزات برنده می‎شود و از طریق مدار خارجی الکترون‎ها را از فلز دیگر به سوی خود جذب می‎کند. این جریان الکترونی جاری از یک الکترود فلزی به الکترود فلزی دیگر مدار متصل به باتری را تغذیه می‎کند. اگر دو پایانه باتری از یک ماده ساخته شده باشند، هیچ جریان الکترونی خالصی وجود نخواهد داشت و هرگز توانی تولید نمی‌شود.
آنچه مطرح شد، تئوری عملکرد باتری بود. در ادامه به بررسی رفتار عملی باتری می‎پردازیم.

باتری واقعا چگونه کار می‏کند؟

منشأ برق باتری کجاست؟ اجازه بدهید به بررسی دقیق‎تر موضوع بپردازیم.

من یک باتری را به یک چراغ قوه متصل و یک مدار ساده ایجاد و در آن با یک گیره کاغذ (به عنوان سیم اتصال) قطب زیرین باتری و بدنه جانبی لامپ را به یکدیگر متصل کرده‎ام. با کمی دقت به تصویر متوجه می‏شوید که لامپ روشن است، زیرا الکترون ها از طریق آن (بین دو الکترود فلزی) جاری می‎شوند.

باتری 2

واکنش‎های شیمیایی

الکترودهای مثبت و منفی توسط الکترولیت شیمیایی از یکدیگر جدا می‎شوند. الکترولیت مایع نیز وجود دارد اما در یک باتری معمولی به احتمال زیاد الکترولیت یک پودر خشک است.

با اتصال باتری به لامپ و وصل کلید واکنش‎های شیمیایی آغاز می‎شوند. یکی از این واکنش‎ها، واکنش تولید یون‎های مثبت (که در شکل با دایره‎های بزرگ زرد نشان داده شده است) و الکترون‌‎ها (دایره‎های قهوه‌ای کوچکتر) در الکترود منفی است. یون‌های مثبت داخل الکترولیت سرازیر می‌شوند و الکترون‎ها در مدار خارجی (خط آبی) به سمت الکترود مثبت جریان می‎یابند و در مسیر حرکت خود لامپ را روشن می‌کنند. یک واکنش شیمیایی دیگر در الکترود مثبت انجام و الکترون‌های ورودی با یون‌های خارج شده از الکترولیت ترکیب و مدار کامل می‎شود.

عامل جریان الکترون‎ها و یون‎ها واکنش‎های شیمیایی رخ داده درون باتری است (معمولا دو مورد از این واکنش‎ها به طور همزمان در جریان هستند). واکنش‎های دقیق به جنس مواد سازنده الکترودها و الکترولیت بستگی دارند. در کلیه باتری‎ها، در هر واکنش شیمیایی الکترون‌ها به طرف مدار خارجی حرکت می‎کنند و یون‎ها با الکترولیت (حرکت به داخل یا خارج آن) واکنش می‎دهند. همزمان با تولید توان در باتری، به تدریج مواد شیمیایی داخل باتری به مواد شیمیایی مختلف تبدیل می‎شوند. توانایی آنها در تولید برق کاهش می‎یابد، ولتاژ باتری به آرامی افت می‎کند و در نهایت باتری از بین می‎رود. به عبارت دیگر، اگر باتری به علت تخلیه مواد شیمیایی داخل آن نتواند یونهای مثبت تولید کند، قدرت تولید الکترون برای مدار خارجی را نیز نخواهد داشت.

ممکن است فکر کنید: «متوجه نشدم، این منطقی نیست! چرا الکترون‎ها مستقیما و از طریق الکترولیت از الکترود منفی به الکترود مثبت منتقل نمی‎شوند و باتری اتصال کوتاه داخلی نمی‎شود؟ در واقع، به خاطر ویژگی‎های شیمیایی الکترولیت امکان جریان یافتن الکترون‎ها از طریق الکترولیت وجود ندارد. به بیان دیگر، الکترولیت تقریباً یک عایق الکترونی است: سدی که الکترون‎ها قادر عبور از آن نیستند. بنابراین، مسیر مدار خارجی یک مسیر سهل‎العبور‎تر برای جریان یافتن الکترون‎ها به سوی الکترود مثبت است.

انواع باتری‎ها

باتری‎ها در اشکال، اندازه‎ها، ولتاژها و ظرفیت‎های مختلف (مقدار شارژ یا انرژی ذخیره شده) ساخته می‎شوند. اگرچه باتری‎ها با انواع مختلف الکترولیت‎ها و الکترودهای شیمیایی ساخته می‎شوند، اما در واقع فقط دو نوع باتری اصلی وجود دارد: باتری‎های اولیه و ثانویه. باتری‎های اصلی باتری‎های معمولی، یکبار مصرف و معمولا غیرقابل شارژ هستند. باتری‎های ثانویه را گاهی تا صد مرتبه نیز می‎توان شارژ کرد. برای شارژ باتری‎های ثانویه کافیست جریان در خلاف جهت جریان معمول (هنگام تخلیه) از باتری عبور کند. معمولا این امکان در باتری‌های اولیه وجود ندارد. هنگامی که تلفن همراه خود را شارژ می‌کنید، در واقع باتری در جهت عکس کار می‎کند (و واکنش‌های شیمیایی درون آن در جهت عکس انجام می‎شوند).

باتری‎های اولیه

شاید فکر کنید باتری‌های یکبار مصرف و غیرقابل شارژ قدیمی و به درد نخور هستند و از آنجا که پس از یک بار استفاده باید دور انداخته شوند، استفاده از آنها گران تمام می‎شود و دشمن محیط زیست هستند. حتی در این صورت نیز این باتری‎ها یک مزیت عمده دارند: این باتری‎ها انرژی بسیار بیشتری ذخیره می‌کنند و طول عمر آن‎ها نسبت به باتری‎های قابل شارژ با ابعاد مشابه بسیار بیشتر است. اگر اخیرا باتری‎های یکبار مصرف وسایلی مثل چراغ قوه را با باتری‎های قابل شارژ جایگزین کرده باشید، متوجه این موضوع خواهید شد. بله، با استفاده از باتری‎های قابل شارژ تا حد زیادی در هزینه‎ها صرفه‎جویی (هزینه شارژ مجدد بسیار ناچیز است) و به حفظ کره زمین کمک می‎شود، اما تعداد دفعات نیاز به شارژ این باتری‎ها خیلی بیشتر از نیاز به تعویض باتری‎های یکبار مصرف است. گاهی اوقات این موضوع هیچ اهمیتی ندارد (کافیست دو سری باتری قابل شارژ داشته باشید که همیشه یکی از آن‎ها شارژ داشته باشد)؛ اما در برخی موارد، مثلا هنگام استفاده از باتری‎های لیتیومی یکبار مصرف که به همراه ضربان‏ساز قلب در حین جراحی در بدن فرد کار گذاشته می‎شوند، اهمیت این موضوع بسیار بالاست. برش مداوم بافت سینه فرد برای شارژ مجدد باتری قلب او عملی نیست! به طور خلاصه، هرچند در صورت امکان استفاده از باتری‎های قابل شارژ بهترین گزینه است اما در برخی موارد استفاده از باتری‏های یکبار مصرف گزینه بهتری خواهد بود.

سه نوع اصلی از باتری‎های اولیه عبارتند از: باتری‎های کربن-روی ، آلکالین و لیتیومی. از آنجا که هیچ مایعی در این باتری‎ها وجود ندارد، اغلب این باتری‎ها را به عنوان سلول‏های خشک می‎شناسند.

باتری‎های روی-کربن

ارزان‌ترین باتری‎های معمولی که در وسایلی مانند چراغ قوه به کار می‎روند، باتری‎های روی-کربن هستند. باتری‎های یکبار مصرف روی-کربن در سال ۱۸۶۵ توسط یک مهندس فرانسوی به نام Georges Leclanché اختراع شدند. به همین دلیل در برخی موارد تحت عنوان سلول‎های Leclanché نیز از آن‎ها یاد می‎شود. این باتری‎ها با وجود قیمت ارزان انرژی زیادی در خود ذخیره نمی‎کنند و طول عمر آن‎ها کوتاه است. عنوان «روی-کربن» معرف جنس باتری است: الکترود مثبت این باتری‎ها از یک میله کربن با روکش پودر کربن و اکسید منگنز (IV) ساخته شده است. الکترود منفی (بدنه خارجی) از جنس آلیاژ روی و الکترولیت خمیری از کلرید آمونیوم است. با اتصال باتری روی-کربن به مدار، واکنش‎های مختلفی در دو الکترود رخ می‏دهد. در الکترود منفی، روی به یون روی و الکترون تبدیل و در نتیجه جریان در مدار جاری می‎شود. در الکترود مثبت نیز اکسید منگنز (IV) به اکسید منگنز (III) و آمونیاک تبدیل می‎شود.

باتری‎های آلکالین

باتری‎های آلکالین بسیار مشابه باتری‎های کربن-روی هستند اما قدرت بالاتری دارند: انرژی بیشتری ذخیره می‎کنند و طول عمر آن‎ها بیشتر است و به همین دلیل گران‎تر هستند. شارژ این باتری‎ها چندین سال باقی می‎ماند و همین امر آن‎ها را به یک منبع قابل اطمینان در مصرف انرژی تبدیل کرده است. اگرچه ظاهر این باتری‎ها کاملا مشابه باتری‎های کربن-روی است، اما مواد شیمیایی سازنده این باتری‎ها و واکنش‎های شیمیایی آن‏ها کاملا متفاوت است. الکترود مثبت این باتری‎ها از جنس اکسید منگنز (IV) و الکترود منفی آن‎ها از جنس روی ساخته شده است. الکترولیت نیز یک محلول قلیایی غلیظ (هیدروکسید پتاسیم) است. توان از طریق دو واکنش شیمیایی تولید می‌شود. در الکترود مثبت، اکسید منگنز (IV) به اکسید منگنز (III) و یون‎های هیدروکسیل تبدیل می‏شود. در الکترود منفی، روی با یون‎های هیدروکسیل واکنش می‎دهد و الکترون آزاد می‎کند. این الکترون‎ها در مدار جاری می‎شوند و مدار متصل به باتری را تغذیه می‎کنند.

باتری‎های دکمه‎ای

بسیاری از باتری‎های دکمه‏ای (که به طور گسترده در مواردی مانند ساعت کوارتز و سمعک استفاده می‎شود) الکترودهایی از جنس مشابه الکترودهای باتری‎های آلکالین و الکترولیت قلیایی و در نتیجه عملکردی مشابه باتری‎های آلکالین دارند. در برخی انواع این باتری‎ها، از الکترولیت‎های لیتیومی و آلی استفاده شده است و باتری بر اساس واکنش‌های شیمیایی مختلف کار می‎کند. به یک باتری دکمه‎ای دقت کنید: قسمت مرکزی فوقانی باتری الکترود منفی است که از روی یا لیتیوم ساخته شده است. محفظه خارجی تحتانی باتری الکترود مثبت است که معمولا از اکسید منگنز، اکسید نقره یا اکسید مس ساخته می‎شود. سال‎ها قبل، الکترود مثبت باتری‏های دکمه‏ای از جنس اکسید جیوه و گرافیت ساخته می‎شد، اما جیوه سمی است و بنابراین، امروزه باتری‎های دکمه‌ای جیوه‌ای تا حد زیادی کنار گذاشته شده‌اند.

باتری‎های ثانویه (قابل شارژ)

اغلب از این باتری‏ها به عنوان باتری‎های « قابل شارژ » یاد می‎شود و لفظ «ثانویه» چندان رایج نیست. در دهه ۱۹۸۰ و ۱۹۹۰ میلادی (یعنی قبل از رواج ابزارهای قابل‎حمل مانند تلفن‎های همراه) به ندرت از باتری‌های قابل شارژ در وسایلی مانند چراغ قوه و اسباب‎بازی‎ها استفاده می‎شد، زیرا طول عمر این باتری‎ها نسبت به طول عمر باتری‎های یکبار مصرف (که اکثرا باتری‎های نیکل-کادمیوم (یا گاهی نیکل-متال-هیدراید) بودند) کمتر بود. رایج‎ترین باتری‎های قابل شارژ مورد استفاده در آن روزها باتری‎های سرب-اسید بودند که در خودروها مورد استفاده قرار می‎گرفتند.

باتری‎های سرب-اسید

باتری‎های سرب-اسید از اواسط قرن نوزدهم همراه ما بوده‌اند و آزمایش خود را پس داده‎اند. این باتری‎ها از ۶ سلول مجزای ۲ ولتی ساخته شده‎اند، بنابراین ولتاژ نامی این باتری‎ها ۱۲ ولت است. هر سلول از این باتری متشکل از یک الکترود فلزی سربی «اسفنجی» (منفی)، یک الکترود دی اکسید سربی (مثبت) و الکترولیت اسید سولفوریک است. در هر نوبت تخلیه باتری، مقدار زیادی از اسید سولفوریک به آب تبدیل و دو الکترود با سولفات سرب پوشانده می‌شوند، حاصل این فرآیندها جریان الکترون‎ها برای تأمین برق در مدار خارجی است.

باتری‎های سرب-اسید امکان روشن شدن ماشین بدون نیاز به استفاده از میل‎لنگ دستی آلوده و خطرناک را فراهم می‎کنند. معمولا، هرگز نیازی به شارژ این باتری‎ها وجود ندارد زیرا خود ماشین به طور خودکار این کار را انجام می‎دهد. باتری در فرآیند تخلیه مقدارکمی از انرژی خود را به خودرو می‎دهد تا به روشن شدن موتور بنزینی اتومبیل کمک کند و در ادامه، پس از روشن شدن موتور و شروع تولید انرژی الکتریکی مجددا توسط دستگاهی به نام دینام شارژ می‎شود (و انرژی داده شده را پس می‎گیرد). از معایب این باتری‎ها می‎توان به وزن بسیار سنگین و حجم نسبتا بزرگ این باتری‎ها اشاره کرد. (سعی کنید یکی از این باتری‎ها را بلند کنید!) افزون بر این، این باتری‎ها گران هستند و به طور کامل قابل شارژ و دشارژ نیستند. مشکل دیگر استفاده از فلز سمی سرب در این باتری‎ها است که هنگام دور انداخته شدن در محل‎های دفن زباله می‎تواند باعث بروز مشکلات زیست محیطی شود.

باتری‎های نیکل-کادمیوم

از باتری‎های نیکل-کادمیوم (NiCd، بخوانید «نیکاد») به طور گسترده به عنوان جایگزین باتری‌های یکبار مصرف ۱٫۵ ولت در وسایلی مانند اسباب‎بازی‎ها، چراغ قوه‎ها و ابزارآلات برقی استفاده می‎شود. این باتری‎ها نسبتا ارزان و صدها بار قابل شارژ و دشارژ هستند و در صورت استفاده درست از آن‎ها در حدود ده سال عمر می‎کنند.

قابلیت اعتماد این باتری‎ها بسیار بالاست، با این وجود اغلب گفته می‎شود که باتری‎های NiCd باید قبل از شارژ شدن به طور کامل تخلیه شوند و یا میزان انرژی ذخیره شده در آن‎ها (و سطح شارژ مؤثر آنها) تا حد زیادی کاهش یابد. نظرات مختلفی در مورد صحت این موضوع (و در صورت صحت علت رخداد آن) وجود دارد. اما به طور کلی، دشارژ کامل باتری و سپس شارژ مجدد آن یک روش خوب است. مشکل دیگر باتری‎هایNiCd ، سمی بودن فلز کادمیوم موجود در آنها و نفوذ کادمیوم به خاک و آب‎های جاری و زیرزمینی در صورت دفن شدن در محل دفن زباله (به جای بازیافت مناسب) است.

باتری‎های نیکل-متال-هیدراید (NiMH)

اصول عملکرد باتری‎های نیکل-متال-هیدراید مشابه گروه قبلی است اما مشکل به اصطلاح «اثر حافظه» در این باتری‎ها نسبت به باتری‎های نیکل-کادمیوم کمتر است. در دهه ۱۹۹۰ به دلیل نگرانی‌های زیست محیطی در مورد کادمیوم، این باتری‎ها به جایگزینی محبوب برای باتری‎های نیکل-کادمیوم تبدیل شدند. باتری‎های نیکل-متال-هیدراید در وسایلی مانند تلفن‎های همراه که اغلب به جای تخلیه و شارژ کامل (که در ابزارهای برقی معمول‎تر است) به طور جزئی و سریع شارژ می‌شوند، کاربرد بیشتری دارند.

باتری‎های لیتیوم-یون

در میان انواع باتری‎های قابل شارژ، بالاترین سرعت رشد تکنولوژیکی مربوط به باتری‎های لیتیوم-یونی است. احتمالا از این نوع باتری‌ها در تلفن همراه، دستگاه پخشMP3  و لپ تاپ شما استفاده شده است. عامل محبوبیت باتری‎های لیتیومی چیست؟ لیتیوم فلزی سبک وزن است که به راحتی به یون تبدیل می‎شود، بنابراین برای ساخت باتری بسیار عالی است. ظرفیت ذخیره شارژ باتری‌های لیتیوم-یونی جدید تقریبا دو برابر باتری‎های نیکل کادمیوم است، ولتاژ کار و سازگاری این باتری‎ها با محیط زیست نسبت به سایرین بالاتر است اما طول عمر این باتری‎ها زیاد نیست. با این حال، معمولا تعداد سیکل‎های شارژ و دشارژ این باتری‎ها به صدها مرتبه می‎رسد و این باتری‎ها چندین سال دوام می‎آورند، بنابراین این باتری‎ها برای استفاده روزمره در ادوات الکترونیکی با طول عمر کمتر از این زمان عالی هستند.

نحوه کار این باتری‎ها چگونه است؟ با اتصال تلفن همراه یا لپ تاپ خود به شارژر فعالیت شیمیایی درون باتری لیتیوم یون آغاز می‎شود. وظیفه باتری ذخیره هرچه بیشتر توان در حداقل زمان ممکن است. این کار از طریق یک واکنش شیمیایی انجام می‎شود. در این واکنش یون‎های لیتیوم (اتم‎های لیتیوم که الکترون خود را از دست داده‎اند و بار مثبت دارند) از یک قسمت باتری به قسمت دیگر منتقل می‎شوند. با قطع شارژر و استفاده از انرژی ذخیره شده در باتری لپ تاپ یا تلفن، فعالیت شیمیایی باتری به حالت معکوس در می‎آید: یون‌ها در جهت عکس حرکت می‎کنند و شارژ باتری به تدریج از دست می‎رود.

پیل‎های سوختی

پیل‎های سوختی در واقع اصلا باتری نیستند، هرچند با توجه به تولید انرژی الکتریکی از طریق واکنش‎های شیمیایی بسیار مشابه باتری عمل می‎کنند.

ارزیابی باتری‎ها

معمولا هنگام تعویض باتری خراب چراغ قوه خود با یک باتری جدید، فقط یک باتری با ابعاد مشابه می‌خرید که به سادگی در محفظه باتری جای می‎گیرد. باتری‎ها مانند جعبه هستند: همانطورکه در جعبه‎های بزرگتر وسایل بیشتری جای می‎گیرد، هر چه اندازه باتری بزرگتر باشد میزان انرژی الکتریکی قابل ذخیره در آن بیشتر است. اما چرا؟ حجم الکترولیت و ابعاد الکترودهای باتری‌های بزرگتر بیشتر و در نتیجه حجم انرژی قابل استحصال (یا طول مدت استحصال سطح معینی از انرژی) از این باتری‎ها بیشتر است. ولتاژ نامی همه باتری‎هایAAA ،AA ، C و D برابر ۱٫۵ ولت است، اما اندازه این باتری‎ها با یکدیگر متفاوت است. انرژی ذخیره شده در باتری‎های بزرگتر (C و D) نسبت به انرژی ذخیره شده در باتری‎های کوچکتر (AA و AAA) بیشتر است. mAh (میلی آمپر ساعت، معیاری برای توصیف میزان بار الکتریکی ذخیره شده در باتری که اغلب روی باتری‌های کوچک درج می‌شود) یا وات ساعت (معیاری برای توصیف سطح انرژی الکتریکی ذخیره شده در باتری‎های بزرگتر) پارامترهای دقیق‎تری برای توصیف سطح انرژی الکتریکی باتری هستند.

یکی از پارامترهای مهم دیگر درج شده روی باتری‎ها ولتاژ است. هرچه ولتاژ نامی باتری بیشتر باشد، جریان تولیدی باتری هنگام اتصال به یک مدار مشخص بیشتر خواهد بود، از این رو، به این نوع ولتاژ نیرومحرکه الکتریکی (EMF) نیز گفته می‎شود. توانی که یک لامپ یا یک موتور الکتریکی مصرف یا تولید می‎کند با ولتاژ آن متناسب است، بنابراین معمولا ولتاژ بزرگتر به معنای توان بیشتر است. به عبارت دیگر، ولتاژ ادوات توان بالای امروزی نسبت به تجهیزات توان پایین بیشتر است، به همین دلیل، دریل‎های برق بی‌سیم (با موتورهای الکتریکی قدرتمند) نسبت به یک چراغ‎قوه ساده (که فقط چند LED یا لامپ کوچک را روشن می‎کند) به باتری‎های با ولتاژ بالاتری نیاز دارند.

تاریخچه اجمالی باتری‎ها

  • ۲۵۰ سال قبل از میلاد تا سال ۲۲۴ میلادی: به ادعای برخی مورخان و بر اساس اکتشافات باستان‎شناسی در دهه ۱۹۳۰ مبنی بر یافتن قطعات آهن و مس (شبیه الکترودها) و یک کوزه سفالی در نزدیکی بغداد اولین باتری در این زمان اختراع شده است. اگرچه هنوز هم از این یافته تحت عنوان «باتری بغدادی» یا «باتری اشکانی» (مکان و دوره تاریخی کشف این باتری) یاد می‎شود، مورخان دیگر در مورد امکان تولید جریان الکتریکی توسط آن یا کارکرد آن به عنوان باتری تردید دارند.
  • ۱۷۴۴: اوالد گئورگ فون کلیست (۱۷۰۰–۱۷۴۸) شیشه لیدن را ابداع كرد. شیشه لیدن یك ظرف شیشه‎ای با دو ورق فلز در طرفین داخلی و خارجی است كه بار الكتریكی را در خود ذخیره می‎كرد. اگرچه این وسیله در واقع یک خازن است (وسیله‎ای برای ذخیره الکتریسیته ساکن)، اما مشابه باتری مدرن کار می‌کند و در واقع یک منبع ذخیره انرژی الکتریکی قابل حمل است. (در گذشته در بسیاری از آزمایش‎های اولیه در حوزه الکتریسیته که امروزه در آن از باتری استفاده می‌شود از شیشه‌های لیدن به عنوان منبع تغذیه استفاده می‎شد.)
  • ۱۷۴۹: بنیامین فرانکلین، دولتمرد و مخترع آمریکایی (۱۷۰۶–۱۷۹۰) اولین شخصی بود که از اصطلاح «باتری» برای اشاره به تعدادی خازن متصل به یکدیگر استفاده کرد.
  • ۱۸۰۰: الساندرو ولتا فیزیکدان ایتالیایی (۱۷۴۵–۱۸۲۷) اولین باتری عملی یعنی پیل ولتائی را اختراع کرد. این پیل از پشت سر هم قرار دادن متوالی صفحات از جنس روی و نقره که با مقوا از یکدیگر جدا و در آب نمک خیسانده شده بود، ایجاد شد.
  • دهه ۱۸۰۰: همفری دیوی شیمی‎دان انگلیسی (۱۷۷۸-۱۸۲۹) از پیل ولتایی و الکترولیز برای جداسازی تعدادی از عناصر شیمیایی از جمله سدیم و پتاسیم استفاده می‎کند.
  • ۱۸۳۶: جان دانیل، شیمی دان انگلیسی (۱۷۹۰–۱۸۴۵) پیل دانیل را اختراع کرد. قابلیت اطمینان پیل دانیل بالاتر است.
  • دهه ۱۸۴۰: یک کشیش ایرلندی به نام پدر نیکلاس جوزف کالان (۱۷۹۹–۱۸۸۶) با اتصال ۵۷۷ پیل مستقل بزرگترین باتری جهان در این زمان را ساخت.
  • ۱۸۵۹: گاستون پلنت پزشک فرانسوی (۱۸۳۴-۱۸۸۹) اولین باتری قابل شارژ و سرب اسید را اختراع کرد.
  • ۱۸۶۸: ژرژ لکلانشه (یک فرانسوی دیگر) (۱۸۸۲-۱۸۳۹) باتری روی-کربن مدرن را اختراع کرد.
  • ۱۸۸۱: کمیل آلفونس فاور مهندس فرانسوی (۱۸۹۸-۱۸۴۰) با طراحی مجدد باتری سرب اسید برای اولین بار امکان تولید این باتری در مقیاس وسیع را فراهم کرد.
  • دهه ۱۸۸۰: باتری‌های خشک به طور مستقل توسط چندین مخترع مختلف از جمله فردریک لوئیسی ویلهلم هلسن دانمارکی (۱۸۹۲-۱۸۳۶) و کارل گاسنر آلمانی (۱۸۸۲-۱۸۳۹) اختراع شدند.
  • ۱۸۸۸: دهه‎ها قبل از رواج مفهوم انرژی‎های تجدیدپذیر، چارلز اف بروش، مهندس برق آمریکایی (۱۹۲۹-۱۸۴۹) یک توربین بادی با قدرت شارژ یک باتری خانه بزرگ ساخت که انرژی مصرفی خانه او را تأمین می‎کرد.
  • ۱۹۴۹: لوئیس اوری مهندس شیمی کانادایی (۱۹۴۴-۱۹۲۷) باتری‎های آلکالین و لیتیومی را برای شرکت Eveready Battery اختراع کرد.
  • ۱۹۷۱: یک مهندس آمریکایی به نام ویلسون گریت بچ (۱۹۱۹–۲۰۱۱) باتری‎های با عمر طولانی، ضد خوردگی لیتیوم یداید را برای ضربان‌سازهای قلب قابل کاشت در بدن اختراع کرد.
  • دهه ۱۹۷۰: جان بی گودناف شیمی‎دان آمریکایی متولد آلمان (۱۹۲۲–) و همکارانش هنگام کار در دانشگاه آکسفورد در انگلستان مبنای علمی باتری‎های لیتیوم یونی را کشف کردند. اولین باتری های تجاری با استفاده از این فناوری در دهه ۱۹۹۰ توسط شرکت سونی تولید شد.
  • ۲۰۱۷: جان بی گودناف باتری‏های مبتنی بر کریستال لیتیوم یا سدیم را اختراع کرد که در آینده به عنوان یک جایگزین مناسب برای فناوری لیتیوم یون به شمار می‎رود.

دیدگاهتان را بنویسید