دنیای باتری ها
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.
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.
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.
