چقدر در مورد باتری‌ها می‌دانید؟ بخش اول
از زمان اولین اکتشافات الکتریسیته، باتری‌ها به ستون فقرات فناوری مدرن تبدیل شده‌اند و تا امروز نوآوری‌های پیشرفته همچنان به ظهور خود ادامه می‌دهند. باتری‌ها برقی شدن جهان و تحول صنایع و پتانسیل هرچه بیشتر را برای فناوری فراهم کرده‌اند.
مقدمه‌ای بر فناوری باتری
به زبان ساده، زندگی در دنیای مدرن بدون باتری امکان پذیر نخواهد بود. از دستگاه‌های حیاتی مثل ضربان‌ساز گرفته تا تلفن همراه، باتری‌ها انرژی بسیاری از دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل در اطراف ما را تامین می‌کنند.
آنها همچنین بتازگی به وسایل نقلیه الکتریکی راه پیدا کرده‌اند و برای آینده بعنوان سیستم‌های ذخیره انرژی تجدید پذیر معرفی می‌شوند. آنها منبع مناسب و قابل حمل انرژی الکتریکی را فراهم می‌کنند و به ما امکان می‌دهند در ارتباط بمانیم، کارآمدتر باشیم و با وجود شارژ مجدد، آینده پایدارتری را ممکن می‌سازند.
علاوه بر این، باتری‌ها برای استفاده در خارج از شبکه بسیار مهم هستند چون تامین برق را در مناطق ایزوله ممکن می‌کنند. آنها در واکنش به بلایا حیاتی هستند چون منابع انرژی جایگزین را برای تاسیسات مهم مثل بیمارستان‌ها، سیستم‌های ارتباطی و روشنایی اضطراری فراهم می‌کنند.
چون نوآوری در فناوری باتری باعث پیشرفت در صنایع مختلف می‌شود، کارشناسان دائما در تلاش‌اند تا با افزایش چگالی انرژی، کاهش زمان شارژ و افزایش طول عمر کلی، عملکرد باتری را بهبود ببخشند. پیشرفت‌های صورت گرفته در این زمینه دارای مزایای متعددی است. از جمله بهبود دستگاه‌های الکترونیکی برای مشتریان، تسهیل خودروهای برقی و گنجاندن منابع انرژی تجدیدپذیر در شبکه برق.
اخیراً تمرکز جدیدی بر تحقیق و توسعه فناوری باتری صورت گرفته است و باتری‌های لیتیوم یونی پیشرفت‌های قابل توجهی در فرآیندهای تولید و استفاده از مواد جدید داشته‌اند که منجر به چگالی انرژی بالاتر و قابلیت‌های شارژ سریع‌تر می‌شود.
علاوه بر این، تحقیقات مداومی در مورد شیمی باتری‌های جایگزین، مثل باتری‌های حالت جامد و لیتیوم-گوگرد، وجود دارد که پتانسیل امیدوارکننده‌ای برای پیشرفت‌های بیشتر در آینده ارائه می‌دهند.
انواع باتری‌ها
۱. باتری‌های اولیه
باتری اصلی یک منبع تغذیه ساده و راحت برای دستگاه‌های قابل حمل مثل چراغ‌ها، دوربین‌ها، ساعت‌ها، اسباب بازی‌ها و رادیو است. با این حال، آنها را نمی‌شود دوباره شارژ کرد و پس از استفاده باید دور انداخته شوند.
باتری‌های اولیه مقرون به صرفه، سبک وزن هستند و به نگهداری کمی نیاز دارند. آنها عمدتاً در اشکال و اندازه‌های مختلف ساخته می‌شوند ولی معمولا شکل استوانه‌ای آنها در لوازم خانگی بکار می‌رود. انواع باتری‌های قدیمی‌تر مثل باتری‌های قلیایی، روی-کربن و باتری‌های جیوه‌ای در این گروه قرار می‌گیرند.
۲. باتری‌های ثانویه
باتری ثانویه یا شارژی، می‌تواند بعد از تخلیه به صورت الکتریکی شارژ شود. با عبور جریانی از باتری‌ها در جهت مخالف تخلیه آنها، می‌شود آنها را به وضعیت اولیه خود بازگرداند.
انواع مختلفی از باتری‌های ثانویه وجود دارند که رایج‌ترین‌شان عبارتند از:
- باتری‌های سرب اسیدی (سیلد اسید)
- باتری‌های نیکل کادمیوم
- باتری‌های نیکل-هیدرید فلز
- باتری‌های لیتیوم یون
- باتری‌های سدیم یون
۱. باتری‌های لیتیوم یون: غالبا مورد استفاده در وسایل نقلیه الکترونیکی و الکتریکی قابل حمل
این باتری‌ها به دلیل چگالی انرژی بالا بطور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند و انرژی بیشتری نسبت به باتری‌های قلیایی و سایر باتری‌ها ذخیره می‌کنند. مثل خیلی از باتری‌ها، سبک وزن و ایده آل برای استفاده سنگین هستند. آنها در دمای شدید عملکرد خوب و عمر مفیدی در حدود یک دهه دارند و بطور بالقوه خیلی قابل اشتعال‌اند.
باتری‌های لیتیومی نسبت به سایر باتری‌های غیرقابل شارژ دارای امتیاز میلی‌آمپر ساعت (mAh) بالاتری هستند و در اندازه‌های قلمی، نیم قلمی و ۹ ولت موجود هستند. با برد ۳۴۰۰-۲۷۰۰+ میلی‌آمپر ساعت، یک باتری لیتیومی قلمی می‌تواند برای مدت طولانی، حتی با استفاده زیاد، دوام بیاورد.
باتری‌های لیتیوم یون دارای چگالی انرژی خیلی بالایی هستند و نیازی به تعمیر و نگهداری منظم ندارند. با این حال، به دلیل خطر انفجار در صورت استفاده از شارژر معمولی، به یک دستگاه شارژ لیتیوم یون خاص نیاز است.
۲. باتری‌های سرب اسید: غالبا مورد استفاده در خودروها و برنامه‌های برق پشتیبان
این باتری‌ها پرمصرف‌ترین باتری‌های قابل شارژند که در سایزهای مختلف از سلول‌های مهر و موم شده کوچک با ظرفیت ۱ آمپر ساعت تا سلول‌های بزرگ با ظرفیت ۱۲۰۰۰ آمپر ساعت هستند.
باتری‌های سرب اسیدی کاربردهای متعددی دارند، از جمله باتری‌های استارت، برق و احتراق (SLI) برای صنعت خودروسازی، ذخیره‌سازی انرژی، برق اضطراری، وسایل نقلیه الکتریکی و هیبریدی، سیستم‌های ارتباطی و سیستم‌های روشنایی اضطراری. طیف وسیع کاربردهای باتری‌های سرب اسید به دلیل محدوده ولتاژ گسترده، اشکال و اندازه‌های مختلف، هزینه کم و نگهداری آسان آنهاست.
راندمان الکتریکی این باتری‌ها معمولاً بین ۸۰-۷۵٪ است که آنها را برای ذخیره انرژی در منابع تغذیه بدون وقفه (UPS) و وسایل نقلیه الکتریکی مناسب می‌کند.
۳. باتری‌های نیکل کادمیوم: شناخته شده به دلیل قابلیت اطمینان و دوام
باتری‌های نیکل کادمیوم، معمولاً در اسباب‌بازی‌ها، دوربین‌های دیجیتال، چراغ قوه و سایر دستگاه‌های پر مصرف مثل مته‌های برقی استفاده می‌شوند و در اندازه های استاندارد قلمی، نیم قلمی، C و کتابی موجود هستند. برخلاف باتری‌های قلیایی، باتری‌های نیکل کادمیوم یک ولتاژ ثابت را تا زمانی که به طور کامل تخلیه شوند حفظ می‌کنند.
خرید آنها ارزان است ولی سریع تخلیه می‌شوند. از ویژگی‌های منفی آنها این است که تمایلی به نگهداری طولانی مدت ندارند و قبل از شارژ مجدد لازم است کامل تخلیه شوند. آنها همچنین حاوی فلزات سمی‌اند و نیاز به دفع تخصصی دارند. اگرچه این باتری‌ها دارای ولتاژ پایین ۱.۲ ولت هستند، اما با قدرت عمل می‌کنند.
۴. باتری‌های نیکل متال هیدرید: مورد استفاده در وسایل نقلیه هیبریدی و دستگاه‌های قابل حمل
این باتری‌ها که چگالی انرژی بالایی دارند و فقط می‌توانند حدود ۵۰۰ بار شارژ شوند، ممکن است بهترین انتخاب برای کاربردهایی مثل هشدار دود، کنترل از راه دور تلویزیون یا ساعت نباشند.
باتری نیکل متال هیدرید نسبت انرژی به حجم نسبتاً بالایی دارد، به طور کلی نسبتاً دوستدار محیط زیست است و می‌تواند با شارژ کامل، انرژی مورد نیاز را تامین کند. باید قبل از اولین استفاده شارژ کامل شوند و شارژ بیش از حد می‌تواند ظرفیت آنها را کاهش دهد.
۵. باتری‌های سدیم یون: یک فناوری در حال ظهور
باتری سدیم یون شبیه باتری لیتیوم یونی است که به جای یونهای لیتیوم، از یونهای سدیم بعنوان حامل شارژ استفاده می‌کند؛ اما اصول کار و ساخت هر دو تقریباً یکسان است.
این باتری‌ها به دلیل هزینه کمتر، در دسترس بودن بیشتر و کاهش اثرات زیست محیطی به عنوان جایگزینی بالقوه برای فناوری لیتیوم یون هستند. در این باتری به جای لیتیوم و مس از سدیم و آلومینیوم ارزان و فراوان استفاده می‌شود.
اجزای اصلی باتری
باتری‌ها از یک آند، کاتد و الکترولیت تشکیل شده‌اند که یک جداکننده برای جلوگیری از تماس دارند و معمولاً برای نگهداری بهتر و ایمنی دارای یک لایهء پوششی‌اند. هر دو آند و کاتد از انواع الکترود و رسانا هستند که الکتریسیته از طریق آنها به یک جزء در مدار وارد یا از آن خارج می‌شود.
۱. آند
وقتی جریان معمولی به آندِ مدار وارد شود، الکترون‌ها از آن خارج می‌شوند. در یک باتری، واکنش آند و الکترولیت الکترون‌هایی ایجاد می‌کند که مایل‌اند به کاتد حرکت کنند اما تا زمانی که مدار کامل نشود نمی‌توانند از الکترولیت یا جداکننده عبور کنند.
۲. کاتد
الکترون‌ها از طریق یک مدار خارجی در یک دستگاه به داخل کاتد جریان می‌یابند. در باتری‌ها، کاتد با استفاده از الکترون‌های تولید شده در آند، تحت یک واکنش شیمیایی قرار می‌گیرد.
۳. الکترولیت
ماده‌ای است که یون‌ها را بین آند و کاتد حمل و جریان الکترون را مهار می‌کند تا به راحتی از مدار خارجی عبور کند.
الکترولیت برای عملکرد باتری ضروری است و چون الکترون‌ها نمی‌توانند از آن عبور کنند، از طریق هادی‌های الکتریکی در مداری حرکت می‌کنند که آند را به کاتد متصل می‌کند.
۴. جداکننده
جداکننده‌ها که از تماس آند و کاتد و ایجاد اتصال کوتاه جلوگیری می‌کنند، می‌توانند از پنبه، نایلون، پلی استر، مقوا یا فیلم‌های پلیمری مصنوعی ساخته شوند. یونهای موجود در الکترولیت می‌توانند بارهای مثبت یا منفی و اندازه‌های مختلف داشته باشند و جداکننده‌های خاص می‌توانند به طور انتخابی اجازه عبور یون را بدهند.
۵. پوشش باتری
بیشتر باتری‌ها به محفظه یا پوششی نیاز دارند که اجزای شیمیایی آنها را در خود جا بدهد. پوشش‌ها که به‌عنوان «محفظه» یا «پوسته» هم شناخته می‌شوند، یک ساختار مکانیکی برای نگه‌داشتن اجزای داخلی باتری هستند که می‌شود آنها را از پلاستیک، استیل، کیسه‌های لمینت پلیمری نرم و مواد دیگر ساخت.
اصول اصلی عملیات یک باتری
۱. واکنش‌های الکتروشیمیایی:
عملکرد یک باتری بر اساس واکنش‌های ردوکس یا کاهش-اکسیداسیون و شامل انتقال الکترون از یک مولکول (یا اتم) به مولکول دیگر است.
آنچه در دل باتری می‌گذرد:
آند (دشارژ):
در آند، اکسیداسیون در جایی که الکترون‌ها آزاد می شوند اتفاق می افتد. مثلا، در یک باتری کلاسیک روی-کربن، فلز روی در آند به یون روی اکسید می‌شود.
کاتد (دشارژ):
این الکترون‌ها بعدا از طریق یک مدار خارجی به کاتد جریان می‌یابند و انرژی الکتریکی را فراهم می‌کنند. در کاتد، یک فرآیند کاهشی رخ می‌دهد که طی آن یونهای مثبت، الکترون می‌گیرند. در یک باتری روی-کربن، الکترون‌های ورودی، دی اکسید منگنز را در کاتد کاهش می‌دهند.
الکترولیت
جزئی از باتری که به یون‌ها اجازه می‌دهد تا بین الکترودها حرکت کنند و در عین حال از جریان مستقیم الکترون بین الکترودهای داخل باتری جلوگیری می‌کند تا خنثی بودن شارژ در باتری حفظ شود. بعدا باتری با تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی از طریق واکنش‌های الکتروشیمیایی انرژی تولید می‌کند.
۲. فرآیندهای شارژ و دشارژ
وقتی باتری به یک دستگاه مثلا چراغ قوه متصل می‌شود، الکترون‌ها از طریق این دستگاه از آند به کاتد جریان می‌یابند و انرژی آن را تامین می‌کنند.
فرآیند شارژ باتری در اصل برعکس تخلیه است. جریان الکترون‌ها با تامین انرژی الکتریکی به باتری معکوس می‌شود و واکنش کاهش در آند و اکسیداسیون در کاتد را هدایت می‌کند. این اتفاق پتانسیل شیمیایی موجود در باتری را پر و انرژی را ذخیره می‌کند می کند. قابل ذکر است که این فرآیند برای باتری‌های شارژی مثل باتری‌های سرب اسید و لیتیوم یون اعمال می‌شود.
۳. ظرفیت، ولتاژ و چگالی انرژی
ظرفیت
ظرفیت کل شارژ ذخیره شده در باتری را که اغلب بر حسب میلی آمپر ساعت (mAh) یا آمپر ساعت (Ah) است، اندازه گیری می‌کند. ظرفیت باتری به ما می‌گوید که باتری چقدر می‌تواند جریان خاصی را ارائه دهد. برای مثال یک باتری با ظرفیت ۲۰۰۰ میلی آمپر ساعت می‌تواند جریانی معادل ۲۰۰۰ میلی آمپر را برای یک ساعت تامین کند.
ولتاژ
ولتاژ نشان دهنده اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو الکترود باتری است که بر حسب ولت اندازه گیری می‌شود و اساساً “فشاری” است که جریان الکترون‌ها را از آند به کاتد هدایت می‌کند. ولتاژ اسمیِ یک سلول باتری با ترکیب شیمیایی آن تعیین می‌شود. به عنوان مثال، یک سلول لیتیوم یون دارای ولتاژ نامی حدود ۳.۶ ولت است.
تراکم انرژی
چگالی انرژی، مقدار انرژی را اندازه می‌گیرد که باتری می‌تواند در واحد حجم ذخیره کند {بر حسب وات-ساعت در لیتر (Wh/L)}. باتری‌های با چگالی انرژی بالا برای دستگاه‌های قابل حمل مثل وسایل نقلیه الکتریکی و گوشی‌های هوشمند مطلوب‌اند چون می‌توانند انرژی بیشتری را در یک فضای کمتر ذخیره کنند.
منبع: Interesting Engineering
برای نوشتن دیدگاه باید وارد بشوید.