باتری چیست؟

باتری چیست و چگونه عمل می‌کند؟ چه نقاط قوت و ضعفی دارد؟ در این مقاله می‌خواهیم با نقاط قوت و ضعف باتریها و نحوه عملکردشان آشنا شویم.

طبیعت به روش‌های مختلفی ازجمله احتراق، حرکت‌های مکانیکی و فتوسنتز كه در سلول‌های خورشیدی رخ می‌دهد، برای ما انرژی تولید می‌کند. انرژی الکتریکی در یک باتری شيميايي از طریق واکنش الکتروشیمیایی بین دو فلز با دو قطب مختلف تولید می‌شود. هنگامی که فلز‌ها در اسید قرار می‌گیرند، ولتاژی در دو سر فلزها به سبب انتقال یون‌ها شکل مي‌گیرد و جریان الکتریکی در مداری که بسته شده جاری مي‌شود.

ساده‌ترین نوع باتری را مي‌توان با استفاده از یک لیموترش ساخت. همان‌طور که در شکل زیر نشان داده‌شده است با فروکردن یک میخ با روكشي از جنس روی و یک سکه مسی درون لیموترش، یک اختلاف پتانسیل الکتریکی (ولتاژ) به وجود خواهد آمد. البته این باتری قادر به تولید انرژی الکتریکی چندانی نیست. سیستم انتقال جریان الکتریکی باتری ضعیف است و اتصال بار الکتریکی سبب افت ولتاژ خواهد شد. منبع تولید انرژی الکتریکی از خود لیمو نیست، بلکه ناشی از تغییرات شیمیایی است که به سبب حل شدن روی، درون اسید یا همان آب لیمو رخ داده است.

اين آزمايش معمولاً برای درک بهتر نحوه عملکرد باتری انجام می‌شود. الكترود‌هاي باتري بصورت يك ميخ با روكش روي و يك سكه از جنس مس است. آب ليمو به عنوان يك الكتروليت عمل مي‌كند و منجر به وقوع يك واكنش شيميايي مي‌شود.

   76/0- = پتانسيل الكتريكي استاندارد روي

   34/0 = پتانسیل الكتريكي استاندارد مس

   10/1 ولت = پتانسیل الكتريكي سلول به همراه مسير هدايت كننده

المان‌هايي كه بيشترين پتانسیل الكتريكي منفي را دارند به عنوان الكترود كاتد و المان‌هايي كه داراي بيشترين پتانسیل الكتريكي مثبت هستند، به عنوان الكترود آند باتري در نظر گرفته مي‌شوند. اختلاف بين پتانسيل دو الكترود آند و كاتد مشخص كننده ولتاژ دو سر ترمينال‌هاي باتري خواهد بود. براي اينكه باتري عملاً قابليت شارژ مجدد داشته باشد، لازم است واكنش شيميايي درون باتري به‌صورت معکوس‌پذیر باشد. بنابراين، واكنش شيميايي بين تركيبات مختلف نبايد مواد فعال را مصرف كند كه همين محدوديت سبب پيچيدگي انتخاب الكترود مناسب براي باتري قابل شارژ مي‌شود.

توان الكتريكي به‌صورت حاصلضرب جريان الكتريكي در ولتاژ محاسبه مي‌شود. به افتخار آقاي جيمز وات كه در قرن هجدهم موتور بخار را اختراع كرد، واحد اندازه‌گیری توان را “وات” نام‌گذاری کرده‌اند. مقدار انرژي كه يك باتري مي‌تواند درون خود ذخيره كند، بر اساس وات-ساعت (Wh) بيان مي‌شود.

تمامي منابع انرژي داراي محدوديت‌هايي هستند و توان الكتريكي بايد به گونه اي كنترل شود تا مانع اعمال اضافه بار شود. دوچرخه سوار شكل زير را در نظر بگيريد كه بهترين دنده را براي انتقال توان به نيروي حركتي چرخ‌ها انتخاب نموده است. در جاده صاف، با انتخاب دنده بالاتر مي‌توان با اعمال يك گشتاور پدال نسبتاً متعادل به سرعت بالايي دست پيدا کرد، كه آن را مي‌توان به “ولتاژ بالا” تشبيه نمود. در موقع بالا رفتن از يك تپه، گشتاور پدال زیاد می‌شود درحالی‌که سرعت حركت كاهش مي‌یابد. مشابه وضعيتي كه ولتاژ باتري كاهش يافته ولي جريان بار افزايش مي‌يابد. متناسب با گشتاور مورد نياز برحسب نيوتن متر (Nm)، پدال‌‌ها دوچرخه سوار را مجبور به اعمال نيروي بيشتري مي‌كنند.

انرژي عبارت است از حاصل‌ضرب توان در زمان و واحد اندازه‌گیری آن وات-ساعت (Wh) است. به عبارت دیگر مي‌توان گفت كه توان عبارت است از مقدار انرژي در واحد زمان.

شاخص اندازه گيري ظرفيت باتري به‌صورت آمپر-ساعت (Ah) تعريف مي‌شود كه نشان دهنده ميزان شارژ الكتريكي است كه يك باتري مي‌تواند در خود نگه دارد. چيزي شبيه به آب داخل يك مخزن، انرژي ذخيره شده در يك باتري نيز مي‌تواند به آرامي يا به سرعت تخليه شود. به عبارت ديگر، مقدار انرژي ذخيره شده در يك باتري را مي‌توان به مقدار آبي كه گنجايش يك مخزن اجازه ذخيره شدن آن را مي‌دهد، تعبير نمود. در اين صورت سرعت خروج آب، معادل توان الكتريكي باتري خواهد بود.

ابعاد فيزيكي باتري بر اساس حجم برحسب ليتر(l) و نيز وزن باتري برحسب كيلوگرم (kg) مشخص مي‌شود. شاخصه‌هاي مهم باتري عبارتند از ميزان انرژي قابل ذخيره در هر كيلوگرم وزن (Wh/kg)، چگالي توان (W/l) و توان مخصوص (W/Kg). رده بندي اغلب باتري‌ها بر اساس Wh/Kg است كه نشان می‌دهد، به ازاي هر كيلوگرم وزن باتري چه مقدار انرژي در آن قابل ذخيره است. شاخص Wh/l نيز بيانگر ميزان انرژي در هر ليتر از حجم باتري است.

کارخانه‌های سازنده معمولاً باتري‌ها را مطابق با نياز مشتري طراحي و ارائه مي‌كنند. انواع مختلف باتري‌هاي كوچك تلفن‌هاي همراه و باتري‌هاي بزرگ خودرو‌هاي الكتريكي نمونه‌هاي بارزي از چگونگي تطابق با نياز مشتري است. باتري‌هايي كه براي نياز‌هاي معمول ساخته مي‌شوند، داراي اندازه كوچك و قيمت ارزان هستند. درحالي‌كه، هدف اصلی ساخت و طراحی باتري‌هاي صنعتي، ارائه باتری‌هایی با کیفیت و طول عمر بالا است. نكته مهم اين است كه در انواع مختلف كاربرد‌ها، ايمني مهمترين مشخصه لازم باتري محسوب می‌شود.

ساختار باتری

در اين قسمت می‌خواهیم ساختار باتري‌هايي كه در زندگي روزمره استفاده می‌کنیم را بررسي کنیم. به طور کلی، يك باتري الكتروشيميايي از سه جز به نام‌هاي كاتد، آند و الكتروليت (در نقش كاتاليزور شيميايي) تشكيل شده است. هنگام شارژ باتري، توده‌اي از يون‌هاي مثبت در سطح تماس كاتد با الكتروليت تشكيل مي‌شود. در نتيجه الكترون‌ها به سمت كاتد شروع به حركت مي‌كنند و يك اختلاف پتانسيل الكتريكي (ولتاژ) بين كاتد و آند ايجاد مي‌‌شود. در زمان دشارژ باتري، جريان الكتريكي از سمت قطب مثبت كاتد به سمت بار الكتريكي متصل به باتري جاري شده و از سر ديگر بار الكتريكي به آند باتري برگشت داده مي‌شود. در زمان شارژ، جهت جريان معکوس است.

هر باتري داراي دو مسير مجزا است. مسير اول همان مدار الكتريكي است كه از طريق آن الكترون‌ها جاري شده و بار الكتريكي خارجي متصل به باتري را تغذيه مي‌كنند. مسير دوم در داخل باتري توسط عبور يون‌ها بين دو الكترود برقرار مي‌شود. يون‌ها همان اتم‌هايي هستند كه داراي كمبود الكترون يا داراي الكترون اضافي هستند و بدين ترتيب داراي بار الکتریکی هستند. درون باتري يك جداكننده براي ايجاد ايزولاسيون الكتريكي بين دو الكترود وجود دارد كه البته به‌گونه‌ای است كه مانعي براي حركت آزادانه يون‌ها محسوب نمي‌شود.

الكترود آند و كاتد

الكترودي كه در زمان دشارژ باتري الكترون آزاد مي‌كند را آند و الكترودي كه الكترون جذب مي‌كند را كاتد مي‌ناميم. نماد مداري باتري در شكل زير نشان داده شده است. آند باتري هميشه منفي و كاتد همواره مثبت است.  اما به نظر می رسد که اين مطلب قانون را نقض می‌کند، چرا كه آند، ترمينالي است كه جريان الكتريكي به سمت آن جاري مي‌شود. اگر به یک ديود يا باتري در حال شارژ نیز دقت کنید، متوجه می شوید که همین‌گونه عمل می‌کند، در حالیكه تخليه انرژي ذخيره شده در باتري در زمان دشارژ، سبب منفي شدن آند مي‌شود. لذا، از آنجایی که باتري به عنوان يك منبع ذخيره انرژي بشمار می‌رود، آند همواره منفي است.

آند در يك باتری ليتيم يون (‌‌Li-ion)‌ از جنس كربن است. هرچند در باتری های ليتيم-فلز (lithium-metal) وضعيت برعكس است و در اين باتری ها كاتد از جنس كربن و آند از جنس فلز ليتيم است. به جز برخي موارد استثنا، معمولاً باتري‌هاي ليتیم-فلز قابل شارژ مجدد نيستند.

در جداول زير خصوصيات باتري‌هاي متداول ارائه شده است.

الكتروليت و صفحات جداكننده

عامل فعال كننده جريان يون‌ها در داخل يك باتری ، الكتروليت است. الكتروليت در داخل يك سلول بسته آزادانه بين الكترودهای باتری در حركت است. صفحات جداكننده درون باتري نوعي ايزولاسيون الكتريكي بين دو الكترود آند و كاتد ايجاد مي‌كند، البته به گونه اي كه مانعي براي حركت آزادانه يون‌ها ايجاد نشود.

در این مقاله سعی کردیم که به نقاط قوت و ضعف، ساختار و چگونگی عملکرد باتری‌ها بپردازیم. همچنین باتریها دارای یکسری مشخصات فنی هستند که در صورتیکه دوست دارید در مورد آنها بدانید می توانید به مقاله آن در همین سایت مراجعه کنید.
ما همیشه سعی می کنیم تا به کمک شما مطالب را مرتباً به روز کنیم و به اشتراک بگذاریم. از این رو برای ارتقای هر چه بیشتر این مقاله، زیر پست نظرات، پیشنهاد‌ها و سؤالات خود مطرح کنید.