باتری چیست ؟ بخش دوم

باتری چیست ؟ و چگونه کار میکند؟ (بخش دوم)

باتری چیست ؟ و چگونه کار میکند؟ بخش دوم در بخش اول این مقاله در رابطه چیستی و چگونه کار میکند نوشتیم، در اینجا قصد داریم کمی تخصصی تر این موضوع را بررسی کنیم.

انواع باطری

در مقاله گذشته در رابطه با باطری‌های قابل شارژ و یک بار مصرف توضیح دادیم، این نوع دسته بندی اصلی ترین نوع محسوب می شود اما باطری‌ها را بر اساس اندازه، ولتاژ و ظرفیت (مقدار انرژی که ذخیره می کنند) نیز تقسیم بندی می کنند.

باتری‌های یک بار مصرف به عنوان باتری اولیه معروف است همانطور که از عنوانش پیداست قابلیت شارژ ندارد. باتری‌های قابل شارژ را باتری‌های ثانویه می گویند، عموما یک باتری ثانویه صدها بار قابل شارژ شدن است.

عملیات شارژ شدن باتری ثانویه به این شکل است که یک جریان را در جهت مخالف باتری به او وارد می کنند (این عمل برای یک باتری اولیه امکان پذیر نیست). وقتی گوشی تلفن همراه شما در شارژ است عملا در جهت مخالف جریان باتری توسط نیروی برق جریان وارد می شود.

باتری‌های اولیه

شاید به خود فکر کنید که با وجود باتری‌های ثانویه (قابل شارژ) دیگر نیازی به باتری‌های اولیه نیست. از طرفی باتری‌های اولیه را پس از مصرف باید دور بیاندازید و با توجه به تجزیه ناپذیری باتری‌ها خطری برای کره زمین محسوب می شوند.

با این حال باتری‌های اولیه یک مزیت مهم دارند و آن هم این است که مدت زمان بیشتری شارژ می مانند. یعنی یک باتری اولیه دیرتر از یک باتری ثانویه با همان میزان ولتاژ و ظرفیت خالی می شود، این موضوع را می توانید بر روی چراغ قوه به سادگی آزمایش کنید.

بله شما با خریدن یک باتری قابل شارژ یک بار هزینه میکنید و تا مدتها همین باتری را رایگان و به سادگی شارژ می کنید، به زمین و محیط زیست هم کمک می کنید. اما گاهی شما مجبور هستید که از یک باتری اولیه استفاده کنید مثلا برای ضربان سازهای قلبی، شکافتن قفسه سینه کار ساده ایی نیست که با هر بار خالی شدن باتری بتوان این کار را انجام داد لذا شخص و پزشک ترجیح می دهند از این نوع باتری استفاده گردد.

به طور کلی سه نوع باتری اولیه وجود دارد:

1. کربن روی یا همان zinc carbon
2. قلیایی یا alkaline
3. دکمه ای یا lithium

در ادامه هر سه نوع باتری اولیه را تشریح خواهیم کرد.

باتری‌های نوع کربن روی (zinc carbon)

باتری‌هایی که به صورت روزمره مورد استفاده قرار میگیرند مثلا برای چراغ قوه از این نوع هستند. این باتری‌ها اصولا ارزان قیمت اند و به همین دلیل محبوبیت بالایی دارند.

تاریخچه ایجاد این نوع باتری به سال 1865 بر می گردد. یک مهندس فرانسوی به نام ژرژ لکلانچ باتری کربن روی را اختراع کرد به همین دلیل گاهی با نام سلولهای لکلانچ هم از آنها یاد می کنند.

در اصل نام گذاری باتری کربن روی به دلیل مکانیزم داخلی آن است، به این شکل که الکترود مثبت از یک میله کربن ساخته شده و الکترود منفی یک آلیاژ روی است، ماده الکترولیت پودر خمیری کلرید آمونیوم. هنگامیکه باتری کربن روی در مداری نصب شود واکنش‌های متفاوتی در دو الکترود مثبت و منفی روی می دهد که نتیجه آن تولید بار و جریان الکتریکی است. در الکترود منفی روی به یون‌های روی و الکترون تبدیل می شود که منبع تغذیه مدار هستند، در الکترود مثبت اکسید منگنز به به منگنز اکسید و امونیاک تبدیل می شود.

باتری‌های نوع قلیایی (Alkaline)

باتری‌های نوع قلیایی بسیار شبیه به نوع کربن روی است با این تفاوت که از سلولهای بسیار بیشتری تشکیل شده و می تواند انرژی را برای سال (یا سالها) ذخیره کند، همین امر سبب گشته که به یک منبع انرژی قوی تبدیل شود. ذخیره انرژی طولانی تر سبب گشته تا این نوع باتری گران تر باشد.

اگرچه گفته می شود که این نوع باتری همانند کربن روی است اما با استفاده از مواد و واکنش دیگری که استفاده می کند، همانند کربن روی الکترود مثبت از کربن و الکترود منفی از وی تشکیل شده اما ماده الکترولیت که درون آن‌ها قرار دارد از یک مایع  قلیایی به نام هیدوکسید پتاسیم است. نیرو تولید شده در این نوع باتری از دو واکنش شیمیایی تشکیل می شود:

• اول در الکترود مثبت اکسید منگنز به یون‌های منگنز اکسید و هیدوکسیل تبدیل می شود
• دوم در الکترود منفی روی با یون‌های هیدوکسیل واکنش نشان می دهد و سبب می شود که الکترون‌هایی که مدار را فعال می کنند، آزاد شوند.

باتری‌های سکه ای (Lithium)

نوع سکه ای یا دکمه ایی که بیشتر در ساعت کوارتز و سمعک استفاده می شوند، به همان روش قلیایی با مواد و الکترولیت مشابه کار می کنند، اما برخی از آنها از لیتیوم و مواد الکترولیت عالی استفاده می کنند و از طریق واکنش‌های شیمیایی متفاوتی تولید انرژی می کنند.

با دقت به یک باتری سکه ای نگاه کنید، بخش مرکزی بالا الکترود منفی را تشکیل می دهد که از روی یا لیتیوم ساخته شده است، قسمت پایینی و بیرونی الکترود مثبت را تشکیل می دهد که معمولا از اکسید منگنز، اکسید نقره یا اکسید مس ساخته شده است. قبلا در بعضی موارد برای بخش الکترود مثبت از اکسید جیوه و گرافیت ساخته می شد، اما به دلیل سمی بودن جیوه این نوع منسوخ شد.

باتری‌های ثانویه یا قابل شارژ

تا قبل از زیاد و فراگیر شدن وسایل همراه قابل حمل همانند لپ تاپ و موبایل استفاده از باتری‌های قابل شارژ معمول نبود. چراکه تا قبل از آن باتری‌ها عموما برای اسباب بازی و چراغ قوه استفاده می شدند، برای این منظور باتری‌های قابل شارژ که انرژی کمتری را در خود ذخیره می کردند گزینه مناسبی به شمار نمی آمد.

در دهه 1980 و 1990 استفاده از باتری ثانویه فقط به باتری اتومیبل بسنده می شد که باتری‌های اسید سرب بودند، ولی امروزه در دست هر شخصی یک موبایل است که درونش یک باتری قابل شارژ وجود دارد. در ادامه برای معرفی انواع باتری قابل شارژ با ما همراه باشید.

باتری‌های اسید سرب

از اواخر قرن نوزدهم باتری‌های اسید سرب همراه بشریت شد. این نوع باتری شش سلول دارد که هر کدام توانایی تولید 2 ولت را دارد، یعنی باتری اسید سرب در نهایت توانایی تولید 12 ولت را دارا است. هر سلول دارای یک الکترود فلزی سرب یا همان الکترولیت منفی و دی اکسید سرب یا الکترود مثبت تشکیل می شود، یک الکترولیت اسید سولفوریک ما بین آن‌ها قرار دارد.

با هر بار تخلیه باتری هر دو الکترود با سولفات سرب پوشیده می شود و اسید سولفوریک تا حد زیادی رقیق می شود، این در حالیست که الکترون‌ها برای تامین انرژی در اطراف باتری جریان می یابند.

باتری‌های اسید سرب توانایی روشن کردن ماشین بدون میلنگ دستی را فراهم کردند. به طور معمول نیازی به شارژ باتری خودرو ندارید چراکه این کار به صورت خودکار توسط دینام خودرو انجام می گیرد.

باتری‌های اسید سرب گرچه در صنعت اتومبیل بسیار کمک کننده و باعث پیشرفت بوده اما معایبی هم دارد که در ذیل آن‌ها را لیست کرده ایم:

• نسبتا بزرگ هستند
• خیلی سنگین هستند
• گران است
• به علاوه مایع سرب سمی است و پس از استفاده که دور انداخته می شود برای محیط زیست مضر است

باتری‌های نیکل کادیوم (NiCd)

این نوع باتری جایگزینی برای باتری‌های 1.5 ولتی اولیه که بیشتر در اسباب بازی، چراغ قوه و این چنین وسایلی کاربرد دارد. باتری‌های نیکل کادیوم قیمت پایینی دارد و می توان صدها بار آن‌ها را شارژ کرد و مجددا استفاده کرد. اگر به طور صحیح از آن‌ها نگهداری کنید تقریبا یک دهه قابل استفاده هستند. نکته ایی در مورد باتری‌های نیکل کادیوم وجود دارد و آن هم این است که قبل از شارژ باید حتما تمام شارژ ذخیره شده باتری تخلیه شود و سپس اقدام شارژ مجدد نمایید، در غیر این صورت عمر موثر آن‌ها کاهش می یابد.

توجه کنید که فلز نیکل کادیوم به کار رفته در باتری‌ها سمی است، اگر آن‌ها در  محل دفن زباله قرار بگیرند به جای بازیافت مناسب می تواند محیط اطراف را سمی کند. کادیوم موجود در آن پس از پوسیدگی اطراف باتری ازاد شده و به خاک فرار می کند،نهایتا به اب‌های اطراف وارد می شود که سبب آلوده شدن آب خواهد شد.

باتری‌های نیکل هیدرید (NiMH)

در دهه 1990 نگرانی در مورد نیکل کادیوم دیگر پایان یافت چراکه باتری نیکل هیدرید تبدیل به یک جایگزین مناسب برای نیکل کادیوم شد و دیگر اثر زیست محیطی مخرب هم ندارد.

این نوع بیشتر در مواردی مانند تلفن همراه کاربرد دارد، و نیازی به تخلیه کامل جهت شارژ مجدد ندارد، همین امر سبب محبوبیت بیشتر این نوع باتری ثانویه شده است.

باطری‌های لیتیوم یونی

باطری‌های لیتیوم یونی سریع ترین باتری قابل شارژ است. امروزه از این نوع باتری در تلفن همراه، دستگاه پخش mp3 و لپ تاپ استفاده می شود. فلز لیتیوم که در این نوع باتری به کار رفته بسیار سبک است و یون‌ها را به راحتی تشکیل می دهد، بنابراین برای ساخت باتری فوق العاده عالی می باشد.

باتری لیتیوم یونی در مقابل نیکل کادیوم حدودا دو برابر انرژی بیشتری ذخیره می کند و با ولتاژ بیشتری کار می کند در ضمن با محیط زیست سازگاری بیشتری دارد اما دوام چندانی ندارد، با این وجود شما می توانید صدها بار آن‌ها را شارژ نمایید. این نوع باتری برای استفاده‌های روزمره همانند تلفن همراه که نیاز به شارژ مداوم ندارد بسیار مناسب است.

سوال >>> این نوع باتری چگونه کار میکند؟

پاسخ >>> هنگامیکه تلفن همراه یا لپ تاپ خود را به منبع تغذیه یا همان برق وصل می کنید، لیتیوم درون آن شروع به فعالیت و واکنش شیمیایی می کند. وظیفه باتری این است که با بیشترین سرعت انرژی را ذخیره کند، این کار را از طریق یک واکنش شیمیایی انجام میدهد.

در این واکنش لیتیوم یون، از یک سمت به سمت دیگر می رود و بار منفی می گیرد. هنگامیکه باتری را از شارژ خارج می کنید و با آن کار می کنید یون‌ها در خلاف جهتی که شارژ شده اند حرکت می کنند و به وسیله الکترونیکی شما انرژی می دهند تا اینکه شارژ باتری کم کم کاسته و نهایتا تمام شود.

سلول‌های سوختی

در واقع سلول‌های سوختی باتری نیستند و فقط از نظر واکنش شیمیایی و انرژی الکتریکی که تولید می کند مشابه هستند که در اینجا جای بحث در مورد روش کار سلولهای سوختی نیست.

واحد اندازه گیری باتری‌ها

وقتی باتری چراغ قوه شما تمام می شود، آن را خارج کرده و یک باتری دقیقا در همان اندازه خریداری می کنید و در مکان تعبیه شده یا اصطلاحا کیس جای می دهید.

باتری‌ها همانند یک جعبه هستند، همانطور که یک جعبه بزرگتر می تواند مواد بیشتری در خود جای دهد(چون فضای بزرگتری دارد)، یک باتری بزرگتر هم می تواند الکترولیت بیشتری در خود جای دهد. لذا الکترودهای بزرگتری دارد و می تواند انرژی بیشتری را ذخیره و ازاد کند.

تمام باطری‌های نوع C , D, AA, AAA میزان 1.5 ولت انرژی ازاد می کنند اما سایز متفاوتی دارند. باطری‌های بزرگ تر ( C,D) انرژی بیشتری نسبت به باتری کوچک تر (AA, AAA) می توانند ذخیره و ازاد کنند. واحد اندازه گیری باتری‌های کوچک ” میلی آمپر ساعت یا MAh ” و باتری‌های بزرگ ” وات ساعت یا همان Wh ” است. واحد اندازه گیری و انرژی موجود در هر باتری بر روی آن چاپ می شود.

یک اندازه گیری مهم دیگر به نام ” ولتاژ ” در باتری‌ها مشخص شده است، هر چه ولتاژ بیشتر باشد، باتری در هنگام متصل شدن به مدار انرژی بیشتری باید تولید کند. نیرویی که یک لامپ تولید یا مصرف می کند با ولتاژ آن متناسب است بنابراین یک ولتاژ بیشتر به معنای قدرت بیشتر است یعنی وسایل پر مصرف نسبت به وسایل کم مصرف به ولتاژ بالاتری نیاز دارند. به طور مثال یک مته برقی بی سیم نسبت به یک چراغ قوه که از LED استفاده می کند با ولتاژ بیشتری کار می کند.

تاریخچه مختصری از باتری

دانشمندان و مهندسان بسیاری تلاش‌های زیادی در راستای ایجاد یک منبع تغذیه کرده اند در زیر سیر تکاملی باتری را با هم دنبال می کنیم:

• سال 224 یا 250 سال قبل از میلاد: برخی از دانشمندان معتقدند در این دوره اولین باتری اختراع شده است. این نظریه به دلیل یافتن آهن، مس و گلدان خشتی در نزدیکی بغداد توسط باستان شناسان در دهه 1930 ایجاد شده است. اما برخی از مورخان به این نظریه شک دارند که این وسیله جریان الکتریکی تولید می کرده یا به عنوان یک باتری عمل می کرده است.
• 1744: در این سال جورج فون کلیست یک ظرف شیشه ایی که قسمت خارجی و بیرونی اش با فویل پوشیده شده را اختراع کرد. اگر چه این شیشه لیدن مثل یک خازن عمل می کند، اما با هدف ایجاد باتری‌هایی شبیه به باتری‌های امروزی ایجاد شده است.

• 1749: بنیامین فرانکلین (دانشمند امریکایی) اولین بار اصطلاح باتری را با کنار هم گذاشتن چند خازن به وجود اورد.

• 1800: الساندرو ولتا اولین باتری عملی را اختراع کرد. در همین دهه شیمی دان انگلیسی همفری دیوی موفق شد با استفاده از الکترولز ولتائیک مواد شیمیایی مانند سدیم و پتاسیم را از هم جدا کند.
• 1840: یک کشیش ایرلندی به نام پدر نیکلاس جوزف اقدام به ساخت بزگترین باتری آن زمان کرد. او این کار را با قرار دادن 577 سلول در کنار یکدیگر انجام داد
• 1859: پزشک فرانسوی به نام گاستون پلنته اولین باتری اسید سرب و قابل شارژ در جهان را اختراع کرد.
• 1868: ژرژ لکلانچ باتری مدرن روی و کربن را ایجاد کرد.
• 1881: مهندس فرانسوی الفسون فور باتری اسید سرب را در مقیاس بزرگتر مجددا طراحی کرد.
• 1880: در این دهه دانشمندان بسیاری به طور مستقل باتری سلولی خشک را ساخته اند، دانشمندانی نظیر:
  • فردریک دانمارکی
  • فردریک لوئیز
  • ویلهام هسلن
  • کارل گانسر آلمانی
• 1888: مدتها قبل از اینکه انرژی تجدید پذیر مفهوم پیدا کند، چالز اف برس یک توربین بادی را ساخته که قادر به شارژ بانک باتری برای تامین انرژی منزلش بوده است.
• 1949: یک مهندس کانادایی به نام لوئیس اوری باتری‌های لیتیوم و قلیایی را برای شرکت باتری سازی Evehow ساخته است.
• 1971: یک مهندس آمریکایی باتری‌هایی با ذخیره طولانی مدت برای استفاده در ضربان سازهای قلبی ایجاد کرد.
• دهه 1970: در این دهه یک دانشمند آلمانی به نام جان بگودناو توانست علم باتری لیتیومی امروزی را کشف کند. اولین باتری که با این فناوری ساخته شد در سال 1990 توسط سونی بوده است.
• 2017: جان بگودناو باتری را بر اساس لیتیوم یا شیشه سدیم اختراع کرد که در آینده جایگزین خوبی برای لیتیوم یونی خواهد بود.