انواع باتری(۱)

در گذشته، تنها راه تولید انرژی قابل حمل، استفاده از بخار یا سوخت بود. پس از اختراع باتری، زندگی راحت‌‌تر از قبل شد. امروزه، همه به دنبال دستگاه‌‌های قابل حمل هستند تا کارهای روزانه خود را آسان‌‌تر انجام دهند. در این صورت، باتری‌‌ها قادر به رفع نیاز تولید انرژی در کاربردهای قابل حمل هستند. شاید باتری‌‌ها نسبتاً کوچک و کند به نظر بیایند، اما همین باتری‌های می‌‌توانند به یک نیروگاه کوچک تبدیل شوند. ایده تولید نیروی قابل حمل چیز جدیدی نیست و حتی انسان ماقبل تاریخ نیز با استفاده از هیزم و سوخت‌‌ها آن را تولید می‌‌کرد. می‌‌توان گفت که باتری‌‌ها یک روش فوری برای تولید نیرو هستند. در این آموزش، انواع باتری ها را معرفی خواهیم کرد.

انواع گوناگونی از باتری‌‌ها در بازار عرضه می‌‌شود. همه این باتری‌‌ها بر اساس تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی کار می‌‌کنند. در ادامه، درباره انواع باتری‌‌ها، طرز کار و کاربرد آنها بحث خواهیم کرد اما قبل از آن ابتدا نگاهی به تاریخچه باتری‌‌ها می‌‌اندازیم

تاریخچه باتری‌‌ها

در سال ۱۸۰۰ میلادی، آلساندرو ولتا (Alessandro Volta) دریافت که هنگام استفاده از یک مایع خاص به عنوان رسانا، می‌‌توان به صورت مداوم برق تولید کرد. این کشف منجر به ساخت نخستین پیل ولتایی یعنی باتری شد. اختراع باتری توسط ولتا، عصر جدیدی را برای آزمایش باتری آغاز کرد. تعدادی از دانشمندان برای ساخت باتری‌‌ها آزمایش‌های گوناگونی را انجام دادند. اما تعداد کمی از آن‌ها توانستند به نتیجه برسند. آلساندرو ولتا و جان فردریک دانیل (John Frederic Daniell) دو دانشمندی بودند که به ترتیب پیل‌‌های ولتایی و دانیل را ساختند.

پیل ولتایی

پیل ولتایی برای تولید انرژی الکتریکی از واکنش شیمیایی استفاده می‌‌کند. آند و کاتد مخالف یکدیگر ساخته می‌‌شوند. در آند اکسایش و در کاتد کاهش روی می‌‌دهد. برای تکمیل مدار، پل نمکی در بین آن‌ها ایجاد می‌‌شود. بخش‌‌هایی که در آن اکسایش و کاهش صورت می‌‌گیرد، نیم‌‌سلول نامیده می‌‌شوند. برای هدایت جریان الکترون‌‌ها نیز از یک مدار خارجی استفاده می‌‌شود.

پیل ولتایی که توسط ولتا ابداع شد، خیلی قابل حمل نبود و معایب بسیار زیادی داشت. پس از آن، پیل دانیل که توسط جان فردریک دانیل طراحی شد، محبوب گشت.

پیل دانیل

پس از اختراع پیل ولتایی، پیل دانیل به عنوان منبعی از الکتریسیته معروف شد. در این نوع پیل، یک ظرف به دو قسمت تقسیم می‌‌شود. این شکاف توسط یک غشای نفوذپذیر نسبت به یون‌‌ها ایجاد می‌‌گردد. در یکی از قسمت‌‌ها، الکترودِ روی در محلول سولفاتِ روی و در قسمت دیگر، الکترود مس در محلول سولفات مس فرو برده می‌‌شود. این پیل تا زمانی که سولفات مس یا روی را مصرف می‌‌کند، قادر به تولید جریان است. جان دانسر (John Dancer) این آزمایش را ادامه داد و اولین باتری با طراحی متخلخل (پرمنفذ) را ابداع کرد.

در سال ۱۸۵۹، باتری سرب-اسید توسط گاستون پلانته (Gaston Plante) اختراع شد. این باتری به دلیل اینکه قابلیت شارژ شدن داشت، مورد توجه مردم قرار گرفت. طراحی ساده این باتری، امکان شارژ مجدد را به وسیله معکوس کردن شارش جریان به باتری می‌‌دهد. این باتری هنوز هم در بسیاری از کاربردها مانند باتری‌‌های اتومبیل، وسایل نقلیه موتوری و غیره مورد استفاده قرار می‌‌گیرد. علاوه بر این، باتری لکلانشه (Leclanche Battery) با طراحی خشک و بدون هیچ گونه الکترولیت مایعی توسط کارل گسنر (Carl Gessner) اختراع شد. شکل زیر این باتری را نشان می‌دهد.

این اختراع، استفاده از باتری را بسیار آسان کرد، زیرا مشکل سرریز شدن و جهت استفاده در این نوع باتری وجود نداشت. علاوه بر این، باتری نیکل-کادمیوم ابداع شد که یک باتری قلیایی شناخته می‌‌شد. در دهه ۱۹۷۰، بیشتر باتری‌‌های لیتیومی اختراع شدند تا در وسایل قابل حمل مورد استفاده قرار گیرند

شیمی عمومی باتری

یک باتری دارای سه لایه‌‌ی کاتد، آند و جداکننده است. لایه منفی باتری، آند و لایه مثبت آن، کاتد نامیده می‌‌شود. هنگامی که یک بار الکتریکی به باتری اضافه شود، جریان از آند به کاتد شارش می‌‌یابد. به طور مشابه، هنگامی که شارژر باتری را وصل کنیم، جریان در جهت مخالف یعنی از کاتد به آند شروع به شارش می‌‌کند.

هر باتری بر اساس یک واکنش شیمیایی، یعنی واکنش اکسایش-کاهش کار می‌‌کند. این واکنش بین کاتد و آند و از طریق جداکننده (الکترولیت) رخ می‌‌دهد. در نتیجه، یک الکترود به علت واکنش اکسایش به صورت منفی باردار می‌‌شود. این الکترود، کاتد نام دارد. الکترود دیگر به علت واکنش کاهش به صورت مثبت باردار می‌‌شود که آن را آند می‌‌نامند. هنگامی که دو نوع فلز مختلف در محلول الکترولیت یکسانی فرو برده شوند، یکی از الکترودها الکترون می‌‌گیرد و دیگری الکترون از دست می‌‌دهد.

در نتیجه، یکی از فلزها الکترون می‌‌گیرد و دیگری الکترون از دست خواهد داد. این اختلاف در تراکم الکترون دو فلز، بین فلزها اختلاف پتانسیل الکتریکی ایجاد می‌‌کند. این اختلاف پتانسیل می‌‌تواند به عنوان منبع ولتاژ در هر وسیله الکتریکی استفاده شود. یون‌‌ها فقط از طریق جداکننده جریان می‌‌یابند و جداکننده تمام حرکات از آند به کاتد را مسدود می‌‌کند. بنابراین، تنها راه دریافت جریان خارجی، از طریق پایانه‌‌های باتری است.

شکل زیر چند نماد مربوط به باتری‌ها را نشان می‌دهد.