باتری‌ها مجموعه‌ای از یک یا چند سلول هستند که با ایجاد واکنش‌های شیمیایی باعث جریان الکترون‌ها درمدار می‌شوند. تمام آنها از سه جزء اصلی ساخته شده‌اند:
یک آند (طرف -)، یک کاتد (طرف +) و بعضی از انواع الکترولیت (ماده‌ای که با آند و کاتد واکنش شیمیایی ایجاد می‌کند).
زمانی که آند و کاتد به یک مدار متصل می‌شوند، میان آند و الکترولیت واکنش شیمیایی اتفاق می‌افتد. این واکنش ها باعث می‌شوند الکترون‌ها درون مدار جریان یابند و به درون کاتد، که واکنش‌های شیمیایی دیگر نیز در آن اتفاق می‌افتد، باز گردند.
هنگامی که تمام مواد کاتد و آند استفاده می‌شوند و دیگر واکنش ندارند، باتری دیگر نمی‌تواند برق تولید کند. در این حالت می‌گوییم “مرده” است. این نوع باتری ها ” باتری‌های اولیه” و “باتری‌های آلکالاین” نامیده می‌شوند و به باتری‌هایی که قابلیت شارژ مجدد دارند ” باتری‌های ثانویه” و “باتری‌های لیتیومی” گفته می‌شود.
اگر باتری‌ها وجود نداشتند، کوادکوپتر (پرنده بی‌سرنشین 4 ملخه – quadcopter) را باید به دیوار متصل می‌کردید، یا مجبور بودید خودروتان را مانند قدیم با هندل دستی روشن می‌کردید یا بدتر از آن دسته بازی Xbox همیشه باید با یک سیم به دستگاه متصل می‌بود. خالی از لطف نیست که اشاره کنیم بدون باتری نمی‌توانستید از بسته‌های آموزشی رباتیک روبویونیک هم استفاده کنید 🙂
باتری‌ها مانند ظرفی قابل حمل برای ذخیره برق هستند. اختراع باتری‌ها مدرن را به الکساندرو ولتا نسبت می‌دهند، اما در واقع با یک حادثه بسیار جالب در اثر تشریح یک قورباغه شروع شد.
تاریخچه باتری
چرا آن را باتری نامیدند؟
در طول تاریخ از اصطلاح باتری برای بیان و توضیح مجموعه‌ای از اشیا یا چیزهای مشابه که برای انجام کاری در یک گروه باهم همکاری می‌کنند، استفاده می‌شده، مانند رسته آتشبار (در گذشته، یگان‌های توپخانه در کنار هم قرار می‌گرفتند و عملیات را انجام میدادند که به آن Battery of Artillery می گفتند).
در سال 1749 بنجامین فرانکلین (یکی از پدران بنیان‌گذار ایالات متحده آمریکا، که در تاریخ فیزیک برای کشف‌ها و نظریه‌هایش در مورد برق شناخته شده است) اولین بار از این عبارت (باتری) برای توصیف و بیان یک سری از خازن‌هایی که برای آزمایش الکتریکی خود به یکدیگر متصل می‌کرد، استفاده نمود. بعدها این اصطلاح برای تمامی سلول‌های الکتروشیمیایی که برای تولید برق به یکدیگر متصل شده بودند، استفاده شد.
اختراع باتری
در سال 1780 یک فیزیکدان، پزشک، زیست شناس و فیلسوف ایتالیایی به نام لوگی گالوانی، یک قورباغه‌ی آویزان از یک قلابِ برنجی را تشریح کرد. هنگامی که پای قورباغه را با یک تیغ جراحی آهنی لمس کرد، پای قورباغه ناگهان تکان خورد. گالوانی در نظریه ای بیان کرد که انرژی لازم برای ایجاد آن تکان از خود قورباغه بوده، ولی یکی از همکارانش به نام آلساندرو ولتا عقیده‌ای کاملا متفاوت داشت.
ولتا بر این باور بود که تکان خوردن پای قورباغه ناشی از برخورد فلزات خیس بود. وی این آزمایش را با ابزار دیگری امتحان نمود. ولتا برای انجام آزمایش از پارچه خیس شده درون آب و نمک استفاده کرد؛ که نتیجه همان ولتاژ مشابه آزمایش پای قورباغه بود. ولتا یافته‌هایش را در سال 1791 به چاپ رساند و سپس در سال 1800 اولین باتری را ساخت و آن را پیل ولتا نامید.
پیل ولتا با دو مشکل اساسی مواجه بود:
وزن توده باعث می‌شد الکترولیت از پارچه چکه کند و خواص شیمیایی اجزا سبب می‌شد تا نتیجه کار ماندگاری کوتاهی داشته باشد: حدودا یک ساعت! تا دویست سال بعد از آن جریانات، دانشمندان و مهندسان همچنان بر روی افزایش قابلیت باتری ها کار می‌کردند.
رفع ایرادات پیل ولتا
ویلیام کروشانک (William Cruickshank) از اسکاتلند با قرار دادن پیل ولتا در کنار آن و شکل دادن Trough battery مشکل نشتی و چکه پیل ولتا را حل نمود.
مشکل دوم پیل ولتا دوام کم آن ناشی از تخریب روی بعلت ناخالصی‌ها و ایجاد حباب‌های هیدروژنی بر روی مس بود. ویلیام استورگن (William Sturgeon) در سال 1835 کشف کرد که افزودن روی به جیوه از تخریب و پوسیدگی جلوگیری می‌کند.
جان فردیک دنیل ( (John Frederic Daniell شیمیدان بریتانیایی از دومین الکترولیت که با هیدروژن واکنش می‌داد برای جلوگیری از ایجاد کاتد یا همان الکترود منفی بر روی مس استفاده نمود. باتری‌های دو الکترولیتی ساخته شده توسط آقای دنیل، سلول دنیل (Daniell Cell) نام گرفتند. این باتری‌ها به راه حل مناسب و متداولی برای بهبود قدرت شبکه تگراف تبدیل شدند.
نخستین باتری‌های قابل شارژ
در سال 1859 گاستون پلانته یک فیزیکدان فرانسوی، با استفاده از دو ورق لوله‌ای سرب خوابانده در اسید سولفوریک یک باتری ساخت. با برعکس کردن جریان الکتریکی در باتری، کنش‌های شیمیایی به حالت اولیه خود باز می‌گردند، با این روش نخستین باتری‌های قابل شارژ ساخته شدند.
بعدها، کامیل آلفونس فاور در سال 1881 ورقه‌های لوله‌ای را تبدیل به ورقه‌های مسطح نمود و با این اقدام کار تولید باتری‌ها قابل شارژ را بهبود بخشید.
سلول‌های جامد
تا سال 1800 الکترولیت‌های درون باتری مایع بودند،که حمل و جا‌به‌جایی باتری‌ها نیاز به دقت بسیاری داشت و کار ریسک پذیری بود، بعضی از انواع باتری‌ها نیز ثابت بودند و پس از اتصال به مدار هیچگاه نباید جابه‌جا می‌شدند.
در سال 1866 ژُرژ لکلانژ (مهندس برق فرانسوی) با استفاده از یک آند از جنس روی، یک کاتد دی‌اکسید منگنز و یک محلول آمونیاک کلرید برای الکترولیت، یک باتری ساخت. با وجود اینکه الکترولیت‌های باتری لکلانژ هنوز مایع بودند، ماهیت شیمیایی باتری‌ها ثابت کردند که یک گام مهم در جهت اختراع باتری خشک برداشته است.
کارل گاسنر نحوه ایجاد یک الکترولیت خارج از کلرید و گچ پاری (Plaster of Paris) را کشف کرد. وی در سال 1886 در آلمان باتری خشک جدیدی را معرفی کرد.
این باتری‌های خشک جدید را معمولا با نام باتری‌های روی-کربن می‌شاختند. این باتری‌ها تا اواخر دهه 50 بسیار محبوب شدند و به فروش بسیار زیادی دست پیدا کردند.
باوجود این که کربن واکنش شیمیایی ندارد، ولی نقش بسیار مهمی در باتری روی-کربن به عنواد یک رسانای الکتریکی ایفا می‌کند.
در دهه50 لویس اُری، پاول مارسل و کارل کُردش از Union Carbide)) اتحادیه کاربید (که بعدها با عناوین Everyday و Energizer شناخته شدند) الکترولیت آمونیاک-کلرید را با یک ماده قلیایی جایگزین کردند؛ این ماده قلیایی بر اساس فرمول شیمیایی باتری توسط والدمیر جانگز در سال 1899 ساخته شده بود.
در دهه 60 باتری‌های قلیایی به سرعت معروف شدند زیرا می‌توانستند انرژی بیشتری نسبت به باتری‌های کربن-روی در همان اندازه در خود نگه دارند و طول عمر مفیدشان بیشتر شده بود.
باتری‌های قابل شارژ قرن بیستم
در دهه 70، COMSAT باتری نیکل-هیدروژن را برای استفاده در ماهواره‌های ارتباطی توسعه داد. این باتری‌ها، هیدروژن را به صورت گاز فشرده ذخیره می‌کردند. بسیاری از ماهواره‌های ساخت بشر، مانند ایستگاه فضایی بین‌المللی، هنوز از باتری‌های نیکل-هیدروژن استفاده می‌کنند.
تحقیقات گسترده شرکت‌های باتری سازی در اواخر دهه 60 منجر به کشف باتری‌های نیکل-هیدرید فلز (NiMH) شد. این باتری‌ها در سال 1989 به بازار عرضه شدند که کوچکتر، ارزان‌تر و قابل شارژ بودند.
شرکت Asahi Chemical ژاپن در سال 1985 اولین باتری لیتیوم-یون را ساخت، و شرکت Sony اولین باتری لیتیوم-یون تجاری را در سال 1991 ساخت. چند سال بعد یعنی در دهه90 یک پوشش نرم و انعطاف پذیر برای باتری‌های لیتیوم-یون ساخته شد که باتری‌های لیتیوم-پلیمر یا LiPo را شکل داد.
البته انواع دیگر باتری نیز در این سال ها ساخته شدند ولی به دلیل ساختار شیمیایی نامناسب منسوخ شدند.
اجزا باتری
همانطور که قبلترگفتیم باتری ها از سه جزء اصلی تشکیل می‌شوند: آند، کاتد و الکترولیت.
اگر الکترولیت کافی نباشد، یک جداکننده (Separator) مسئول آن است که آند و کاتد با هم برخورد نکنند. برای ذخیره کردن این اجزا در یک باتری معمولا از نوعی پوشش استفاده می‌شود.
آند و کاتد هردو نوعی الکترود (قطب مغناطیسی) هستند. الکترودها رسانای برق ورودی و خروجی در هر یک از اجزای مدار می‌باشند.
آند Anode
قطب منفی باتری را آند می‌نامند. آند جریان الکترون‌ها را از طریق یک دستگاه که به مدار متصل است خارج می‌کند. بدین معنا است که “جریان” به سمت آند در حرکت است.
واکنش‌های شیمیایی میان آند و الکترولیت در یک باتری باعث ایجاد الکترون‌هایی در آند می‌شود. این الکترون‌ها می‌خواهند به سمت کاتد بروند ولی نمی‌توانند از سد الکترولیت یا جدا کننده بگذرند.
کاتد Cathode
الکترون‌ها از طریق یک دستگاه که به مدار متصل است به کاتد وارد می‌شوند. بدین معنا است که “جریان” از کاتد دور می‌شود.
در باتری‌ها واکنش شیمیایی درون یا دور کاتد از الکترون‌هایی که توسط آند ساخته شده است استفاده می‌شود. تنها راهی که الکترون‌ها می‌تواند به کاتد برسد از طریق یک مدار مجزا از باتری است.
الکترولیت Electrolyte
منتقل کننده یون‌ها در واکنش‌های شیمیایی میان آند و کاتد است، الکترولیت‌ها معمولا مایع یا به شکل ژل هستند. الکترولیت همچنین مانع جریان الکترون‌ها میان آند و کاتد می‌شود، تا الکترون‌ها به راحتی در مدار خارجی جریان پیدا کنند نه در خود الکترولیت.
جداکننده Separator
جداکننده ماده ای منفذ دار است که از برخورد آند و کاتد جلوگیری می‌کند، و مدار کوچکی در باتری ایجاد می‌کند. جدا کننده‌ها را از چیزهای مختلفی می‌سازند مانند کتان، پلاستیک، پلیستر، مقوا و پلیمر صنعتی. جداکننده‌ها با آند، کاتد یا الکترولیت‌ها واکنش شیمیایی ندارند.
یون‌های موجود در الکترولیت می‌توانند با بار منفی و مثبت شارژ شوند و در اندازه‌های گوناگونی مورد استفاده قرار گیرند.
پوشش Casting
اکثر باتری‌ها به پوششی برای نگه داری اجزا و محتویات شیمیایی خود نیاز دارند. پوشش رابا نام “خانه” یا “پوسته” نیز می‌شناسند. در کل به هر آنچه که محتویات سازنده یک باتری را در خود به طور منسجم نگه دارد پوشش گفته می‌شود.
پوشش باتری را می‌توان تقریبا با هر چیزی ساخت، برای مثال: پلاستیک، استیل، ورقه‌های چند لایه پلیمر نرم و غیره. در ساخت بیشتر باتری‌ها از استیل استفاده می‌شود زیرا از لحاظ الکتریکی به یکی از الکترودها متصل می‌شود.
عملکرد باتری
باتری‌ها به طور معمول برای آنکه کار کنند به چندین واکنش شیمیایی نیاز دارند. حداقل یک واکنش درون یا اطراف آند و یک یا چند واکنش اطراف کاتد رخ می‌دهد. الکترون‌هایی که نتیجه واکنش آند هستند را oxidation (اکسیده شدن) و الکترون‌های حاصل از واکنش کاتد را reduction (کاهش) می‌نامند.
اکسیده شدن آند
اکسیده شدن اولین قسمت واکنش ردو (redox) میان آند و الکترولیت است که نتیجه تولید الکترون‌های منفی است.
بعضی از واکنش‌های اکسید شدن باعث تولید یون می‌شود، مانند باتری لیتیوم-یون.
کاهش کاتد
کاهش، نیمی دیگر از واکنش ردو (redox) است که درون یا اطراف کاتد رخ می‌دهد. در برخی از باتری‌ها (مانند باتری لیتیوم-یون) لیتیوم-یون‌های حاصل از واکنش اکسید شدن درطول فرایند کاهش با بار مثبت شارژ می‌شوند.
جریان الکترون
در برخی از باتری‌ها حتی در صورت متصل نبودن باتری به مدار، برخی یا تمام واکنش‌های شیمیایی همچنان اتفاق می‌افتند. این واکنش‌ها به ماندگاری و طول عمر باتری آسیب وارد می‌کند.
این واکنش‌ها تنها زمانی رخ می‌دهند که مدار رسانای الکتریکی کاملا میان آند و کاتد قرار بگیرد. هر چه مقاومت میان آند و کاتد کمتر باشد، الکترون‌های بیشتری میانشان در جریان خواهند بود و در نتیجه واکنش‌ها سریعتر اتفاق خواهند افتاد.
سلول‌های باتری
به آند یا یک کاتدی که به وسیله الکترولیت برای تولید ولتاژ و جریان برق مورد استفاده قرار گرفته است و از هم جدا شده‌اند، سلول گفته می‌شود. با یک یا چند سلول می‌توان یک باتری ساخت، برای مثال باتری AA ،تک سلولی است و باتری مورد استفاده در خودرو شش سلولی.
تک سلولی
برخی از مدارها با باتری‌های تک‌سلولی برق‌رسانی می‌شوند، ولی باید بررسی کنید که باتری توان رساندن ولتاژ کافی را داشته باشد. اگر ولتاژ برای مدارتان خیلی زیاد یا خیلی کم باشد به یک مبدل DC/DC نیاز دارید.
سری سازی باتری‌ها
برای افزایش ولتاژ پایانه‌های باتری می‌توانید سلول‌ها را سری کنید. سری سازی یعنی سلول ها را به هم وصل کنید، اینگونه که آندِ یکی به کاتد دیگری متصل باشد.
با متصل کردن باتری‌ها به صورت سری ، ولتاژ کلی را افزایش می‌دهید. اگر ولتاژ یک سلول برای بار الکتریکی کافی باشد، برای افزایش ظرفیت می‌توانید باتری‌ها را به طور موازی به هم وصل کنید، که این عمل جریان در دسترس را نیز افزایش می‌دهد.
اگر می‌خواهید هم ظرفیت و هم ولتاژ را افزایش دهید، باتری‌ها را به هر دو روش موازی و سری به هم متصل کنید. روش موازی را با حرف p و روش سری را با حرف S نشان می‌دهند.
