باتری چیست ؟ بخش اول

باتری چیست ؟ هر آنچه در مورد باتری می توان دانست؟

دنیای بدون باتری را تصور کنید، بدون تلفن همراه، لپ تاپ و چراغ قوه چقدر زندگی کسل کننده می‌شود. اما به همینجا بسنده نمی‌شود چراکه ساعت، ماشین حساب، رادیو ترانزیستوری و درصد بالایی از روباتها نیز عملا بدون باتری کار نخواهند کرد. آنچه تا کنون گفته شد فقط کمی زندگی را سخت و کسل کننده میکند اما برای افرادی که قلبشان با باتری کار میکند زندگی غیر ممکن می‌شود. به این دسته سمعک و صندلی چرخدار را هم بیافزایید.

برای متصور شدن زندگی بدون باتری باید در زمان سفر کنیم، به یک یا دو قرن پیش بازگردیم. آن زمان تنها راه برای تولید انرژی قابل حمل یکی از دوحالت ” بخار و clockwork ” بود. باتریها که گاهی به کوچکی ناخن یک انگشت و گاهی به بزرگی صندوق عقب ماشین هستند، به ما اطمینان میدهند که هرکجا و در هر زمان انرژی ذخیره شده‌شان را در اختیار ما قرار دهند. همانطور که میدانید باتریها تاثیر بسیار مخربی بر محیط زیست میگذارند اما با این وجود ما سالانه میلیاردها دلار را بابت خرید باتری می‌کنیم. مطمئنا بدون باتری به زندگی مدرن امروزی نمی‌رسیدم و رسیدن به این زندگی مدرن تاوانی به بزرگی تخریب محیط زیست خواهد داشت…

شاید فکر کنید باتری هم به اندازه خیلی از چیزهایی که تا کنون دیده‌اید کسل کننده به نظر برسد، اما اگر این استوانه (به نظر کسل کننده) را به یک وسیله الکتریکی که برای حرکت به انرژی نیاز دارد متصل کنید، آن به حرکت در می‌آید. این حرکت را مدیون همان استوانه کوچک (باتری) است. بیایید ببینیم چه اتفاقی در آنجا می‌افتد.

باتریها به دو دسته یک بار مصرف و قابل شارژ تقسیم می‌شوند. باتریهای یک بار مصرف خیلی ارزان هستند، اما اگر شما در درازمدت به باتری نیاز دارید این نوع باتری برای شما در استفاده بلند مدت( تکرار در خرید مجدد) هزینه زیادی خواهد داشت. نوع دیگر باتریها که به قابل شارژ معروف هستند، در ابتدا کمی گران تر از نوع اول هستند، اما شما یکبار هزینه میکنید و هر دفعه آنرا فقط شارژ می‌کنید. اگر در درازمدت به باتری نیاز دارید حتما از نوع قابل شارژ تهیه کنید، چراکه علاوه بر اینکه برای شما یک باتری دائمی خواهد تاثیری در تخریب محیط زیست هم نخواهد داشت.

باتری چیست؟

باتری یک بسته قدرتمند شیمیایی است که هر کجا که نیاز داشته باشید مقدار محدودی انرژی الکتریکی تولید میکند. برق معمولی با سیمهایی که از نیروگاه شروع میشوند و به منازلمان میرسند نیروی الکتریکی را به وسیله مورد نظر انتقال میدهند. یک باتری بر خلاف برق معمولی عمل میکند و به آرامی مواد شیمیایی درونش را به نیروی الکتریکی تبدیل میکند که در طی یک دوره روزها، هفته‌ها، ماه‌ها یا حتی سالها آن را آزاد میکند.

ایده اصلی این قدرت قابل حمل چیز جدیدی نیست. مردم همیشه راهکارهایی برای تولید انرژی مورد نیازشان داشته‌اند. حتی انسان های ماقبل تاریخ می دانستند چگونه چوب را بسوزانند که انرژی موجود در چوب آزاد شود و انرژی دیگری به نام گرما با تبدیل شیمیایی (که احتراق نام دارد) به وجود آید. در انقلاب صنعتی یعنی قرن هجده و نوزده هنر تازه‌ایی را کشف کردیم. هنر سوزاندن توده‌های زغال سنگ برای به وجود آوردن انرژی بخار در لوکوموتیو (قطار) های آن زمان سبب پیشرفت بزرگی در زندگی بشر شد. جمع آوری چوب برای پخت غذا ممکن است یک ساعت طول بکشد و یک لوکوموتیو برای حرکت نیاز به چندین ساعت گرم شدن دیگ بخار دارد. اما یک باتری بلافاصله پس از نصب بر روی هر ماشین الکترونیکی قابل استفاده است. به طور مثال کافیست پس از نصب باتری بر روی ماشین شارژی خود سویچ را بچرخانید تا بلافاصله ماشین روشن شود و با سرعت حرکت کنید. به واقع باتری یک جهش در راستای رشد بشریت است.

قسمت های اصلی یک باتری چیست ؟

بخش اصلی باتری توان است که سلول نامیده می‌شود. هر سلول از سه قسمت تشکیل شده، دو عدد الکترود یا همان ترمینال الکتریکی و یک ماده شیمیایی به نام الکترولیت که در بین الکترودها وجود دارد. برای راحتی و البته ایمنی ما سلول را درون یک محفظه فلزی یا پلاستیکی بسته بندی می‌کنند. دو پایانه الکتریکی مثبت و منفی در خارج از سلول قرار دارد که با الکترودهای داخلی ارتباط دارند. شاید با خود بگویید یک باتری در کل از یک سلول تشکیل شده ویک پوسته پس چرا یک سلول را باتری نمی نامند؟ در پاسخ باید بگوییم ” یک باتری برای قدرت بیشتر از چندیدن سلول تشکیل شده است.”

هنگامیکه دو الکترود یک باتری را در مداری قرار میدهید (به طور مثال یک باتری را در یک چراغ قوه بگذارید) الکترولیت شروع به فعالیت می‌کند. به آرامی مواد شیمیایی موجود در آن به مواد دیگری تبدیل می‌شوند. هر الکترود از یونهایی (اتمهایی با تعداد الکترون خیلی کم یا خیلی زیاد) تشکیل شده است که در این واکنش شیمیایی با الکترولیت شرکت می‌کند. درحین واکنش شیمیایی الکترونها از یک ترمینال به سمت دیگری به واسطه مدار بیرونی شروع به حرکت می‌کنند و هر آنچه به باتری متصل باشد را نیرو می‌بخشد. این روند تا زمانیکه الکترولیت کاملا از بین برود ادامه می‌یابد، در نتیجه هیچ واکنش شیمیایی انجام نمی‌شود و قاعدتا الکترونی هم جابجا نمی‌شود و هیچ نیرویی را نمی‌تواند تولید کند، اصطلاحا باتری خالی شده و دیگر شارژ و نیرو لازم را ندارد.

چرا باتری از دو ماده مختلف تشکیل شده است؟

نکته ضروری در ساخت باتری استفاده از دو فلز غیر همسان برای بخش های ترمینال است. یکی از فلزهای الکترود را تولید می کند و دیگری آن را دریافت میکند. در نتیجه الکترون تولید شده به سمت فلزی که میل به دریافت دارد حرکت میکند که نتیجه این حرکت تولید نیرو است. حال اگر هر دو فلز فقط تولید الکترون را انجام دهند، و فلزی برای دریافت وجود نداشته باشد، حرکت و نیرویی حاصل نمی شود. اگر هر دو الکترود از یک ماده ساخته شوند هیچ نیرویی تولید نخواهد شد.

برای درک این موضوع باید تارخچه برق را از سال 1792 مورد بررسی قرار دهیم. دقیقا از زمانیکه لوئیچی گالوانی (دانشمند ایتالیایی) دریافت که با اندکی کمک گرفتن پای قورباغه میتواند برق تولید کند.

گالوانی با دیدن یک قورباغه مرده که دو فلز مختلف در پایش گیر کرده بود و او برای نجات خودش پاهایش را تکان داده و سبب ایجاد الکترون و حرکت به سمت فلز دیگر شده. درواقع بدن قورباغه نقش الکترولیت را بازی کرده و جریان الکتریکی را از یک سمت به سمت دیگر هدایت کرده. حالا قورباغه مرده یا زنده است فرقی نمیکند، مهم این است که گالوانی دریافت برای تولید جریان الکتریکی باید از دو فلز متفاوت استفاده کند، یک لیمو یا یک شیشه که از مواد شیمیایی مناسب پر شده باشد هم همین کار را میکند. پس از چندی هموطنهای او با نامهای ولتا و الکساندر نیز دریافتند و در ادامه تولید برق فعالیتهای خود را سمت و سو دادند.

باتری چگونه کار میکند؟

نحوه کار باتری را با یک آزمایش ساده به شما نشان میدهیم. میخواهیم یک مدار ساده با استفاده از یک قطعه سیم، یک عدد باتری و یک لامپ  بسازیم، برای این منظور باید قسمت انتهایی لامپ که فلزی است را به یک سر باتری بچسبانیم، ابتدای سیم را به سر دیگر باتری بچسبانیم و انتهای آن را به قسمت فلزی لامپ بزنیم، خواهید دید که لامپ روشن می‌شود. دلیل روشن شدن لامپ حرکت الکترون ها از طریق سیم متصل شده به لامپ و باتری است.

آند و کاتد

ترمینال مثبت باتری به یک الکترود مثبت سلول متصل شده که بیشتر در داخل باتری قرار گرفته است، این قسمت را کاتد می‌نامیم. محفظه خارجی (که عموما پلاستیک یا فلز است) و ترمینال منفی باتری به الکترود منفی سلول متصل است، این قسمت را آند می‌نامیم.

احتمالا اکنون که مطالب بالا گفته شد دچار سردر گمی شده باشید، چراکه در مدرسه اموخته ایم که کاتد به الکترود منفی گفته میشود و آند به الکترود مثبت. بله مطلبی که در مدرسه اموخته ایم صحیح است اما فقط در مواردی که برای تبدیل مستقیم برق مورد استفاده قرار میگیرند صدق میکند. با توجه به اینکه باتری برعکس روال تولید برق انرژی الکتریکی تولید میکند، از کاتد و آند بر عکس حالت عادی نام می‌بریم. توصیه میشود به جای استفاده از آند وکاتد از عبارتهای ترمینال مثبت و ترمینال منفی استفاده کنیم تا این سردرگمی پیش نیاید.

واکنش‌های شیمیایی

همانطور که پیش تر هم گفته شد بین الکترودهای مثبت و منفی ماده شیمیایی به نام الکترولیت وجود دارد، این ماده ممکن است مایع باشد اما در اکثر باتریهای معمولی یک پودر خشک است.

هنگامیکه یک لامپ را به باتری متصل میکنید و لامپ روشن می‌شود، یعنی واکنش شیمیایی آغاز شده است. یکی از  واکنش ها در الکترود منفی است که سبب می‌شود یونهای مثبت در داخل الکترولیت جریان ‌یابند و یونهای منفی به قسمت خارجی بدنه منتقل می‌شوند، که این واکنش سبب روشن شدن لامپ می‌گردد. اما واکنش دیگری نیز وجود دارد که الکترود مثبت رخ میدهد، هنگامیکه الکترون دریافتی با یون هایی که ازالکترولیت خارج میشوند دوباره با هم ترکیب شده و مدار را تکمیل می‌کنند.

الکترون ها و یونها به دلیل واکنش‌های شیمیایی موجود در باتری جریان می‌یابند. به طور معمول باتری ها برای تولید انرژی از شیوه‌ای که گفته شد استفاده می‌کنند، اما برخی از باتری ها بسته به نوع الکترود و الکترولیت شیوه‌های متفاوتی را برای واکنش های شیمیایی انتخاب میکنند. در ادامه چند نوع باتری را برای مقایسه و درک بهتر آورده‌ایم.

به تدریج با استفاده های مکرر از باتری، مواد شیمیایی درونش با مواد شیمیایی دیگری تغییر میکنند، این کار تا زمانیکه تمام مواد اولیه تبدیل شود ادامه میابد و توانایی تولید انرژی به مرور کاسته می‌شود، ولتاژ به آرامی کاهش می‌یابد تا جایی که دیگر ضربانی ندارد یا اصطلاحا باتری صاف کار میکند. اگر باتری نتواند یون مثبت تولید کند یعنی مواد شیمیایی درونش از بین رفته پس نمی‌تواند برای قسمت بیرونی هم الکترون تولید کند در نتیجه باتری دیگر قادر به تولید انرژی نخواهد بود.

این مطلب ادامه دارد…