باتری چیست

باتری منبع انرژی الکتریکی است که از یک یا چند سلول الکتروشیمیایی با اتصالات خارجی[1] برای تامین انرژی دستگاه های الکتریکی تشکیل شده است. هنگامی که باتری در حال تامین برق است، ترمینال مثبت آن کاتد و ترمینال منفی آن آند است.[2] پایانه ای که علامت منفی دارد، منبع الکترون هایی است که از طریق یک مدار الکتریکی خارجی به سمت ترمینال مثبت جریان می یابد. هنگامی که یک باتری به یک بار الکتریکی خارجی متصل می شود، یک واکنش ردوکس، واکنش دهنده های پرانرژی را به محصولات کم انرژی تبدیل می کند و اختلاف انرژی آزاد به عنوان انرژی الکتریکی به مدار خارجی تحویل می شود. از لحاظ تاریخی اصطلاح "باتری" به طور خاص به دستگاهی اطلاق می شود که از سلول های متعدد تشکیل شده است. با این حال، استفاده از دستگاه‌هایی که از یک سلول تشکیل شده‌اند تکامل یافته است.[3]

باتری های اولیه (یک بار مصرف یا "یک بار مصرف") یک بار استفاده می شوند و دور انداخته می شوند، زیرا مواد الکترود به طور برگشت ناپذیری در حین تخلیه تغییر می کنند. یک مثال معمول باتری قلیایی است که برای چراغ قوه و بسیاری از دستگاه های الکترونیکی قابل حمل استفاده می شود. باتری های ثانویه (قابل شارژ) را می توان چندین بار با استفاده از جریان الکتریکی اعمال شده تخلیه و شارژ کرد. ترکیب اصلی الکترودها را می توان با جریان معکوس بازیابی کرد. به عنوان مثال می توان به باتری های سرب-اسید مورد استفاده در وسایل نقلیه و باتری های لیتیوم یونی مورد استفاده برای وسایل الکترونیکی قابل حمل مانند لپ تاپ و تلفن همراه اشاره کرد.

باتری‌ها اشکال و اندازه‌های مختلفی دارند، از سلول‌های مینیاتوری که برای تامین انرژی سمعک و ساعت‌های مچی استفاده می‌شوند تا، در بزرگ‌ترین حالت، بانک‌های باتری بزرگ به اندازه اتاق‌هایی که برق آماده به کار یا اضطراری را برای مبادلات تلفن و مراکز داده رایانه فراهم می‌کنند. باتری ها انرژی ویژه (انرژی در واحد جرم) بسیار کمتری نسبت به سوخت های معمولی مانند بنزین دارند. در خودروها، این تا حدودی با راندمان بالاتر موتورهای الکتریکی در تبدیل انرژی الکتریکی به کار مکانیکی در مقایسه با موتورهای احتراقی جبران می شود.
بنجامین فرانکلین برای اولین بار در سال 1749 زمانی که در حال انجام آزمایشات با الکتریسیته با استفاده از مجموعه ای از خازن های لیدن متصل شده بود، از اصطلاح "باتری" استفاده کرد. [4] فرانکلین تعدادی از کوزه ها را در آنچه که او به عنوان "باتری" توصیف کرد، گروه بندی کرد و از اصطلاح نظامی برای عملکرد سلاح ها با هم استفاده کرد. [5] با ضرب تعداد شناورهای نگهدارنده، بار قوی‌تری می‌توان ذخیره کرد و توان بیشتری در هنگام تخلیه در دسترس بود.

الساندرو ولتا، فیزیکدان ایتالیایی، اولین باتری الکتروشیمیایی، شمع ولتایی را در سال 1800 ساخت و توصیف کرد.[6] این مجموعه ای از صفحات مس و روی بود که توسط دیسک های کاغذی آغشته به آب نمک جدا شده بودند و می توانستند جریان ثابتی را برای مدت زمان قابل توجهی تولید کنند. ولتا متوجه نشد که ولتاژ به دلیل واکنش های شیمیایی است. او فکر می‌کرد که سلول‌هایش منبعی پایان‌ناپذیر انرژی هستند[7] و اثرات خوردگی مرتبط با الکترودها به جای پیامدهای اجتناب‌ناپذیر عملکرد آن‌ها، همانطور که مایکل فارادی در سال 1834 نشان داد، فقط یک مزاحمت است.[8]

اگرچه باتری‌های اولیه برای مقاصد آزمایشی ارزش زیادی داشتند، [9] در عمل ولتاژ آن‌ها در نوسان بود و نمی‌توانستند جریان زیادی را برای یک دوره پایدار فراهم کنند. سلول دانیل، که در سال 1836 توسط شیمیدان بریتانیایی جان فردریک دانیل اختراع شد، اولین منبع عملی الکتریسیته بود که به یک استاندارد صنعتی تبدیل شد و به‌عنوان منبع انرژی برای شبکه‌های تلگراف الکتریکی مورد استفاده گسترده قرار گرفت.[10] این شامل یک دیگ مسی پر از محلول سولفات مس بود که در آن یک ظرف سفالی بدون لعاب پر از اسید سولفوریک و یک الکترود روی غوطه ور بود.[11]

این سلول‌های مرطوب از الکترولیت‌های مایع استفاده می‌کردند که در صورت عدم استفاده صحیح، مستعد نشت و ریزش بودند. بسیاری از ظروف شیشه ای برای نگهداری اجزای خود استفاده می کردند که آنها را شکننده و بالقوه خطرناک می کرد. این ویژگی ها سلول های مرطوب را برای وسایل قابل حمل نامناسب می کرد. نزدیک به پایان قرن نوزدهم، اختراع باتری های سلول خشک، که الکترولیت مایع را با خمیر جایگزین می کرد، وسایل الکتریکی قابل حمل را کاربردی کرد.[12]
باتری‌ها در دستگاه‌های لوله خلاء در گذشته از سلول مرطوب برای باتری "A" (برای تامین انرژی رشته) و یک سلول خشک برای باتری "B" (برای تامین ولتاژ صفحه) استفاده می‌کردند.[نیازمند منبع]
آینده
بین سال‌های 2010 و 2018، تقاضای باتری سالانه 30 درصد رشد کرد و در مجموع به 180 گیگاوات ساعت در سال 2018 رسید. به طور محافظه‌کارانه، انتظار می‌رود که نرخ رشد در حدود 25 درصد حفظ شود و تقاضا در سال 2030 به 2600 گیگاوات ساعت برسد. انتظار می رود کاهش هزینه ها باعث افزایش بیشتر تقاضا تا 3562 گیگاوات ساعت شود.[13]
دلایل مهم برای این نرخ بالای رشد صنعت باتری‌های الکتریکی عبارتند از: برق‌رسانی حمل‌ونقل، [13] و استقرار در مقیاس بزرگ در شبکه‌های برق، [13] که توسط حرکت‌های انسانی ناشی از تغییرات آب و هوایی از منابع انرژی احتراق شده با سوخت فسیلی پشتیبانی می‌شود. به منابع پاک تر، تجدید پذیر و رژیم های انتشار دقیق تر.
باتری‌های الکتریکی توزیع‌شده، مانند باتری‌های مورد استفاده در وسایل نقلیه الکتریکی باتری (خودرو به شبکه)، و در ذخیره‌سازی انرژی خانگی، با اندازه‌گیری هوشمند و که برای پاسخگویی به تقاضا به شبکه‌های هوشمند متصل هستند، شرکت‌کنندگان فعال در شبکه‌های تامین برق هوشمند هستند. 14] روش‌های جدید استفاده مجدد، مانند استفاده سطحی از باتری‌های نیمه استفاده‌شده، به کاربرد کلی باتری‌های الکتریکی می‌افزاید، هزینه‌های ذخیره‌سازی انرژی را کاهش می‌دهد و همچنین اثرات آلودگی/انتشار را به دلیل عمر طولانی‌تر کاهش می‌دهد. در استفاده سطحی از باتری‌ها، باتری‌های الکتریکی وسایل نقلیه که ظرفیت باتری آن‌ها به کمتر از 80 درصد کاهش می‌یابد، معمولاً پس از 5 تا 8 سال خدمت، برای استفاده به عنوان منبع پشتیبان یا سیستم‌های ذخیره انرژی تجدیدپذیر استفاده می‌شوند.[15]
ذخیره انرژی در مقیاس شبکه، استفاده در مقیاس بزرگ از باتری ها برای جمع آوری و ذخیره انرژی از شبکه یا نیروگاه و سپس تخلیه آن انرژی در زمان بعدی برای ارائه برق یا سایر خدمات شبکه در صورت نیاز را در نظر می گیرد. ذخیره انرژی در مقیاس شبکه (چه کلید در دست یا توزیع شده) اجزای مهم شبکه های منبع تغذیه هوشمند هستند.[16]
باتری ها انرژی شیمیایی را مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. در بسیاری از موارد، انرژی الکتریکی آزاد شده تفاوت در انرژی‌های پیوستگی [17] یا پیوند فلزات، اکسیدها یا مولکول‌هایی است که تحت واکنش الکتروشیمیایی قرار می‌گیرند. به عنوان مثال، انرژی را می توان در روی یا لیتیوم که فلزات پرانرژی هستند ذخیره کرد، زیرا برخلاف فلزات واسطه با پیوند الکترون d تثبیت نمی شوند. باتری ها به گونه ای طراحی شده اند که واکنش ردوکس مطلوب انرژی تنها زمانی رخ دهد که الکترون ها در قسمت خارجی مدار حرکت کنند.

یک باتری از تعدادی سلول ولتایی تشکیل شده است. هر سلول از دو نیم سلول تشکیل شده است که به صورت سری توسط یک الکترولیت رسانا حاوی کاتیون های فلزی به هم متصل شده اند. یک نیم سلول شامل الکترولیت و الکترود منفی است، الکترودی که آنیون ها (یون های دارای بار منفی) به آن مهاجرت می کنند. نیمه سلول دیگر شامل الکترولیت و الکترود مثبت است که کاتیونها (یونهای دارای بار مثبت) به سمت آنها مهاجرت می کنند. کاتیون ها در کاتد کاهش می یابند (الکترون ها اضافه می شوند) در حالی که اتم های فلز در آند اکسید می شوند (الکترون ها حذف می شوند).[18] برخی از سلول ها از الکترولیت های مختلف برای هر نیم سلول استفاده می کنند. سپس از یک جداکننده برای جلوگیری از اختلاط الکترولیت ها استفاده می شود و در عین حال به یون ها اجازه می دهد بین نیم سلول ها جریان پیدا کنند تا مدار الکتریکی کامل شود.

هر نیم سلول دارای یک نیروی الکتروموتور (emf، اندازه گیری شده در ولت) نسبت به یک استاندارد است. emf خالص سلول، تفاوت بین emfs نیم سلول‌های آن است.[19] بنابراین، اگر الکترودها دارای emfs باشند
displaystyle{Delta V_{bat}} در پایانه‌های یک سلول به عنوان ولتاژ پایانه (تفاوت) شناخته می‌شود و بر حسب ولت اندازه‌گیری می‌شود.[21] ولتاژ پایانه سلولی که نه شارژ می شود و نه دشارژ، ولتاژ مدار باز نامیده می شود و برابر با emf سلول است. به دلیل مقاومت داخلی، [22] ولتاژ پایانه سلولی که در حال تخلیه است از نظر بزرگی کوچکتر از ولتاژ مدار باز است و ولتاژ پایانه سلولی که در حال شارژ است از ولتاژ مدار باز بیشتر است.[23] یک سلول ایده آل دارای مقاومت داخلی ناچیزی است، بنابراین ولتاژ پایانه ثابتی را حفظ می کند
{mathcal {E}} تا زمانی که تمام شود، سپس به صفر می رسد. اگر چنین سلولی 1.5 ولت را حفظ می کرد و بار یک کولن تولید می کرد، در صورت تخلیه کامل، 1.5 ژول کار می کرد.[21] در سلول های واقعی، مقاومت داخلی تحت تخلیه افزایش می یابد [22] و ولتاژ مدار باز نیز در هنگام تخلیه کاهش می یابد. اگر ولتاژ و مقاومت در برابر زمان رسم شوند، نمودارهای حاصل معمولاً یک منحنی هستند. شکل منحنی با توجه به شیمی و آرایش داخلی استفاده شده متفاوت است.

ولتاژ ایجاد شده در پایانه های یک سلول به آزاد شدن انرژی واکنش های شیمیایی الکترودها و الکترولیت آن بستگی دارد. سلول های قلیایی و روی-کربن دارای ترکیبات شیمیایی متفاوتی هستند، اما تقریباً EMF یکسان 1.5 ولت است. به همین ترتیب، سلول‌های NiCd و NiMH دارای ترکیب شیمیایی متفاوتی هستند، اما تقریباً EMF یکسان 1.2 ولت هستند.[24] تغییرات پتانسیل الکتروشیمیایی بالا در واکنش‌های ترکیبات لیتیوم به سلول‌های لیتیوم 3 ولت یا بیشتر می‌دهد.[25]

تقریباً هر جسم مایع یا مرطوبی که دارای یون کافی برای رسانایی الکتریکی باشد، می تواند به عنوان الکترولیت یک سلول عمل کند. به عنوان یک چیز جدید یا علمی، می توان دو الکترود ساخته شده از فلزات مختلف را در یک لیمو، [26] سیب زمینی، [27] و غیره وارد کرد و مقدار کمی برق تولید کرد.

یک شمع ولتایی را می توان از دو سکه (مانند نیکل و یک پنی) و یک تکه حوله کاغذی آغشته به آب نمک درست کرد. چنین شمع ولتاژ بسیار کمی تولید می کند، اما، زمانی که بسیاری از آنها به صورت سری روی هم قرار می گیرند، می توانند باتری های معمولی را برای مدت کوتاهی جایگزین کنند.[28]
منبع: https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_battery