در مبانی باتری، اصطلاح باتری (battery) به مجموعه ای از یک یا چند سلول الکتروشیمیایی گفته می شود که با انجام واکنش های شیمیایی می تواند جریان الکتریکی را در درون مدار تولید کند. باتری ها به منظور تامین انرژی مورد نیاز دستگاه های الکتریکی همچون تلفن همراه، ماشین حساب، لپتاپ، رادیو، ساعت، سمعک، ضربان ساز قلب، چراغ قوه، اسباب بازی ها و سایر وسایل الکترونیکی کاربرد دارند. به عبارت دیگر، هیچ یک از این وسایل، بدون باتری قابل استفاده نیستند. در گذشته، واژه باتری فقط برای دستگاه هایی با چند سلول الکتروشیمیایی بکار برده می شد، اما امروزه، این کلمه همچنین برای دستگاه هایی که تنها از یک سلول ساخته شده اند نیز مورد استفاده قرار می گیرد.
باتری چیست
برای نخستین بار، اصطلاح باتری در سال ۱۷۴۹ میلادی توسط بنجامین فرانکلین (Benjamin Franklin)، جهت توصیف یک سری خازن که به منظور انجام آزمایشات الکتریکی به یکدیگر وصل کرده بود، بکار برده شد. این اصطلاح، سپس برای تمام سلول های الکتروشیمیایی که جهت تامین نیروی الکتریکی به یکدیگر متصل شده اند، مورد استفاده قرار گرفت. در سال ۱۷۸۹ میلادی، الساندرو ولتا (Alessandro Volta) دانشمند ايتاليايی برای اولین بار يک پيل به نام پيل ولتايی قابل حمل ساخت که باتری های امروزی در حقیقت همان پيل ولتايی در ظاهری جديد و پيشرفته تر هستند.
باتری ها مولد هایی هستند که با انجام واکنش های شیمیایی می توانند انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل نمایند. عمر باتری به مشخصات ساختاری و همچنین نوع استفاده از آن بستگی دارد و ممکن است بین چند ساعت تا حتی چند هفته باشد.
تمامی باتری ها از سه جز اصلی، یک آند (Anode)، یک کاتد (Cathode) و یک الکترولیت (Electrolyte) تشکیل شده اند. در باتری ها، سر مثبت کاتد و سر منفی آنها آند است. جهت جلوگیری از اتصال کاتد با آند، بیشتر از یک جدا کننده بهره می برند. در نهایت و برای نگه داشتن این سه جز در کنار هم، نوعی پوشش استفاده می شود.
کاتد و آند
کاتد و آند به وسیله جریان الکتریکی تعریف می شوند و در حقیقت نوعی الکترود هستند. الکترود ها رسانا هایی محسوب می شوند که از طریق آنها، جریان الکتریسیته وارد یک مدار شده و همچنین از آن خارج می شود. قطبی از باتری که با علامت منفی مشخص می شود، منبع الکترون بوده که این الکترون ها از طریق یک مدار الکتریکی خارجی به سمت قطب مثبت آن جریان دارند. به بیان ساده تر، در مبانی باتری به الکترود منفی، آند و به الکترود مثبت کاتد گفته می شود. لازم به ذکر است که جهت حرکت الکترون ها، صرف نظر از نوع سلول و یا شیوه عملیاتی آن، همیشه از سمت آند به سمت کاتد است.
کاتد در یک مجموعه دو الکترودی در داخل یک محلول الکترولیت، الکترودی است که الکترون می گیرد. به عبارت دیگر، جریان الکتریکی از آن خارج می شود (جریان الکتریکی به طور قراردادی عکس جهت حرکت الکترون در نظر گرفته می شود). از این جهت، در باتری هایی که در حال شارژ شدن باشند، کاتد قطب منفی است، در حالیکه در باتری در حال دشارژ شدن (در حال مصرف شدن) قطب مثبت خواهد بود. از طرف دیگر، آند در یک مجموعه دو الکترودی در درون یک محلول الکترولیت، الکترودی است که الکترون از دست می دهد. به بیان دیگر، جریان الکتریکی به آن وارد می شود. از این رو، در باتری هایی که در حال شارژ شدن باشند، آند قطب مثبت است، در حالیکه در باتری در حال دشارژ شدن (در حال مصرف شدن) قطبی منف خواهد بود.
الکترولیت
در علم شیمی، الکترولیت به ماده حل شده یک محلول آبی گفته می شود که رسانایی الکتریکی آن از آب خالص بیشتر باشد. به بیان دیگر، این ماده باعث آزاد شدن یون های حل شده در حلال می گردد که می تواند به حالت ژل یا مایع باشد. در مبانی باتری ها، از الکترولیت ها به عنوان منبع شیمیایی جهت ایجاد جریان الکتریسیته بهره می برند. در عین حال، الکترولیت مانع از جریان الکترون بین قطب های آند و کاتد باتری ها می شوند. با این کار سبب جریان راحت تر الکترون ها در مدار خارجی خواهد شد. با توجه به نوع جریان الکتریکی مورد نیاز (ضعیف یا قوی)، باتری ها از الکترولیت های مختلفی استفاده می کنند. از رایج ترین الکترولیت ها می توان به سدیم کلراید، سدیم استات، اسید نیتریک، اسید سولفوریک، اسید هیدروکلریک و غیره اشاره کرد.
جداکننده ها
جدا کننده ها در حقیقت مواد متخلخلی محسوب می شوند که مانع از اتصال کوتاه در درون باتری (اتصال آند و کاتد به یکدیگر) خواهند شد. دقته داشته باشید که این مواد با هیچ یک از اجزای باتری مانند آند، کاتد و یا الکترولیت واکنش شیمیایی نمی دهند. جداکننده ها از مواد سازنده مختلفی همچون پنبه، پلی استر، نایلون، لایه های پلیمر مصنوعی و مقوا ساخته می شوند.
محفظه یا پوشش
همانطور که بیان شد، اغلب باتری ها نیاز به پوششی دارند تا اجزای مختلف آنها در کنار هم نگه داشته شوند. این محفظه در واقع، تنها یک ساختار مکانیکی است که با هدف نگه داشتن اجزای داخلی یک باتری، مورد استفاده قرار می گیرد. به بیان دیگر، به منظور ایزوله کردن سلول الکتروشیمیایی از محیط بیرون، فراهم کردن ایمنی و همچنین راحتی در استفاده، سلول الکتروشیمیایی را درون یک بسته یا کیس خارجی (case) قرار می دهند. در ساخت پوشش باتری ها می توان از فولاد، پلاستیک، کیسه های ورقه ای پلیمر نرم و سایر مواد استفاده کرد.
مبانی عملکرد باتری ها
همانطور که بیان شد، باتری ها از یک یا چند سلول الکتروشیمیایی کوچک داخلی تشکیل شده اند. همچنین هر سلول دارای دو نیم سلول است. باتری ها برای کارکرد، به چندین واکنش شیمیایی نیاز دارند. در حقیقت، حداقل یک واکنش شیمیایی در درون یا نزدیکی آند و یک یا چند واکنش شیمیایی در درون یا نزدیکی کاتد اتفاق می افتد. انتقال یون ها میان واکنش های انجام شده در قطب های آند و کاتد بر عهده الکترولیت است. به بیان ساده تر، مبانی باتری ها بر اساس یک واکنش شیمیایی (واکنش اکسایش- کاهش) کار می کند. لازم به ذکر است که نیم واکنش اکسایش، در آند (الکترون های اضافی تولید می شود) و نیم واکنش کاهش، در کاتد (استفاده از الکترون های اضافی) رخ می دهد.
دو الکترود کاتد و آند در الکترولیت غوطه ور می باشند. در اینجا، یون ها در اثر واکنش شیمیایی اکسایش، میان الکترولیت و آند آزاد می شوند. الکترون ها در محلول الکترولیت حرکت می کنند. با حرکت الکترون ها، جریان الکتریکی ایجاد خواهد شد. در واقع با انباشته شدن الکترون ها در اطراف آند، آنها از طریق سیمی که میان آند و کاتد گذاشته شده است، به سمت کاتد حرکت می کنند. این حرکت الکترون ها سبب بوجود آمدن جریانی الکتریکی می گردد که در نهایت می تواند برق دستگاه های متصل به این سیم را تامین نماید.
نگاهی دقیق تر به چگونگی عملکرد باتری ها
جالب است بدانید که دو الکترود باتری، از دو ماده مختلف ساخته می شوند. در واقع، رسانایی الکتریکی این دو ماده باید حتما با هم فرق داشته باشد. بدین شکل که یکی از دو الکترود، تمایل به جذب الکترون و دیگری تمایل به از دست دادن الکترون داشته باشند. واضح است که اگر الکترودها جنس یکسان و مشابه ای داشته باشند، هیچ جریانی شارش پیدا نخواهد کرد.
به بیان بهتر، الکترون های تشکیل شده به طرف الکترود منفی حرکت می کنند. در این حالت، یون های مثبت در درون الکترولیت جا‌به‌جا می شوند. پس الکترون ها از طریق الکترود منفی و همچنین سیم رسانا در مدار شارش پیدا خواهند کرد. این الکترون های جریان یافته در مدار الکتریکی، به الکترود مثبت وارد می شوند. در این صورت، جذب یون های مثبت موجود در الکترولیت می شوند. همانطور که مشخص است، الکترون و یون ها به وسیله واکنش های شیمیایی که در الکترولیت اتفاق می افتد در جریان اند.