برای آشنایی کلی درباره باتری ابتدا باید اهمیت گسترش کاربرد باتری در زندگی بشر را بدانیم. خصوصا نیاز به خودروهای الکتریکی (بدلیل مشکلات سوخت‌های فسیلی)، اهمیت پژوهش‌های کاربردی در زمینه باتری را روزبه‌روز روشن‌تر می کند. در این مقاله خلاصه‌ای از ویژگی‌های باتری مانند ظرفیت، انرژی و توان توضیح داده شده و ارتباط بین آنها بیان می‌شود.
اجزای کلیدی باتری و مشخصات ایده‌آل لازم برای این اجزاء، همچنین ارتباط ویژگی‌هایی مانند ظرفیت، توان و انرژی با عملکرد این اجزای کلیدی شرح داده می‌شود. همچنین حوزه‌های کاربردی نانوفناوری در بهبود ویژگی‌های باتری (از طریق ارتقاء عملکرد اجزای باتری) به طور خلاصه در میان مباحث بیان می‌شود. در آخر انواع باتری‌ها معرفی خواهد شد و مقایسه‌ای بین عملکرد آنها صورت می‌گیرد.
باتری چیست و چگونه کار می کند؟
باتری وسیله ای است که با تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی، بین دو نقطه اختلاف پتانسیل الکتریکی به وجود آورده و سبب شارش بارهای الکتریکی می شود. فرقی نمی کند چه نوع باتری استفاده می کنید چه باتری ماشین باشد و چه باتری دیگر وسایل الکتریکی مطلب آشنایی کلی درباره باتری تقریبا برای همه این ها صدق می کند.
همه چیز درباره باتری
آند و کاتد باتری در حالت شارژ و دشارژ
انواع مشخصات باتری
برای آشنایی کلی درباره باتری باید بدانید که هر باتری با یک سری مشخصات شناخته می‌شود. این ویژگی‌ها را به طور کلی می‌توان به دو دسته تقسیم کرد:
- دسته اول مستقیما به عملکرد باتری مرتبط هستند مانند چگالی انرژی، چگالی توان، طول عمر سیکلی
- دسته دوم ارتباط مستقیمی با عملکرد باتری ندارند مانند قیمت، اثرات زیست محیطی، ایمنی و مانند آن.
برای بیان عملکرد باتری و تاثیر نانو بر آن لازم است تا این مشخصات توضیح داده شود.
ولتاژ باتری
به مقدار ولتاژ تولید شده توسط باتری گویند که به جنس آند و کاتد به کار رفته در باتری بستگی دارد. برای باتری انواع گوناگون ولتاژ تعریف می‌شود. یکی از مشخصه‌ها، ولتاژ تئوری باتری است که تنها به جنس آند و کاتد باتری بستگی دارد و از طریق نیم‌واکنش‌های اکسایش-کاهش، با رجوع به جدول استاندارد پتانسیل الکترودها (جدول 1)، مشخص می‌شود (همان معادله نرنست).
دیگری ولتاژ مدار باز (وقتی باتری به مصرف‌کننده وصل نشده است) که مقدار آن نزدیک به ولتاژ تئوری است. مشخصه دیگر ولتاژ اسمی است، که به عنوان ولتاژی که یک باتری با آن کار می‌کند پذیرفته شده است. دیگری ولتاژ قطع (Cut-off) است که بدلیل ایمنی، از بین رفتن دایمی ظرفیت و … نباید ولتاژ باتری پایین‌تر از آن باشد.
چگالی انرژی (Energy Density)
مقدار انرژی قابل دریافت از باتری به‌ازای واحد حجم است و با واحدهایی نظیر Wh/L (وات ساعت بر لیتر) بیان می‌شود. در مقایسه بین دو باتری هر کدام که چگالی انرژی بالاتری داشته باشد، به ازای واحد حجم، انرژی بیشتری را تحویل می‌دهد.
انرژی مخصوص (Specific Energy)
دقیقا همانند قبلی ولی به ازای واحد جرم تعریف می شود (Wh/g) و همان مطالبی که برای چگالی انرژی گفته شده برای آن صادق است. به صورت مرسوم در نوشتجات، اصطلاح چگالی انرژی برای انرژی مخصوص نیز به کار می‌رود و حتی گاهی عبارت چگالی انرژی حجمی، برای چگالی انرژی تعریف شده در بند بالا استفاده می‌شود که در مطالب بیان شده در این نوشته از دو اصطلاح اخیر استفاده شده است.
توان باتری
مشابه مورد انرژی، توان قابل دریافت از باتری به ازای واحد حجم یا جرم (چگالی توان یا توان مخصوص) است. هرچه جریان یک باتری افزایش یابد متعاقبا مقدار توان تحویلی افزایش می‌یابد. بدلیل بحث‌های مربوط به ایمنی، کاهش ظرفیت، طول عمر و غیره، نمی‌توان جریان را به هر میزان افزایش داد. در این سری مقالات جهت اختصار، نام توان و انرژی به تنهایی و بدون پسوند و پیشوند ذکر شده است.
ظرفیت
مقدار بار الکتریکی ذخیره شده در باتری که قابل دریافت است را نشان می‌دهد که بر حسب واحد آمپر-ساعت بر گرم mAh/g بیان می‌شود. ظرفیت باتری در حین مصرف، تخلیه می‌شود و در حین شارژ، دوباره برمی‌گردد. ظرفیت باتری در طول دوره‌های شارژ و دشارژ (از این به بعد به اختصار سیکل) مدام از حالت اولیه کمتر می‌شود.
یعنی بعد از هر بار سیکل کاری، ظرفیت سیکل دوره بعد کاهش می‌یابد. همچنین اگر از باتری استفاده نکنیم (حالت مدار باز)، حتی در این حالت هم بدلیل واکنش‌های جانبی و … ، ظرفیت باتری کاهش می‌یابد به همین جهت هر باتری دارای تاریخ انقضاست (Shelf life).
طول عمر سیکلی
با هر بار شارژ و دشارژ باتری، مقدار ظرفیت قابل دریافت از آن کاهش می‌یابد. طول عمر سیکلی تعداد سیکل‌های شارژ و دشارژ باتری را نشان می‌دهد که بعد از آن ظرفیت باتری از حد مجاز تعیین شده کمتر می‌شود. این ظرفیت به ولتاژ قطع، ایمنی و … مرتبط است.
نرخ شارژ/نرخ تخلیه شارژ
بسیاری از باتری‌ها، به خصوص باتری‌های قدرتمند لیتیوم-یونی، برای نشان دادن بهتر ویژگی‌های باتری، جریان تخلیه الکتریکی را به صورت نرخ شارژ یا «C-Rate» معرفی می‌کنند. نرخ شارژ، نرخ تخلیه شارژ باتری مرتبط با حداکثر ظرفیت آن است.
نرخ شارژ «1C»، نشان‌دهنده جریان مورد نیاز برای تخلیه شارژ باتری در طول 1 ساعت است. به عنوان مثال، یک باتری 400 میلی‌آمپر-ساعتی که جریانی با نرخ شارژ 1C را فراهم می‌کند، 400 میلی‌آمپر جریان را در یک ساعت تأمین خواهد کرد. برای همین باتری، نرخ شارژ 5C، 2 آمپر را در مدت یک ساعت فراهم خواهد کرد.
بیشتر باتری‌ها در جریان‌هایی با نرخ شارژ بالاتر، ظرفیت خود را از دست می‌دهند. به عنوان مثال، آزمایش‌های مختلف نشان داده‌اند که سلول‌های لیتیوم-پلیمر میلی‌آمپر-ساعت کمتری را در نرخ شارژ بالاتر از خود نشان می‌دهند.
توجه: توصیه می‌شود که باتری‌های لیتیوم-پلیمری با نرخ شارژ 1C یا کمتر شارژ شوند.
این فیلم تفاوت نرخ شارژ و نرخ تخلیه شارژ را نشان می دهد.
معرفی انواع باتری
باتری ها به عنوان ذخیره ساز انرژی به سه نوع ابزار ذخیره‌سازی انرژی، باعنوان های: 1- پیل سوختی، 2- باتری و 3- ابرخازن می باشند که دارای مکانیزم الکتروشیمیایی هستند.
پیل سوختی، باتری و ابرخازن. این سه، ابزار دخیره انرژی هستند. پیل سوختی چگالی انرژی بالایی را فراهم می‌کند و ابرخازن توان بالایی را ارایه می‌دهد.
تنوع و انواع باتری‌ها بسیار زیاد است، بعضی باتری‌ها برای مصارف عمومی و بعضی جهت کاربردهای خاص مثل صنایع نظامی و پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. با توجه به این تنوع، حتی ذکر تمام این باتری‌ها نیاز به حجم گسترده‌ای از مطالب دارد. در خیلی از این باتری‌ها فناوری نانو بدون کاربرد نیست ولی با توجه به محدودیت حجم مطالب، فقط کاربردهای نانو در باتری‌های معروف و اصلی مورد بررسی قرار می‌گیرد.
باتری‌های یون لیتیومی نسل فعلی باتری‌ها
باتری‌های سرب اسید و نیکل هیدرید فلز نسل قدیمی‌تر و باتری‌های یون لیتیومی نسل فعلی باتری‌ها هستند. انواع دیگری از باتری‌ها (با شباهت زیاد به باتری لیتیوم یون) همانند سدیم یون، منیزیوم یون و … هم وجود دارند که در مقایسه با باتری‌های یون لیتیومی بیشتر در مرحله تحقیقاتی هستند. و علت مطرح شدن آنها نه تنها عملکرد بهتر، بلکه قیمت پایین‌تر است.
این نوع باتری‌ها چون از خیلی جهات یه باتری لیتیوم-یون نزدیکند، بنابراین خیلی از مطالبی که در این مجموعه مقالات باتری درباره باتری یون لیتیومی گفته می‌شود، به آنها هم قابل تعمیم است.
باتری‌های لیتیوم-سولفور، روی-هوا و لیتیوم-هوا نسل آتی باتری‌ها را به خود اختصاص می‌دهند. هدف از کاربرد باتری‌های لیتیوم-هوا جایگزینی آنها به جای سوخت‌های فسیلی در خودروهاست.
نمودار راگون
برای ارزیابی الکتروشیمیایی باتری روش‌هایی شامل گالوانواستات، ولتامتری سیکلی و اسپکتروسکوپی امپدانس الکتروشیمیایی وجود دارد که در مقالات ما نیازی به بحث درباره عملکرد آنها نیست و علاقه‌مندان می‌توانند به کتاب‌های مربوطه مراجعه کنند.
بحث و نتیجه‌گیری
در این مقاله آشنایی کلی درباره باتری را ارائه داد و بحث آند و کاتد باتری در هنگام شارژ و دشارژ معرفی شد. مشخص شد که قطب‌های مثبت و منفی همواره ثابت است. ویژگی‌های باتری مثل چگالی انرژی، توان و ظرفیت تعریف و اهمیت آنها در عملکرد باتری بیان شد. گفته شد نانوفناوری با افزایش ظرفیت آند و کاتد می‌تواند بر روی افزایش ظرفیت باتری موثر باشد. در آخر انواع مختلفی از باتری به صورت مختصری معرفی گردید.
