باتری ها چگونه کار می کنند ؟

باتری ها چگونه کار می کنند ؟

باتری یکی از پرکاربردترین و مهم‌ترین وسایلی است که در زندگی روزمره با آن سر و کار داریم .

استفاده از باتری در انواع وسایل و ابزار ها از جمله :

  • ماشین
  • تلفن‌همراه
  • لپ‌تاپ
  • پخش‌کننده موسیقی و … .

اکنون به روش عملکرد باتری دقیق می شویم و با مصرف بهینه باتری ها و انواع آن آشنا می شویم .

ساخت باتری ، نخستین بار در سال 1800 میلادی با ساختار پیشرفته کنونی شکل گرفت.

الساندرو ولتا دانشمند ایتالیایی برای نخستین بار یک پیل با نام “پیل ولتایی” ساخت .

در این پیل از دو صفحه فلزی یکی از روی و دیگری از نقره به عنوان الکترودها استفاده می‌شدند .

این دو صفحه در محلول آب نمک قرار گرفته و توسط یک صفحه مقوایی نازک از هم جدا می‌شدند .

هنگامی‌که دو سر بالایی صفحه‌های فلزی توسط سیم به هم وصل شدند، درون سیم جریان الکتریسته برقرار شد .

ولتا سعی کرد که پتانسیل الکتریکی ایجاد شده را اندازه‌گیری کند .

این پتانسیل الکتریکی همان ولتاژ نام گرفت که بعد از او با واحد” ولت” سنجیده می‌شود .

آنچه که امروز به نام باتری می‌شناسیم در واقع همان پیل ولتایی در شکل جدیدتر و پیشرفته‌تر است .

عملکرد باتری ها

باتری چگونه کار می کند ؟

باتری با اکسیداسیون و واکنش کاهش یک الکترولیت با فلزات کار می کند .

هنگامی که دو ماده فلزی متفاوت به نام الکترود در یک الکترولیت رقیق شده قرار می گیرد بسته به وابستگی الکترون الکترود ها در واکنش اکسداسیون و کاهش شرکت می کنند .

در نتیجه واکنش اکسیداسیون ، یک الکترود منفی به نام کاتد باردار می شود و به دلیل واکنش کاهش ، الکترود دیگر بار مثبت دار گرفته که همان آند است .

کاتد ترمینال منفی و آند ترمینال مثبت را تشکیل می دهند .

هنگامی که دو فلز متفاوت در یک الکترولیت غوطه ور می شوند ، اختلاف پتانسیل بین دو قطب ایجاد می شود .

زمانی که ترکیبات خاص به آب اضافه و حل می شود یون های مثبت و منفی تولید می شوند .

که به این محلول ترکیب الکترولیت گفته می شود .

نمونه های محلول الکترولیت بسیار رایج هستند ، انواع نمک ، اسید و … می باشند .

انرژی آزاد شده هنگام پذیرش الکترون توسط یک اتم خنثی به عنوان انرژی خروج شناخته می شود .

از آنجا که ساختار اتمی مواد مختلف است میل الکترون یا انرژی خروج مواد متفاوت خواهد بود .

اگر دو فلز در همان محلول الکترولیت غوطه ور شوند یکی از آن ها الکترون را دریافت و دیگری آزاد می کند .

کدام فلز الکترون را دریافت و دیگری آزاد به وابستگی با میل الکترونی این فلزات بستگی دارد .

فلز با میل به الکترون کم یون منفی را بدست می آورد .

از طرف دیگر فلز با میل الکترون بالا ، الکترون را آزاد می کند و این الکترون ها در محلول الکترولیت بیرون می آیند و به یون های مثبت محلول اضافه می شوند .

به این ترتیب یکی از آن ها الکترون بدست آورده و دیگری از دست می دهد .

در نتیجه تفاوت در غلظت الکترون بین این دو فلز به وجود خواهد آورد .

این اختلاف غلظت باعث ایجاد اختلاف پتانسیل در بین فلزات می شود .

این اختلاف پتانسیل به عنوان ولتاژ در هر مدار الکتریکی مورد استفاده است .

این یک اصل کلی و اساسی باتری است که به این ترتیب باتری کار می کند .

 

انواع باتری‌ها

باتری‌ها در دستگاه‌های مختلفی استفاده می‌شوند.

باتری‌ها به دو دسته اولیه (Primary) و ثانویه (Secondary) تقسیم می‌شوند .

در باتری‌های اولیه با مصرف مواد شیمیایی داخل باتری ، عمر باتری به پایان می‌رسد ، در حالی‌که باتری‌های ثانویه قابلیت شارژ مجدد دارند.

در باتری‌های ثانویه، با وصل کردن باتری مصرف شده به جریان الکتریسته ، ترکیب شیمیایی مواد داخل باتری به حالت اولیه بازگشته و امکان استفاده مجدد از باتری فراهم می‌شود .

با این حال به دلایلی چون  :

خوردگی داخلی

از دست رفتن ماده الکترولیت و مواد فعال داخل باتری

این نوع باتری‌ها را تنها به تعداد معین و محدود می‌توان شارژ مجدد کرد .

نوع اول : باتری اولیه

در این باتری‌ها از کربن و روی به عنوان الکترود و از یک خمیر اسیدی به عنوان الکترولیت استفاده می‌شود.

این باتری‌ها، ولتاژ یک و نیم ولت تولید می‌کنند .

چرا به باتری قلیایی معروف هستند ؟

باتری‌های قلیایی (Alkaline) که توسط شرکت‌هایی چون Duracell و Energizer عرضه می‌شوند، به‌جای کربن از اکسید منیزیم استفاده می‌کنند و همان‌طور که از نام باتری پیداست، الکترولیت اسیدی با یک ماده قلیایی جایگزین شده است .

همچنین این باتری‌ها نیز خروجی یک و نیم ولت دارند.

باتری‌های یکبار مصرف که پس از تمام شدن قدرت و مواد درون آن‌ها ، باید دور ریخته شوند.

این نوع باتری برای مصرف فوری و ضروری تولید شده اند .

این باتری ها برای  دستگاه های سبک و قابل حمل که نیاز به شدت جریان آن ها اندک است تولید می شوند .

مانند : ساعت‌ها و کنترل‌ها جزو این دسته از دستگاه‌ها هستند.

باتری‌های ارزان قیمت AA ، C و باتری‌های خشک نوع D ، در این دسته قرار می‌گیرند.

باتری

نوع دوم : باتری‌ ثانویه

این نوع همان باتری‌های معروف و پر کاربرد قابل شارژ هستند.

نمونه‌ای از باتری‌های قابل شارژ که سرب و اکسید سرب ، الکترودها و یک اسید قوی، الکترولیت آن‌را تشکیل می‌دهد باتری اتومبیل ها هستند .

در باتری‌های نیکل- کادمیوم (NiCd)، کادمیوم و هیدروکسید نیکل نقش الکترود را داشته و الکترولیت آن هیدروکسید پتاسیم است.

باتری‌های NiCd قادرند شدت جریان بسیار بالایی را تولید کنند و با شدت جریان بسیار بالا می‌توان آن‌ها را در مدت زمان کوتاهی شارژ کرد .

این باتری‌ها از یک عیب بزرگ به نام اثر حافظه (Memory Effect) رنج می‌برند.

زمانی‌که شارژ یک باتری NiCd به‌طور کامل تمام نشده باشد و اقدام به شارژ مجدد آن شود، دانه‌های کریستالی درون باتری تبلور یافته و رشد می‌کنند.

این دانه‌ها، ظرفیت باتری را کاهش داده و حذف آن‌ها از باتری نیز دشوار است .

باتری‌های نیکل- هیدرید فلزی(NiMh) جایگزین بسیار مناسبی برای باتری‌های NiCd هستند، چرا که خصوصیات مشابه آن‌ها را داشته و از اثر حافظه نیز رنج نمی‌برند.

هر دوی این باتری‌ها، خروجی 2/1 ولت دارند.

تمام باتری‌های قابل شارژ‌، اگر مدت زمان طولانی استفاده نشوند، مقداری از شارژ خود را از دست می‌دهند.

برای مثال، وقتی از یک باتری NiMh برای مدت 6 ماه استفاده نشود بین 20 تا 50 درصد شارژ خود را از دست خواهد داد.

میزان هدر رفت شارژ به عواملی چون دمای نگهداری باتری بستگی دارد.

باتری‌های لیتیوم-یون (Li-ion) به‌طور گسترده در لپ‌تاپ‌ها و تلفن‌های همراه استفاده می‌شوند.

این باتری‌ها از لیتیوم و کربن به عنوان الکترود استفاده می‌کنند.

نسبت توان ذخیره شده به وزن باتری در این نوع باتری‌ها بسیار بالا بوده و سرعت از دست دادن شارژ به‌خاطر عدم استفاده نیز بسیار پایین است.

باتری‌های قابل شارژ نظیر NiMH، معمولا به صورت بدون شارژ به فروش می‌رسند و برای استفاده باید ابتدا شارژ شوند.

با این حال برخی از مدل‌های جدید این باتری‌ها با شارژ به فروش می‌رسند.

نوع سوم : باتری‌ پیشرفته

بهترین عملکرد و متفاوت را با این نوع باتری ها می توان تجربه کرد .

تولیدکنندگان باتری همیشه در راه بهبود باتری‌ها، استفاده از مواد شیمیایی جدیدتر با ظرفیت بالاتر و کاهش اندازه و وزن باتری‌ها حرکت کرده‌اند.
برای مثال Energizer ادعا می‌کند که باتری‌های سری Ultimate Lithium این شرکت، با دوام‌ترین باتری‌های سایز AA و AAA در جهان است.

طبق اطلاعات موجود، این باتری‌ها 8 برابر باتری‌های معمولی، شارژ در خود نگه می‌دارند و یک سوم باتری‌های آلکالاین معمولی، وزن دارند.

این باتری‌ها قادرند در شرایط عملیاتی فوق‌العاده بین 40- تا 60+ درجه سانتی‌گراد کار کنند.

این باتری‌ها را تا 15 سال می‌توان نگهداری کرد.

استفاده این باتری‌ها برای دستگاه‌های پیشرفته با تکنولوژی بالا مثل دوربین‌ها، ضبط کننده‌های موسیقی، ماوس و کیبورد و دستگاه‌های قابل حمل GPS توصیه می‌شود.
شرکت معروف Duracell نیز،‌یک باتری با نام PowerPix طراحی کرده که از تکنولوژی انحصاری این شرکت با نام NiOx بهره می‌برد.

این شرکت ادعا می‌کند با این باتری‌ها می‌توانید با دوربین دیجیتالی خود بیش از 2 برابر بیشتر نسبت به باتری‌های آلکالاین معمولی عکس بگیرید.

باتری های قلمی

نکاتی برای استفاده بهینه و بهتر باتری :

  • سرعت از دست رفتن شارژ باتری در دماهای پایین،‌کم‌تر است .
  • نگهداری باتری در دماهای بسیار بالا یا بسیار پایین ، روی ولتاژ خروجی باتری تاثیر می‌گذارد.
  • باتری‌های با ترکیب شمیایی مختلف را هرگز در یک دستگاه استفاده نکنید .
  • ترکیب باتری‌های قابل شارژ و غیر قابل شارژ را نیز روی یک دستگاه نباید استفاده کرد.
  • نشتی باتری به شدت سوزش‌آور بوده و نباید در تماس با پوست قرار گیرد.
  • برای رسیدن به بالاترین کارآیی، باتری‌های قابل شارژی که برای مدت طولانی استفاده نشده‌اند را قبل از استفاده، حتما شارژ کنید.
  • اگر قرار باشد تا دستگاهی برای مدت طولانی استفاده نشود، باتری‌های آن‌را خارج کنید .

عملکرد کلی باتری ها :

باتری وسیله‌ای است که انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند.

تمامی باتری ها دارای قطب مثبت و قطب منفی در دو انتهای آن هستند .

درون باتری ها همگی همانند پیل ولتایی بوده و تنها از مواد مختلف و گوناگونی استفاده می‌کنند .

در تمام باتری‌ها از فلزات برای الکترود و از مواد دیگری که مشابه آب نمک هستند، برای الکترولیت استفاده می‌شود.

الکترودها با هم در تماس مستقیم نبوده و تنها تماس آن‌ها از طریق الکترولیت صورت می‌گیرد .

وقتی یک سیم به قطب‌های مثبت و منفی باتری وصل می‌شود جریان الکتریسته از قطب منفی به سمت قطب مثبت سیم

به حرکت در می‌آید. حرکت جریان درون سیم، در واقع حرکت الکترون‌های داخل آن است که می‌تواند وسایل الکتریکی را به کار بیندازد.

 

دیدگاه‌ خود را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

اسکرول به بالا