باتری: نیروگاه کوچک جیبی شما
باتری چگونه کار میکند؟ (از واکنش شیمیایی تا جریان الکترون)
یک باتری ساده مانند باتری کتابی قلمی، یک سیستم بسته است که اجزای اصلی آن شامل دو الکترود (قطب مثبت و منفی) و یک ماده واسط به نام الکترولیت۲ است. قطبها معمولاً از فلزات یا ترکیبات شیمیایی مختلف ساخته میشوند. وقتی باتری را در مدار یک چراغ قوه قرار میدهید، یک واکنش شیمیایی خود به خودی بین مواد موجود در قطبها و الکترولیت آغاز میشود.
در این واکنش، اتمهای قطب منفی تمایل دارند الکترون از دست بدهند (اکسید شوند). این الکترونهای آزاد شده، نمیتوانند در الکترولیت حرکت کنند، بنابراین از طریق سیمهای مدار به سمت قطب مثبت راه میافتند. حرکت همین الکترونهاست که جریان الکتریکی را ایجاد میکند و چراغ قوه را روشن مینماید. همزمان، در قطب مثبت، مادهای وجود دارد که تمایل به گرفتن الکترون (کاهش) دارد. با اتمام مواد واکنشدهنده در قطبها، واکنش متوقف و باتری «تمام» میشود.
$Zn + 2MnO_2 \rightarrow ZnO + Mn_2O_3$
روی (Zn) در قطب منفی اکسید شده و الکترون تولید میکند. این الکترونها از مدار خارجی گذشته و دیاکسید منگنز (MnO۲) در قطب مثبت را کاهش میدهند.
انواع باتری: یکبارمصرف در برابر شارژی
باتریها را میتوان بر اساس قابلیت شارژ مجدد به دو دسته کلی تقسیم کرد:
| نوع باتری | نام رایج/مثال | ولتاژ اسمی۳ | کاربرد معمول | قابلیت شارژ |
|---|---|---|---|---|
| باتری قلیایی۴ | باتری قلمی (AA، AAA) | 1.5 V | کنترل از راه دور، ساعت، چراغ قوه | خیر |
| باتری لیتیومیونی۵ | باتری موبایل، لپتاپ | 3.7 V | گجتهای الکترونیکی، خودروهای برقی | بلی |
| باتری نیکل-کادمیوم (Ni-Cd) | باتری شارژی قدیمی ابزارها | 1.2 V | اسباببازیهای شارژی، چراغهای اضطراری | بلی |
| باتری سرب-اسید | باتری ماشین (آمریکایی) | 2.0 V/سلول | استارت خودرو، سیستمهای UPS | بلی |
باتریهای یکبارمصرف (اولیه): واکنشهای شیمیایی در این باتریها غیرقابل برگشت هستند. پس از اتمام مواد، باتری دور انداخته میشود. مثال ملموس: باتری قلمی داخل کنترل تلویزیون.
باتریهای قابل شارژ (ثانویه): واکنشهای شیمیایی در این باتریها با اعمال جریان الکتریکی از یک منبع خارجی (شارژر) برگشتپذیر هستند. این فرآیند میتواند صدها بار تکرار شود. مثال ملموس: باتری تلفن همراه شما که هر شب آن را به شارژ میزنید.
ولتاژ، ظرفیت و سایر مشخصات فنی باتری
وقتی یک باتری میخرید، دو عدد مهم روی آن نوشته شده است: ولتاژ و ظرفیت. اما این اعداد چه معنایی دارند؟
ولتاژ (V): به نوعی نشاندهنده «فشار» یا نیروی محرکه الکترونهاست. هر چه ولتاژ بالاتر باشد، توانایی باتری برای ایجاد جریان در یک مقاومت معین بیشتر است. اکثر وسایل برای کارکرد صحیح به یک محدوده ولتاژ خاص نیاز دارند. مثلاً یک چراغ قوه ساده ممکن است به 3 V (دو باتری قلمی سری) نیاز داشته باشد.
ظرفیت (mAh یا Ah): این عدد نشان میدهد باتری چه مقدار «سوخت» الکتریکی ذخیره کرده است. میلیآمپر-ساعت (mAh) واحد رایج برای باتریهای کوچک است. هر چه این عدد بزرگتر باشد، باتری میتواند جریان معینی را برای مدت زمان بیشتری تأمین کند. مثلاً یک باتری با ظرفیت 2000 mAh میتواند جریان 200 mA را به مدت 10 ساعت ($2000 \div 200 = 10$) تأمین نماید.
مشخصه دیگر، چگالی انرژی است که نشان میدهد باتری به ازای هر کیلوگرم وزنش چقدر انرژی ذخیره میکند. باتریهای لیتیومیونی چگالی انرژی بسیار بالاتری نسبت به باتریهای سرب-اسید دارند، به همین دلیل برای موبایل و لپتاپ ایدهآل هستند.
باتری در زندگی روزمره: از اسباب بازی تا بیمارستان
نگاهی به اطراف بیندازید؛ ردپای باتری تقریباً در همه جا دیده میشود. این بخش به برخی از این کاربردهای حیاتی و جالب اشاره میکند:
وسایل شخصی و ارتباطی: تلفن همراه، ساعت هوشمند، لپتاپ، هدفون بیسیم، ماشین ریشتراش برقی. همه این وسایل آزادی حرکت و پرتابل بودن خود را مدیون باتریهای قابل شارژ سبکوزن هستند.
حملونقل:انقلاب خودروهای برقی کاملاً وابسته به پیشرفت در فناوری باتریها، مخصوصاً باتریهای لیتیومیونی با ظرفیت بسیار بالا است. حتی در خودروهای بنزینی، یک باتری سرب-اسید قوی برای استارت زدن، روشنایی و سیستم صوتی لازم است.
سلامتی و پزشکی: برخی از مهمترین کاربردهای باتری در این حوزه است. دستگاههای تنظیمکننده ضربان قلب (پیس میکر)، سمعکهای پیشرفته، دماسنجهای دیجیتال و حتی برخی پمپهای تزریق دارو از باتریهای مخصوص، قابل اعتماد و با طول عمر بالا استفاده میکنند.
انرژیهای نو: در سیستمهای خورشیدی خانگی، باتریها نقش انبار انرژی را بازی میکنند. آنها انرژی تولید شده توسط پنلها در طول روز را ذخیره کرده و در شب یا روزهای ابری در اختیار خانه قرار میدهند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ:خیر، هرگز این کار را نکنید. باتریهای قابل شارژ ولتاژ اسمی پایینتری دارند (1.2V در برابر 1.5V). وقتی با هم استفاده شوند، باتری یکبارمصرف سعی میکند باتری شارژی را شارژ کند که میتواند منجر به گرمای بیش از حد، نشت مواد شیمیایی یا حتی انفجار شود.
پاسخ: این پدیده ناشی از کاهش تدریجی ظرفیت باتری است. با هر چرخه شارژ و دشارژ، تغییرات فیزیکی و شیمیایی کوچکی در مواد داخل باتری رخ میدهد که در نهایت از مقدار مادهای که میتواند انرژی ذخیره کند، میکاهد. همچنین، قرار دادن مداوم باتری در معرض گرمای زیاد (مثلاً در زیر نور مستقیم آفتاب) این فرآیند فرسودگی را سریعتر میکند.
پاسخ: برای باتریهای یکبارمصرف، بهتر است در جای خشک و خنک و دور از اجسام فلزی (برای جلوگیری از اتصال کوتاه) نگهداری شوند. برای باتریهای قابل شارژ لیتیومیونی (مثل پاوربانک یا باتری دوربین)، ایدهآل این است که آنها را با حدود 40-60\% شارژ نگه دارید و در جای خنک قرار دهید. از نگهداری آنها در حالت کاملاً شارژ یا کاملاً خالی برای مدت طولانی خودداری کنید.
پاورقی
۱ باتری (Battery): مجموعهای از یک یا چند سلول الکتروشیمیایی که به صورت سری یا موازی برای تولید ولتاژ و جریان مورد نیاز به هم متصل شدهاند.
۲ الکترولیت (Electrolyte): یک ماده رسانای یونی (معمولا مایع یا خمیر) که امکان حرکت یونها بین قطبهای مثبت و منفی باتری را فراهم میکند.
۳ ولتاژ اسمی (Nominal Voltage): ولتاژ تقریبی و نامی باتری در حین دشارژ. ولتاژ واقعی در طول زمان استفاده کمی کاهش مییابد.
۴ باتری قلیایی (Alkaline Battery): نوعی باتری یکبارمصرف که در آن از یک الکترولیت قلیایی (معمولاً هیدروکسید پتاسیم) استفاده میشود.
۵ باتری لیتیومیونی (Lithium-ion Battery): نوعی باتری قابل شارژ پرکاربرد که در آن یونهای لیتیوم بین الکترودها جابجا میشوند. چگالی انرژی بالایی دارد.
۶ باتری حالت جامد (Solid-state Battery): نسل آینده باتریها که در آن از یک الکترولیت جامد به جای مایع استفاده میشود و وعده ایمنی بسیار بالاتر و چگالی انرژی بیشتر را میدهد.
