مواد اولیه تولید باتری | انواع باطری+نحوه کار

باتری ها بخش مهم و مهمی از فناوری بشر امروزی هستند. برای یادآوری اهمیت آن ها لحظه ای تصور کنید که تمام باتری های دنیا معیوب هستند، سپس فناوری هایی را که از آن محروم هستید حساب کنید. در سال 2005، ارزش بازار باتری 48 میلیارد دلار در سال برآورد شد و با نرخ 6 درصد در سال رشد کرد.

باتری ها به دو نوع اولیه (قابل شارژ) و ثانویه (قابل شارژ) تقسیم می شوند. مواد اولیه تولید باتری بسته به نوع آن ها متفاوت است. انواع اصلی باتری ها کربنات روی، قلیایی (قلیایی)، سولفید آهن لیتیوم و دی اکسید لیتیوم منگنز هستند. انواع باتری های ثانویه شامل سرب-اسید، نیکل-کادمیم، هیدرید نیکل-فلز و لیتیوم-یون می باشد. باتری ها از مواد مختلفی ساخته می شوند که در این مقاله از وب سایت دارو رایان به معرفی مهمترین آن ها می پردازیم.

تاریخچه ساخت باطری

اولین باتری در سال 1800 توسط الساندرو ولتا ایتالیایی ساخته شد. شمع های ولتایی که مواد اولیه تولید باتری آن بود، شامل دیسک های نقره و روی بود که با چرم یا مقوا جدا شده بودند و در آب نمک، لیزر یا محلول قلیایی غوطه ور می شدند. سیم های فلزی انتهای شمع در فنجان های کوچک پر از جیوه قرار می گرفتند. ولتا وقتی هر دو فنجان جیوه را با انگشتانش گرفت برق گرفتگی را حس کرد.
چند سال بعد، مایکل فارادی اصل القای الکترومغناطیسی را کشف کرد و از آهنربا برای القای الکتریسیته در یک سیم پیچ استفاده کرد. این روش کار تولید برق است که امروزه برای تولید برق در نیروگاه ها استفاده می شود. در حالی که دینام جریان متناوب (AC) تولید می کند، جایی که جریان دائماً در حال تغییر است، باتری ها جریان مستقیم (DC) تولید می کنند که فقط در یک جهت جریان دارد. سلول های سرب اسیدی می توانند مقادیر زیادی جریان تولید کنند که یکی از پیشگامان خودروهای امروزی است. باتری در سال 1859 اختراع شد.

انواع ماده ها در مواد اولیه تولید باتری

آلومینیوم (Al): این فلز نرم، غیر مغناطیسی و نقره ای رنگ از بوکسیت به دست می آید. این فلز به دلیل تشکیل یک لایه اکسید محافظ در هوا در برابر خوردگی مقاوم است. آلومینیوم به عنوان ماده کاتد در مواد اولیه تولید باتری برخی از باتری های لیتیوم یون استفاده می شود.

آننیموان (Sb): این عنصر در باتری های سرب اسید برای تقویت صفحات سربی، کاهش هزینه های نگهداری و افزایش کارایی باطری مورد استفاده قرار می گیرد. از دیگر کاربردهای این عنصر می توان به مواد نسوز، کاربردهای کم اصطکاک و بهبود خواص آلیاژها اشاره کرد.

کادمیوم (Cd): این عنصر به عنوان رنگدانه و پوشش ضد خوردگی در فولاد استفاده می شود. کادمیوم به عنوان آند در مواد اولیه تولید باتری های نیکل کادمیوم استفاده می شود، اگرچه محدودیت های مواد خطرناک استفاده از این باتری ها را برای استفاده تجاری ممنوع می کند.

کلسیم (Ca): کلسیم استحکام مکانیکی صفحات قلع باتری های سرب اسید را افزایش می دهد و عملکرد باتری را بهبود می بخشد.

کلرید: در الکترولیت باتری ها یافت می شود.

سرب (Pb): سرب در باتری های سرب اسید، گلوله ها، وزنه ها و سپرهای تشعشع استفاده می شود.

لیتیوم (Li): لیتیوم دارای بالاترین پتانسیل الکتروشیمیایی و بالاترین نسبت انرژی به وزن است. لیتیوم یکی از پرکاربردترین عناصر در مواد اولیه تولید باتری است. امروزه باتری های لیتیومی کاملا تجاری و محبوب هستند.

منگنز (Mn): صنعت فولاد 90 درصد تولید منگنز را مصرف می کند و 10 درصد باقی مانده عمدتاً در صنایع شیمیایی و کشاورزی استفاده می شود. تقاضا برای منگنز با خلوص و کیفیت بالا به دلیل استفاده از آن در مواد اولیه تولید باتری های لیتیومی افزایش یافته است. منگنز برای جلوگیری از خوردگی فولاد و به عنوان یک ماده کاتدی در باتری های لیتیوم یون، روی کربن و باتری های قلیایی استفاده می شود.

نیکل (Ni): نیکل برای الکترودهای باتری ایده آل است.

سدیم (Na): سدیم فقط یک الکترون در لایه بیرونی خود دارد که بار مثبت را جذب می کند. این عنصر در باتری های سدیم-گوگرد و لیتیوم-گوگرد استفاده می شود.

اسپینل: باتری های لیتیوم یونی بر پایه منگنز دارای ساختار اسپینلی هستند که کاتد آن ها را ساختاری سه بعدی می کند. این باطری ها به دلیل مقاومت کمی که دارند شناخته می شوند.

گوگرد (S): ترکیبات گوگردی در مواد اولیه تولید باتری های سدیم-گوگرد استفاده می شود.

تیتانات: این ماده سفید رنگ دارای نقطه ذوب بالایی است و از آن در کوره ها استفاده می کنند. تیتانات همچنین به عنوان ماده آند برخی از باتری های لیتیومی استفاده می شود.

وانادیوم (V): این عنصر فلزی محکم و خاکستری نقره ای است. وانادیوم در حال حاضر در آلیاژهای فولادی مورد استفاده در مواد اولیه تولید باتری ها استفاده می شود.

روی (Zn): روی از نظر شیمیایی شبیه به منیزیم است. در سال 1800، لوئیجی گالوانی و الساندرو ولتا خواص الکتروشیمیایی باتری های روی را کشف کردند. کاربرد دیگر پوشش ضد خوردگی فولاد و فولاد ملایم است. روی یک ماده معدنی مهم برای زندگی و سلامتی ماست. حدود دو میلیارد نفر در سراسر جهان از کمبود روی رنج می برند که پیشنهاد میکنیم با مشورت پزشک اقدام به خرید زینک، خرید زینک سیترات، خرید زینک سولفات و یا خرید زینک استئارات نمایند.

اجزای باتری

باتری ها از سه جزء اصلی تشکیل شده اند: آند، کاتد و الکترولیت. اغلب از جداکننده برای جلوگیری از اتصال آند و کاتد استفاده می شود (اگر الکترولیت برای این کار کافی نباشد). باتری ها از نوعی پوشش برای اتصال این قطعات استفاده می کنند.
اگرچه اکثر باتری ها به سه فاز طبقه بندی نمی شوند، اما اصل عملکرد آنها بر اساس این سه فاز است.
آند و کاتد نوعی الکترود هستند. الکترودها رسانایی هستند که از طریق آن ها جریان به مدار وارد و از آن خارج می شود.

آند

الکترون ها در مدار متصل به دستگاه از آند جدا می شوند. جریان به سمت آند هدایت می شود.
در باتری ها، آند به عنوان قطب منفی (-) برچسب گذاری می شود.
در باتری، یک واکنش شیمیایی بین آند و الکترولیت، الکترون‌ها را در کاتد جمع‌آوری می‌کند. این الکترون ها به سمت کاتد حرکت می کنند، اما وجود یک الکترولیت یا جداکننده مانع از آن ها می شود.

کاتد

در مدار متصل به دستگاه، الکترون ها وارد کاتد می شوند. “جریان” به بیرون کاتد است.
در باتری ها، کاتد به عنوان قطب مثبت (+) تعیین می شود.
در باتری ها، یک واکنش شیمیایی در داخل و اطراف کاتد از الکترون های تولید شده در آند استفاده می کند. تنها راه رسیدن الکترون ها به کاتد از طریق مدار خارجی باتری است.

الکترولیت

الکترولیت ماده ای به شکل مایع یا ژل است. این دستگاه توانایی انتقال یون ها را بین واکنش های انجام شده در آند و کاتد دارد. الکترولیت همچنین از جریان الکترون ها بین آند و کاتد جلوگیری می کند. این باعث می شود که الکترون ها در مدار خارجی راحت تر جریان داشته باشند (جریان دادن الکترون ها در الکترولیت دشوارتر است).
اگر باتری های قلیایی بیش از حد گرم شوند یا ولتاژ معکوس شود، الکترولیت و هیدروکسید پتاسیم آن ها به بیرون نشت می کند.
الکترولیت در عملکرد باتری بسیار مهم است. از آنجایی که الکترون ها نمی توانند از الکترولیت عبور کنند، مجبور می شوند از طریق یک هادی الکتریکی (مدار) متصل به آند و کاتد حرکت کنند.

جداکننده

جداکننده ها مواد متخلخلی هستند که از پیوند آند و کاتد (اتصال کوتاه داخل باتری) به یکدیگر جلوگیری می کنند. جداکننده ها از مواد مختلفی ساخته می شوند. لایه های پنبه، نایلون، پلی استر، مقوا و پلیمرهای مصنوعی از جمله موادی هستند که در ساخت جداکننده ها استفاده می شوند.

جداکننده ها با هیچ یک از اجزای آند، کاتد یا الکترولیت واکنش نمی دهند.
یون های یک الکترولیت می توانند دارای بار مثبت، بار منفی و اندازه های مختلف باشند. جداکننده های خاصی را می توان ساخت که توانایی عبور برخی از یون ها و مسدود کردن برخی دیگر را دارند.

محفظه یا پوشش باتری

بیشتر باتری ها به نوعی برای نگه داشتن قطعات مختلف در کنار هم نیاز دارند. محفظه ها تنها شکل ذخیره سازی برای نگهداری اجزای داخلی باتری هستند.
پوشش باتری را می توان تقریباً از هر چیزی ساخت. پلاستیک، فلز، کیسه های کاغذی پلیمری نرم و غیره موادی هستند که برای ساخت روکش باتری استفاده می شوند. برخی از باتری ها از یک غلاف فلزی رسانا متصل به یکی از الکترودها استفاده می کنند. در یک باتری قلیایی استاندارد “AA”، پوشش فلزی به کاتد متصل می شود.

باتری چگونه کار می کند؟

باتری ها معمولاً به چندین واکنش شیمیایی نیاز دارند. حداقل یک واکنش در آند یا نزدیک آن و یک یا چند واکنش در نزدیک یا نزدیک کاتد رخ می دهد. در تمام موارد، واکنش در آند، الکترون‌های اضافی تولید می‌کند (واکنش «اکسیداسیون» نامیده می‌شود)، و واکنش در کاتد از الکترون‌های اضافی استفاده می‌کند (فرایند «کاهش» نامیده می‌شود).

هنگامی که کلید بسته می شود، مدار کامل می شود، الکترون ها از آند به کاتد جریان می یابند. این الکترون ها واکنش های شیمیایی را در آند و کاتد فعال می کنند.
اساساً نوع خاصی از واکنش شیمیایی (کاهش اکسیداسیون) به دو بخش جداگانه تقسیم می شود. واکنش ردوکس زمانی رخ می دهد که الکترون ها بین مواد شیمیایی منتقل شوند. در این واکنش می توان حرکت الکترون ها را برای خروج از باتری و تغذیه مدار کنترل کرد.

ساخت باتری

هنگامی که یک سر کاتد و یک سر آند در ماده سومی قرار می گیرند که می تواند الکتریسیته را هدایت کند، سلول الکتریسیته تولید می کند، در حالی که انتهای دیگر متصل می شود. آند اتم های اکسیژن را جذب می کند و در نتیجه جریان الکتریکی ایجاد می کند. اگر کلیدی در مدار وجود داشته باشد (مانند کلید یا لامپ)، مدار کامل نیست و نمی تواند جریان الکتریکی را هدایت کند مگر اینکه کلید در وضعیت خاموش باشد.

اگر علاوه بر کلید، چیز دیگری مانند لامپ در مدار وجود داشته باشد، لامپ با اصطکاک الکترون هایی که از آن عبور می کنند روشن می شود.
سومین ماده ای که آند و کاتد در آن قرار می گیرند الکترولیت نامیده می شود. در بیشتر موارد این ماده یک ترکیب شیمیایی با خاصیت قلیایی است. بنابراین باتری قلیایی باتری ای است که از الکترولیت قلیایی استفاده می کند. یک سلول به خودی خود الکتریسیته تولید نمی کند مگر اینکه در مداری قرار گیرد که توسط یک کلید ساده تغذیه می شود یا با یک وسیله باطری به کلید دیگری متصل شود.
تشکیل سلول می تواند منجر به تغییرات زیادی در شکل و ساختار شود. به عنوان مثال، همه الکترولیت ها قلیایی نیستند.
علاوه بر این، ظرف الکترولیت می تواند به عنوان یک ظرف و به عنوان یک کاتد یا آند عمل کند. برخی از سلول ها اکسیژن را از طریق کاتد دریافت نمی کنند، بلکه از هوا دریافت می کنند.

تفاوت در ترکیب آند و کاتد برق کم و بیش می دهد. تنظیم صحیح تمام مواد مورد استفاده در یک سلول می تواند بر مقدار الکتریسیته تولید شده، مقدار خروجی، ولتاژی که الکتریسیته در طول عمر سلول تحویل می شود و توانایی سلول برای کار در دماهای مختلف تأثیر بگذارد.

سخن پایانی

در این مقاله از وب سایت دارو رایان به بررسی مواد اولیه تولید باتری پرداختیم. جهت مطالعه دیگر مقالات آموزشی در رابطه با خرید منیزیم هیدروکساید، خرید تری پتاسیم فسفات، خرید پتاسیم سیترات و خرید دی کلسیم فسفات به دیگر صفحات سایت دارو رایان مراجعه کنید.