باتری دستگاه های الکترونیکی از چه جنسی ساخته شده است؟

اصول عملیات

آند یک سلول الکتروشیمیایی معمولاً فلزی است که در پتانسیل بین 0.5 ولت و حدود 4 ولت بالاتر از کاتد . کاتد به طور کلی از یک اکسید فلز یا سولفید تشکیل شده است که با پذیرش الکترون ها ، به همراه یون ها ، به ساختار آن به حالت اکسید شده کمتری تبدیل می شود. برای انتقال الکترونها از آند به تماس منفی باتری ، باید یک اتصال رسانا از طریق یک مدار خارجی (به عنوان مثال ، یک لامپ یا دستگاه دیگر) فراهم شود. الکترولیت کافی نیز باید وجود داشته باشد. الکترولیت از یک حلال (آب ، یک مایع آلی یا حتی یک جامد) و یک یا چند ماده شیمیایی تشکیل شده است که در یون در حلال جدا می شوند. این یون ها برای رساندن الکترون و مواد شیمیایی از داخل سلول به منظور برقراری تعادل در جریان جریان الکتریکی خارج سلول در حین کار سلول عمل می کنند. سودمندی باتری نه تنها از نظر ظرفیت بلکه با سرعت جریان کشیده شده از آن نیز محدود می شود. یونهای نمکی که برای محلول الکترولیت انتخاب شده اند باید بتوانند به اندازه کافی سریع از طریق حلال حرکت کنند تا مواد شیمیایی بین الکترودها برابر با میزان تقاضای الکتریکی باشد. بنابراین عملکرد باتری توسط میزان انتشار مواد شیمیایی داخلی و همچنین ظرفیت محدود می شود.

ولتاژ یک سلول منفرد و سرعت انتشار در داخل هر دو در صورت کاهش کاهش می یابد دما از یک نقطه مرجع مانند 21 درجه سانتیگراد (70 درجه فارنهایت) کاهش می یابد. اگر دما به زیر نقطه انجماد الکترولیت برسد ، سلول معمولاً جریان مفید بسیار کمی تولید می کند و ممکن است در واقع ابعاد داخلی را تغییر دهد ، حتی در صورت گرم شدن مجدد ، باعث آسیب داخلی و کاهش عملکرد می شود. اگر دما عمداً افزایش یابد ، می توان تخلیه سریع تری را حفظ کرد ، اما به طور کلی توصیه نمی شود ، زیرا ممکن است مواد شیمیایی باتری تبخیر شده یا به طور خود به خود با یکدیگر واکنش نشان دهند و منجر به خرابی زودرس شود. رابطه اساسی عملکرد سلول الکتروشیمیایی که توسط فیزیکدان-شیمی دان انگلیسی مایکل فارادی در سال 1834 مطرح شد ، این است که برای هر آمپری که برای یک دوره زمانی جریان می یابد ، یک واکنش شیمیایی منطبق یا تغییر دیگری باید ایجاد شود. میزان چنین تغییراتی به ساختار مولکولی والکترونیکی عناصر تشکیل دهنده بستگی داردالکترودهای باتری و الکترولیت. تغییرات ثانویه نیز ممکن است رخ دهد ، اما یک جفت اصلی واکنش نظری برگشت پذیر باید در الکترودها ایجاد شود تا برق تولید شود. انرژی واقعی تولید شده توسط باتری با تعداد آمپر تولید شده – واحد زمان – ولتاژ متوسط ​​در آن زمان اندازه گیری می شود. برای یک سلول با الکترودهای روی و دی اکسید منگنز (به عنوان مثال ، سلول خشک خشک شده چراغ قوه) ، متوجه می شویم که معادل شیمیایی روی به وزن 32.5 گرم (1.4 اونس) و دی اکسید منگنز در حدود 87 گرم (3.1 اونس) وزن دارد. تخلیه یک وزن معادل از هر یک از این الکترودها باعث می شود 32.5 گرم روی حل شود و 87 گرم دی اکسید منگنز به اکسید متفاوتی حاوی یون های هیدروژن و روی بیشتر تبدیل شود. مقداری از الکترولیت نیز در واکنش مصرف می شود. یک معادل شیمیایی از هر الکترود یک فارادی یا 96،485 کولن جریان برابر با 26.8آمپر در ساعت تولید می کند. اگر سلول ها به طور متوسط ​​1.2 ولت کار کنند ، این عملکرد 32.2 وات را تولید میکند -ساعت انرژی DC. بیان دیگر، که در آن N برابر با تعداد معادل شیمیایی مرخص، F ثابت فارادی (9.6485 × 10 است ⁴ کولن در هر مول)، V متوسط (نه لزوما ثابت) ولتاژ سلول برای مدت تخلیه است، و 1 ژول 2.78 ≅ 10 − ⁴ وات ساعت.

تعداد زیادی عنصر وترکیب وجود دارد که می توان ترکیبات بالقوه مفید برای باتری را از آنها انتخاب کرد. سیستم های تجاری متداول نشان دهنده بازماندگان آزمایش های بی شماری است که ادامه استفاده به ولتاژ کافی ، ظرفیت حمل جریان بالا ، مواد کم هزینه و تحمل بی توجهی کاربر بستگی دارد. فناوری  و آب بندی بهتر باعث توسعه بیشتر همه سیستم های سلولی می شود ، به ویژه سیستم هایی که از لیتیوم بسیار فعال برای آند استفاده می کنند. این وضعیت باعث تولید سلولهای تجاری با حداکثر 3.9 ولت بار و قابلیت حمل جریان بسیار بالا شده است.

یک روز سرنوشت ساز در سال 1780 ، لوئیچی گالوانی ، فیزیکدان ، پزشک ، زیست شناس و فیلسوف ایتالیایی در حال کالبد شکافی یک قورباغه متصل به قلاب برنجی بود. همانطور که با قیچی آهنی پای قورباغه را لمس می کرد ، پایش تکان خورد. گالوانی این نظریه را مطرح كرد كه این انرژی از خود پا حاصل می شود ، اما دانشمند همكار وی ، الساندرو ولتا ، چیز دیگری را باور داشت.

ولتا این فرضیه را مطرح کرد که تکانه های پای قورباغه در واقع ناشی از فلزات مختلفی است که در مایع آغشته شده اند. وی آزمایش را با استفاده از پارچه آغشته به آب نمک به جای جسد قورباغه ، كه منجر به ولتاژ مشابهی شد ، انجام داد. ولتا یافته های خود را در سال 1791 منتشر کرد و بعداً اولین باتری ، شمع ولتایی را در سال 1800 ایجاد کرد. شمع ولتا با دو مسئله مهم روبرو شد: وزن پشته باعث نشت الکترولیت از پارچه شد و خصوصیات شیمیایی خاص اجزا منجر به طول عمر بسیار کوتاه (حدود یک ساعت) شد. دویست سال آینده برای تکمیل طراحی ولتا و حل این مسائل صرف خواهد شد.

رفع در شمع ولتائیک

ویلیام کرایکس شانک از اسکاتلند با قرار دادن شمع ولتایی در کنار آن ، مشکل نشت را حل کرد تا “باتری فرورفتگی” را تشکیل دهد. مشکل دوم ، عمر کوتاه ، به دلیل تخریب روی به دلیل ناخالصی ها و تجمع حباب های هیدروژن روی مس بود. در سال 1835 ، ویلیام استورجون کشف کرد که درمان روی با جیوه از تخریب جلوگیری می کند.

جان فردریک دانیل شیمی دان انگلیسی از الکترولیت دوم استفاده کرد که با هیدروژن واکنش نشان داد و از تجمع در کاتد مس جلوگیری کرد. باتری دو الکترولیتی دانیل ، معروف به “سلول دانیل” ، به یک راه حل بسیار محبوب برای تأمین برق شبکه های تلگراف تازه کار تبدیل می شود.

اولین باتری قابل شارژ

در سال 1859 ، Gaston plante، فیزیکدان فرانسوی با استفاده از دو ورق نورد شده سرب غوطه ور در اسید سولفوریک ، یک باتری ایجاد کرد. با معکوس کردن جریان الکتریکی از طریق باتری ، شیمی به حالت اولیه خود باز می گردد ، بنابراین اولین باتری قابل شارژ ایجاد می شود.

بعداً ، در سال 1881 ،;کامبل آلفونس فاور با تشکیل صفحات سرب به صفحات ، طرح Planté را بهبود بخشید. این طراحی جدید ساخت باتری ها را آسان تر کرده و باتری های اسید سرب در خودروها کاربرد گسترده ای دارند.

سلول خشک

تا اواخر دهه 1800 ، الکترولیت باتری ها در حالت مایع بودند. این امر باعث شد حمل و نقل باتری یک تلاش کاملاً دقیق باشد و بیشتر باتری ها هرگز قصد نداشتند پس از اتصال به مدار ، جابجا شوند.

در سال 1866 ، ژرژ لکلانشه باتری با استفاده از آند روی ، کاتد دی اکسید منگنز و محلول کلرید آمونیوم برای الکترولیت ایجاد کرد. در حالی که الکترولیت در سلول Leclanché هنوز مایع بود ، شیمی باتری گام مهمی برای اختراع سلول خشک بود.

کارل گاسنر چگونگی ایجاد خمیر الکترولیت از کلرید آمونیوم و گچ پاریس را کشف کرد . وی باتری جدید “سلول خشک” را در سال 1886 در آلمان به ثبت رساند. این سلولهای خشک جدید ، که معمولاً “باتریهای روی – کربن” نامیده می شوند ، تولید انبوه داشتند و تا اواخر دهه 1950 محبوبیت زیادی داشتند. گرچه از کربن در واکنش شیمیایی استفاده نمی شود ، اما نقش مهمی را به عنوان یک هادی الکتریکی در باتری روی – کربن ایفا می کند.