عملکرد باتری ها

باتری ها چگونه کار می کنند؟

باتری ها از جمله مواردی هستند که اکثر ما آن را بدیهی می دانیم. آنها فقط بخشی عادی از زندگی روزمره هستند که در بیشتر موارد ، در حالی که انرژی ذخیره می کنند و جادوی خود را انجام می دهند ، دیده نمی شوند. به چراغ قوه ، تلفن همراه ، کنترل از راه دور ، سمعک ، باتری ماشین و حتی خودروهای برقی فکر کنید. آیا تا بحال به این امر مهم پی بردید که این محصولات ضروری که انرژی قابل حمل و فوری را در اختیار ما قرار می دهند چگونه عمل می کنند؟ باتری ها پکیج های خودکار هستند که انرژی شیمیایی را ذخیره کرده و آن را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. این فرایند به عنوان الکتروشیمی شناخته می شود. برای توضیح بیشتر نحوه عملکرد باتری ها ، بیایید به جزئیات آنچه باتری ها از آن ساخته شده اند بپردازیم.

باتری ها از چه چیزی ساخته شده اند؟

یک باتری معمولاً از گروهی از سلولهای الکتروشیمیایی تشکیل شده است. دو نوع مختلف وجود دارد: ولتائیک (که به آن گالوانیک نیز گفته می شود) و الکترولیتیک. سلولهای ولتایی یا گالوانیک: اینها از واکنشهای اکسیداسیون خود به خود انرژی دریافت می کنند. با استفاده از این سلول ها ، انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. سلولهای الکترولیتی: اینها از منبع الکترون خارجی مانند منبع جریان متناوب (AC) یا جریان مستقیم (DC) انرژی دریافت می کنند. با استفاده از این سلول ها ، انرژی الکتریکی به انرژی شیمیایی تبدیل می شود. بیایید به نمونه ای از دو نوع سلول نگاه کنیم. وقتی چیزی با باتری قابل شارژ – مانند تلفن همراه یا رایانه لوحی – روی شارژر است ، باتری به عنوان یک سلول الکترولیتی عمل می کند. با این حال ، در حالی که از دستگاه الکترونیکی خود استفاده می کنید ، باتری به عنوان یک سلول ولتایی کار می کند. یک سلول باتری استاندارد برای تولید برق به سه عنصر زیر نیاز دارد:

آند: این الکترود منفی یا پایانه منفی باتری است و محل اکسیداسیون است. همچنین این الکترود مثبت در یک سلول الکترولیتی است. ما معمولاً از فلزاتی مانند لیتیوم و روی به عنوان آند به شکل خمیری استفاده می کنیم که در داخل بخشی به نام جدا کننده یافت می شود. ما از جدا کننده برای جلوگیری از اتصال کوتاه با دور نگه داشتن الکترودهای منفی و مثبت استفاده می کنیم.

کاتد: این الکترود مثبت یا پایانه مثبت باتری است. همچنین این الکترود منفی در یک سلول الکترولیتی است. کاتد شامل حلقه های مات نقره ای ساخته شده از اکسیدهای فلزی مانند گرافیت و دی اکسید منگنز است.

الکترولیت: این ماده شیمیایی است که آند و کاتد را از هم جدا می کند. این کاتالیزور شیمیایی به شکل خمیر غلیظ یا مایع است که بین الکترودها برای رسانایی باتری استفاده می شود. این کار را با ارائه مکانیسم انتقال یون بین آند و کاتد سلول انجام می دهد. اینجاست که انرژی شیمیایی باتری به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. هیدروکسید پتاسیم ، سدیم و کلرید عمده ترین الکترولیت ها هستند.

دو فلز مختلف (آند و کاتد) در انتهای مخالف یکدیگر به باتری متصل شده اند. این اجازه می دهد تا یک واکنش شیمیایی بین الکترولیت و فلزات رخ دهد و اجازه می دهد الکترون های بیشتری از طریق یک فلز از فلز دیگر آزاد شوند.

یک بار مثبت در فلز ایجاد می شود که مقدار قابل توجهی الکترون دریافت می کند. سپس بار منفی در طرف مقابل ایجاد می شود. سپس ، هنگامی که یک سیم یا مدار خارجی ، دو سر باتری را به یکدیگر متصل می کند ، جریان الکترون ها از طریق سیم حرکت می کند و بار الکتریکی را متعادل کرده و جریان الکتریکی ایجاد می کند.

آخرین مرحله معرفی چیزی است که ما آن را بار الکتریکی می نامیم. این چیزی است که برای کار به برق نیاز دارد. بیایید از چراغ قوه به عنوان مثال استفاده کنیم. وقتی باتری ها را داخل چراغ قوه می گذارید و کلید را روشن می کنید ، یک مدار ایجاد می کنید. این مدار لامپ خود را به سیم متصل می کند و به این ترتیب انرژی الکتریکی از طریق سیم و لامپ عبور می کند و الکترون ها از انتهای منفی باتری ، از طریق سیم ، لامپ ، و برگشت به انتهای مثبت باتری عبور می کنند.

آیا باتری ها خازن هستند؟

ذخیره انرژی طی این سالها پیشرفت زیادی داشته است. امروزه دو مکان اصلی ذخیره انرژی ما باتری و خازن است. و در حالی که آنها بسیار شبیه هستند ، اما یکسان نیستند. اجازه دهید شباهت ها و تفاوت های بین این دو را بررسی کنیم.

شباهت بین باتری و خازن چیست؟

در اینجا شباهت های اصلی بین باتری و خازن وجود دارد:

• انرژی ذخیره شده یک پتانسیل الکتریکی تولید می کند که معمولاً به عنوان ولتاژ شناخته می شود.
• پتانسیل الکتریکی یک جریان الکترون تولید می کند که جریان الکتریکی نامیده می شود.
• جریان الکتریکی می تواند انرژی الکتریکی برای تغذیه اجزای درون یک مدار ایجاد کند.

مهندسان بر اساس طراحی مدار و عملکرد آن ، انتخاب می کنند که از باتری یا خازن برای محصول خود استفاده کنند. گاهی اوقات ، آنها با ترکیبی از این دو همراه می شوند. با این حال ، این بدان معنا نیست که این دو کاملاً قابل تعویض هستند.

تفاوت بین باتری و خازن چیست؟

در اینجا تفاوت های اصلی بین باتری و خازن وجود دارد:

• هنگام مقایسه یک باتری و یک خازن با همان حجم ، ظرفیت ذخیره باتری هزاران برابر بیشتر از خازن است.
• باتری ها قابل اعتماد هستند و انرژی را به طور مداوم تأمین می کنند.
• خازن ها اغلب می توانند سریعتر از باتری ها انفجار انرژی ایجاد کنند.
• خازنها یک میدان الکتریکی انرژی ذخیره می کنند و آنها را قابل شارژ می کند. در مقابل ، باتری ها انرژی خود را در یک میدان شیمیایی ذخیره می کنند که اغلب نمی تواند دوباره شارژ شود.
• باتری ها ظرفیت نگهداری شارژ خود را از دست می دهند ، اما در مورد خازن ها این اتفاق نمی افتد.
• خازنهای ساده معمولاً با مواد غیر سمی ساخته می شوند که دور انداختن آنها را ایمن می کند.

آیا باتری ها جریان متناوب (AC) یا جریان مستقیم (DC) تولید می کنند؟

جریان متناوب (AC) یک جریان الکترون است که جهت را به طور منظم ، چندین بار در ثانیه تغییر می دهد. اکثر لوازم خانگی ما با برق AC کار می کنند. به عنوان مثال ، اکثر مایکروویوها ، قهوه جوش ها ، ماشین های ظرفشویی ، تلویزیون ها و حتی سیستم های تهویه مطبوع ما با جریان متناوب کار می کنند. با این حال ، از آنجا که الکترونهای باتری فقط در یک جهت جریان دارند ، باتریها جریان مستقیم (DC) تولید می کنند. بسیاری از دستگاه های قابل حمل ، مانند چراغ قوه ، تلفن های همراه و پخش کننده های mp3 ، از منبع تغذیه DC تغذیه شده توسط باتری ها استفاده می کنند.

انواع مختلف باتری ها چیست؟

همه باتری ها برابر نیستند. انواع مختلف باتری ها با مواد شیمیایی دیگر ساخته می شوند و با واکنش های شیمیایی مختلف کار می کنند. بیایید نگاهی به هفت نوع رایج ترین باتری بیندازیم.

1. باتری قلیایی: Duracell® و Energizer® دو مارک محبوب هستند که باتری های قلیایی تولید می کنند. اینها باتری های استاندارد AA ، AAA ، C ، D و 9 ولت ما هستند. الکترودهای این باتری ها اکسید منگنز و روی هستند. الکترولیت یک خمیر قلیایی از هیدروکسید پتاسیم یا سدیم است.

2. باتری اسید سربی: باتری های سربی اسیدی چیزی هستند که ما برای باتری های خودرو و سیستم های خورشیدی فتوولتائیک استفاده می کنیم. الکترودهای این باتری ها سرب و اکسید سرب هستند ، در حالی که الکترولیت یک اسید قوی است.

3. باتری لیتیوم: دوربین هایی که دارای لامپ های فلش هستند از باتری های لیتیوم استفاده می کنند ، اما در غیر این صورت ، اکثر باتری های لیتیومی که با آنها برخورد می کنید برای چیزهایی مانند ساعت و دیگر دستگاه های کوچک و کم مصرف به شکل سکه یا دکمه شکل هستند. در حالی که قدرت زیادی ندارند ، می توانید باتری های لیتیوم را روی هم قرار دهید تا ولتاژ بالاتری دریافت کنید. همه باتری های لیتیوم از لیتیوم فلزی به عنوان آند استفاده می کنند و قابل شارژ نیستند. به همین دلیل ، آنها را باتری های اصلی لیتیوم فلزی نیز می نامند. کاتد متفاوت خواهد بود ، اما متداول ترین باتری های فلزی لیتیوم معمولاً از دی اکسید منگنز استفاده می کنند.

4. باتری لیتیوم یون: تلفن های همراه و سایر تجهیزات الکترونیکی قابل حمل معمولاً از یک باتری لیتیوم-یونی استفاده می کنند که قابل شارژ است. علاوه بر این ، باتری های لیتیوم یونی برای استفاده در خودروهای برقی و شبکه های هوشمند در مقیاس بزرگ رواج یافته است. برای آند ، باتری های لیتیوم-یون از ترکیبات لیتیوم-کربن استفاده می کنند. کاتد از اکسیدهای لیتیوم-فلز استفاده می کند.

5. باتری نیکل-کادمیوم یا NiCad: ما باتری های نیکل-کادمیوم ، که باتری های قابل شارژ هستند ، در ابزارهای برقی و همچنین بسیاری از لوازم خانگی کوچک خود پیدا می کنیم. الکترودهای این باتری ها نیکل هیدروکسید و کادمیوم هستند ، در حالی که الکترولیت هیدروکسید پتاسیم است.

6. باتری نیکل متال هیدرید (NIMH): همچنین باتری های قابل شارژ ، باتری های نیکل-هیدرید فلز در دستگاه هایی با ضریب تخلیه بالا مانند دوربین های دیجیتال و کنترل کننده بازی های ویدئویی استفاده می شوند. این باتری ها از الکترودهای مثبت نیکل اکسی هیدروکسید و الکترودهای منفی از آلیاژ جذب کننده هیدروژن استفاده می کنند.

7. سلول خشک روی و کربن استاندارد کربن: اگر محصولی را خریداری می کنید که دارای “باتری” است ، به احتمال زیاد این بدان معناست که دارای باتری های کربن روی است به دلیل هزینه کم آنها. به طور کلی ، الکترودها از فلز روی و میله کربن احاطه شده توسط دی اکسید منگنز استفاده می کنند. الکترولیت از خمیر کلرید آمونیوم ساخته شده است.

مشکلات باتری ها چیست؟

هیچ محصولی کامل نیست همیشه یک قطعه معیوب گاه به گاه وجود خواهد داشت. با این حال ، برخی از محصولات دارای مشکلات بیشتری نسبت به سایر محصولات هستند. در اینجا برخی از مشکلات اصلی مصرف کنندگان با باتری ها آمده است:

• باتری ها می توانند آتش بگیرند یا حتی منفجر شوند: اگرچه این اتفاق نادر است ، اما اگر باتری معیوب باشد و الکترودها به یکدیگر نزدیک شوند ، باتری می تواند باعث اتصال کوتاه شود و باعث گرمای شدید ، آتش سوزی یا انفجار شود.
• باتری ها نمی توانند خیس شوند: پس از ورود آب به باتری ، خارج کردن آن تقریبا غیرممکن است زیرا دریچه ایمنی باتری از نشت مایعات از باتری جلوگیری می کند. آب موجود در باتری می تواند باعث خرابی آن شود. باتری های خیس شده را به سرعت و به درستی دور بیندازید.
• باتری ها می توانند یخ بزنند: بیرون باید بسیار سرد باشد ، اما اگر در منطقه ای زندگی می کنید که زمستان های سخت و سردی را تجربه می کند ، مراقب باشید. در صورتی که باتری تنها نیم بار شارژ شده باشد می تواند در حدود 10 درجه زیر درجه فارنهایت یخ بزند.
• باتری ها برای محیط زیست مضر هستند: باتری هایی که به درستی دفع نشوند ، ممکن است با تجمع و خوردگی به پایان برسند و این باعث می شود مواد شیمیایی آنها خاک و آب ما را آلوده کند. این مواد شیمیایی باتری نه تنها برای اکوسیستم های ما مضر هستند ، بلکه به آب آشامیدنی ما و هوایی که تنفس می کنیم نیز وارد می شوند. ناگفته نماند ، باتری های لیتیوم می توانند به طور بالقوه باعث آتش سوزی در محل دفن زباله شوند و به گرم شدن کره زمین کمک کنند. خبر خوب این است که باتری ها قابل بازیافت هستند.

چه نوع باتری استفاده می کنید؟

اکنون که به سوال بزرگ “چگونه باتری کار می کنند” پاسخ داده ایم ، وقت آن است که با دانش جدید خود کمی تفکر کنید. در خانه خود قدم بزنید تا انواع مختلف باتری استفاده کنید را ببینید. سپس ، برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد محصولات خانگی که معمولاً استفاده می شوند ، مقاله ما در مورد لامپ ها بررسی کنید تا بدانید چگونه می توانید پول هنگفتی را ذخیره کنید.