باتری

باتری وسیله‌ای متشکل از یک یا چند سلول الکتروشیمیایی با اتصالات خارجی است که برای تأمین انرژی دستگاه‌های الکتریکی مانند چراغ‌قوه، تلفن‌های همراه و خودروهای برقی استفاده می‌شود.

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.

باتری ها به دو نوع اولیه و ثانویه تقسیم می شوند. مواد اولیه تولید باتری بسته به نوع آن ها متفاوت است. انواع اصلی باتری ها کربنات روی، 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.

در ساخت باتری از چه فلزهایی استفاده میشود ؟

آلومینیوم : 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.

• فویل آلومینیومی

 در باتری یک لایه نازک از فویل آلومینیوم است که در ساخت باتری‌ها استفاده می‌شود. این فویل عمدتاً به عنوان یک جداکننده بین لایه‌های مختلف باتری یا بین سلول‌های باتری استفاده می‌شود. فویل آلومینیومی به علت خاصیت ضد اکسیداسیونی که دارد، می‌تواند از اکسیداسیون یا تخریب باتری جلوگیری کند و در عین حال به منع تماس بین الکترودها کمک کند.

ویژگی های فویل آلومینومی

• ضد اکسیداسیون
• خفیف و مقاومت مکانیکی
• مناسب خواص حرارتی
• مناسب خواص الکتریکی
• پذیرش ویژگی‌های براق
• قابلیت انعطاف پذیری

این ویژگی‌ها باعث می‌شوند که فویل آلومینیومی باتری یک جزء مهم و موثر در بهبود عملکرد و ایمنی باتری‌ها باشد.

نقره : این عنصر یک فلز نرم، سفید و درخشان است که بالاترین هدایت الکتریکی و حرارتی را در بین تمامی فلزات دارد. نقره به صورت خالص هم موجود است، هر چند عمدتاً به عنوان محصول جانبی مس، طلا، سرب و روی تولید می شود. در صنعت نقره در پنل های خورشیدی و فیلتراسیون آب استفاده می شود. همین طور زیورآلات و ظروف و سکه های نقره ای هم مورد استفاده اند. اتصالات و هادی های الکتریسیته، آینه ها، پوشش شیشه ها، فیلم های عکاسی و اشعه ایکس از دیگر استفاده های این عنصر هستند. در پزشکی، ترکیبات نقره ای به عنوان ضدعفونی کننده در پانسمان به کار می روند. نقره در باتری های نقره- روی کاربرد دارد.

قلع : قلع یک فلز نقره ای و چکشخوار است که به راحتی در هوا اکسید نمی شود. این عنصر در زمان باستان پس از برنز در سال 600 پیش از میلاد تولید شد. امروزه این عنصر با آلیاژهای بسیاری ترکیب می شود و در لحیم قلع- سرب و پوشش های ضد خوردگی فولاد ها کاربرد دارد. سمیت کم فولاد های پوشش داده شده با قلع را برای بسته بندی غذا مناسب ساخته است. قلع در باتری ها کاربرد دارد.

وانادیوم : این عنصر یک فلز سخت و خاکستری مایل به نقره ای است. در سال 1801 وانادیوم در مکزیک یافت شد. این عنصر در 65 ماده معدنی یافت می شود و در حالت فلزی یک لایه اکسید پایدار روی این فلز تشکیل می شود. وانادیوم همچنین به صورت طبیعی در رسوبات سوخت های فسیلی یافت می شود و توسط چین و روسیه از سرباره کوره فولاد و سایر محصولات شامل معدن کاری اورانیوم تولید می شود. وانادیوم در آلیاژ های فولادی مورد استفاده در باتری جریانی بکار می رود.

آننیموان : این عنصر یک فلز سفید، درخشان و شکننده است که در 3000 سال پیش از میلاد کشف شد ولی با سرب اشتباه گرفته می شد. تولید کننده اصلی این عنصر چین است. این عنصر در باتری های سربی اسیدی جهت تقویت صفحات سربی، کاهش هزینه نگهداری و افزایش کارایی استفاده می شود. سایر کاربرد های این عنصر، مواد ضد حریق، کاربرد های اصطکاک پایین، بهبود خواص آلیاژها و ساخت نیمرساناها می باشد.

کادمیوم : 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. باتری نیکل کادمیوم، نوعی باتری قابل شارژ است که در آن از هیدروکسید نیکل اکسید و کادمیوم فلزی به عنوان الکترود استفاده می شود. این باطری ها با اصطلاح Ni-Cd نامگذاری می شوند که نشان دهنده نمادهای شیمیایی نیکل و کادمیوم است

سرب : سرب در باتری های سرب اسید، گلوله ها، وزنه ها و سپرهای تشعشع استفاده می شود. در باتری ها، صفحات از دو نوع مثبت و منفی هستند. صفحه مثبت از دی اکسید سرب و منفی از سرب اسفنجی تشکیل شده است. این دو صفحه با استفاده از یک ورقه که یک ماده ی عایق است، ازهم جدا می شوند. این ساختار کل در یک بدنه ی پلاستیکی سخت با یک الکترولیت نگه داشته می شود

• باتری سرب اسیدی

 باتری اسیدی یا باتری سربی-اسیدی گونه‌ای از باتری قابل شارژ است علی‌رغم ذخیره انرژی کم نسبت به وزن و حجم آن، به‌دلیل هزینه پایین و عرضه زیاد در وسایل نقلیه موتوری مورد استفاده قرار می‌گیرد.

منگنز : 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.

روی : 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

روی به طور وسیع در سرتاسر دنیا مورد مصرف قرار می‌گیرد. در میان فلزات غیرآهنی، روی از لحاظ رتبه در مصرف، بعد از آلومینیوم و مس قرار می‌گیرد. روی بصورت اشکال تجاری متنوعی تهیه می‌گردد، از جمله: شمش، کلوخه، ورق، سیم، گلوله‌ای، میله‌ای، دانه‌ای و پولکی. ترکیبات و آلیاژهای روی نیز در بیشتر موارد از اشکال فوق یا از قراضه‌های حاوی روی، و در بعضی موارد مستقیما از کنسانتره روی تهیه می‌گردند. روی همچنین به لحاظ خواص کاربردی‌اش در صنایع مختلفی بکار می‌رود.

باتری هایی که از روی ساخته میشود

• باتری روی - کربن
• باتری کلرید روی
• باتری روی – دی اکسید
• منگنز باتری روی – اکسید
• نقره پیل مولد ولتاژ روی – کلرید
• نقره باتری روی – هوا

سدیم : 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

مهم ترین فلزی که در ساخت باتری استفاده میشود 

لیتیم : لیتیم فلزی قلیایی و کمیاب است که در ساختن باطری های دستگاه های دیجیتال، موترهای برقی و روبات ها از آن استفاده می شود. اخیراَ رئیس جمهور افغانستان از رئیس جمهور آلمان خواسته که در مطالعه و استخراج این فلز قیمتی کشورش را کمک کند.

از مهم ترین معیار های لیتیم می توان به نرمی بالا آنقدر که با چاقو بریده می شود ؛ سبکی و کم وزنی ؛ دارای بالاترین ظرفیت گرمایی در بین تمامی عنصر های جامد ؛ نقطه ذوب پایین و در میان فلزات قلیایی بالاترین نطقه ذوب و جوش ؛ رسانای خوب گرما و جریان برق ؛ هنگان قرار گرفت روی آتش تولید رنگ زرشکی و در اثر سوختن با شدت بالا ایجاد شعله هایی سفید ؛ واکنش پذیری آن نیز از سدیم کمتر است .

به دلیل معیار ها  و خواص فلز لیتیم , این عنصر در صنایع مختلف کاربردهای گوناگونی دارد که از جمله مهم ترین آنها می توان به ساخت باتری های قابل شارژ در گوشی همراه , رایانه های دستی و خودروهای برقی , به دلیل سبکی و منعطف بودن همچنین مقاومت بالا استفاده در صنایع هواپیما سازی ,فضا پیما , زیر دریایی , بلبرینگ چرخ های قطار , همچنین در صنایع داروسازی برای تولید داروهای روانپزشکی مورد استفاده قرار میگیرد .

مهم ترین ویژگی های لیتیم عبارتند از:

1.فلز فوق العاده سبک: لیتیم یکی از سبکترین فلزات موجود است و در وزن مخصوصی که تنها نصف وزن آلومینیوم دارد.

2. پتانسیل بالای الکتروشیمیایی: لیتیم با داشتن پتانسیل الکتروشیمیایی بالا و برقگیری آسان، به عنوان یک منبع قدرت برای باتریها و سیستمهای ذخیرهسازی انرژی استفاده میشود. این ویژگی موجب استفاده گسترده تر از لیتیم در صنایع باتریسازی و الکترونیک میشود.

3. بهرهوری انرژی بالا: باتریهای لیتیومی به دلیل بهرهوری انرژی بالا، به عنوان یک منبع انرژی قابل اعتماد در صنایع مختلف مورد استفاده قرار میگیرند. این باتریها قدرت بالایی در ذخیرهسازی انرژی دارند و میتوانند در برابر چرخههای شارژ و دشارژ مکرر بسیار مقاوم باشند.

4. تأثیر کم بر محیط زیست: استخراج لیتیم از منابع طبیعی مانند سنگهای راکلیت، سپنت، لیپیدولیت و غیره صورت میگیرد. این فرآیند با توجه به نیاز کم به انرژی و مواد شیمیایی، تأثیر کمتری بر محیط زیست دارد نسبت به استخراج فلزات دیگر مانند آلومینیوم یا روی.

5. قابلیت بازیافت: یکی از مزیتهای استخراج لیتیم، قابلیت بازیافت آن است. باتریهای لیتیومی میتوانند پس از دور ریختن، بازیافت شوند و مواد قابل استخراج مانند فلز لیتیم و کبالت مجدداً استفاده شوند. این امر موجب کاهش مصرف منابع طبیعی و حفظ محیط زیست میشود.

یکی از اجزای مهم در باتری‌های قابل شارژ است که در تلفن‌های همراه، رایانه‌های دستی و خودروهای برقی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در حال حاضر، آلیاژی از لیتیوم و آلومینیوم در صنایع هواپیماسازی مورد استفاده قرار می گیرد که سبک، قابل انعطاف، محکم و مقاوم است. علاوه بر این، لیتیوم نیروی کششی زیادی دارد و به دلیل وزن کم آن گزینه بسیار مناسبی برای باتری‌های کم وزن و پرانرژی است. همچنین، این ماده معدنی همراه با سرب آلیاژی را تولید می‌کند که در ساختن بلبرینگ چرخ‌های قطار استفاده می‌شود. از دیگر مصارف لیتیوم می‌توان به کاربرد آن در صنعت داروسازی اشاره کرد. با این همه در مورد مصرف لیتیوم هم در صنایع و همچنین در داروسازی توجه به یک نکته بسیار مهم محسوب می شود؛ چرا که مرز میان سودمند بودن این ماده و سمی بودنش برای انسان و محیط زیست بسیار بسیار نازک و شکننده‌است.

سخن پایانی

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. باتری ها به دو نوع اولیه و ثانویه تقسیم می شوند. مواد اولیه تولید باتری بسته به نوع آن ها متفاوت است. انواع اصلی باتری ها کربنات روی، 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.