برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۶/۰۹/۱۸ تا ۱۳۹۶/۰۹/۲۴

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۱۴,۳۳۲
  • بازدید این ماه ۳۳۲
  • بازدید امروز ۴
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۱۶۸
  • قبول شدگان ۱۱۱
  • شرکت کنندگان یکتا ۶۹
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۵۸
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

مقدماتی

کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

باتری یک ابزار ذخیره انرژی 1

با توجه به گسترش کاربرد باتری در زندگی بشر، خصوصا نیاز به خودروهای الکتریکی (بدلیل مشکلات سوخت‌های فسیلی)، اهمیت پژوهش‌های کاربردی در زمینه باتری روزبه‌روز روشن‌تر می‌شود. در این مقاله خلاصه‌ای از ویژگی‌های باتری مانند ظرفیت، انرژی و توان توضیح داده شده و ارتباط بین آنها بیان می‌شود. اجزای کلیدی باتری و مشخصات ایده‌آل لازم برای این اجزاء، همچنین ارتباط ویژگی‌هایی مانند ظرفیت، توان و انرژی با عملکرد این اجزای کلیدی شرح داده می‌شود. همچنین حوزه‌های کاربردی نانوفناوری در بهبود ویژگی‌های باتری (از طریق ارتقاء عملکرد اجزای باتری) به طور خلاصه در میان مباحث بیان می‌شود، در حالی‌که مطالب تکمیلی درباره تاثیر نانو در مقالات آتی خواهد آمد. در آخر انواع باتری‌ها معرفی خواهد شد و مقایسه‌ای بین عملکرد آ نها صورت می‌گیرد. 
1- معرفی باتری
به طور کلی باتری‌ها به دو دسته اصلی باتری‌های اولیه و ثانویه تقسیم می‌شوند. باتری‌های اولیه غیرقابل شارژ و یک‌بار مصرف، ولی باتری‌های ثانویه بسته به نوع باتری می‌توانند تا چندین دوره یا سیکل مورد استفاده قرار گیرند. در این سلسله مقالات، بدلیل اهمیت باتری‌های ثانویه و کاربرد فراوان نانوفناوری در آن، تمامی ‌بحث‌ها معطوف به باتری‌های ثانویه است. همان‌طور که مشخص است سازوکار عملکرد یک باتری بر مبنای واکنش‌های الکتروشیمیایی است، چون فرض بر این است که خوانندگان با واکنش‌های اکسایش-کاهش در باتری آشنایی دارند، لذا جهت اختصار از بیان مطالب مربوطه صرف‌نظر شده است (واکنش‌های اکسایش-کاهش در کتاب‌های دبیرستان تا کتاب‌های دانشگاهی پوشش داده شده است). همان‌طور که خوانندگان مطلع هستند، در واکنش‌های اکسیداسیونی (اصطلاحا Redox) آند، الکترودی است که در آن واکنش اکسایش صورت می‌گیرد و کاتد، الکترودی است که در آن واکنش احیا انجام می‌شود. شکل 1، یک باتری دانیل را همراه با محاسبه پتانسیل استاندارد سلول نشان می‌دهد. با توجه به این تعریف، قطب منفی باتری در حین مصرف باتری که اصطلاحا دشارژ (discharge) نامیده می‌شود به عنوان آند عمل می‌کند و در هنگام شارژ(charge) همان قطب منفی، نقش کاتد را دارد، ولی همواره قطب مثبت و منفی در شارژ و دشارژ ثابت است (همانند شکل 2). برای روشن شدن موضوع، گرافیت در باتری یون لیتیومی، چه در حین شارژ و چه در حین دشارژ پایانه منفی باتری است. یعنی اگر در حین دشارژ یک مصرف کننده متصل کنیم، گرافیت قطب منفی را تشکیل می‌دهد و در هنگام شارژ باتری، قطب منفی شارژرمان را باید به گرافیت متصل کنیم. همین طور است برای قطب مثبت باتری. 

filereader.php?p1=main_5f2a990970da135a1
شکل 1- نمایش یک باتری (پیل دانیل)

بیان شد که قطب منفی (مثلا گرافیت) در حین دشارژ آند است؛ یعنی در آن واکنش اکسایش صورت می‌گیرد. در حالی‌که همین قطب منفی در حین شارژ به عنوان کاتد (در آن احیا (کاهش) صورت می‌گیرد) عمل می کند. ولی به عنوان یک قاعده مرسوم، قطب منفی تحت نام آند، و قطب مثبت به نام کاتد شناخته می‌شود؛ یعنی حالت دشارژ مبنا قرار می‌گیرد. همچنین لازم به ذکر است هر باتری ممکن است از چندین سل تشکیل شده باشد که هر سل کوچکترین واحد الکتروشیمیایی تولید انرژی است.

filereader.php?p1=main_51d29a3413bb6bffa
شکل 2- نمایش ثابت ماندن قطب مثبت و منفی در حین شارژ و دشارژ

2 - ویژگی‌های باتری
هر باتری با یک سری ویژگی‌ها شناخته می‌شود. این ویژگی‌ها را به طور کلی می‌توان به دو دسته تقسیم کرد: دسته اول مستقیما به عملکرد باتری مرتبط هستند مانند چگالی انرژی، چگالی توان، طول عمر سیکلی؛ و دسته دوم ارتباط مستقیمی ‌با عملکرد باتری ندارند مانند قیمت، اثرات زیست محیطی، ایمنی و مانند آن. برای بیان عملکرد باتری و تاثیر نانو بر آن لازم است تا این مشخصات توضیح داده شود.
ولتاژ باتری: به مقدار ولتاژ تولید شده توسط باتری گویند که به جنس آند و کاتد به کار رفته در باتری بستگی دارد. برای باتری انواع گوناگون ولتاژ تعریف می‌شود. یکی از مشخصه‌ها، ولتاژ تئوری باتری است که تنها به جنس آند و کاتد باتری بستگی دارد و از طریق نیم‌واکنش‌های اکسایش-کاهش، با رجوع به جدول استاندارد پتانسیل الکترودها (جدول 1)، مشخص می‌شود (همان معادله نرنست). دیگری ولتاژ مدار باز (وقتی باتری به مصرف‌کننده وصل نشده است) که مقدار آن نزدیک به ولتاژ تئوری است. مشخصه دیگر ولتاژ اسمی است، که به عنوان ولتاژی که یک باتری با آن کار می‌کند پذیرفته شده است. دیگری ولتاژ قطع (Cut-off) است که بدلیل ایمنی، از بین رفتن دایمی ظرفیت و ... نباید ولتاژ باتری پایین‌تر از آن باشد.

جدول 1- پتانسیل استاندارد نیم سلول‌ها بر مبنای واکنش احیایی
filereader.php?p1=main_5f2a990970da135a1

چگالی انرژی (Energy Density): مقدار انرژی قابل دریافت از باتری به‌ازای واحد حجم است و با واحدهایی نظیر Wh/L (وات ساعت بر لیتر) بیان می‌شود. در مقایسه بین دو باتری هر کدام که چگالی انرژی بالاتری داشته باشد، به ازای واحد حجم، انرژی بیشتری را تحویل می‌دهد.
انرژی مخصوص (Specific Energy): دقیقا همانند قبلی ولی به ازای واحد جرم تعریف می شود (Wh/g) و همان مطالبی که برای چگالی انرژی گفته شده برای آن صادق است. به صورت مرسوم در نوشتجات، اصطلاح چگالی انرژی برای انرژی مخصوص نیز به کار می‌رود و حتی گاهی عبارت چگالی انرژی حجمی، برای چگالی انرژی تعریف شده در بند بالا استفاده می‌شود که در مطالب بیان شده در این نوشته از دو اصطلاح اخیر استفاده شده است.
توان باتری: مشابه مورد انرژی، توان قابل دریافت از باتری به ازای واحد حجم یا جرم (چگالی توان یا توان مخصوص) است. هرچه جریان یک باتری افزایش یابد متعاقبا مقدار توان تحویلی افزایش می‌یابد. بدلیل بحث‌های مربوط به ایمنی، کاهش ظرفیت، طول عمر و غیره، نمی‌توان جریان را به هر میزان افزایش داد. در این سری مقالات جهت اختصار، نام توان و انرژی به تنهایی و بدون پسوند و پیشوند ذکر شده است.
ظرفیت: مقدار بار الکتریکی ذخیره شده در باتری که قابل دریافت است را نشان می‌دهد که بر حسب واحد آمپر-ساعت بر گرم mAh/g بیان می‌شود. ظرفیت باتری در حین مصرف، تخلیه می‌شود و در حین شارژ، دوباره برمی‌گردد. ظرفیت باتری در طول دوره‌های شارژ و دشارژ (از این به بعد به اختصار سیکل) مدام از حالت اولیه کمتر می‌شود. یعنی بعد از هر بار سیکل کاری، ظرفیت سیکل دوره بعد کاهش می‌یابد. همچنین اگر از باتری استفاده نکنیم (حالت مدار باز)، حتی در این حالت هم بدلیل واکنش‌های جانبی و ... ، ظرفیت باتری کاهش می‌یابد به همین جهت هر باتری دارای تاریخ انقضاست (Shelf life).
طول عمر سیکلی: با هر بار شارژ و دشارژ باتری، مقدار ظرفیت قابل دریافت از آن کاهش می‌یابد. طول عمر سیکلی تعداد سیکل‌های شارژ و دشارژ باتری را نشان می‌دهد که بعد از آن ظرفیت باتری از حد مجاز تعیین شده کمتر می‌شود. این ظرفیت به ولتاژ قطع، ایمنی و ... مرتبط است.
Crate: نشان‌دهنده سرعت شارژ یا دشارژ (همان جریان) باتری است که بر حسب ضریبی از C بیان می‌شود. به طور مثال سرعت 1C نماینده جریانی است که باعث می‌شود که کل ظرفیت باتری در یک ساعت تخلیه شود. یا 0.5C و 2C به ترتیب جریانی را بیان می‌کنند که باعث تخلیه ظرفیت باتری در طول دو ساعت و نیم ساعت می‌شود.
مشخصاتی مانند ظرفیت، انرژی و توان و ... می‌توانند برای کل باتری، برای آند و کاتد همراه با هم، و به طور مجزا برای آند و کاتد تعریف شوند. به طور مثال چگالی انرژی برای الکترود (کاتد یا آند) نشان‌دهنده مقدار انرژی قابل دریافت توسط الکترود به ازای واحد جرم است که برای چگالی توان و ظرفیت به همین شکل است.
ظرفیت الکترودها از تقسیم مقدار بار الکتریکی به ازای واحد مول، بر جرم مولی حاصل می‌شود. برای روشن شدن مطلب و تعیین انواع ظرفیت‌ها، یک پیل دانیل را در نظر بگیرید که از دو الکترود یکی فلز روی به عنوان آند و دیگری مس به عنوان کاتد تشکیل شده است. واکنش‌ها و محاسبات مربوط به ظرفیت و انرژی تئوری در جدول 2 و 3 نشان داده شده است. 

جدول 2- واکنش‌ها و پتانسیل باتری؛ پتانسیل باتری از کم کردن پتانسیل آند از پتانسیل کاتد حاصل می‌شود.
filereader.php?p1=main_51d29a3413bb6bffa

جدول 3- نحوه محاسبه ظرفیت آند، کاتد و کل باتری
filereader.php?p1=main_0b61d1f1bcbe30345

در این روابط n تعداد الکترون‌های شرکت‌کننده در واکنش‌ها، F عدد فارادی و M جرم مولی است. برای ظرفیت باتری می‌توان از هر دو فرمول جدول استفاده کرد. در محاسبه همه ظرفیت‌ها ابتدا واکنش‌های آندی و کاتدی باید به‌درستی تشخیص داده شود و حتما موازنه دقیق صورت گیرد تا مقدار n و مقدار واکنشگرها به‌درستی تشخیص داده شوند.
در محاسبه ظرفیت باتری با استفاده از روش دوم، بعد از موازنه واکنشگرها، احتمال اشتباه وجود ندارد. ولی محاسبه با استفاده از ظرفیت‌های آند و کاتد، (بدلیل وجود بعضی واکنشگرها که بعد از موازنه و جمع واکنش‌ها حذف می‌شوند) امکان اشتباه وجود دارد. ولی به طور کلی واضح است هرچه ظرفیت آند و کاتد بیشتر باشد، ظرفیت باتری بیشتر می‌شود. همان طور که مورد بررسی قرار می‌گیرد فناوری نانو این امکان را فراهم می‌آورد تا از موادی در آند و کاتد استفاده شود که ظرفیت قابل ملاحظه‌ای را ارائه می‌دهند؛ در حالی‌که بدون نانوفناوری این مواد قابل استفاده نیستند. به‌طور مثال در باتری‌های لیتیومی‌ می‌توان از نانولوله‌کربنی به جای گرافیت در آند استفاده کرد تا ظرفیت آندی بالا رود یا نانوفناوری ما را قادر می‌سازد از آندهایی مثل سیلیکون به شکل نانوساختار که ظرفیت بالایی دارند، استفاده کنیم (این آندها در حالت غیر نانو قابل استفاده نیستند) و بدین ترتیب ظرفیت و انرژی باتری افزایش می‌یابد.
ظرفیت واقعی، بدلیل وجود اجزای دیگر لازم، شامل جمع‌کننده جریان، الکترولیت، مواد غیرفعال و ... (در ادامه توضیح داده می‌شوند) که هم بر وزن و هم بر حجم باتری اثر می‌گذارند، در عمل نصف ظرفیت تئوری بیان شده در بالاست؛ به طور مثال برای یک باتری آلکالن (قلیایی) ظرفیت تئوری 0.22Ah/g بدست می‌آید در حالی که ظرفیت واقعی 0.11Ah/g است. در شکل زیر دو نمونه متفاوت از پیکربندی باتری جهت آشنایی با اجزای آن آورده شده است. یادگیری شکل لازم نیست بلکه فقط برای آشنایی است.

filereader.php?p1=main_0b61d1f1bcbe30345
شکل 3- نمایش اجزای مختلف یک باتری

3  - انواع باتری

به طور کلی سه نوع ابزار ذخیره‌سازی انرژی با مکانیزم الکتروشیمیایی وجود دارد: پیل سوختی، باتری و ابرخازن. این سه، ابزار دخیره انرژی هستند. پیل سوختی چگالی انرژی بالایی را فراهم می‌کند و ابرخازن توان بالایی را ارایه می‌دهد که در مقالات مربوطه بحث خواهد شد.
تنوع و انواع باتری‌ها بسیار زیاد است، بعضی باتری‌ها برای مصارف عمومی و بعضی جهت کاربردهای خاص مثل صنایع نظامی و پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. با توجه به این تنوع، حتی ذکر تمام این باتری‌ها نیاز به حجم گسترده‌ای از مطالب دارد. در خیلی از این باتری‌ها فناوری نانو بدون کاربرد نیست ولی با توجه به محدودیت حجم مطالب، فقط کاربردهای نانو در باتری‌های معروف و اصلی مورد بررسی قرار می‌گیرد.
شکل 4 تعدادی از باتری‌های مطرح همراه با چگالی انرژی تئوری و عملی آنها را نشان می‌دهد. حتی با کمک نانوفناوری، بدلیل مشکلات مختلف، به سختی می‌توان برای یک باتری به انرژی تئوریش رسید. باتری‌های سرب اسید و نیکل هیدرید فلز نسل قدیمی‌تر و باتری‌های یون لیتیومی نسل فعلی باتری‌ها هستند. انواع دیگری از باتری‌ها (با شباهت زیاد به باتری لیتیوم یون) همانند سدیم یون، منیزیوم یون و ... هم وجود دارند که در مقایسه با باتری‌های یون لیتیومی بیشتر در مرحله تحقیقاتی هستند و علت مطرح شدن آنها نه عملکرد بهتر، بلکه قیمت پایین‌تر است. این نوع باتری‌ها چون از خیلی جهات یه باتری لیتیوم-یون نزدیکند، بنابراین خیلی از مطالبی که در این مجموعه مقالات باتری درباره باتری یون لیتیومی گفته می‌شود، به آنها هم قابل تعمیم است.
باتری‌های لیتیوم-سولفور، روی-هوا و لیتیوم-هوا نسل آتی باتری‌ها را به خود اختصاص می‌دهند. هدف از کاربرد باتری‌های لیتیوم-هوا جایگزینی آنها به جای سوخت‌های فسیلی در خودروهاست. در این مجموعه مقالات باتری‌های یون لیتیومی و نسل جدید بحث می‌شود و باتری‌های نسل قبل که مطالب نانوتکنولوژی کمتری دارد، صحبت نمی‌شود.

filereader.php?p1=main_fda3dac23098c6a82
شکل 4 - مقایسه بین چگالی انرژی باتری‌های مختلف

در آخر نمودارهایی تحت عنوان راگون، همانند شکل 5 ، وجود دارد که توان و ظرفیت باتری‌های مختلف و همچنین بین ابزارهای انرژی الکتروشیمیایی چون پیل سوختی، باتری و ابرخازن‌ها را نمایش می‌دهد. باتری‌هایی همچون لیتیوم-هوا چون شباهت زیادی به پیل سوختی دارند، چگالی انرژی بالاتر ولی باتری‌های لیتیوم توان بهتری را ارایه می‌دهند. اخیرا با نانوفناوری باتری‌های شبه‌خازنی هم مطرح شده‌اند که توان خوبی مشابه ابرخازن دارند، در حالی‌که مزیت باتری که چگالی انرژی بالاتر است را هم حفظ می‌کنند.

filereader.php?p1=main_bb4c14f8e4249e94f
شکل 5- مقایسه توان و انرژی باتری، پیل سوختی و ابرخازن

برای ارزیابی الکتروشیمیایی باتری روش‌هایی شامل گالوانواستات، ولتامتری سیکلی و اسپکتروسکوپی امپدانس الکتروشیمیایی وجود دارد که در مقالات ما نیازی به بحث درباره عملکرد آنها نیست و علاقه‌مندان می‌توانند به کتاب‌های مربوطه مراجعه کنند.

4 - بحث و نتیجه‌گیری

در این مقاله آند و کاتد باتری در هنگام شارژ و دشارژ معرفی شد. مشخص شد که قطب‌های مثبت و منفی همواره ثابت است. ویژگی‌های باتری مثل چگالی انرژی، توان و ظرفیت تعریف و اهمیت آنها در عملکرد باتری بیان شد. چگونگی محاسبه ظرفیت تئوری و ارتباط آن با ظرفیت آند و کاتد شرح داده شد. مشخص شد که ظرفیت باتری به دلایل متفاوتی از حد تئوری پایین‌تر است. گفته شد نانوفناوری با افزایش ظرفیت آند و کاتد می‌تواند بر روی افزایش ظرفیت باتری موثر باشد. در آخر انواع مختلفی از باتری به صورت مختصر معرفی و در آخر منحنی‌های راگون و مقایسه‌ای بین ابزارهای ذخیره الکتروشیمیایی صورت گرفت.

منابـــع و مراجــــع

1. Whittingham, M. Stanley, and Thomas Zawodzinski. "Introduction: batteries and fuel cells." Chemical reviews 104.10 (2004): 4243-4244.

2. Atkins, P. W. "Physical Chemistry. 6th."

3. Linden, David, and Thomas B. Reddy. "Handbook of batteries." (1865).

4. Vincent, Colin, and Bruno Scrosati. Modern Batteries 2nd Edition. Elsevier, 1997.

5. Newman, John, and Karen E. Thomas-Alyea. Electrochemical systems. John Wiley & Sons, 2012.

6. Huggins, Robert. Advanced batteries: materials science aspects. Springer Science & Business Media, 2008.

7.Tarascon, J-M., and Michel Armand. "Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries." Nature 414.6861 (2001): 359-367

8. Dhameja, Sandeep. Electric vehicle battery systems. Newnes, 2001.

9. Srinivasan, Venkat. "Batteries for Vehicular Applications pp." (2008).

10. http://web.mit.edu/evt/summary_battery_specifications.pdf

11. Srinivasan, Venkat. "Batteries for Vehicular Applications pp." (2008).

12. Scrosati, Bruno, and Jürgen Garche. "Lithium batteries: Status, prospects and future." Journal of Power Sources 195.9 (2010): 2419-2430.