از لحاظ لغوی، باتری به وسیله‌ای گفته می‌شود که بتواند در خود مقدار معینی از انرژی را ذخیره کند و انرژی ذخیره‌شده از هر نوعی می‌تواند باشد. به‌عنوان مثال صخره‌ای که روی قله یک کوه قرار گرفته در حکم یک باتری است زیرا انرژی مکانیکی را به‌صورت انرژی پتانسیل در خود ذخیره کرده‌است. همچنین می‌توان به انرژی ذخیره شده در پیوندهای یک ماده شیمیایی اشاره کرد که با سوختن آن می‌توان این مقدار از انرژی را آزاد نمود.
آنچه امروزه از آن به‌عنوان باتری نام برده می‌شود، وسیله‌ای است که بیش از همه مرهون فعالیت‌ها و تحقیقات دو دانشمند بزرگ علم الکتروشیمی و باتری یعنی لوئیجی گالوانی (Luigi Galvani) و آلساندرو ولتا (Alessandro Volta) است. گالوانی در سال $1790$ توانست توسط دو میله فلزی از جنس آهن و مس، عضلات پای یک قورباغه مرده را به‌حرکت درآورد. ولتا این پدیده را وابسته به ایجاد جریان الکتریکی بین الکترودهای آهن و مس دانست. بعد از این مشاهده، وی یک پیل طراحی کرد که شامل دو الکترود نقره و روی بود و بین دو صفحه الکترود، یک صفحه آغشته به محلول الکترولیت قرار داشت. بنابراین ولتا نخستین کسی بود که باتری را به معنای آنچه که امروزه شناخته می‌شود، ساخت. وی این اختراع را در سال $1800$ به ثبت رساند. در سال $1834$ مایکل فارادی (Michael Faraday) قوانین الکتروشیمی حاکم بر کار ولتا را به‌دست آورد. در حقیقت، این کار فارادی عامل ایجاد پلی بین انرژی شیمیایی و الکتریکی شد.

دانشمندان دیگر بر پایه کار ولتا باتری‌هایی را با طرح‌های متفاوت ارائه دادند و بیشترین هدف تحقیقات آنها توسعه باتری‌ها در جهت افزایش انرژی بود. دو عامل مهم دیگر که به توسعه و پیشرفت صنعت باتری انجامید، نیاز به چگالی انرژی بیشتر و همچنین توجه به مسائل زیست محیطی باتری است. در سال‌های اخیر که صنعت تولید خودروهای هیبرید و الکتریکی رشد وسیعی یافته‌است، باعث شده در طراحی باتری‌ها چگالی انرژی و توان بیشتر، مدنظر قرار بگیرد. به‌همین منظور، در طراحی باتری‌ها باید به قابلیت‌هایی نظیر توان و انرژی بالا، وزن کم و هزینه مناسب اهمیت ویژه‌ای اختصاص داد.

 

شکل 1: تعاریف سل (یا پیل) و باتری

شکل 1: تعاریف سل (یا پیل) و باتری

پیل گالوانیک وسیله بسیار ساده‌ای است که شامل دو میله فلزی یا ترکیبات فلزی غیر همجنس (الکترود) بوده که درون ظرفی از یک مایع رسانای الکتریکی (الکترولیت) قرار دارند. شکل 1 یک پیل گالوانیک ساده را نمایش می‌دهد. از لحاظ فیزیکی، فلز ماده‌ای است که تمایل دارد آخرین الکترون خود را از دست بدهد. اما فلزات مختلف با قدرت‌های متفاوتی این الکترون را از دست می‌دهند. به میزان تمایل مواد برای از دست دادن الکترون و تبدیل شدن به یک یون مثبت در اصطلاح الکتروپزیتیویتی (Electropositivity) و همچنین به میزان تمایل مواد برای دریافت الکترون و تبدیل شدن به یون منفی اصطلاح الکترونگاتیویتی (Electronegativity) بیان می‌شود. با توجه به این تعریف و با بیان این موضوع که فلزات اغلب تمایل به از دست دادن الکترون خود دارند، می‌توان بیان کرد که در حالت کلی فلزات الکتروپزیتیو و غیر فلزات برخلاف آنها الکترونگاتیو هستند.

اگرچه تمایل به از دست دادن الکترون مدار آخر در تمامی فلزات وجود دارد، اما میزان الکتروپزیتیویتی (و همچنین الکترونگاتیویتی) یک خاصیت نسبی است. نسبی بودن به این معنی است که تمایل فلزات مختلف برای از دست دادن الکترون آخر با قدرت‌های متفاوتی صورت می‌گیرد و بنابراین هنگامی که دو الکترود از دو جنس متفاوت به یکدیگر متصل می‌شوند، یکی در مقابل دیگری خاصیت الکترونگاتیویتی پیدا کرده و دیگری الکترو پزیتیو می‌شود. به‌این ترتیب در مدار خارجی که این دو ماده به‌یکدیگر متصل هستند یک اختلاف ولتاژ پدید می‌آید که سبب جاری شدن جریان الکتریسیته بین دو الکترود می‌شود. این اختلاف ولتاژ برای مواد مختلف اندازه‌گیری شده و برای برخی از مواد در جدول 1 معروف به جدول الکتروشیمیایی آورده شده‌است. همان‌طور که در این جدول نیز مشاهده می‌شود، هرچه یک ماده در این جدول در ردیف‌های بالاتری قرار داشته باشد، تمایل بیشتری برای از دست دادن الکترون داشته یا الکتروپزتیوتر است.

جدول 1: پتا‌نسیل ا‌حیا‌ی بر‌خی ا‌ز مو‌ا‌د

جدول 1: پتا‌نسیل ا‌حیا‌ی بر‌خی ا‌ز مو‌ا‌د

 

در یک سل گالوانیک، الکترودها درون یک ظرف حاوی الکترولیت قرار دارند و در مدار خارجی با یک سیم فلزی به یکدیگر متصل می‌شوند. برای آنکه عمل اتصال کوتاه در مدار خارجی صورت نگیرد، لازم است در این مدار یک مقاومت (مانند یک لامپ) قرار داده شود. هنگام دشارژ، در قطب منفی (یا آند) فلز اکسید شده و الکترون آن آزاد می‌شود. بنابراین الکترون‌های منفی بر سطح فلز مانده و فلز به‌صورت یون‌های مثبت اکسید می‌شود. الکترون‌های آزاد شده از مدار خارجی حرکت کرده و به قطب مثبت (کاتد) می‌روند. در قطب مثبت، الکترون‌ها یون‌های فلزی موجود را احیا می‌کنند. در سطح تماس الکترود مثبت با الکترولیت، مولکول‌های آب تجزیه شده و به یون‌های مثبت هیدروژن و یون‌های منفی هیدروکسید تبدیل می‌شوند. یون‌های مثبت هیدروژن با اکسید فلز ترکیب می‌شوند و یون‌های منفی هیدروکسید از طریق الکترولیت حرکت کرده و به قطب منفی می‌روند. در کنار آند، این یون‌ها با یون‌های مثبت فلز ترکیب شده و آب و اکسید فلز تولید می‌کنند. نتیجه نهایی این فرآیند حل شدن یون‌های فلزی آند در الکترولیت و تولید گاز هیدروژن در کاتد است. هنگامی که تمام آند اکسید یا تمام کاتد احیا می‌شود، فرآیند الکتروشیمیایی متوقف شده و باتری از کار می‌ایستد.

ولتاژ هر سل یا پیل باتری در حدود $1$ تا $3$ ولت (با توجه به جدول الکتروشیمیایی) بوده و با توجه به جرم کم مواد فعال دارای انرژی کمی هستند. بنابراین برای افزایش ولتاژ و محتوای انرژی، آنها را با یکدیگر به‌صورت سری یا موازی متصل می‌کنند که به مجموعه آنها باتری می‌گویند.
اجزای یک باتری

یک پیل معمولاً شامل پنج قسمت به شرح زیر است:

الکترود منفی که هنگام دشارژ، باعث فرستادن الکترون‌ها در مدار خارجی می‌شود.

الکترود مثبت که در زمان دشارژ، الکترون‌ها را از مدار خارجی دریافت می‌کند.

الکترولیت محلول یا محیطی است که باعث انتقال یون‌ها بین قطب‌های مثبت و منفی می‌شود. وظیفه اصلی الکترولیت فراهم آوردن محیطی است که در آن یون‌های باردار بتوانند براحتی بین دو الکترود حرکت کنند یا به‌عبارتی دیگر، وظیفه اصلی آن برقراری مدار داخلی است. طبق این تعریف الکترولیت می‌تواند جامد هم باشد نظیر الکترولیت‌های پلیمری در باتری‌های لیتیوم-یون یا پیل‌های سوختی. در بسیاری از باتری‌ها، الکترولیت از لحاظ الکتروشیمیایی ماده‌ای غیرفعال بوده یا به‌عبارتی در واکنش‌های اصلی الکتروشیمیایی شرکت نمی‌کند. اما در برخی از باتری‌ها (مانند باتری‌های سرب-اسید) الکترولیت نیز به‌عنوان یکی از مواد فعال در واکنش‌های الکتروشیمیایی شرکت می‌کند. بنابراین با توجه به این مطلب الکترولیت‌ها به دو دسته فعال و غیرفعال دسته‌بندی می‌شوند.

در عمل، برای جلوگیری از تماس قطب‌های مثبت و منفی و بوجود آمدن اتصال کوتاه، معمولاً بین دو قطب یک عایق الکتریکی قرار می‌دهند. این عایق به‌نام سپراتور یا جداکننده شناخته می‌شود. جنس این سپراتور باید به‌گونه‌ای باشد که یون‌های باردار بتوانند براحتی از آن عبور کنند یا به عبارتی باعث قطع‌شدن مدار داخلی جریان الکتریکی نگردد. بنابراین برای ساختن این سپراتورها از مواد عایق متخلخل استفاده می‌کنند.

ظرف یا بدنه بخشی است که تمام قسمت‌های بیان‌شده درون آن قرار می‌گیرند. این بدنه معمولاً از یک جنس عایق مانند پلاستیک ساخته می‌شود.
در عمل طرح‌های بسیار زیادی از انواع باتری موجود است که با توجه به نیاز از طراحی‌های متنوعی بهره‌مند هستند. این طرح‌ها علاوه بر اجزایی که در بالا بیان شد می‌توانند دارای اجزای گوناگون دیگری نیز باشند.

 

مراجع
[1] Linden, David; Reddy, Thomas, Linden’s Handbook of Batteries, Third Edition, McGraw-Hill, 2010.
[2] Weast, R. C. (editor), CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press, Boca Raton, FL, 1988.
[3] http://www.wikipedia.com