باتری

باتری [Battery] یک سیستم الکتروشیمیایی است که انرژی الکتریکی را به شکل انرژی شیمیایی در ساختار مواد الکترواکتیو ذخیره می کند. در صورت نیاز به عنوان انرژی الکتریکی در اختیار مصرف کننده قرار می دهد. با پیشرفت صنعت، فناوری باتری نیز رشد کرد که منجر به افزایش نیاز و علاقه به باتری‌هایی با قابلیت‌ها و ویژگی‌های خاص می‌شود. تحقیقات در زمینه باتری‌ها را مهم می‌کند. امروزه باتری ها در کاربردهای مختلفی مانند کامپیوتر، وسایل ارتباطی، کنترل کننده های صنعتی، وسایل الکتریکی، فضاپیماها و تجهیزات آزمایشگاهی مورد استفاده قرار می گیرند.

اگرچه با تری 2955 سال پیش توسط ایرانیان در بین النهرین اختراع شد. اما بیشتر اطلاعات تاریخی در مورد اختراع آن به سال 1955 برمی گردد که آقای ولتا توانست با استفاده از واکنش شیمیایی بین دو فلز مختلف، جریان الکتریکی تولید کند. برای اولین سلول ولتایی از صفحات روی و نقره با جداکننده غیر رسانا اشباع با آب دریا استفاده شد. این کشف بسیار مهم بود زیرا برای اولین بار جریان الکتریکی پایدار و قابل کنترلی تولید کرد. آزمایش‌ها با ترکیب‌های مختلف فلز و الکترولیت برای بیش از 65 سال ادامه یافت.

یوهان ریتر اولین طرح باتری قابل شارژ را در سال 1952 ارائه کرد. اما تا زمانی که باتری‌های سرب اسیدی در سال 1965 وارد بازار تجاری شدند. این طرح برای مدت طولانی به عنوان یک تحقیق آزمایشگاهی باقی ماند. اولین بار در سال 1316 توسط آقای واتینگهام از شرکت اکسون معرفی شد. اولین باتری لیتیوم یونی تجاری در سال 1331 توسط سونی به بازار عرضه شد. با توجه به کاربرد متنوع آن در دستگاه الکترونیکی، تلفن همراه و رایانه قابل حمل، در زیر توضیحات مختصری در رابطه با ویژگی های باتری ها ارائه می شود.

اجزای باتری

با تری ها به طور کلی از سه قسمت اصلی تشکیل شده اند:

1. الکترود یا آند منفی : در جریان واکنش الکتروشیمیایی الکترون ها را به مدار خارجی می رساند و خود را اکسید می کند.
2. الکترود یا کاتد مثبت : در جریان واکنش الکتروشیمیایی از مدار خارجی الکترون دریافت می کند و خود احیا می شود.
3. الکترولیت یا هادی یونی : محیطی را برای انتقال بار به صورت یون های متحرک در داخل باتری و بین کاتد و آند فراهم می کند.

انواع باتری

به طور کلی با تری ها را می توان به سه دسته تقسیم کرد: باتری های اولیه، باتری های ثانویه و سلول های سوختی.

باتری های اولیه

این نوع باتری ها بر اساس واکنش های برگشت ناپذیر طراحی و ساخته می شوند و به همین دلیل قابلیت شارژ مجدد ندارند. به عبارت دیگر، باتری های اولیه پس از تخلیه و تکمیل واکنش شیمیایی، قابلیت انجام واکنش معکوس و ذخیره مجدد انرژی را ندارند.

باتر ی های ثانویه

اساس این نوع باتری ها یک واکنش برگشت پذیر است. تمام واکنش هایی که در حین تخلیه باتری برای تولید انرژی الکتروشیمیایی رخ می دهد باید در فاز شارژ برگشت پذیر باشند. هر گونه واکنش جانبی می تواند بازده کلی باتری را کاهش دهد.

پیل های سوختی

در سلول های سوختی، هدف استفاده بهینه از انرژی آزاد حاصل از واکنش سوخت هایی مانند هیدروژن، مونوکسید کربن، متان یا متانول و تبدیل آن به انرژی الکتریکی است. روش کار در پیل‌های سوختی کاملاً متفاوت از سایر باتری‌ها است، زیرا آنها مستقیماً انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند و به‌جای واحد ذخیره‌سازی به‌عنوان ژنراتور عمل می‌کنند.

باطری های قابل شارژ

یکی از مهم ترین ویژگی های باتری های قابل شارژ برگشت پذیری واکنش های شیمیایی آنهاست. در هنگام تخلیه، باتری انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند که توسط مصرف کننده استفاده می شود. فرآیند شارژ با تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی شیمیایی این امر را معکوس می کند.

تبدیل باید موثر باشد. حداقل تاثیری بر طول عمر باتری داشته باشد.
برخی از نمونه‌های باتری‌های قابل شارژ عبارتند از باتری‌های اسید سرب، باتری‌های قلیایی قابل شارژ مانند نیکل-کادمیم، اکسید روی- منگنز، باتری‌های فلز-هوا، باتری‌های سولفید لیتیوم-آهن و باتری‌های لیتیوم-یون.

باتری لیتیوم یونی

به طور کلی، باتری‌های لیتیوم یونی نسبت به فناوری‌های قدیمی‌تر مانند نیکل-کادمیم (NiCd) قابل اعتمادتر هستند و از مشکلی به نام «اثر حافظه» (که در آن شارژ باتری‌های نیکل-کادمیم تخلیه کامل آنها را دشوار می‌کند) رنج نمی‌برند. از آنجایی که باتری های لیتیوم یونی حاوی کادمیوم (فلز سمی و سنگین) نیستند. حداقل در تئوری، سازگارتر با محیط زیست هستند.

توضیحات کامل در مورد باتری

با این حال، هر باتری از فلزات، پلاستیک و سایر مواد شیمیایی مختلف ساخته می شود. در نهایت، دفع زباله های حاصله در محل های دفن زباله هرگز ایده آل نیست. در مقایسه با باتری‌های قابل شارژ سنگین مانند باتری‌های سرب اسیدی که در خودروها استفاده می‌شوند. باتری‌های لیتیوم یونی نسبتاً سبک وزن هستند و میزان انرژی آن‌ها ذخیره می‌شود.

ابر خازن

ذخیره سازی انرژی و مدیریت آن در زندگی مدرن بسیار مهم است و باتری ها و خازن ها را در میان سیستم های ذخیره انرژی از اهمیت ویژه ای می بخشد. باتری ها انرژی را از طریق واکنش ردوکس ذخیره و آزاد می کنند، در حالی که خازن ها معمولاً انرژی را از طریق یک فرآیند فیزیکی غیر فارادی ذخیره و آزاد می کنند. خازن ها می توانند به سرعت انرژی الکتریکی را ذخیره و آزاد کنند و طول عمر بالایی داشته باشند، اما کارایی آنها با مقدار کمی انرژی که می توانند ذخیره کنند محدود می شود. از طرفی باتری ها ظرفیت بالایی برای ذخیره انرژی دارند اما توانایی آنها در آزادسازی انرژی کم و طول عمر آنها نیز کوتاه است. به عبارت دیگر، خازن ها دارای چگالی توان بالا اما چگالی انرژی کم هستند، در حالی که باتری ها دارای چگالی انرژی بالا اما چگالی توان پایین هستند.

در نتیجه، محققان در حال کار بر روی ترکیب خواص مطلوب خازن ها و باتری ها هستند. در نتیجه این تحقیق ابرخازن های الکتروشیمیایی ساخته شده اند. ظرفیت ویژه آنها هزاران برابر بیشتر از ظرفیت خازن های فیزیکی معمولی است و چگالی توان آنها بسیار بیشتر از ظرفیت باتری ها است. همانطور که در نمودار راگون نشان داده شده است، ابرخازن ها در این رابطه بین باتری ها و خازن های معمولی قرار می گیرند.

شما می توانید انواع نیکل فوم و مکسین را از ما تهیه بفربمایید.

تاریخچه

مطالعه ذخیره انرژی الکتریکی در سطح مشترک بین فلز و الکترولیت توسط شیمیدانان به قرن 19 پس از میلاد برمی گردد. با این حال، کاربرد عملی ابرخازن های دولایه به سال 1957 برمی گردد، زمانی که برای اولین بار توسط شرکت جنرال الکتریک با استفاده از کربن متخلخل به عنوان ماده الکترود و یک الکترولیت آبی توسعه یافت. در سال 1966، شرکت اوهایو نیز در مورد ساخت یک ابرخازن الکتروشیمیایی با استفاده از یک الکترولیت غیرآبی گزارش داد.

اصطلاح “ابر خازن” توسط NEC تحت مجوز اوهایو در سال 1978 معرفی شد و تقریباً در همان زمان پاناسونیک ابرخازنی به نام Goldcap را منتشر کرد. بین سال‌های 1975 تا 1981، کانوی نوع دیگری از ابرخازن‌ها به نام ابرخازن‌های فارادی را معرفی کرد که ظرفیت‌های بالاتری نسبت به ابرخازن‌های الکتروشیمیایی دو لایه داشتند. امروزه شرکت هایی مانند Panasonic، Maxwell Technology و چندین شرکت معتبر دیگر ابرخازن های الکتروشیمیایی را برای کاربردهای مختلف معرفی می کنند. پیش بینی می شد که فروش ابرخازن ها تا سال 2017 به 8 میلیارد دلار برسد.

کاربرد ابرخازن

ابرخازن ها به دلیل چگالی توان بالا و طول عمر زیاد، کاربردهای مختلفی در وسایل الکتریکی قابل حمل، وسایل نقلیه و سایر مناطق پیدا کرده اند. آنها به طور گسترده ای در سیستم های پشتیبانی حافظه در رایانه ها استفاده می شوند. تحقیقات در این زمینه منجر به افزایش ظرفیت و توان ابرخازن ها در دستگاه های الکتریکی قابل حمل شد. به عنوان مثال استفاده از ابرخازن در درب های اتوماتیک ایرباس A380 نمونه ای از این کاربرد است. همچنین از ابرخازن ها برای پشتیبانی از باتری ها و پیل های سوختی استفاده می شود. شکل 2 کاربردهای گسترده ابرخازن ها را نشان می دهد.

ابرخازن ها نشان دهنده یک فناوری صنعتی در حال ظهور برای سیستم های ذخیره انرژی مختلف است که توان بالاتری نسبت به باتری ها و انرژی بالاتری نسبت به خازن های معمولی ارائه می دهد. انتظار می‌رود بازار جهانی ابرخازن‌ها در دوره پیش‌بینی، یعنی 2021-2029 شاهد رشد قابل توجهی باشد. بازار ابرخازن ها بر اساس کاربرد در صنایع، خودروهای الکتریکی، لوازم الکترونیکی مصرفی، هواپیما، قطار، هوافضا و غیره است که بیشترین رشد مورد انتظار تا پایان سال 2029 است.

سایر کاربرد

این رشد را می توان به افزایش سرمایه گذاری در تولید خودروهای الکتریکی نسبت داد. توسط خودروسازان بزرگ در سراسر جهان، که تخمین زده می‌شود تولید خودروهای الکتریکی را تقویت کرده و به نوبه خود باعث رشد بازار شود. علاوه بر این، انتظار می رود افزایش فروش خودروهای الکتریکی به رشد بازار ابرخازن ها کمک کند. بر اساس گزارش آژانس بین المللی انرژی، در سال 2020، بیش از 4.5 میلیون خودروی الکتریکی در سراسر جهان در حال استفاده بودند. در مقایسه با حدود 1.93 میلیون در سال 2017، که نشان دهنده رشد استفاده از خودروهای الکتریکی است.

بر اساس مواد، بازار به کربن متخلخل، اکسیدها و هیدروکسیدهای فلزی، آئروژل کربن و غیره تقسیم می شود. در بین این مواد، کربن متخلخل به دلیل خواص شیمیایی مطلوب از جمله پایداری شیمیایی، مساحت سطح بالا، رسانایی الکترونیکی خوب و هزینه تولید کمتر، انتظار می‌رود سهم عمده‌ای از بازار را به خود اختصاص دهد. تخمین زده می شود که بازار جهانی ابرخازن ها به دلیل افزایش تقاضا در تولید وسایل الکترونیکی مصرفی و وسایل نقلیه الکتریکی رشد کند. ویژگی‌های ابرخازن‌ها از جمله قدرت بالا، شارژ و دشارژ سریع و خود تخلیه کم به طور قابل توجهی رشد بازار را افزایش می‌دهد.

سخن آخر

از نظر نوع، انتظار می‌رود که بخش ابرخازن‌های هیبریدی به دلیل استفاده قابل توجه در دستگاه‌های پوشیدنی، تلفن‌های همراه، لپ‌تاپ‌ها، اسکنرهای بارکد، چراغ قوه‌های LED، چاپگرهای حرارتی و تراشه‌های جی‌پی‌اس، سهم عمده بازار را در میان انواع دیگر به خود اختصاص دهند. این بازار به بخش های صنعتی، پزشکی، خودروسازی، انرژی، الکترونیک مصرفی، هوافضا و دفاع تقسیم می شود. انتظار می رود بخش خودرو بیشترین سهم بازار را در دوره پیش بینی به خود اختصاص دهد.