آزمایش معروف بنجامین فرانکلین در زمینه جذب برق از طریق به پرواز درآوردن بادبادک در هنگام رعد و برق، تنها یکی از آزمایش های گوناگونی بود که در اواخر قرن هجدهم و اوایل قرن نوزدهم برای دانستن بیشتر درباره برق انجام می گرفت.

اولین باتری نیز در قرن نوزدهم به وسیله یک ایتالیایی به نام الساندرو ولتا ساخته شد. این باتری یا به اصطلاح پیل ولتایی حاوی دیسک های نقره و روی بود که به طور متناوب قرار می گرفتند

و به وسیله لایه های چرمی یا مقوایی که در آب نمک یا برخی از محلول های قلیایی خیس شده بودند از هم جدا می شدند.

نوارهای فلزی در هر انتهای پیل به فنجان کوچک پر از جیوه متصل می شدند. هنگامی که ولتا هر دو فنجان کوچک پر از جیوه را با انگشتانش لمس کرد، شوک الکتریکی دریافت کرد. وقتی دیسک های بیشتری اضافه کرد، تکان بزرگ تری دریافت کرد.

کشف ولتا به آزمایشات بیشتری منجر شد. در سال 1813، همفری دیوی (Humphrey Davy)  پیلی با 2،000 جفت دیسک ساخت. یکی از کاربردهای پیل دیوی این بود که وی از برقی که این پیل تولید کرد برای الکترولیز -واکنش های شیمیایی کاتالیزوری با عبور دادن جریان برق از میان مواد- استفاده کرد. (دیوی سدیم و پتاسیم را از ترکیبات جدا کرد.)

چند سال بعد میشل فارادی با استفاده از آهن ربایی که برق را در یک سیم پیچ القا می کرد، اصل القای الکترومغناطیسی را کشف کرد. این تکنیک در دل دینام هایی است که برای تولید برق در نیروگاه های امروزی مورد استفاده قرار می گیرند. (در حالی که دینام جریان متناوب (AC) تولید می کند که در آن جریان الکتریسیته به طور منظم تغییر جهت می دهد، باتری ها جریان مستقیم (DC) تولید می کنند که تنها در یک جهت جریان می یابد.)

یک سلول سرب- اسید قابلیت تولید مقدار بسیار زیادی جریان را دارد و پیش زمینه باتری های امروزی خودروها بوده است. باتری سرب- اسید در سال 1859 به وسیله گاستون پلانت فرانسوی ابداع شد.

در ایالات متحده، توماس ادیسون با برق حاصل از هم باتری و هم دینام آزمایشاتی انجام داد تا به این وسیله انرژی لامپ را تأمین کند. در طول دهه 1860میلادی، ژرژ لکلانشه ( (Leclanché سلول مرطوب را اختراع کرد که هر چند به دلیل اجزای سازنده مایعش سنگین بود اما به فروش می رسید و صرفه تجاری داشت.

در دهه های 1870  و 1880میلادی، سلول لکلانشه با استفاده از مواد خشک تولید شد و در شماری از امور از جمله فراهم کردن انرژی برای تلفن الکساندر گراهام بل و چراغ قوه تازه اختراع شده مورد استفاده قرار گرفت. پس از آن باتری برای تأمین انرژی بسیاری از اختراعات دیگر از جمله رادیو، که در سال های بعد از جنگ جهانی اول محبوبیت زیادی پیدا کرد، مورد استفاده قرار گرفت. امروزه بیش از 20 میلیارد سلول قدرت در سراسر جهان به فروش می رسد و هر آمریکایی سالانه از حدود 27 باتری استفاده می کند.

همه باتری ها از روش های مشابهی برای ایجاد برق استفاده می کنند؛ با این حال، تغییر در مواد تشکیل دهنده و نحوه ساخت آنها باعث شده انواع مختلفی از باتری ها تولید شوند. خلاصه آن که آنچه معمولاً باتری نامیده می شود در واقع گروهی از سلول های مرتبط با یکدیگر است. در ادامه توضیحاتی درباره این که یک باتری چگونه کار می کند ارایه می شود.

دو بخش مهم هر سلول آند و کاتد است. کاتد فلزی است که به طور طبیعی و یا در آزمایشگاه با اکسیژن ترکیب می شود –این ترکیب اکسید نامیده می شود. با این که اکسید آهن (زنگ)، برای این که در باتری مورد استفاده قرار گیرد بیش از حد شکننده است، اما شاید نام آشنا ترین اکسید باشد.

اکسیدهای دیگر هم اگر به اندازه کافی قوی باشند (در مقابل برش، خم شدگی، شکل گرفتن، قالب گرفتن و غیره مقاوم باشند) می توانند در سلول مورد استفاده قرار گیرند. آند فلزی است که اگر اجازه اکسید شدن پیدا کند و اگر سایر شرایط مساوی باشند، در مقایسه با فلزی که کاتد را تشکیل می دهد بیشتر احتمال دارد اکسید شود.

سلول موقعی برق تولید می کند که یک سر کاتد و یک سر آند در ماده سومی که می تواند الکتریسیته را هدایت کند قرار داده شوند، در حالی که انتهای دیگر آنها هم به هم متصل اند. آند اتم های اکسیژن را به جانب خودش می کشد، در نتیجه جریان الکتریکی ایجاد می کند.

در صورتی که یک کلید در مدار وجود داشته باشد (شبیه به کلید برقی که در دیوار یا لامپ کار گذاشته می شود) مدار کامل نیست و برق نمی تواند جریان یابد مگر اینکه کلید در حالت بسته باشد. اگر علاوه بر کلید چیزی دیگر، به عنوان مثال یک لامپ، در مدار وجود داشته باشد، لامپ در اثر اصطکاک الکترون های در حال حرکت در آن روشن می شود.

ماده سوم که آند و کاتد در داخل آن قرار داده می شوند الکترولیت نامیده می شود. در بسیاری از موارد الکترولیت ترکیبی شیمیایی است که خواص قلیایی بودن دارد. بنابراین باتری قلیایی چیزی است که الکترولیت قلیایی در آن وجود دارد. یک سلول به خودی خود برق تولید نمی کند مگر این که در مداری قرار گیرد که به وسیله کلیدی ساده و یا با برخی از اتصالات دیگر مربوط به تعویض جریان در داخل دستگاهی که از باتری استفاده می کند کامل شود.

طراحی یک سلول می تواند به تغییرات زیادی در نوع و ساختار آن منجر شود. به عنوان مثال، همه الکترولیت ها قلیایی نیستند. علاوه بر این، ظرف محتوی الکترولیت می تواند هم به عنوان ظرف و هم به عنوان کاتد یا آند عمل کند. برخی از سلول ها اکسیژن خود را نه از یک کاتد بلکه به طور مستقیم از هوا جذب می کنند.

با ایجاد تغییرات در ترکیبات آند و کاتد برق بیشتر یا کمتری فراهم می شود. تنظیم دقیق تمام مواد مورد استفاده در یک سلول می تواند بر مقدار برقی که می تواند تولید شود، سرعت تولید برق، ولتاژ برقی که در طول عمر سلول نقل و انتقال می یابد و توانایی سلول برای انجام وظایفش در دماهای مختلف تأثیر بگذارد.

در حقیقت کاربردهای مختلف باتری ها باعث شده انواع زیادی از باتری ها (لیتیوم، جیوه و غیره) تولید شوند. با این حال برای سالها، متداول ترین سلول ها باتری قلیایی 1.5 ولت بوده است.

بهتر است در شرایط مختلف از باتری های متفاوت استفاده شود. سلول1.5  ولت قلیایی برای تجهیزات عکاسی، رایانه های جیبی، ماشین حساب ها، اسباب بازی ها، ضبط صوت ها و دیگر مصارفی که «تخلیه بالا» دارند ایده آل است. این سلول همچنین برای دماهای پایین خوب است.

مشخصه سلول1.5  ولت قلیایی تخلیه شیب دار است – یعنی به جای توقف ناگهانی تولید برق، به تدریج قدرتش را از دست می دهد -و اگر در قفسه بدون استفاده مانده باشد شاید در هر سال چهار درصد از انرژی اش را از دست بدهد.

نوع دیگر باتری یک باتری دی اکسید لیتیوم / منگنز است که دارای مشخصه تخلیه پایین تر است -که تقریباً همان مقدار قدرتی را که در آغاز زندگی اش دارد در پایان زندگی اش هم فراهم می کند -و می تواند در جایی مورد استفاده قرار گیرد که در آن به باتری های کوچک با قدرت بالا نیاز باشد (هشدار دهنده دود، دوربین ها، پشتیبان گیری حافظه در رایانه ها و غیره.)

در سمعک، پیجر و برخی از انواع دیگر تجهیزات پزشکی اغلب از باتری های نوع دکمه هوای روی استفاده می شود که چگالی انرژی بالایی را با تخلیه مداوم ارایه می کنند. باتری جیوه اغلب کابردهای مشابه باتری هوای روی را دارد ولتاژ خروجی ثابتی را فراهم می کند.

دانشمندان و مهندسان سراسر جهان در حال حاضر به شدت بر ساخت باتری ها متمرکز شده اند. دلیلش ساده است و آن این که چند نوآوری کلیدی به ایجاد باتری های بهتر وابسته اند. خودروهای برقی و دستگاه های قابل حمل الکترونیکی ای که بتوانند برای مدت زمان طولانی بدون نیاز به شارژ مورد استفاده قرار گیرند از آن جمله اند که برای آنها انتظار باتری های سبک وزن و قوی تر می رود.

مواد خام مورد استفاده در باتری

در این بخش بر روی باتری های قلیایی تمرکز می شود. در یک باتری قلیایی، استوانه ای که حاوی سلول است از فولاد نیکل اندود ساخته شده است. جدا کننده ای که کاتد را از آند جدا می کند از جنس کاغذ لایه ای و یا یک ماده مصنوعی متخلخل است. انتهای ظرف استوانه ای با آسفالت یا اپوکسی درزگیر مهر و موم شده. در داخل استوانه، کاتد حاوی مخلوطی از دی اکسید منگنز، گرافیت و یک محلول هیدروکسید پتاسیم است؛ آند نیز حاوی پودر روی است و الکترولیت هم هیدروکسید پتاسیم است.

کنترل کیفیت

از آنجایی که فن آوری باتری، جدید و یا عجیب و غریب نیست، کیفیت نهایی باطری است که برای رقابت نام های تجاری اهمیت دارد. توانایی یک باتری در مقاومت در برابر خوردگی، عملکرد خوب در شرایط گوناگون، حفظ ماندگاری و کاربردهای آن در طول عمرش از نتایج مستقیم کنترل کیفیت است. به این ترتیب باتری ها و مواد تشکیل دهنده شان در تقریباً تمام مراحل فرایند تولید بررسی و آزمایش می شوند و دسته های تکمیل شده نیز به طور دقیق آزمایش می شوند.

مسائل زیست محیطی

مشکلات زیست محیطی در رابطه با روی و منگنز که مواد شیمیایی عمده باتری های قلیایی هستند مطرح نیست و هر دو به وسیله سازمان غذا و داروی آمریکا (FDA) امن در نظر گرفته شده اند. آلاینده بالقوه مهم در باتری ها، جیوه است که معمولاً همراه با روی مورد استفاده قرار می گیرد و سال های زیادی است که برای کمک به هدایت جریان برق و جلوگیری از خوردگی به باتری های قلیایی اضافه شده است. در اواسط دهه1980 میلادی، باتری های قلیایی معمولاً بین پنج و هفت درصد جیوه داشتند.

چند سال پیش که مشخص شد جیوه خطر زیست محیطی دارد، تولید کنندگان شروع به پیدا کردن راه هایی برای تولید باتری های کارآمد بدون جیوه کردند. تکنیک اصلی به کار رفته در این باتری ها تمرکز بر کنترل بهتر خلوص مواد تشکیل دهنده بوده است. باتری های قلیایی امروزی ممکن است حدود 0.025 درصد جیوه داشت باشند.

منبع : سایت صفر بیست