پرینسیپ کاری باتری: چگونه یک باتری کار می‌کند؟
کارکرد اصلی باتری
باتری بر اساس واکنش‌های اکسیداسیون و کاهش الکترولیت با فلزات کار می‌کند. هنگامی که دو مواد فلزی متفاوت، به نام الکترود، در یک الکترولیت کم‌تمرکز قرار می‌گیرند، واکنش‌های اکسیداسیون و کاهش در الکترودها به ترتیب اتفاق می‌افتد که بستگی به وابستگی الکترونی فلز الکترود دارد. به عنوان نتیجه واکنش اکسیداسیون، یک الکترود منفی شارژ می‌شود که کاتد نامیده می‌شود و به دلیل واکنش کاهش، الکترود دیگر مثبت شارژ می‌شود که آنود نامیده می‌شود.
کاتد سمت منفی را تشکیل می‌دهد در حالی که آنود سمت مثبت باتری را تشکیل می‌دهد. برای درک اصول اساسی باتری به خوبی، ابتدا باید مفاهیم پایه‌ای الکترولیت و وابستگی الکترونی را داشته باشیم. در واقع، هنگامی که دو فلز متفاوت در یک الکترولیت غوطه‌ور می‌شوند، اختلاف پتانسیل بین این فلزات ایجاد می‌شود.
پیدا شده است که، هنگامی که برخی ترکیبات خاص به آب اضافه می‌شوند، آنها حل می‌شوند و یون‌های مثبت و منفی تولید می‌کنند. این نوع ترکیب الکترولیت نامیده می‌شود. مثال‌های مشهور الکترولیت شامل تقریباً همه انواع نمک‌ها، اسیدها و قلیاها است. انرژی آزاد شده در طول قبول یک الکترون توسط یک اتم خنثی به عنوان وابستگی الکترونی شناخته می‌شود. چون ساختار اتمی برای مواد مختلف متفاوت است، وابستگی الکترونی مواد مختلف نیز متفاوت خواهد بود.
اگر دو نوع فلز متفاوت در یک محلول الکترولیت غوطه‌ور شوند، یکی از آنها الکترون‌ها را کسب می‌کند و دیگری الکترون‌ها را آزاد می‌کند. کدام فلز (یا ترکیب فلزی) الکترون‌ها را کسب می‌کند و کدام فلز الکترون‌ها را از دست می‌دهد، بستگی به وابستگی الکترونی این فلزات دارد. فلز با وابستگی الکترونی پایین از یون‌های منفی محلول الکترولیت الکترون‌ها را کسب می‌کند.
از طرف دیگر، فلز با وابستگی الکترونی بالا الکترون‌ها را آزاد می‌کند و این الکترون‌ها به محلول الکترولیت وارد می‌شوند و به یون‌های مثبت محلول اضافه می‌شوند. به این ترتیب، یکی از این فلزها الکترون‌ها را کسب می‌کند و دیگری الکترون‌ها را از دست می‌دهد. به عنوان نتیجه، اختلافی در غلظت الکترون‌ها بین این دو فلز ایجاد می‌شود.
این اختلاف در غلظت الکترون‌ها باعث ایجاد اختلاف پتانسیل الکتریکی بین فلزها می‌شود. این اختلاف پتانسیل الکتریکی یا emf می‌تواند به عنوان منبع ولتاژ در هر مدار الکترونیکی یا مدار الکتریکی استفاده شود. این یک اصل عمومی و اساسی باتری است و این راه کار باتری است.
تمام سلول‌های باتری فقط بر اساس این اصل اساسی بنا شده‌اند. بیایید یکی یکی بحث کنیم. همانطور که قبلاً گفتیم، آلساندرو ولتا اولین سلول باتری را توسعه داد و این سلول به طور معمول به عنوان سلول ولتا شناخته می‌شود. این نوع سلول ساده می‌تواند بسیار آسان ساخته شود. یک ظرف بگیرید و آن را با اسید سولفوریک کم‌تمرکز به عنوان الکترولیت پر کنید. حالا ما یک زنک و یک میله مس را در محلول غوطه‌ور می‌کنیم و آنها را به صورت خارجی با یک بار الکتریکی متصل می‌کنیم. حالا سلول ولتا ساده شما کامل شده است. جریان از طریق بار خارجی شروع می‌شود.
زنک در اسید سولفوریک کم‌تمرکز الکترون‌ها را به صورت زیر از دست می‌دهد:
این Zn + + یون‌ها به الکترولیت وارد می‌شوند و هر یک از Zn + + یون‌ها دو الکترون در میله باقی می‌گذارند. به عنوان نتیجه واکنش اکسیداسیون بالا، الکترود زنک منفی شارژ می‌شود و بنابراین به عنوان کاتد عمل می‌کند. به عبارت دیگر، غلظت Zn + + یون‌ها نزدیک کاتد در الکترولیت افزایش می‌یابد.
بر اساس خصوصیات الکترولیت، اسید سولفوریک کم‌تمرکز و آب قبلاً به یون‌های هیدرونیوم مثبت و یون‌های سولفات منفی تجزیه شده‌اند:
به دلیل غلظت بالای Zn+ + یون‌ها نزدیک کاتد، یون‌های H3O+ به سمت الکترود مس کشیده می‌شوند و با جذب الکترون‌ها از اتم‌های میله مس، بی‌بار می‌شوند. واکنش زیر در آنود اتفاق می‌افتد:
به عنوان نتیجه واکنش کاهشی که در الکترود مس اتفاق می‌افتد، میله مس مثبت شارژ می‌شود و بنابراین به عنوان آنود عمل می‌کند.
سلول دانیل
سلول دانیل شامل یک ظرف مسی حاوی محلول سولفات مس است. خود ظرف مسی به عنوان الکترود مثبت عمل می‌کند. یک ظرف متخلخل حاوی اسید سولفوریک کم‌تمرکز در ظرف مسی قرار داده می‌شود. یک میله زنک آمالگام شده که در اسید سولفوریک غوطه‌ور شده، به عنوان الکترود منفی عمل می‌کند.
اسید سولفوریک کم‌تمرکز در ظرف متخلخل با زنک واکنش می‌دهد و به عنوان نتیجه هیدروژن تولید می‌شود. واکنش به صورت زیر اتفاق می‌افتد:
تشکیل ZnSO4 در ظرف متخلخل تا زمانی که بلورهای ZnSO4 رسوب نکرده باشد، روی کار سلول تأثیر نمی‌گذارد. گاز هیدروژن از طریق ظرف متخلخل عبور می‌کند و با محلول CuSO4 واکنش می‌دهد:
مس تشکیل شده روی ظرف مسی رسوب می‌کند.
تاریخچه باتری
در سال ۱۹۳۶ در اواسط تابستان، یک قبرستان باستانی در حین ساخت یک خط راه‌آهن جدید نزدیک شهر بغداد در عراق کشف شد. آثار باستانی کشف شده در این قبرستان حدود ۲۰۰۰ سال قدمت داشتند. در میان این آثار، چند ظرف خاکی وجود داشت که بالای آنها با پیچ چسبیده بود. یک میله آهنی که توسط یک لوله استوانه‌ای از نوار مسی پیچیده شده بود از بالای این پیچ بیرون زده بود.
هنگامی که کاشفان این ظروف را با یک مایع اسیدی پر کردند، یک اختلاف پتانسیل حدود ۲ ولت بین آهن و مس پیدا کردند. این ظروف خاکی مشکوک به سلول‌های باتری ۲۰۰۰ ساله بودند. آنها این ظروف را به نام باتری
