اصول کاری باتری: چگونه یک باتری کار میکند؟
اصل کار باتری
باتری بر اساس واکنشهای اکسیداسیون و ردوکس الکترولیت با فلزات کار میکند. هنگامی که دو فلز متفاوت، به نام الکترود، در یک الکترولیت تقلیل یافته قرار میگیرند، واکنشهای اکسیداسیون و ردوکس به ترتیب در الکترودها اتفاق میافتد که به وابستگی به تمایل الکترونی فلز الکترودها است. به علت واکنش اکسیداسیون، یک الکترود منفی شده و کاتد نامیده میشود و به علت واکنش ردوکس، الکترود دیگر مثبت شده و آند نامیده میشود.
کاتد سمت منفی و آند سمت مثبت باتری را تشکیل میدهد. برای درک اصل کار باتری به خوبی، ابتدا باید مفاهیم پایهای الکترولیتها و تمایل الکترونی را داشته باشیم. در واقع، هنگامی که دو فلز متفاوت در یک الکترولیت غوطهور میشوند، یک 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 را الکترولیت مینامند. مثالهای رایج الکترولیتها شامل تقریباً تمام انواع نمکها، اسیدها و بازها است. انرژی منتشر شده در طی پذیرش یک الکترون توسط یک اتم خنثی به عنوان تمایل الکترونی شناخته میشود. چون ساختار اتمی برای مواد مختلف متفاوت است، تمایل الکترونی مواد مختلف نیز متفاوت خواهد بود.
اگر دو نوع فلز متفاوت در یک محلول الکترولیت غوطهور شوند، یکی از آنها الکترونها را دریافت و دیگری الکترونها را آزاد میکند. کدام فلز (یا ترکیب فلزی) الکترونها را دریافت و کدام فلز الکترونها را از دست میدهد، به تمایل الکترونی این فلزات بستگی دارد. فلز با تمایل الکترونی کم از یونهای منفی محلول الکترولیت الکترونها را دریافت میکند.
از طرف دیگر، فلز با تمایل الکترونی بالا الکترونها را آزاد میکند و این الکترونها به داخل محلول الکترولیت و به یونهای مثبت محلول اضافه میشوند. به این ترتیب، یکی از این فلزات الکترونها را دریافت و دیگری الکترونها را از دست میدهد. به علت این، 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 یک منبع ولتاژ در هر مدار الکترونیکی یا مدار الکتریکی استفاده شود. این یک اصل کلی و پایهای برای کار باتری است و به این ترتیب باتری کار میکند.
همه سلولهای باتری فقط بر اساس این اصل پایهای کار میکنند. بیایید یکی یکی به آنها بپردازیم. همانطور که قبلاً گفتیم، آلساندرو ولتا اولین سلول باتری را توسعه داد و این سلول به صورت رایج به عنوان سلول ولتا شناخته میشود. این نوع سلول ساده میتواند بسیار آسان ساخته شود. یک ظرف بگیرید و آن را با اسید سولفوریک تقلیل یافته پر کنید. حالا یک میله روی و یک میله مس را در محلول غوطهور کرده و آنها را از طریق یک بار الکتریکی خارجی به هم متصل کنید. حالا سلول ولتا ساده شما تکمیل شده است. جریان از طریق بار خارجی شروع به جریان میکند.
روی در یک محلول اسید سولفوریک تقلیل یافته الکترونها را به صورت زیر از دست میدهد:
این Zn + + یونها به داخل الکترولیت میروند و هر یک از Zn + + یونها دو الکترون را در میله باقی میگذارند. به علت واکنش اکسیداسیون فوق، الکترود روی منفی شده و بنابراین به عنوان کاتد عمل میکند. در نتیجه، غلظت Zn + + یونها نزدیک کاتد در الکترولیت افزایش مییابد.
به ویژگی الکترولیت، اسید سولفوریک تقلیل یافته 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 مسی دفع میشوند و با جذب الکترونها از اتمهای میله مسی تخلیه میشوند. واکنش زیر در آند اتفاق میافتد:
به علت واکنش ردوکس که در الکترود مسی اتفاق میافتد، میله مسی مثبت شده و بنابراین به عنوان آند عمل میکند.
سلول دانیل
سلول دانیل شامل ظرفی از مس حاوی محلول سولفات مس است. خود ظرف مسی به عنوان الکترود مثبت عمل میکند. یک ظرف نفوذپذیر حاوی اسید سولفوریک تقلیل یافته در ظرف مسی قرار داده میشود. یک میله روی آمالگامشده که در داخل اسید سولفوریک غوطهور شده، به عنوان الکترود منفی عمل میکند.
اسید سولفوریک تقلیل یافته در ظرف نفوذپذیر با روی واکنش نشان میدهد و به عنوان نتیجه هیدروژن تولید میشود. واکنش به صورت زیر انجام میشود:
تشکیل ZnSO4 در ظرف نفوذپذیر تا زمانی که بلورهای ZnSO4 ترسال نشدهاند، عملکرد سلول را تحت تأثیر قرار نمیدهد. گاز هیدروژن از طریق ظرف نفوذپذیر میگذرد و با محلول CuSO4 واکنش نشان میدهد:
مس تشکیل شده روی ظرف مسی ترسال میشود.
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. آثاری که در این قبرستان پیدا شد حدود ۲۰۰۰ سال قدمت داشت. در میان این آثار، برخی ظروف سفالی وجود داشت که با پیچ در بالای آنها بسته شده بودند. یک میله آهنی که توسط یک لوله استوانهای از صفحه مسی پیچیده شده بود از این قسمت بسته بیرون میآمد.
هنگامی که کاشفان این ظروف را با یک مایع اسیدی پر کردند، تفاوت پتانسیل حدود ۲ ولت بین آهن و مس مشاهده شد. این ظروف سفالی مشکوک به سلولهای باتری ۲۰۰۰ ساله بودند. آنها این ظروف را باتری پارتیان نامیدند.
