یکی از مهمترین کاربردهای شیمی ذخیره انرژی الکتریکی برای مدت زمان طولانی است. محصولات فناوری مدرن مانند لپ‌تاپ، تلفن‌های همراه، انرژی خورشیدی و خودروهای هیبریدی بدون اختراع باتری‌ها امکان‌پذیر نبودند، که اساساً دستگاه‌های ذخیره‌سازی الکتروشیمیایی هستند که دارای دو الکترود و یک الکترولیت هستند.

برای اینکه باتری ها بدون توجه به نوع آنها کار کنند، باید بین دو ماده (الکترود) که در یک الکترولیت غوطه ور شده اند، پتانسیل الکتریکی وجود داشته باشد.

تاریخچه اولیه باتری ها

در اوایل سال 1749، بنجامین فرانکلین با استفاده از شیشه های لیدن به عنوان خازن های شیشه ای متصل، با الکتریسیته آزمایش کرد. او اولین کسی بود که از اصطلاح “باتری” برای توصیف دو یا چند شیء مشابه که با هم کار می کنند استفاده کرد. سپس این اصطلاح به آن اطلاق شد شمع های ولتایی، اولین باتری های الکتریکی.

در حالی که لوئیجی گالوانی بیوالکترومغناطیس را در سال 1780 با لمس پاهای قورباغه با استفاده از فلزی متفاوت از فلزی که پایه های معلق را نگه می دارد کشف کرد، تا سال 1800 بود که الساندرو ولتا شمع ولتایی که از جفت دیسک مس و روی روی هم تشکیل شده بود را توسعه داد. اینها با لایه ای از پارچه آغشته به آب شور جدا شدند و به عنوان الکترولیت عمل می کردند. بنابراین، اولین باتری واقعی متولد شد.

با این حال، برخی ممکن است این ادعا را که الساندرو ولتا اولین باتری را اختراع کرده است، رد کنند و در عوض به اصطلاح به اصطلاح اشاره کنند. باتری بغداد به عنوان مدرک. با این حال، هدف واقعی از این مصنوع باستان شناسی بی نتیجه و بحث برانگیز باقی مانده است.

سلول های الکتروشیمیایی چیست؟

باتری ها می توانند فقط از یک سلول الکتروشیمیایی یا چندین سلول الکتروشیمیایی که به صورت موازی یا سری به هم متصل شده اند تشکیل شوند. تفاوت اصلی بین “موازی” و “در سری” این است که اتصال موازی جریان یا آمپر را افزایش می دهد، در حالی که اتصال سری باعث افزایش ولتاژ می شود.

سلول الکتروشیمیایی واحدی است که می تواند به خودی خود به عنوان باتری یا ذخیره الکتریسیته در نظر گرفته شود، اما همچنین می تواند بخشی از یک سیستم باتری واحد مانند باتری خودرو باشد.

همانطور که از نام آن پیداست، سلول الکتروشیمیایی واحدی است که از طریق واکنش های شیمیایی الکتریسیته تولید می کند. این شامل الکترودها (آندها و کاتدها) و یک الکترولیت است.

الکترودها مواد رسانای مختلفی هستند که پتانسیل الکتریکی بین آنها وجود دارد. به عنوان مثال، در یک باتری سلول خشکآند، مانند مواردی که در مشعل ها و کنترل های تلویزیون از راه دور استفاده می شود، محفظه داخلی روی باتری است. در همین حال، کاتد یک میله گرافیتی است.

در داخل باتری، یک خمیر الکترولیت میله گرافیت را احاطه کرده است. این به قدری محکم بسته شده است که دیواره داخلی پوشش روی را لمس می کند. این خمیر از کربن، کلرید آمونیوم (NH₄کلر) و اکسید منگنز (MnO₂). در اینجا یک تصویر است:

در باتری، آند به الکترود منفی یک سلول اولیه اشاره دارد که الکترون ها را به مدار خارجی آزاد می کند. این اتفاق می افتد از طریق اکسیداسیون روند. با این حال، اگر باتری قابل شارژ باشد، آند در طول شارژ مجدد به الکترود مثبت تبدیل می شود.

برعکس، کاتد در باتری به الکترود مثبتی اشاره دارد که الکترون هایی را که از آند جریان می یابند دریافت می کند. این جایی است که واکنش کاهش هنگام استفاده از باتری رخ می دهد. اگر باتری قابل شارژ باشد، این الکترود زمانی که باتری در حال شارژ شدن است تبدیل به آند می شود.

نمایندگی سلولی معمولی چیست؟

در زیر تصویر دیگری از یک سلول الکتروشیمیایی است که معمولاً در تنظیمات آزمایشگاهی دیده می شود. باز هم شامل دو الکترود و یک الکترولیت است. انتقال الکترون ها از آند به کاتد یک واکنش شیمیایی ایجاد می کند که الکترولیت را تغییر می دهد زیرا سلول الکتروشیمیایی با یک بار تخلیه می شود، مانند یک لامپ کوچک:

همانطور که در تصویر می بینید، همانطور که آند (روی) الکترون از دست می دهد، کاتد (مس) الکترون می گیرد. جریان الکترون را می توان به صورت واکنش های نیمه سلولی نوشت که ساده تر هستند تا نیازی به ترسیم تنظیمات الکتروشیمیایی نداشته باشید. به تصویر زیر مراجعه کنید:

نحوه اندازه گیری پتانسیل نیم سلولی

در طول تقریباً سه قرن، پس از اینکه بنجامین فرانکلین برای اولین بار آزمایشاتی را بر روی الکتریسیته با استفاده از خازن‌های لیدن انجام داد، انواع بسیاری از باتری‌ها اختراع شدند. برخی از نمونه‌ها عبارتند از: باتری‌های آهن نیکل، باتری‌های سلول خشک روی کربن، باتری‌های اسید سرب، باتری‌های قلیایی و باتری‌های لیتیوم یون.

اندازه گیری پتانسیل نیمه سلولی یا الکترودی باتری ها برای طراحی و کارایی باتری بسیار مهم است. الکترود هیدروژن استاندارد به عنوان اندازه گیری استاندارد برای پتانسیل های نیم سلولی استفاده می شود. الکترود هیدروژن استاندارد دارای پتانسیل نیم سلولی 0.00 ولت در شرایط استاندارد زیر است:

• محلول با غلظت 1.0 moldm³
• دمای 289K
• فشار 100 کیلو پاسکال

نیم سلول از اسید هیدروکلریک، گاز هیدروژن و الکترودهای پلاتین تشکیل شده است، همانطور که در این تصویر نشان داده شده است:

جدول زیر پتانسیل استاندارد نیمه واکنش کاتدی را در شرایط استاندارد نشان می دهد. الکترودهایی که بسیار مثبت هستند، عوامل اکسید کننده بهتری هستند و الکترودهایی که مثبت کمتری دارند را اکسید می کنند. برای مقایسه جامع تر، اینجا کلیک کنید.

طبقه بندی های مختلف سلول های تجاری چیست؟

اگرچه انواع مختلفی از باتری ها وجود دارد، اما تنها سه دسته اصلی از سلول های الکتروشیمیایی وجود دارد که به عنوان واحد پایه باتری های تجاری استفاده می شوند. سلول های تجاری به عنوان سلول های شارژی، غیرقابل شارژ و سوختی طبقه بندی می شوند:

• سلول های قابل شارژ: واکنش های شیمیایی که در این سلول ها رخ می دهد برگشت پذیر هستند. پتانسیل الکترود را می توان پس از تخلیه سلول بازیابی کرد. برخی از نمونه‌های آن شامل سلول‌های اسید سرب و سلول‌های یون لیتیوم است. به عنوان مثال، تلفن های همراه، لپ تاپ ها و تبلت ها به باتری های لیتیومی به عنوان منبع انرژی متکی هستند.

• سلول های غیر قابل شارژ: واکنش‌های شیمیایی/یونی که در سلول‌های غیرقابل شارژ رخ می‌دهند، برگشت‌ناپذیر هستند. متداول‌ترین نمونه آن سلول خشک کربن-روی است که معمولاً در چراغ قوه، کنترل تلویزیون و رادیوهای قابل حمل استفاده می‌شود.

• سلول های سوختی: یک پیل سوختی می تواند به طور مداوم برق را بدون نیاز به شارژ مجدد تامین کند، تا زمانی که منبع سوخت ثابتی وجود داشته باشد. متداول ترین مثال در این مورد، پیل سوختی هیدروژنی است. هیدروژن در ترمینال آند اکسید می شود که آب و دو الکترون اضافی تولید می کند. در همین حال، اکسیژن در پایانه کاتد دو الکترون اضافی دریافت می کند و تحت یک واکنش کاهش قرار می گیرد. این واکنش ها منجر به پتانسیل الکترودی می شود که جریان الکترون ها یا جریان الکتریکی را امکان پذیر می کند.