آشنایی با انواع باتری‌ها | بررسی فنی، ساختار، تاریخچه و فناوری‌های نوین

مقدمه

باتری‌ها یکی از بنیادی‌ترین اجزای سامانه‌های الکتریکی و الکترونیکی مدرن محسوب می‌شوند.
از تلفن همراه و لپ‌تاپ گرفته تا خودروهای برقی و سامانه‌های خورشیدی، همه و همه متکی به وجود منبعی قابل‌اعتماد، سبک و پایدار برای ذخیره‌ی انرژی الکتریکی هستند.
باتری‌ها در واقع تبدیل‌کننده‌ی انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی هستند که از طریق واکنش‌های اکسایش و کاهش (Redox) درون سلول‌های خود، جریان الکتریکی تولید می‌کنند.

از زمان اختراع نخستین سلول گالوانی در قرن نوزدهم تا امروز، پیشرفت فناوری باتری‌ها یکی از محرک‌های اصلی توسعه‌ی علم برق و الکترونیک بوده است.
در ادامه به‌صورت جامع، علمی و سئو‌محور به بررسی تاریخچه، ساختار، دسته‌بندی و فناوری‌های مدرن باتری‌ها می‌پردازیم.

تاریخچه‌ی پیدایش و تحول باتری‌ها

🔹 باتری اولیه: سلول ولتایی

مبدأ اختراع باتری به سال ۱۸۰۰ میلادی بازمی‌گردد، زمانی که آلساندرو ولتا (Alessandro Volta) دانشمند ایتالیایی، نخستین سلول الکتروشیمیایی را معرفی کرد.
او با قرار دادن صفحات روی و مس درون محلول نمکی، موفق شد اختلاف پتانسیلی تولید کند که می‌توانست جریان پیوسته ایجاد نماید. این پدیده به نام پیل ولتایی (Voltaic Pile) شناخته شد.
به‌افتخار او، واحد اندازه‌گیری ولتاژ نیز ولت (Volt) نام‌گذاری شد.

آلساندرو ولتا (Alessandro Volta)

توسعه‌ی سلول‌های گالوانی

پس از آن، جان فردریک دنیل (Daniell) در سال ۱۸۳۶ سلولی طراحی کرد که با کاهش پلاریزاسیون الکترود، پایداری جریان را بهبود بخشید.
سلول دنیل در حقیقت نخستین باتری قابل‌اعتماد برای کاربردهای عملی تلگراف و مخابرات بود.

دوران مدرن

در قرن بیستم، باتری‌های قابل شارژ نظیر سرب–اسیدی (برای خودروها) و نیکل–کادمیم (Ni–Cd) معرفی شدند.
اما جهش واقعی در فناوری ذخیره‌سازی انرژی با اختراع باتری لیتیوم-یون (Li-ion) در دهه‌ی ۱۹۹۰ میلادی رخ داد، که زمینه‌ساز عصر موبایل و الکترونیک قابل حمل شد.

نمونه باتری نیکل–کادمیم (Ni–Cd)

ساختار باتری سرب–اسیدی برای خودروها

اصول عملکرد و ساختار باتری

باتری‌ها از یک یا چند سلول الکتروشیمیایی تشکیل می‌شوند. هر سلول شامل اجزای زیر است:

واکنش الکتروشیمیایی در باتری

در زمان تخلیه (Discharge)، الکترون‌ها از آند آزاد شده و از طریق مدار خارجی به سمت کاتد حرکت می‌کنند، در حالی که یون‌ها از طریق الکترولیت درون سلول جابه‌جا می‌شوند.
در هنگام شارژ (Charge)، جریان الکتریکی اعمال‌شده باعث انجام واکنش معکوس شده و یون‌ها به مواضع اولیه بازمی‌گردند.این چرخه‌ی برگشت‌پذیر است که امکان شارژ مجدد باتری‌های قابل‌شارژ را فراهم می‌کند.

طبقه‌بندی باتری‌ها از دیدگاه‌های مختلف

باتری‌ها را می‌توان از جنبه‌های گوناگون دسته‌بندی کرد: از نوع واکنش شیمیایی گرفته تا ساختار فیزیکی و قابلیت شارژ.
در ادامه، مهم‌ترین دسته‌بندی‌ها را بررسی می‌کنیم.

۱. بر اساس قابلیت شارژ

۲. بر اساس نوع الکترولیت

۳. بر اساس نوع واکنش شیمیایی

۴. بر اساس شکل و طراحی فیزیکی

۵. بر اساس کاربرد

مقایسه‌ی کلی باتری‌های اولیه و ثانویه

راندمان باتری‌های ثانویه در چرخه‌های شارژ متعدد به شدت وابسته به پایداری ساختار الکترودها و پدیده‌ی دندریت‌سازی (Dendrite formation) است که می‌تواند منجر به اتصال کوتاه داخلی شود؛ یکی از چالش‌های اصلی مهندسی باتری‌های لیتیومی.