تعریف سلول و باتری

تاریخ انتشار: 1398/8/3

اجزای سلول­ ها و باتری ­ها

بطور کلی باتری به تجهیزی گفته می­شود که انرژی شمیایی مواد فعال داخلی خود را بوسیله عمل اکسایش و کاهش مستقیما به انرژی الکتریکی تبدیل می­ کند. در رابطه با سیستم­ های قابل شارژ، باتری توسط یک پروسه معکوس مجددا شارژ می شود. این فرآیند شامل انتقال الکترون ها از یک ماده به ماده دیگر از طریق یک مدار الکتریکی است.

هرچند اغلب عبارت "باتری" توسط مردم استفاده می شود، اما واحد الکتروشیمیایی پایه­ ای مرتبط با آن "سلول" می­ باشد. یک باتری شامل یک یا چند عدد از این سلول ­ها می ­باشد که بصورت سری یا موازی و یا به هر دو صورت سری و موازی به یکدیگر متصل شده­ اند.

یک سلول شامل سه جزء مهم زیر می­باشد:

  • آند یا الکترود منفی الکترود کاهنده این الکترود در هنگام فرآیند الکتروشیمیایی، الکترون را به مدار بیرونی داده و اکسید می شود.

 

  • کاتد یا الکترود مثبت- الکترود اکسنده- این الکترون در هنگام فرآیند الکتروشیمیایی از مدار خارجی الکترون دریافت کرده و اصطلاحا کاهش می یابد.

 

  • الکترولیت- هادی یونی- وظیفه الکترولیت فراهم نمودن مسیری برای شارژ و دشارژ بمنظور حرکت الکترون ها درون سلول بین آند و کاتد می­باشد. الکترولیت معمولا یک مایع مانند آب یا سایر محلول ها که نمک، اسید یا قلیاها به منظور انتقال یون ها در آن حل شده است، می باشد. برخی باتری ­ها از الکترولیت­ های جامد یا الکترولیت ­های پلیمری از نوع ژل ، که در دمای عملکرد باتری هادی یون می ­باشند، استفاده می ­کنند.

 

بهترین ترکیبی که می ­توان برای آند و کاتد بکار برد، ترکیبی است که بسیار سبک بوده و بالاترین سطح ولتاژ و ظرفیت را حاصل نماید. چنین ترکیبی همیشه عملی نمی باشد.

در سیستم­ های عملی، آند بر طبق ویژگی­ های زیر انتخاب می شود؛

 

  • بازدهی بالا به عنوان یک عنصر کاهنده

 

  • خروجی کولومبیک بالا (Ah/g)

 

  • هدایت پذیری مناسب

 

  • پایداری

 

  • سادگی ساخت

 

  • هزینه پایین

 

هیدروژن به عنوان ماده­ ای برای استفاده بعنوان آند بسیار جذاب می­ باشد، اما واضح است که باید با عناصر دیگری نیز ترکیب شود تا پایداری شیمیایی آن بصورت موثری کاهش یابد.

فلزات بصورت وسیعی به ­عنوان ترکیبی برای آند استفاده می­ شوند. روی بدلیل ویژگی ­های مطلوبش به عنوان عنصری فراگیر برای آند بوده است. لیتیوم (سبک­ترین فلز)، که از ناپایداری شیمیایی بالایی نیز برخوردار می ­باشد، به عنوان عنصری جذاب برای آند بدلیل مناسب بودن و سازگاری با الکترولیت ها می­باشد. همچنین طراحی­ های مربوط به سلول بگون ه­ای توسعه یافته ­اند تا فعالیت آن را کنترل نمایند. با توسعه الکترودهای درجی، آند کربنی که لیتیوم در آن درج شده است، بصورت گسترده­ ای در فناوری باتری­ های لیتیوم یون یافت می ­شوند.

کاتد باید یک عنصر اکسنده موثر بوده و در تماس با الکترولیت، پایدار باشد و ولتاژ کارکرد مفیدی داشته باشد.  در رابطه با کاتد، اکسیژن می­ تواند بصورت مستقیم از هوای محیط به درون سلول کشیده شود. برای نمونه می­ توان به باتری­ های  روی/هوا شاره نمود. با این وجود، متداول ترین مواد برای کاتد، اکسیدهای فلزی می­ باشند. سایر مواد کاتدی مانند هالوژن­ ها و اکسهالیدها، سولفور و اکسیدهای آن، نیز سیستم ­های باتری ویژه بکار می­رود.

الکترولیت، باید هدایت ­پذیری یونی مناسبی داشته باشد و در سوی مقابل هادی الکترون نباشد، در غیر اینصورت باعث اتصال کوتاه درونی سلول می­شود. سایر ویژگی ­های مهم دیگری که الکترولیت باید دارا باشد، عبارتند از:

  • عدم واکنش ­پذیری با مواد الکترود

 

  • تغییر ناچیز در ویژگی با تغییر دما

 

  • ایمنی در هنگام کارکرد

 

  • قیمت پایین

بیشتر الکترولیت­ ها، محلول­ های تر می ­باشند، اما استثنائاتی نیز وجود دارد، برای مثال، باتری­ های حرارتی و باتری ­های با آند لیتیومی، که نمک مذاب و الکترولیت­ های غیر تر بمنظور جلوگیری از واکنش آند با الکترولیت بکار می ­رود.

الکترودهای آند و کاتد بمنظور جلوگیری از اتصال کوتاه داخلی، درون سلول از نظر الکتریکی بصورت فیزیکی عایق هستند اما توسط الکترولیت احاطه شده اند. در طراحی ­های عملی، یک ماده جداکننده بمنظور جداسازی الکترودهای آند و کاتد بصورت مکانیکی استفاده می ­شود. این جداساز بگونه­ ای انتخاب می ­شود که الکترولیت قابلیت نفوذپذیری درون آن را داشته باشد تا هدایت­ پذیری یونی در محدوده قابل توجهی قرار داشته باشد.

     

 

 

 

 

 

 

نحوه حرکت الکترون ها و یون ها در سلول در حین فرآیند شارژ و دشارژ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

اجزای تشکیل دهنده یک سلول

 

سلول می ­تواند در شکل­ ها و پیکربندی­ های مختلفی ساخته شود؛ سیلندری (استوانه­ ای)، سکه ­ای، کیسه ­ای (Pouch cell) و پریسماتیک (مکعب مستطیل). بمنظور جلوگیری از نشتی و خشک بودن، سلول­ ها به روش ­های مختلفی سیلد (مهر و موم) می­ شوند. برای برخی سلول­ ها تجهیزات تخلیه کننده (Venting deviced) فراهم شده است تا به این وسیله یا به روش ­های دیگر گازهای انباشته شده خارج شوند.