امروز : جمعه, 08 ارديبهشت 1396

24 ژانویه 1872، تولد موریس ویلیام تراورز شیمی‌دان انگلیسی

IMAGE

تراورز با شیمی‌دان اسکاتلندی ویلیام رمزی در اکتشاف گازهای نجیب کریپتون (Kr)، زنون (Ne) و نئون (Ne) همکاری...

ادامه مطلب...

گرافن

IMAGE

اگر چه کربن می تواند با پیوند برقرار کردن با چهار اتم  یک شبکه ی سه بعدی در الماس را ایجاد کند ، اما وقتی کربن با سه اتم کربن پیوند برقرار میکند یک ورقه ی دوبعدی ایجاد می شود .  این ورقه ها را گرافن می نامند .

...

ادامه مطلب...

ویتامین آ

IMAGE

ویتامین آ

رتینول یا ویتامین A یکی از ویتامینهای محلول در چربی می‌باشد. ویتامین A از ترکیباتی به نام رتینوئیدها ساخته می‌شود که فرمهای فعال ویتامین A هستند و در طبیعت به چند صورت موجود می‌باشند. در طبیعت...

ادامه مطلب...

نایلون 6

IMAGE

نایلون 6 یکی از اعضای خانواده ی پلیمرهای ترموپلاستیک نایلونی است که به نام پلی آمید شناخته می شوند. نایلون 6 نخستین بار توسط پول اسکلاک تولید شد. نایلون 6 یکی از پرکاربرد ترین پلیمرها است. الیاف نایلون 6 بسیار محکم...

ادامه مطلب...

سوربیتول

IMAGE

سوربیتول یک الکل پلی هیدریک می باشد و در طبیعت به طور گسترده ای توزیع شده است غنی ترین منبع سوربیتول دانه های سماق کوهی (Rowan or maintain Ash berry) می باشد . اما فراورده طبیعی و دست نخورده آن از نظر تجارتی ارزشی ندارد .این ماده...

ادامه مطلب...

اسید کربنیک

IMAGE

اسید کربنیک در نتیجه واکنش دی‌اکسید کربن و آب تولید می‌شود.

  ادامه مطلب...

تترامتيل سيلان (TMS)

IMAGE

تترامتيل سيلان (TMS) يا 4(CH3)Si در مطالعات پروتوني رزونانس مغناطيسي هسته NMR به عنوان استاندارد دروني استفاده مي‌شود.

ادامه مطلب...

پرفلوئورو اکتانوئیک اسید

IMAGE

پرفلوئورو اکتانوئیک اسید PFOA یا پنتادکافلوئورو اکتانوئیک اسید یک مایع بی رنگ با دمای جوش در حد 189 – 192 درجه سانتی گراد می باشد. این ماده به طور گسترده به عنوان یک سورفاکتانت در پلیمریزاسیون امولسیون...

ادامه مطلب...

هیدروژن سولفید

IMAGE

هیدروژن سولفید (H2S) گازی بی رنگ و متراکم می باشد. در غلظت کم بوی تخم مرغ آب پز داشته و در غلظت بالا به شدت سمی بوده و حتی دارای قابلیت انفجار است. این گاز در طبیعت...

ادامه مطلب...

فورانیول عامل بوی توت فرنگی

IMAGE

فورانیول ترکیبی طبیعی با اتمهای اکسیژن در گروه عاملی کتون، هیدروکسیل و اتر می باشد. این ترکیب در ابتدا به عنوان ماده بوی توت فرنگی شناخته شد اما در سایر مواد غذایی...

ادامه مطلب...

مجله علمی ـ خبری کمیکا فروردین ماه 1395

IMAGE

در این شماره می خوانید:

>> گرمایش زمین: یخچالهای طبیعی نیوزلند بیست درصد کوتاه تر شده اند

>> روش تازه محققان برای درمان سکته مغزی

>> خزانه جهانی برای نگهداری بذرهای کشاورزی در قطب شمال

>> استفاده از امواج فراصوتی برای بهبود کیفیت نان

ادامه مطلب...

باتری یک ابزار ذخیره انرژی

با توجه به گسترش کاربرد باتری در زندگی بشر، خصوصا نیاز به خودروهای الکتریکی (بدلیل مشکلات سوخت‌های فسیلی) اهمیت پژوهش های کاربردی در زمینه باتری روز به روز روشن تر می شود. در این مقاله خلاصه ای از ویژگی هایی از باتری مانند ظرفیت، انرژی و توان توضیح داده شده و ارتباط بین آن ها بیان می شود. اجزای کلیدی باتری و مشخصات ایده آل لازم برای این اجزا همچنین ارتباط ویژگی هایی مانند ظرفیت، توان و انرژی با عملکرد این اجزای کلیدی شرح داده می شود. همچنین حوزه‌های کاربردی نانوفناوری در بهبود ویژگی های باتری (از طریق ارتقای عملکرد اجزای باتری) به طور خلاصه در میان مباحث بیان می شود، در حالی که مطالب تکمیلی درباره تاثیر نانو در مقالات آتی خواهد آمد. در آخر انواع باتری ها معرفی خواهد شد و مقایسه ای بین عملکرد آ نها صورت می گیرد. 

1- معرفی باتری

به طور کلی باتری ها به دو دسته اصلی باتری های اولیه و ثانویه تقسیم می شوند. باتری های اولیه غیر قابل شارژ و یک بار مصرف، ولی باتری های ثانویه بسته به نوع باتری می توانند تا چندین دوره یا سیکل مورد استفاده قرار گیرند. در این سلسله مقالات بدلیل اهمیت باتری های ثانویه و کاربرد فراوان نانوفناوری در آن، تمامی ‌بحث ها معطوف به باتری های ثانویه است. همان طور که مشخص است سازوکار عملکرد یک باتری بر مبنای واکنش های الکتروشیمیایی است چون فرض بر این است که خوانندگان با واکنش های اکسایش-کاهش در باتری آشنایی دارند، لذا جهت اختصار از بیان مطالب مربوطه صرف نظر شده است. (واکنش های اکسایش-کاهش در کتابهای دبیرستان تا کتابهای دانشگاهی پوشش داده شده است) همان طور که خوانندگان مطلع هستند، در واکنش های اکسیداسیونی (اصطلاحا Redox) آند، الکترودی است که در آن واکنش اکسایش صورت می گیرد و کاتد، الکترودی است که در آن واکنش احیا انجام می شود. شکل 1، یک باتری دانیل را همراه با محاسبه پتانسیل استاندارد سلول نشان می دهد. با توجه به این تعریف، قطب منفی باتری در حین مصرف باتری که اصطلاحا دشارژ (discharge) نامیده می شود به عنوان آند عمل می کند و در هنگام شارژ(charge) همان قطب منفی، نقش کاتد را دارد، ولی همواره قطب مثبت و منفی در شارژ و دشارژ ثابت است (همانند شکل 2). برای روشن شدن موضوع، گرافیت در باتری یون لیتیومی، چه در حین شارژ و چه در حین دشارژ پایانه منفی باتری است. یعنی اگر در حین دشارژ یک مصرف کننده متصل کنیم گرافیت قطب منفی را تشکیل می دهد و در هنگام شارژ باتری، قطب منفی شارژرمان را باید به گرافیت متصل کنیم. همین طور است برای قطب مثبت باتری. 

 

 

شکل 1- نمایش یک باتری (پیل دانیل)

 

بیان شد که قطب منفی (مثلا گرافیت) در حین دشارژ آند است یعنی در آن واکنش اکسایش صورت می گیرد در حالی که همین قطب منفی در حین شارژ به عنوان کاتد (در آن احیا (کاهش) صورت می گیرد) عمل می کند. ولی به عنوان یک قاعده مرسوم، قطب منفی تحت نام آند، و قطب مثبت به نام کاتد شناخته می شود یعنی حالت دشارژ مبنا قرار می گیرد. همچنین لازم به ذکر است هر باتری ممکن است از چندین سل تشکیل شده باشد که هر سل کوچکترین واحد الکتروشیمیایی تولید انرژی است. 

 

شکل 2- نمایش ثابت ماندن قطب مثبت و منفی در حین شارژ و دشارژ


2 - ویژگی های باتری
هر باتری با یک سری ویژگی ها شناخته می شود. این ویژگی ها را به طور کلی می‌توان به دو دسته تقسیم کرد. دسته اول مستقیما به عملکرد باتری مرتبطند مانند چگالی انرژی، چگالی توان، طول عمر سیکلی، و دسته دوم ارتباط مستقیمی ‌با عملکرد باتری ندارند مانند قیمت، اثرات زیست محیطی، ایمنی و مانند آن. برای بیان عملکرد باتری و تاثیر نانو بر آن لازم است تا این مشخصات توضیح داده شود. 
ولتاژ باتری: به مقدار ولتاژ تولید شده توسط باتری گویند و به جنس آند و کاتد به کار رفته در باتری دارد. برای باتری انواع گوناگون ولتاژ تعریف می شود. یکی از مشخصه ها، ولتاژ تئوری باتری است که تنها به جنس آند و کاتد باتری بستگی دارد و از طریق نیم واکنش های اکسایش-کاهش با رجوع به جدول استاندارد پتانسیل الکترودها (جدول 1) مشخص می شود (همان معادله نرنست) دیگری ولتاژ مدار باز (وقتی باتری به مصرف کننده وصل نشده است) که مقدار آن نزدیک به ولتاژ تئوری است. مشخصه دیگر ولتاژ اسمی است، که به عنوان ولتاژی که یک باتری با آن کار می کند پذیرفته شده است. دیگری ولتاژ قطع (Cut-off) است که بدلیل ایمنی، از بین رفتن دایمی ظرفیت و ... نباید ولتاژ باتری پایین تر از آن باشد. 

 

جدول 1- پتانسیل استاندارد نیم سلول‌ها بر مبنای واکنش احیایی


چگالی انرژی (Energy Density): مقدار انرژی قابل دریافت از باتری به ازای واحد حجم است و با واحدهایی نظیر Wh/L (وات ساعت بر لیتر) بیان می شود. در مقایسه بین دو باتری هر کدام که چگالی انرژی بالاتری داشته باشد به ازای واحد حجم انرژی بیشتری را تحویل می دهد. 
انرژی مخصوص (Specific Energy): دقیقا همانند قبلی ولی به ازای واحد جرم تعریف می شودWh/g و همان مطالبی که برای چگالی انرژی گفته شده برای آن صادق است. به صورت مرسوم در نوشتجات، اصطلاح چگالی انرژی برای انرژی مخصوص نیز به کار می‌رود و حتی گاهی عبارت چگالی انرژی حجمی، برای چگالی انرژی تعریف شده در بند بالا استفاده می شودکه در مطالب بیان شده در این نوشته از دو اصطلاح اخیر استفاده شده است.
توان باتری: مشابه مورد انرژی، توان قابل دریافت از باتری به ازای واحد حجم یا جرم (چگالی توان یا توان مخصوص) است. هرچه جریان یک باتری افزایش یابد متعاقبا مقدار توان تحویلی افزایش می یابد. بدلیل بحث‌های مربوط به ایمنی، کاهش ظرفیت، طول عمر و غیره، نمی توان جریان را به هر میزان افزایش داد. در این سری مقالات جهت اختصار خیلی مواقع در این مقاله نام توان و انرژی به تنهایی و بدون پسوند و پیشوند ذکر شده است.
ظرفیت: مقدار بار الکتریکی ذخیره شده در باتری که قابل دریافت است را نشان می دهد که بر حسب واحد آمپر-ساعت بر گرم mAh/g بیان می شود. ظرفیت باتری در حین مصرف، تخلیه می شود و در حین شارژ، دوباره بر می گردد. ظرفیت باتری در طول دوره‌های شارژ و دشارژ (از این به بعد به اختصار سیکل) مدام از حالت اولیه کمتر می شود. یعنی بعد از هر بار سیکل کاری، ظرفیت سیکل دوره بعد کاهش می یابد. همچنین اگر از باتری استفاده نکنیم (حالت مدار باز) حتی در این حالت هم بدلیل واکنش های جانبی و ... ظرفیت باتری کاهش می یابد به همین جهت هر باتری دارای تاریخ انقضاست (Shelf life). 
طول عمر سیکلی: چون با هر بار شارژ و دشارژ باتری، مقدار ظرفیت قابل دریافت از آن کاهش می یابد. طول عمر سیکلی تعداد سیکل‌های شارژ و دشارژ باتری را نشان می دهد که بعد از آن ظرفیت باتری از حد مجاز تعیین شده کمتر شود. این ظرفیت به ولتاژ قطع، ایمنی و ... مرتبط است.
C rate: نشان دهنده سرعت شارژ یا دشارژ (همان جریان) باتری است که بر حسب ضریبی از C بیان می شود. به طور مثال سرعت 1C نماینده جریانی است که باعث می شود که کل ظرفیت باتری در یک ساعت تخلیه شود. یا 0.5C و 2C به ترتیب جریانی را بیان می کنند که باعث تخلیه ظرفیت باتری در طول دو ساعت و نیم ساعت می شود.
مشخصاتی مانند ظرفیت، انرژی و توان و ... می توانند برای کل باتری، برای آند و کاتد همراه با هم، و به طور مجزا برای آند و کاتد تعریف شوند. به طور مثال چگالی انرژی برای الکترود(کاتد یا آند) نشان دهنده مقدار انرژی قابل دریافت توسط الکترود به ازای واحد جرم است و همین طور است چگالی توان و ظرفیت. 
ظرفیت الکترودها از تقسیم مقدار بار الکتریکی به ازای واحد مول، بر جرم مولی حاصل می شود. برای روشن شدن مطلب و تعیین انواع ظرفیت‌ها، یک پیل دانیل را در نظر بگیرید که از دو الکترود یکی فلز روی به عنوان آند ودیگری مس به عنوان کاتد تشکیل شده است واکنش ها و محاسبات مربوط به ظرفیت و انرژی تئوزی در جدول 2 و 3 نشان داده شده است. 

 

 

جدول 2- واکنش ها و پتانسیل باتری پتانسیل باتری از کم کردن پتانسیل آند از پتانسیل کاتد حاصل می شود.

 

 

جدول 3- نحوه محاسبه ظرفیت آند، کاتد و کل باتری


در این روابط n تعداد الکترون های شرکت کننده در واکنش ها و F عدد فارادی و M جرم مولی است. برای ظرفیت باتری می‌توان از هر دو فرمول جدول استفاده کرد. در محاسبه همه ظرفیت‌ها ابتدا واکنش های آندی و کاتدی باید بدرستی تشخیص داده شود و حتما موازنه دقیق صورت گیرد تا مقدار n و مقدار واکنشگرها بدرستی تشخیص داده شوند. 
در محاسبه ظرفیت باتری با استفاده از روش دوم، بعد از موازنه واکنشگرها، احتمال اشتباه وجود ندارد. ولی محاسبه با استفاده از ظرفیت‌های آند و کاتد، (بدلیل وجود بعضی واکنشگرها که بعد از موازنه و جمع واکنش ها حذف می‌شوند) امکان اشتباه وجود دارد. ولی به طور کلی واضح است هر چه ظرفیت آند و کاتد بیشتر باشد، ظرفیت باتری بیشتر می شود. همان طور که مورد بررسی قرار می گیرد فناوری نانو این امکان را فراهم می آورد تا از موادی در آند و کاتد استفاده شود که ظرفیت قابل ملاحظه ای را ارایه می‌دهند در حالی که بدون نانوفناوری این مواد قابل استفاده نیستند. به طور مثال در باتری های لیتیومی‌از نانولوله کربنی به جای گرافیت در آند استفاده کرد تا ظرفیت آندی بالا رود یا نانوفناوری ما را قادر می‌سازد از آندهایی مثل سیلیکون که ظرفیت بالایی دارند به شکل نانوساختار استفاده کرد (این آندها در حالت غیر نانو قابل استفاده نیستند) بدین ترتیب ظرفیت و انرژی را افزایش داد.
ظرفیت واقعی، بدلیل وجود اجزای دیگر لازم، شامل جمع کننده جریان، الکترولیت، مواد غیرفعال و ... (در ادامه توضیح داده می شوند) که هم بر وزن و هم بر حجم باتری اثر می گذارند در عمل نصف ظرفیت تیوری بیان شده در بالاست به طور مثال برای یک باتری آلکالن (قلیایی) ظرفیت تئوری 0.22Ah/g بدست می آید در حالی که ظرفیت واقعی 0.11Ah/g است. شکل زیر دو نمونه متفاوت از پیکربندی باتری جهت آشنایی با اجزای آن آورده شده است. یادگیری شکل لازم نیست فقط برای آشنایی است.

 

شکل 3- نمایش اجزای مختلف یک باتری


3  -
انواع باتری
به طور کلی سه نوع ابزار ذخیره سازی انرژی با مکانیزم الکتروشیمیایی وجود دارد پیل سوختی، باتری و ابرخازن این سه ابزار دخیره انرژی هستند. پیل سوختی چگالی انرژی بالایی را فراهم می کند ابرخازن توان بالایی را ارایه می دهد. در مقالات مربوطه بحث خواهد شد. 
تنوع و انواع باتری ها بسیار زیاد است بعضی باتری ها برای مصارف عموی و بعضی جهت کاربردهای خاص مثل صنایع نظامی و پزشکی مورد استفاده قرار می گیرند. با توجه به این تنوع حتی ذکر تمام این باتری ها نیاز به حجم گسترده ای از مطالب دارد. در خیلی از این باتری ها فناوری نانو بدون کاربرد نیست ولی با توجه به محدودیت حجم مطالب فقط کاربردهای نانو در باتری های معروف و اصلی در این مجموعه مقالات مورد بررسی قرار گیرد. 
شکل 4 تعدادی از باتری های مطرح همراه با چگالی انرژی تئوری و عملی آن ها را نشان می دهد. بدلیل مشکلات مختلف، به سختی حتی با کمک نانوفناوری می توان برای یک باتری به انرژی تئوریش رسید. باتری های سرب اسید و نیکل هیدریدفلز نسل قدیمی تر و باتری های یون لیتیومی نسل فعلی باتری ها هستند. انواع دیگری از باتری ها( با شباهت زیاد به باتری لیتیوم یون) همانند سدیم یون، منیزیوم یون و ... هم وجود دارند که در مقایسه با باتری های یون لیتیومی بیشتر در مرحله تحقیقاتی هستند و علت مطرح شدن آن ها نه عملکرد بهتر بلکه قیمت پایین تر است. این نوع باتری ها چون از خیلی جهات یه باتری لیتیوم-یون نزدیکند بنابراین خیلی از مطالبی که در این مجموعه درمقالات باتری درباره باتری یون لیتیومی گفته می شود به آن ها هم قابل تعمیم است. 
باتری های لیتیوم-سولفور، روی-هوا و لیتیوم-هوا نسل آتی باتری ها را به خود اختصاص می دهند. هدف از کاربرد باتری های لیتیوم-هوا جایگزینی آن ها به جای سوخت های فسیلی در خودروهاست. در این مجموعه مقالات باتری های یون لیتیومی و نسل جدید بحث می شود و باتری های نسل قبل که مطالب نانوتکنولوژی کمتری دارد صحبت نمی شود. 

 

شکل4 - مقایسه بین چگالی انرژی باتری های مختلف


در آخر نمودارهایی تحت عنوان راگون همانند شکل 5 وجود دارد که توان و ظرفیت باتری های مختلف و همچنین بین ابزارهای انرژی الکتروشیمیایی چون پیل سوختی، باتری و ابرخازن ها را نمایش می دهد. باتری هایی همچون لیتیوم-هوا چون شباهت زیادی به پیل سوختی دارند چگالی انرژی بالاتر ولی باتری های لیتیوم توان بهتری ارایه می دهند. اخیرا با نانوفناوری باتری های شبه خازنی هم مطرح شده اند که توان خوبی مشابه ابرخازن دارند در حالی که مزیت باتری که چگالی انرژی بالاتر است را هم حفظ می کنند.

 

شکل5- مقایسه توان و انرژی باتری، پیل سوختی و ابرخازن


برای ارزیابی الکتروشیمیایی باتری روش هایی شامل گالوانواستات، ولتامتری سیکلی و اسپکتروسکوپی امپدانس الکتروشیمیایی وجود دارد که در مقالات ما نیازی به بحث درباره عملکرد آن ها نیست علاقمندان می توانند به کتاب های مربوطه مراجعه کنند. 

4 -
بحث و نتیجه گیری
در این مقاله آند و کاتد باتری در هنگام شارژ و دشارژ معرفی شد. مشخص شد که قطب های مثبت و منفی همواره ثابت است. ویژگی های باتری مثل چگالی انرژی، توان و ظرفیت تعریف و اهمیت آن ها در عملکرد باتری بیان شد. چگونگی محاسبه ظرفیت تئوری و ارتباط آن با ظرفیت آند و کاتد شرح داده شد. مشخص شد که ظرفیت باتری به دلایل متفاوتی از حد تئوری پایین تر باشد. گفته شد نانوفناوری با افزایش ظرفیت آند و کاتد می تواند بر روی افزایش ظرفیت باتری موثر باشد. در آخر انواع مختلفی از باتری به صورت مختصر معرفی و در آخر منحنی های راگون و مقایسه ای بین ابزارهای ذخیره الکتروشیمیایی صورت گرفت.

 


دانشنامه علمی کمیکا

منبع: edu.nano.ir


 

اضافه کردن نظر


کد امنیتی
تازه سازی

  • شیمی عمومی
  • طیف سنجی
  • جداسازی و کروماتوگرافی
  • الکتروشیمی
  • شیمی آلی
  • محیط زیست
  • تقویم شیمی
  • مولکول شیمی
  • طیف سنج جرمی
  • شیمی فیزیک
  • شیمی مواد غذایی
  • نانوشیمی
  • شیمی و کامپیوتر
  • شیمی تجزیه
  • مجله علمی ـ خبری کمیکا
  • دانلودها
  • سم شناسی

جدیدترین مطالب

پربازدیدترین مطالب

آمار سایت

370612
امروز
دیروز
هفته جاری
هفته گذشته
ماه جاری
ماه گذشته
بازدید کل
185
1144
6948
354436
33037
38121
370612

آی‌پی شما: 54.145.108.181
امروز: جمعه، 08 ارديبهشت 1396 - ساعت: 03:02:19