ویژگی‌های باتری (ولتاژ)

مقدمه:

در این مقاله قصد داریم که ویژگی‌های مهم یک باتری را با هم مرور کنیم و ببینیم که این ویژگی‌ها از کجا آمده‌اند و چه نیازی به تعریف آن‌ها وجود داشت که به سراغ آن‌ها رفتیم. در ادامه‌ی مطلب، هر ویژگی را بیان می‌کنیم و سپس تعدادی از پارامترهایی را که به آن ویژگی مربوط است، به صورت کلی بررسی می‌شود. یک باتری، ویژگی‌های زیادی دارد که از مهم‌ترین آن‌ها می توان به ولتاژ، جریان، ظرفیت، انرژی طول عمر سیکلی و بازده کلومبی اشاره کرد.

ولتاژ:

تقریبا می‌توان گفت که اساسی ترین ویژگی یک باتری، ولتاژ آن است که این ولتاژ، به معنای یک نیروی داخلی برای کشاندن الکترون‌ها از سمت آند به سمت کاتد است. به عبارت بهتر، ولتاژ همانند یک نیروی ذاتی عمل می‌کند که باعث می‌شود الکترون‌ها به سمت دیگر باتری حرکت کنند و هر چه این نیرو بیشتر باشد، الکترون‌ها بیشتر و راحت‌تر به طرف دیگر باتری می‌روند. درست مثل غلطیدن سنگ از بالای یک کوه؛ هرچه ارتفاع کوه بیشتر باشد، سنگ تمایل بیشتری برای افتادن دارد به بیانی دیگر، پتانسیل سنگ بیشتر است و پایین آمدن آن انرژی بیشتری تولید می‌کند. هر چه ولتاژ یک باتری بیشتر باشد، انرژی آن نیز بیشتر است(البته در صورت یکسان بودن دیگر پارامترها). حال که با مفهوم ولتاژ آشنا شدیم، خوب است نحوه‌ی محاسبه و به دست آوردن آن را با هم بررسی کنیم.

در مقاله‌ی معرفی باتری، دیدیم که سلول دانیل، با استفاده از دو واکنشی که در الکترود مس و روی اتفاق می‌افتد، الکترون‌ها را انتقال می‌دهد و واضح است که اگر هر دو واکنش، مثل هم باشند، هیچ انتقال الکترونی صورت نمی‌گیرد زیرا الکترون، تمایلی برای جا به جا شدن ندارد. با این اوصاف می‌فهمیم که جنس مواد به کار رفته، ولتاژ یک باتری را تعیین می‌کند. باز تاکید می‌کنیم که ولتاژ از واکنش‌های اکسایش و کاهش درون باتری، سرچشمه می‌گیرد و اگر پتانسیل هر سمت باتری را بدانیم، با کم کردن این دو پتانسیل می‌توانیم ولتاژ(پتانسیل) کل باتری را محاسبه کنیم. لازم به ذکر است که پتانسیل به تنهایی بی معنی است و باید اختلاف پتانسیل را به دست آوریم، به همین دلیل نیاز به یک مرجع پتانسیل داریم که ولتاژ آن را به صورت قراردادی، صفر درنظر بگیریم.

تا این جا فهمیدیم که برای به دست آوردن ولتاژ یک باتری، نیاز داریم که پتانسیل دو سمت آند و کاتد را از هم کم کنیم که این پتانسیل‌ها نیز با انجام آزمایش ها به دست آمده یعنی با انجام این واکنش‌ها در حضور مرجع پتانسیل، ولتاژ یک واکنش به دست می‌آید. مرجع واکنش در بسیاری از مراجع علمی، واکنش تعادلی تبدیل گاز هیدروژن به یون هیدروژن است که در حضور کاتالیست پلاتین در شرایط خاص انجام می‌گیرد.

شکل 1، نحوه‌ی محاسبه‌ی پتانسیل یک واکنش دلخواه را نشان می‌دهد که در این شکل، الکترود استاندارد هیدروژن(SHE) را می‌بینیم و ملاحظه می‌کنیم که به کمک یک ولت ‌متر، ولتاژ نسبت داده شده به این نیم‌ واکنش به راحتی به دست می‌آید و چون پتانسیل SHE را صفر در نظر گرفته‌ایم، عدد نشان داده شده بر روی ولت متر، همان پتانسیل نیم واکنش دلخواه ماست. نحوه‌ی محاسبه‌ی پتانسیل یک واکنش به کمک الکترود استاندارد در شکل زیر نشان داده شده است.

با تکرار این عملیات برای واکنش‌های مختلف، یک جدول پتانسیل برای نیم واکنش‌های مختلف به دست می‌آید که این جدول در شکل 2 نشان داده شده است. در این جدول ملاحظه می‌کنیم که هر نیم‌ واکنش چه پتانسیلی دارد و همچنین در این جدول، نیم واکنش سلول استاندارد نیز آورده شده که به صورت قراردادی، آن را صفر در نظر گرفته‌ایم. نکته‌ی جالب در این جدول این است که پتانسیل کاهش لیتیم(نیم واکنش آخر) از همه منفی‌تر است، به این معنا که باتری بر پایه‌ی لیتیم، میتواند پتانسیل بیشتری نسبت به دیگر باتری‌ها داشته باشد و در نتیجه، انرژی آن نیز زیاد خواهد بود و شاید این مهمترین دلیل برای این باشد که باتری‌های لیتیم یون، امروزه طرفداران زیادی دارد.

تا اینجا فهمیدیم که پتانسیل به مواد درون باتری وابسته است و میتوان با تغییر مواد، پتانسیل دلخواه خود را ایجاد کرد. همچنین فهمیدیم که با کم کردن پتانسیل‌های کاهشی دو الکترود آند و کاتد، میتوان ولتاژ باتری را پیدا کرد. حال نوبت آن است که تعاریفی که بسیار پرکاربرد است، با یکدیگر بررسی کنیم. این تعاریف عبارت‌اند از: ولتاژ تئوری، ولتاژ مدار باز، ولتاژ نامی، ولتاژ کار و ولتاژ قطع(cut off voltage). در ادامه هر یک را به صورت بسیار خلاصه با یکدیگر بررسی می‌کنیم. شکل زیر جدول پتانسیل‌های شیمیایی برای واکنش‌های مختلف را نشان میدهد.

ولتاژ تئوری:

این همان ولتاژ به دست آمده از روش الکترود استاندارد است و به صورت تئوری به دست می‌آید و همان‌طور که گفته شد، برای محاسبه‌ی این ولتاژ، کافی است که با دانستن واکنش‌های آند و کاتد باتری، مقادیر پتانسیل کاهشی را برای این دو الکترود از یکدیگر کم کنیم. برای مثال، در جدول زیر، ولتاژ سلول دانیل آمده است که این مقادیر از شکل 2 به دست می‌آید. در جدول زیر میتوانید محاسبه پتانسیل یک باتری را مشاهده کنید.

ولتاژ مدار باز:

این ولتاژ مربوط به حالتی است که باتری ساخته شده و هیچ باری به دو سر آن وصل نشده است به عبارت دیگر، این ولتاژ، ولتاژ دو سر باتری تنها است و مداری به آن وصل نیست. اگر مدار به باتری وصل شود، ولتاژ افت می‌کند که دلیل آن، در مقالات آتی آورده خواهد شد ولی به صورت شهودی می‌توان گفت که این افت پتانسیل، صرف انجام واکنش می‌شود و همچنین مقاومت‌های درونی نیز بر روی این افت، تاثیر گذارند. ذکر این نکته خالی از لطف نیست که مقدار این ولتاژ، به مقدار ولتاژ تئوری نزدیک است.

ولتاژ نامی:

این ولتاژ، ولتاژی است که باتری، با آن ولتاژ شناخته می‌شود و معمولا روی جلد باتری این مقدار را می‌نویسند. برای مثال، ولتاژ نامی باتری سرب اسید، 2 ولت است اما مقدار اصلی ولتاژ این باتری‌ها، به بار اتصالی آنها و همچنین نحوه‌ی ساختشان بستگی دارد.

ولتاژ کار:

این ولتاژ، ولتاژی است که مدار به باتری وصل است و با افزایش جریان، این ولتاژ کاهش می‌یابد و این کاهش ولتاژ، به دلیل مقاومت‌های داخلی باتریست که در آینده، در مورد آن بیشتر صحبت می‌شود. معمولا این ولتاژ یک محدوده‌ی معین دارد که باتری‌ها نباید از آن محدوده خارج شوند زیرا باعث آسیب دیدن باتری می‌شود. اگر باتری بیش از حد خالی شود، این ولتاژ افت کرده و ممکن است باتری آسیب ببیند(مانند باتری‌های لیتیوم یون) و اگر بیش از اندازه شارژ شوند، ولتاژ آنها بالا رفته و احتمال از بین رفتن ساختار درونی آنها بالا می‌رود. پس باتری‌ها یک محدوده‌ی معین برای ولتاژ دارند که نباید از آن تجاوز کنند.

ولتاژ قطع(cut off voltage):

در بالا اشاره‌ی کوچکی به این موضوع شد که اگر ولتاژ باتری‌ها بیش از اندازه کم شود، احتمال دارد که باتری از بین برود و به همین دلیل، مجبوریم که یک مدار محافظ برای باتری تهیه شود تا ولتاژ باتری از یک حدی کمتر نشود. این حد پایین را ولتاژ قطع گویند و باتری زیر آن ولتاژ نباید کار کند و مدار محافظ، با تشخیص این کاهش ولتاژ، باتری را از مدار جدا می‌کند و مانع از آسیب دیدن باتری می‌شود.

خلاصه و نتیجه‌گیری:

در این مقاله ولتاژ باتری، مورد بررسی قرار گرفت و دیدیم که این  ویژگی از کجا می‌آید و به چه عواملی بستگی دارند. دیدیم که ولتاژ باتری به جنس مواد و ماهیت واکنش‌ها بستگی داشت و همچنین با به دست آوردن این ولتاژ از طریق جداول احیا، آشنا شدیم و بعد از آن که کلیت مفهوم ولتاژ را با یکدیگر آموختیم، به چند تعریف در این رابطه پرداختیم. مباحث بسیار بیشتری در این زمینه‌ها وجود دارد که انشاءالله در مقالات بعدی به آن اشاره می‌شود.