ویژگی‌های باتری (جریان)

مقدمه:

در قسمت قبل به ویژگی ولتاژ باتری پرداخته شد و در این مقاله‌ی آموزشی به جریان و پارامترهای وابسته به آن میپردازیم و خواهیم دید که کاهش ابعاد کمک چشمگیری به افزایش جریان کسیده شد از باتری خواهد کرد.

جریان:

پارامتر مهم دیگر یک باتری، جریان است که این جریان، تعیین کننده‌ی ویژگی‌های اساسی یک باتری است. در واقع جریان می‌تواند مشخص کننده‌ی کاربرد یک باتری باشد به این صورت که اگر باتری بتواند جریان بالایی را به مدار تحویل دهد، این باتری یک باتری توان بالا خواهد بود زیرا هر چه جریان بیشتر باشد، الکترون های بیشتری وارد مدار می‌شوند و در مدت زمان کوتاه‌تری، انتقال انرژی بیشتری رخ می‌دهد در حالی که بعضی از باتری‌ها، جریان بالایی را در اختیار ما نمی‌گذارند که این باتری‌ها در جاهایی به کار می‌روند که جریان‌کشی وسیله‌ی الکتریکی کم باشد مثلا در ساعت های مچی که جریان ناچیزی را مصرف می‌کنند، استفاده از باتری‌های با جریان بالا، صرفه‌ی اقتصادی ندارد و بهتر است که باتری با جریان پایین ولی در عوض انرژی بالا استفاده شود تا مدت زمان استفاده از آن بیشتر گردد.

تا اینجا فهمیدیم که جریان یک باتری اهمیت بسیار زیادی دارد و بستگی به کاربرد مورد نظر، جریان دهی یک باتری اهمیت پیدا می‌کند. درون باتری، عوامل بسیاری وجود دارد که محدود کننده‌ی جریان هستند ولی از مهمترین این عوامل میتوان به ضریب نفوذ یونی الکترود اشاره کرد. ضریب نفوذ(D)، یک پارامتر وابسته به جنس ماده است که نشان دهنده‌ی میزان نفوذ یک ذره(در این جا ذره‌ی ما یون است) درون ماده است. به عبارت دیگر، هر چه ضریب نفوذ یک ماده، بیشتر باشد، ذره بهتر درون آن نفوذ کرده و میتوان ادعا کرد که ذره‌ی مورد نظر به درون ماده، با سرعت زیادتری داخل می‌شود. در باتری، به دلیل حرکت یون‌ها درون الکترولیت و الکترودها، ضریب نفوذ برای هر یک قابل تعریف است و به صورت شهودی می‌توان پی برد که اگر ماده‌ی مورد بررسی، مایع باشد، ضریب نفوذ آن نسبت به یک ماده‌ی جامد بیشتر است زیرا یون‌ها راحت‌تر درون ماده‌ی مایع حرکت می‌کنند.

پس تا اینجا متوجه شدیم که جریان، رابطه‌ی تنگاتنگی با ضریب نفوذ مواد به کار رفته در باتری دارد جدول زیر، ضریب نفوذ چند ماده را به صورت تقریبی با یکدیگر مقایسه می‌کند که ذره‌ای که قرار است درون آن‌ها نفوذ کند، لیتیم است و این مواد در باتری لیتیوم یون استفاده می‌شود. در این جدول مشاهده می‌کنیم که ضریب نفوذ مایعات تا چندین برابر با مواد جامد فرق دارد که دلیل آن نیز راحت حرکت کردن یون‌ها درون مایع است. علاوه بر این نکته، این جدول نشان می‌دهد که بعضی مواد، مناسب برای الکترود باتری‌های با جریان بالا نیستند مثلا ماده‌ی LiFePO4 ظریب نفوذ بسیار پایینی را دارد ولی در عوض ولتاژ بسیار ثابتی را در اختیار ما قرار می‌دهد که در مقالات بعدی به این موضوع بیشتر می‌پردازیم. در جدول زیر مقایسه ضریب نفوذ مواد با یکدیگر نشان داده شده است.

گاهی اوقات میتوان با استفاده از روش‌هایی، برخی محدودیت‌ها را دور زد. مثلا در صورت استفاده از ابعاد بسیار کوچک مواد، یون‌ها دیگر نیاز ندارند که زمان زیادی را سپری کنند تا به عمق ماده نفوذ کنند زیرا ابعاد ماده کاهش یافته و در زمان کوتاه‌تری ماده از یون پر می‌شود. شکل 3 به صورت کاملا واضح این حقیقت را بیان کرده است و می‌بینیم که هر چه ماده ریز تر باشد، مسیری که یون باید آن را طی کند کمتر خواهد بود و در نتیجه زمان آن کاهش می‌یابد. در شکل زیر تاثیر اندازه‌ی ماده‌ی فعال، بر زمان رسیدن یون به درون آن نشان داده است.

یک سوال مهم در این رابطه پیش می‌آید و آن این است که زمان رسیدن یون، چه ربطی به جریان دارد. پاسخ این سوال مهم، ساده است. اگر یادمان باشد، فهمیده بودیم که اساس انتقال الکترون از سمتی به سمت دیگر، انجام واکنش‌های اکسایش و کاهش بود و در نتیجه تا زمانی که یون به محل واکنش نرسد، واکنشی اتفاق نمی‌افتد و در نتیجه اصلا جریانی نخواهیم داشت پس حرکت یون درون باتری بسیار حائز اهمیت است. جریان به طور کلی به سه بخش تقسیم می‌شود. اول انتقال الکترون که این انتقال از ناحیه‌ی واکنش درون باتری به سمت خارج باتری رخ داده و سپس این الکترون باید وارد باتری شده و پس از آن دوباره به سمت ناحیه‌ی واکنش در سمت دیگر باتری برود. دوم انتقال یون به سمت ناحیه‌ی واکنش که در باتری‌های مختلف، مکانیزم آن ممکن است فرق کند اما به صورت کلی میتوان بیان کرد که این انتقال یون برای انجام واکنش ضروری است. سوم انجام واکنش است که این مرحله در دو سمت باتری اتفاق می‌افتد و به عبارت دیگر نرخ انجام واکنش‌های اکسایش و کاهش، ممکن است محدود کننده‌ی جریان کل باتری شود.

با ترکیب این سه جریان، جریان کل باتری به دست می‌آید و جریان کل، زمانی محدود می‌شود که هر کدام از این سه نوع جریان، توانایی دنبال کردن دو جریان دیگر را نداشته باشد زیرا جریان در کل سیستم یکسان است و مثلا اگر نرخ واکنش اکسایش با سرعت کمتری رخ دهد، جریان محدود می‌شود. شکل 4 مکانیزم انتقال بار را نشان می‌دهد و همان طور که مشخص است، در فرایند دشارژ، ابتدا واکنش اکسایش(جدا شدن الکترون از واکنشگرها) رخ می‌دهد و سپس الکترون حاصل از این واکنش، از طریق موادی که الکترون را از خود عبور می‌دهند(مانند کربن)، به سمت جمع کننده‌ی جریان(Current colector) هدایت می‌شود و به خارج از باتری حرکت می‌کند. در شکل زیر مکانیزم انتقال جریان در فرایند دشارژ یک باتری لیتیم یون نشان داده شده است. این مکانیزم از سه مرحله تشکیل می‌شود: اول انجام واکنش، دوم انتقال یون، سوم انتقال الکترون.

با انجام واکنش اکسایش، علاوه بر تشکیل الکترون، یون نیز تولید می‌شود که این یون، همانند الکترون، نیاز به انتقال به خارج از الکترود دارد که این حرکت یون نیز، خود ایجاد جریانی است که در درون باتری اتفاق می‌افتد. در برخی از باتری‌ها مانند باتری‌های لیتیم یون، یون ایجاد شده نیاز دارد به سمت کاتد حرکت کرده تا در آنجا الکترون را طی یک واکنش احیا (کاهش)، جذب کند و به این ترتیب، درون باتری یک جریان از یون‌ها برقرار است و اگر این جریان یون‌ها کند باشد، جریان کل باتری کم می‌شود(زیرا جریان در تمام باتری یکسان است).

مطابق شکل بالا، این یون‌ها مجبورند از درون ماده و یا از درون الکترولیت حرکت کنند تا به ناحیه‌ی واکنش برسند و به دلیل این که ناحیه‌ی واکنش به داخل الکترود کشانده شده است، یون‌ها باید مسیر طولانی و سختی را بگذرانند تا به سمت دیگر باتری برسند. اگر قرار باشد که یون‌ها از درون مواد فعال (که همان موادی‌اند که واکنش اکسایش یا کاهش برای آن‌ها اتفاق می‌افتد) حرکت کنند تا به طرف دیگر باتری برسند، به دلیل کم بودن ضریب نفوذ مواد فعال نسبت به الکترولیت مایع (جدول 2)، حرکت یون‌ها بسیار محدود می‌شود پس بهتر است که یون‌ها از طریق الکترولیت به خارج از الکترود هدایت شوند که لازمه‌ی آن، استفاده از مواد فعال ریزتر و همچنین تخلخل بیشتر درون الکترود است. درمورد ساختار الکترودها در مقالات آتی بیشتر صحبت می‌شود ولی تا اینجا فهمیدیم که برای بیشتر شدن جریان، شرط لازم آن است که علاوه بر حرکت راحت الکترون‌ها درون الکترود، یون‌ها نیز بتوانند راحت داخل ساختار آند یا کاتد(دو الکترود باتری) حرکت کنند.

بعد از آنکه یون از سمت الکترود منفی خارج شد، نیاز است که بتواند وارد الکترود مقابل شود که برای این کار باید از ساختار الکترود کاتد عبور کرده و به ناحیه‌ی واکنش برسد و همچنین الکترون نیز باید خود را به سمت این ناحیه برساند تا واکنش احیا صورت گیرد و ماده‌ی فعال آن قسمت احیا گردد که به آن در بالا اشاره شد و از تکرار آن اجتناب می شود.

پس سه عامل حرکت الکترون، حرکت یون و سرعت واکنش کاهش و اکسایش، عوامل بسیار مهم برای جریان یک باتری است که برای طراحی و ساخت یک باتری باید به این نکات توجه شود. حال که با کلیت جریان آشنا شدیم، خوب است که با تعدادی از تعاریف مرتبط با جریان آشنایی پیدا کنیم.

حداکثر جریان:

یک باتری نمی‌تواند که تا هر اندازه‌ای که لازم است، جریان به مدار تحویل دهد، و بسته به ساختار باتری، یک جریان بیشینه دارد که این بیشینه‌ی جریان در دو حالت پیوسته و لحظه‌ای، فرق می‌کند و بیشینه‌ی جریان لحظه‌ای از بیشینه‌ی جریان پیوسته، بیشتر است و میدانیم که اگر از این جریان‌ها در این دو حالت تجاوز کنیم، باتری آسیب می‌بیند و ساختار الکترود ها از بین می‌رود و حتی ممکن است باتری آتش بگیرد. پس هر باتری یک بیشینه‌ی جریان دارد که در دو حالت پیوسته و لحظه‌ای با یکدیگر فرق می‌کند و هنگام استفاده از آن باید به این موارد دقت شود.

سرعت شارژ:

باتری‌های قابل شارژ، با مصرف انرژی خود، نیاز دارند که دوباره شارژ شود و یک باتری را میتوان با سرعت های مختلفی شارژ نمود و با اعمال پتانسیل های بالا، این سرعت افزایش می‌یابد و کاهش ولتاژ، سرعت را کم می‌کند. اگر ولتاژ اعمالی به باتری از حدی بیشتر شود، یک سری واکنش که در ولتاژ پایین انجام نمی‌شوند، رخ داده و ممکن است که ساختار الکترود به کلی نابود شود پس هر باتری نیز یک سرعت شارژ مربوط به خود را دارد که هنگام شارژ کردن آن باید به این سرعت دقت شود.

ضریب تخلیه (Crate):

در ادبیات باتری‌ها، یک ضریب وجود دارد که این ضریب نشان‌دهنده‌ی حداکثر سرعت تخلیه‌ی باتری است که این ضریب دو عامل جریان و ظرفیت باتری را با هم بیان می‌کند به عبارت دیگر با بالا رفتن این ضریب، باتری در زمان کمتری تمام انرژی خود را تحویل می‌دهد. این ضریب به صورت a*C بیان می‌شود(مثلا 2Cیا 0.5C) که با معکوس کردن ضریب C، زمان خالی شدن به دست می‌آید به عنوان مثال 2C به معنای این است که باتری در نیم ساعت خالی می‌شود و بار خود را تخلیه می‌کند. و یا 0.25C نیز بیانگر این است که باتری در چهار ساعت تخلیه می‌شود. با ضرب این ضریب در ظرفیت باتری، حداکثر جریان باتری به دست می‌آید(ظرفیت در مقالات دیگر توضیح داده شده است). مثلا اگر ظریب تخلیه‌ی یک باتری 20C باشد، این باتری درسه دقیقه خالی می‌شود و اگر ظرفیت این باتری، 1800mAh باشد، بیشترین مقدار جریان آن برابر با 36A می‌باشد.
بیشینه جریان :                              20C * 1800mAh = 36000mA = 36A

خلاصه و نتیجه‌گیری:

در این مقاله و مقاله ی قبل دو ویژگی باتری مورد بررسی قرار گرفت و دیدیم که این دو ویژگی از کجا می‌آیند و به چه عواملی بستگی دارند. ویژگی اول، ولتاژ باتری بود که دیدیم 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. در ادامه‌ی مقاله، با ویژگی دوم آشنا شدیم که این ویژگی، جریان باتری بود و دیدیم که ساز و کار جریان، به چه صورت است. بعد از آن مفاهیم اصلی جریان را مورد بررسی قرار دادیم و دانستیم که برای استفاده از یک باتری، چه نکاتی باید رعایت شود. مباحث بسیار بیشتری در این زمینه‌ها وجود دارد که انشاءالله در مقالات بعدی به آن اشاره می‌شود.