باطری ماشین؛ سرگذشت تاریخی باطری به باتری

باطری ماشین، یکی از ده ها گونه باطری های مورد استفاده بشر امروز از باطری ها است؛ امروزه نیاز ما به باطری ها بیشتر از گذشته شده است.تمام ماشین ها و وسایل نقلیه و همین طور تمامی دستگاه هایی که با برق کار میکنند را در نظر بگیرید همه ی این وسایل که حتما تعداد قابل توجهی از آنها جزء محصولات گران قیمت می باشند برای تامین برق مورد نیاز خود به یک منبع قابل اطمینان احتیاج دارند و اینجاست که نقش باطری ها برای ما حیاتی میشود.ما امروز قصد داریم در این مقاله، ضمن بررسی روند تاریخی و تایم لاین باطری و به طور مشخص تر، باطری ماشین، درباره انواع باطری های ماشین و نحوه عملکرد آنها مفصل تر صحبت کنیم تا اگر شما هم مثل اکثر مردم از شنیدن نام های فراوان سرگیجه گرفته اید، از سردرگمی رها شوید. و البته در خصوص معایب و مزایا و ساختار باطری ماشین هم اطلاعات مفید و کاربردی رو در اختیارتون بگذاریم.برای ورود به مبحث باطری، بد نیست که با یک اطلاعات آماری پیش برویم:بد نیست بدانید که سالانه حدود ۱۱ میلیون باتری ماشین در ایران تولید میشود که تنها حدود ۷۰ درصد نیاز کشور را تامین میکند.باطری ماشین، یکی از ده ها گونه باطری های مورد استفاده بشر امروز از باطری ها است؛ امروزه نیاز ما به باطری ها بیشتر از گذشته شده است.تمام ماشین ها و وسایل نقلیه و همین طور تمامی دستگاه هایی که با برق کار میکنند را در نظر بگیرید همه ی این وسایل که حتما تعداد قابل توجهی از آنها جزء محصولات گران قیمت می باشند برای تامین برق مورد نیاز خود به یک منبع قابل اطمینان احتیاج دارند و اینجاست که نقش باطری ها برای ما حیاتی میشود.ما امروز قصد داریم در این مقاله، ضمن بررسی روند تاریخی و تایم لاین باطری و به طور مشخص تر، باطری ماشین، درباره انواع باطری های ماشین و نحوه عملکرد آنها مفصل تر صحبت کنیم تا اگر شما هم مثل اکثر مردم از شنیدن نام های فراوان سرگیجه گرفته اید، از سردرگمی رها شوید. و البته در خصوص معایب و مزایا و ساختار باطری ماشین هم اطلاعات مفید و کاربردی رو در اختیارتون بگذاریم.برای ورود به مبحث باطری، بد نیست که با یک اطلاعات آماری پیش برویم:بد نیست بدانید که سالانه حدود ۱۱ میلیون باتری ماشین در ایران تولید میشود که تنها حدود ۷۰ درصد نیاز کشور را تامین میکند.همانطور که همه انسانها باید از پزشک ایتالیایی لوئیچی گالوانی که در سال ۱۷۸۰ به طور اتفاقی متوجه شد عضلات انسان در تماس با دو فلز مختلف منقبض میشوند، تشکر کنند.موارد گفته شده دانش پایه و اساس اولین سلول گالوانیک را تشکیل داده است.در سال ۱۸۰۰، فیزیکدان آلساندرو ولتا از این دانش پایه برای شمع ولتای خود استفاده کرد، که در آن چندین سلول گالوانیکی را به هم وصل کرد و دقیقا اجداد باطری های امروزی ما را اختراع کرد. از آن زمان تا کنون اتفاقات زیادی رخ داده است که کمک زیادی در بوجود آمدن نقاط عطف در حوزه باطری داشته است. برای درک بهتر این موضوع کافیست در مورد باطری های AGM و EFB و لیتوم یون فکر کنیم تا بدانیم این دانش پایه بود که به کمک آن خودروهای الکتریکی به حرکت در آمدند.ذخیره انرژی الکتریکی در حال حاضر با بهترین کیفیت در حال انجام میباشد و جزیی جدا نشدنی از زندگی هر انسانی شده است. ما انسانها آنقدر به باتری ها عادت کرده ایم که ناخداگاه هر روز به باطری ها اعتماد میکنیم به خصوص به باطری ماشین ها، هنگام رفتن به محل کار، رفتن به مهد کودک، فروشگاه محلی و… ما هرگز فکر نمیکنیم که ممکن است اصل ذخیره انرژی صورت نگیرد. باطری در وسایل نقلیه مدرن، با داشتن سیستم الکترونیک پیچیده و سیستم استارت اتوماتیک پیچیده، کار بزرگی را انجام میدهد. بخصوص هنگام خاموش بودن موتور ماشین، اگر بخواهیم صندلی ماشین را با بخاری گرم کنیم یا رادیو گوش دهیم، که همگی بدون وجود باطری در خودروها امکان پذیر نمیباشد.به هر حال روز باطری روز تولد آقای ولتا ، ۱۸ فوریه (۲۹ بهمن) است.تایم لاین سرگذشت باتریباتری ها، منبع اصلی برق را قبل از توسعه ژنراتورهای برق و شبکه های برق و در اواخر قرن ۱۹ ارائه کردند. پیشرفت های مداوم در تکنولوژی باطری باعث پیشرفت عمده برق شد.از مطالعات علمی اولیه گرفته تا افزایش استفاده از تلگراف و تلفن ها و در نهایت کامپیوترهای قابل حمل، تلفن های همراه، خودروهای برقی و بسیاری دیگر از وسایل الکتریکی را شامل می شود.مهندسین صنعت باطری چندین نوع تجاری مهم باطری را توسعه دادند.سلول های مرطوب در واقع ظروف بازی بودند که الکترولیت مایع و الکترودهای فلزی را حفظ می کردند . هنگامی که الکترودها به طور کامل مصرف شدند، سلول مرطوب با جایگزین کردن الکترودها و الکترولیت، دوباره به فعالیت خود ادامه می داد. این ظروف باز برای استفاده، غیر قابل حمل بودند.سلول های مرطوب به صورت تجاری در سیستم های تلگراف و تلفن استفاده می شدند. خودروهای الکتریکی اولیه از سلول های نیمه مرطوب استفاده می کردند.ابتدایی ترین باطری دنیا، باطری بغداد یا باتری پارتیان مجموعه ای از سه ابزار است که با هم کشف شدند که شامل: یک ظرف سرامیکی، یک لوله مسی و یک میله آهنی بوده است. این ظرف در نزدیکی پایتخت تیسفون یا پایتخت پارتیان کشف شده و تاریخ بوجود آمدن آن را زمانی بین حکومت پارتیان و ساسانیان تخمین میزنند.اما بعد از آن آزمایش های زیادی باعث پیدایش باطری ها در این نوع فراگیر را موجب شد و در این مقاله به اختصار با ذکر تاریخ به آنها میپردازیم.آزمایش های صورت گرفته در حوزه باطریدر سال ۱۷۴۸ بنجامین فرانکلین اولین بار اصطلاح “باطری” را برای توصیف مجموعه ای از صفحات شیشه ای شارژ بکار برد.از سال ۱۷۸۰ تا سال ۱۷۸۶ پزشک معروف گالوانی انقباض ماهیچه ها در اثر برخورد با دو فلز مختلف را متوجه شد و سنگ بنای تحقیق برای مخترعان بعدی مانند ولتا برای ایجاد باتری را فراهم کرده است.در سال ۱۸۰۰ الساندرو ولتا پیل شیمیایی را اختراع کرد و اولین روش عملی تولید برق را کشف کرد.پیل شیمیایی ولتا اولین باتری مرطوب کننده بود که جریان برق قابل اطمینانی را تولید می کرد.در سال ۱۸۳۶ دنیل سل متوجه شد که پیل های شیمیایی نمی تواند برای مدت طولانی جریان الکتریکی تولید کنند او سلولی اختراع کرد که از دو الکترولیت، سولفات مس و سولفات روی درست شده بود. این باطری ها که حدود ۱.۱ ولت انرژی تولید می کرد، برای حمل اشیا مانند تلگراف، تلفن، و زنگ خانه ها مورد استفاده قرار میگرفت و بیش از ۱۰۰ سال در خانه های مردم محبوب بود.در سال ۱۸۳۹ ویلیام رابرت گرو اولین پیل سوختی که با ترکیب هیدروژن و اکسیژن انرژی الکتریکی تولید می کرد را اختراع کرد.از سال ۱۸۳۹ تا سال ۱۸۴۲ باطری هایی را ایجاد کردند که با الکترودهای مایع برای تولید الکتریسیته کمک میگرفتند که معروف ترین آنها برای BUNSEN در سال ۱۸۴۲ و GROVE در سال ۱۸۳۹ بوده است.در سال ۱۸۵۹ مخترع فرانسوی گاستون پلنت اولین تولیدکننده ی باطری ماشین بود که این باطری ها میتوانستند شارژ شوند. امروزه این نوع باتری عمدتا در ماشین ها مورد استفاده قرار می گیرد.در سال ۱۸۶۶ مهندس فرانسوی Georges Leclanche، باتری سلول مرطوب کننده روی کربن را به نام سلول Leclanche ثبت کرد.بر اساس تاریخچه باطری ها سلول اصلی جورج Leclanche در یک ظرف متخلخل مونتاژ شده بود.در سال ۱۸۸۱ J.A. Thiebaut اولین باتری را که هر دو الکترود آن منفی بود و در یک محفظه متخلخل قرار داشت و در یک فنجان روی آن قرار داده شده بود را ثبت کرد.در سال ۱۸۸۱ Carl Gassner موفق به تجاری سازی اولین باتری سلول خشک (سلول کربن روی) شد.در سال ۱۸۹۹ Waldmar Jungner اولین باتری قابل شارژ کادمیم را اختراع کرد.در سال ۱۹۰۱ توماس آلوا ادیسون، اولین باتری ذخیره سازی قلیایی را اختراع کرد.در سال ۱۹۴۹ یک مهندس به نام لوئیس یورری باتری های کوچک قلیایی را اختراع کرد. این اختراع زمانی صورت گرفت که او در شرکت باطری سازی Eveready در پارما بود.در سال ۱۹۵۴ کشف سلول های خورشیدی توسط جرالد پیرسون، کالوین فولر و داریل چپین صورت گرفت. یک باتری خورشیدی انرژی خورشید را به الکتریسیته تبدیل می کند.در واقع تا اواخر دهه ۱۹۵۰، باطری روی کربن به یک باطری موبایل معمولی تبدیل شد، اما به خاطر عمر کم، این باطری ها مورد استقبال قرار نگرفتند.در سال ۱۹۷۰ باتری هیدروژن – هیدروژن به عنوان یک سیستم ذخیره انرژی برای ماهواره های ارتباطی وارد بازار تجاری شدند.در سال ۱۹۸۰ سه پیشرفت مهم رخ داد که عبارتند از :یک شیمیدان آمریکایی به نام John B. goodenough دریافت که کاتد LiCoO2 (هدایت مثبت) میباشدیک دانشمند مراکشی به نام Rachid Yazami گرافیت آند (هدایت منفی) را با الکترولیت جامد کشف کرد.در سال ۱۹۸۱ شیمی دان های ژاپنی Tokio Yamabe و Shizukuni Yata یک نانو کربوناسیون جدید را اختراع کردند و دریافتند که این ماده برای آند در الکترولیت مایع معمولی بسیار موثر است. رهبری این گروه تحقیقاتی را آکیرا یوشینو از کشور ژاپن بدست داشت که نمونه اولیه باتری یون_لیتیوم در سال ۱۹۸۵ ارائه کرد. این نمونه یک نسخه بسیار پایدارتر از باتری های لیتیوم بود. سونی در سال ۱۹۹۱ باتری یون لیتیوم را تبلیغ کرد.در سال ۱۹۸۹ اولین باتری های لیتیوم – هیدریت فلز (NiMH)برای کاربردهای کوچک تر در بازار اختراع شدند. باتری های NiMH نسبت به باطری های NiCd طول عمر بیشتری دارند. چون کادمیم یک فلز سمی میباشد و این باتری ها کم تر محیط زیست را تخریب میکنند.لیتیوم یک فلز با کم ترین چگالی و با بیش ترین پتانسیل الکتروشیمیایی و انرژی به نسبت وزن خود است. وزن اتمی کم و اندازه کوچک یون های آن نیز به انتشار آن سرعت می بخشد و نشان می دهد که این جسم میتواند یک ماده خیلی خوب برای ساخت باطری ها باشد. آزمایش با باتری های لیتیوم در سال ۱۹۱۲ در زمان G.N. لوییس آغاز شد، اما باتری های لیتیوم یونی تجاری شده تا دهه ۱۹۷۰ پا به بازار نگذاشته بودند. از سلول های اولیه لیتیوم مانند نوع CR۱۲۳A و سلول های سه ولت هنوز به طور گسترده استفاده میشود به خصوص در دوربین ها و دستگاه های بسیار کوچک.در سال ۱۹۹۷، باتری لیتیوم پلیمری به وسیله سونی و Asahi Kaseiبه بازار معرفی شد. این باتری ها به جای یک حلال مایع، الکترولیت خود را در یک کامپوزیت پلیمری ثابت نگه می دارند و الکترودها و جداکننده به هم متصل شده اند. بدنه باطری های لیتیوم پلیمری میتواند به هر شکلی که مورد نظر طراحان وسیله ها میباشد در بیایند. این ویژگی کمک میکند تا این باطری ها برای وسیله های خاص بسیار کارآمد باشند و عموما چگالی انرژی کمتری نسبت به باتری های لیتیوم یونی معمولی دارند.در سال ۲۰۱۹ John B. goodenough و M. Stanley Whittingham و Akira Yoshino به خاطر توسعه باطری های لیتیوم یونی، برنده جایزه نوبل شیمی شدند.انواع باطری ماشینهمه باطری ها از یک اسید ، یک فلز و همینطور یک جداکننده درست شده اند.به بیان ساده تر بهتر است بگوییم : همه باطری ها سرب اسید هستند اما چیزی که باتری ها را از هم متمایز میکند تنها نوع و جنس این اجزا میباشد که حتما به آنها میپردازیم.در کل دو نوع باطری سرب اسیدی داریم.باطری سرب اسید ترباطری سرب اسید خشکنوع اول که در ایران به باطری اسیدی معروف است بیش از صد سال است که از نظر تجاری برای به حرکت در آوردن ماشین ها مورد استفاده قرار گرفته اند. در باطری های اسیدی که روی همه آنها ۶ پیچ قرار گرفته است با باز کردن آن پیچ ها میتوان به خانه های داخل باتری دست پیدا کرد و از این طریق باطری ماشین را شارژ کرد که در واقع با افزایش سطح الکترولیت این کار انجام میشود.باطری اتمی چیست؟نوع دوم باطری ها در واقع همان باطری های سرب اسیدی هستند که پلمپ شده اند.در ایران به نوع دوم باتری های سرب اسیدی، باطری سیلدی، باطری سیلد اسیدی، باتری خشک یا باطری اتمی نیز گفته میشود. این نوع باطری نسبت به نوع سرب اسید تر، بیشتر مورد علاقه رانندگان میباشد.نکته جالب توجه اینکه در ایران از نام های مختلفی برای باطری ها استفاده میکنند که در قالب جهانی به هیچ عنوان مورد استفاده قرار نمیگیرند، مثلا همین باطری های اتمی که به شکل گسترده ای اکثر افراد از آن استفاده میکنند در هیچ جای دنیا به این نام خوانده نمیشوند.برای جلوگیری از ابهام بهتر است به یاد داشته باشید که، باطری اسیدی، باطری تر ، باطری اسید سرب یا سرب اسید در واقع همگی همان باطری های نوع اول هستند همینطور هر جا نام باطری اتمی، باطری سیلد اسید، باطری اسید سرب سیلدی ، باطری خشک یا باطری سیلدی شنیدیم ، منظور همان باتری های نوع دوم یا باتری های خشک هستند که امروزه به شکل متداول از آنها استفاده میکنیم.امروزه خیلی کم از باطری های سرب اسیدی تر استفاده میشود که در ادامه به دلایل آن میپردازیم.معایب باطری های اسید سربی ترعمر کوتاهنیازمند به تعمیر و نگهداری ( افزودن الکترولیت)نشت مواد اسیدی هنگام حمل و نقلخطرات زیاد آتش سوزیایجاد گازهای خطرناکمزایای باطری های اسید سربی ترهزینه خرید کمیکباره خاموش نمیشوند و قبل از تمام شدن الکترولیت هشدارهایی به راننده میدهند.مزایای باطری های سرب اسید خشک (باطری اتمی)هزینه تعمیر و نگهداری ندارندپلمپ شده هستند و نشتی ندارندعمر طولانی دارند (۲ الی ۴ سال)با محیط بیرون واکنش نمیدهندمعایب باطری های اتمی ( سرب اسید خشک)قیمت بیشتری دارندبدون هیچ علامتی ممکن است از کار بیافتندباطری ماشین رایج در ایران از کدام نوع میباشد؟باطری های ماشین رایج در ایران از نوع اسید سرب خشک(باتری اتمی) میباشد که دقیقا بخاطر عمر طولانی و مزایایی که در بالا به آنها اشاره شد از جمله پر طرفدارترین باطری ها هستند.کارکرد باتری ماشیننقش باطری در محفظه موتور بسیار حیاتی میباشد؛ بدون باتری نمیتوان وسیله نقلیه را به حرکت در آورد. علاوه بر موتور، استارت، شاخه های جرقه، شاخه های درخشش، چراغ ها و برنامه های الکترونیکی همه به انرژی الکتریکی احتیاج دارند که از طریق باتری ماشین تامین میشود.ساختار باطری ماشینهمانطور که در قبل اشاره شد باطری های مورد استفاده در ماشین ها همگی اسید سربی میباشند.رانندگان هنگام خرید باطری های اسید سربی برای اتومبیل های خود، از وزن سنگین باطری ماشین آگاه میشوند که تقریبا ۱۰٫۵ کیلوگرم تا ۳۰ کیلوگرم هستند . وزن سنگین باتری ماشین نشات گرفته از وزن سرب استفاده شده داخل سلول های باطری میباشد.آشنایی با ساختار و قطعات باطری ماشینباطری سرب اسید از صفحات مثبت و منفی، سرب و اکسید سرب تشکیل شده است و همینطور از عناصر مختلف دیگر که برای تغییر چگالی ، سختی ، تخلخل و… استفاده میشوند ؛ با اسید سولفوریک و آب که محلولی با نام الکترولیت را تشکیل میدهند . این الکترولیت است که با انجام واکنش های شیمیایی الکترون تولید میکند.اجزای باطری ماشینالکترود مثبت: صفحه ای با بار مثبت که از سرب خالص درست شده و در الکترولیت فرو رفته.صفحه مثبت: صفحه دارای بار مثبت که از اکسید سرب PbO2 تشکیل شده و در الکترولیت فرو رفته استشبکه مثبت: آلیاژ فلز سرب که در الکترولیت فرو رفته.الکترود منفی: صفحه ای با بار منفی که از سرب خالص درست شده و در الکترولیت فرو رفته است.صفحه منفی: دقیقا مثل صفحه مثبت از آلیاژ سرب درست شده و در الکترولیت فرو رفته است.الکترولیت: محلول اسیدی که ترکیبی از اسید سولفوریک H2SO4 و آب مقطر است.اگر الکترولیت یک باطری به صورت مایع باشد، باطری ما همان باطری سرب اسید تر میباشد.اگر الکترولیت به شکل ژل باشد، باطری هایی با فناوری EFB را به وجود می آورند.اگر الکترولیت در یک تشک شیشه ای محدود شود، باطری هایی با فناوری AGM را شامل میشوند.کارکرد باتری ماشیننقش باطری در محفظه موتور بسیار حیاتی میباشد؛ بدون باتری نمیتوان وسیله نقلیه را به حرکت در آورد. علاوه بر موتور، استارت، شاخه های جرقه، شاخه های درخشش، چراغ ها و برنامه های الکترونیکی همه به انرژی الکتریکی احتیاج دارند که از طریق باتری ماشین تامین میشود.چندین الکترود مثبت در کنار هم یک صفحه مثبت را ایجاد میکنند و چندین الکترود منفی یک صفحه ی منفی را ایجاد میکنند. از کنار هم قرار گرفتن یک صفحه مثبت و منفی در کنار یکدیگر یک بلوک صفحه ایجاد میشود.بلوک صفحه در واقع همان سلول باطری است.یک باطری معمولی اسید سرب در حالت عادی از ۶ سلول باطری تشکیل شده است که به صورت سری در کنار هم قرار گرفته اند و هر یک ولتاژ اسمی ۲ ولت را دارند. در صورت شارژ کامل یک باطری اتومبیل، ولتاژ ۱۲٫۷۲ را دارد.هر چه صفحات بیشتری در سلول های باطری وجود داشته باشند، سطح سلول بزرگتری داریم که باعث میشود قدرت استارت سرد یا CAA بیشتر شود . حالا اگر صفحات سلول از تعداد کمتر، ولی با ضخامت بیشتر درست شده باشند، ثبات چرخه در باطری نیز زیاد میشود. که در این صورت باطری شارژ بیشتری را در خود نگهداری میکند و دوام بیشتری هم دارد. این باتری مدام میتواند پر و خالی شود.سلولهای باتری ماشین در یک محفظه قرار گرفته اند که پلاستیکی بسیار مقاوم در برابر اسید و ضربه میباشد و از واکنش اسید با هوا نیز جلوگیری میکند و باعث میشود به راحتی ایجاد آتش سوزی و نشت اسید فراهم نشود. جنس این محفظه از پلی پروپیلن میباشد.باطری های اسید سرب تر، دارای شاخه های پیچی بودند که باعث میشد با افزایش آب مقطر به بالای صفحه برسند.باطری ماشین چگونه کار میکند؟باطری ماشین انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند با ذخیره انرژی شیمیایی در خود، فرآیند الکتروشیمیایی را به وجود میآورد که چهار ماده مختلف هیدروژن، اکسیژن، سرب و گوگرد در این فرآیند با هم واکنش میدهند.الکترولیت که ترکیبی از اسیدسولفوریک و آب مقطر است در یونهای هیدروژن با بار مثبت و یونهای سولفات با بارمنفی تجزیه میشود.در همان زمان، الکترون ها به حرکت در می آیند.برای جبران این جریان الکترون ها یونهای سولفات از الکترولیت به سمت الکترود منفی حرکت میکنند و به جایی میرسند که با سرب واکنش دهند و سولفات سرب تولید کنند.سولفات سرب هم در الکترود مثبت تولید میشود و پیوند اکسیژن در اکسید سرب با انتقال الکترون شکسته میشود و اکسیژن به داخل الکترولیت منتقل میشود. باقی مانده ی سرب با سولفات از الکترولیت هم پیوند میخورند.اکسیژن و هیدروژن هم با یکدیگر پیوند میخورد و آب را تشکیل میدهند، اینجاست که اسید سولفوریک با تشکیل سولفات سرب استفاده میشود. غلظت محلول الکترولیت کاهش می یابد . وقتی غلظت اسید سولفوریک پایین تر از حد معینی برسد، باید باطری ماشین را شارژ کنیم.باطری ماشین چگونه شارژ میشود؟شارژ شدن باطری ماشین در واقع همان فرآیندهای شیمیایی توضیح داده شده در بالا میباشد که به صورت معکوس انجام میشود.در همین رابطه مشاهده کنید : محصولات صبا باطریدر انتها عناصر اصلی، یعنی الکترود مثبت که از سولفات سربPbSO4 ، الکترود منفی که از سرب خالص Pb و الکترولیت که از اسید سولفوریک رقیق H2SO4 تشکیل شده، قابل مشاهده است. از آنجا که این فرایند تبدیل، با کاهش مواد همراه است، یک باطری تنها می تواند تعداد محدودی از چرخه های شارژ را تحمل کند. پس عمر مفید باطری ماشین محدود است؛ و در هرنوع باطری تفاوت دارد ، که در مقالات بعدی رایا مارکت به طور مفصل به این موضوع خواهیم پرداخت .