skip to Main Content

مواد مورد استفاده در باتری ها

باتری ها بخش حیاتی و مهمی از تکنولوژی امروز بشر را تشکیل می دهند. برای یادآوری اهمیت آنها کافیست که لحظه ای تصور کنید که تمام باتری های دنیا از کار افتاده اند، حالا حساب کنید که از چه تکنولوژی هایی محروم شده اید. در سال ۲۰۰۵ بازار باتری ها سالانه ۴۸ میلیارد دلار و با رشد سالانه ۶% تخمین زده شده است. باتری ها انواع اولیه (شارژنشدنی) و ثانویه (شارژ شدنی) تقسیم می شوند. انواع باتری اولیه شامل روی- کربن، قلیایی (آلکالاین)، سولفید لیتیم- آهن و دی اکسید لیتیم- منگنز می باشد. انواع باتری ثانویه شامل سربی- اسیدی، نیکل- کادمیوم، هیبرید نیکل- فلز و یونی لیتیمی می باشند. باتری ها از مواد مختلفی تشکیل شده اند که در اینجا مواد عمده سازنده آنها را معرفی می کنیم.

آلومینیوم (Al): این فلز نقره ای رنگ، نرم و غیر مغناطیسی، از بوکسیت به دست می آید. این فلز سومین عنصر فراوان در پوسته زمین بعد از اکسیژن و سیلیسیوم می باشد. این فلز به دلیل تشکیل لایه اکسید محافظ در هوا به خوردگی مقاوم می باشد. آلومینیوم به عنوان ماده کاتد در برخی از باتری های یونی لیتیمی استفاده می گردد.

آننیموان (Sb): این عنصر یک فلز سفید، درخشان و شکننده است که در ۳۰۰۰ سال پیش از میلاد کشف شد ولی با سرب اشتباه گرفته می شد. تولید کننده اصلی این عنصر چین است. این عنصر در باتری های سربی اسیدی جهت تقویت صفحات سربی، کاهش هزینه نگهداری و افزایش کارایی استفاده می شود. سایر کاربرد های این عنصر، مواد ضد حریق، کاربرد های اصطکاک پایین، بهبود خواص آلیاژها و ساخت نیمرساناها می باشد.

کادمیم (Cd): کادمیم یک فلز نرم سفید مایل به آبی است. این عنصر در سال ۱۸۱۷ در آلمان کشف شد. این عنصر محصول جانبی تولید روی است و به عنوان رنگدانه و لایه ضد خوردگی بروی فولاد استفاده می شود. این عنصر در باتری های نیکل- کادمیوم به عنوان آند مورد استفاده قرار می گیرد هر چند قوانین محدودیت مواد خطرناک استفاده این باتری ها را برای مصارف تجاری ممنوع کرده است.

کلسیم (Ca): این عنصر یک فلز نرم قلیایی است که در ۱۸۰۸ توسط همفی دیوی کشف شد. این عنصر پنجمین عنصر فراوان در پوسته زمین است و در بافت های زنده از جمله استخوان، دندان و صدف فراوان است. کلسیم استحکام مکانیکی صفحات قلع را در باتری های سربی- اسیدی افزایش می دهد و عملکرد باتری را بهبود می دهد.

کلرید: کلرید یون منفی کلر است که هنگام حل شدن کلرید هیدروژن در آب تشکیل می شود. همچنین نمک طعام نیز از سدیم کلرید تشکیل شده است. این عنصر در الکترولیت باتری ها موجود است.

سرب (Pb): سرب یک فلز نرم، شکل پذیر و سنگین است. سرب در باتری های سربی- اسیدی، گلوله، وزنه و سپر تشعشعات استفاده می شود. سرب بالاترین عدد اتمی را در بین تمام عناصر پایدار دارد و در صورت خوردن سمی است. این عنصر به سیستم عصبی بدن آسیب می رساند و موجب بیماری های مغزی می شود. مسمومیت سرب در روم باستان، یونان و چین گزارش شده است.

لیتیم (Li): لیتیم سبکترین فلز است. این عنصر یک فلز قلیایی به رنگ سفید مایل به نقره ای است. پتالیت، کانی حاوی این عنصر، در سال ۱۸۰۰ میلادی توسط فیزیکدان برزیلی خوزه بونیفاسیو جندراده یافت شد و در سال ۱۸۱۷ یوهان آگوست آرفودسن سوئدی خود عنصر لیتیم را کشف کرد. لیتیم بالاتریم پتانسیل الکتروشیمیایی را داراست و بالاترین انرژی به وزن را تولید می کند. لیتیم یکی از پرکاربردترین عناصر در باتری هاست. امروزه باتری های پایه لیتیم کاملاً تجاری و شناخته شده هستند. کاربرد لیتیم در باتری ها به قدری گسترده است که به امید خدا قصد داریم تا در آینده در مقاله دیگری به آن بپردازیم.

منگنز (Mn): این عنصر از معادن آهن و دیگر معادن به دست می آید. این فلز به نسبت فراوان است و در تمام دنیا بجز آمریکای شمالی استخراج می شود. صنایع فولاد ۹۰% تولید منگنز را استفاده می کنند، ۱۰% باقیمانده به ویژه در صنایع شیمیایی و کشاورزی مورد استفاده اند. تقاضای منگنز با خلوص و کیفیت بالا، به دلیل کاربرد در باتری های لیتیمی افزایش یافته است. نام منگنز ریشه در نام منطقه منگنزیا در یونان دارد جایی که ماده معدنی سیاه حاوی منگنز در آنجا یافت شد. منگنز جهت جلوگیری از خوردگی فولاد و به عنوان ماده کاتد در باتری های یونی لیتیومی، روی- کربن و آلکالاین استفاده می شود.

نیکل (Ni): نیکل یک فلز درخشان سفید نقره ای با رنگ کمی طلایی است. این عنصر بیش از ۳۵۰۰ سال پیش از میلاد مسیح شناخته شده بود. در آن دوره نیکل در دسترس بیشتر محدود به شهاب سنگ های نیکل- آهن می شد. روی زمین این فلز در ترکیب با آهن یافت می شود. اسطوره شناسی نام این فلز را به کوتوله ای پیر به نام نیک پیر مرتبط می داند. نیکل برای الکترود باتری ها بسیار مناسب است.

نقره (Ag): این عنصر یک فلز نرم، سفید و درخشان است که بالاترین هدایت الکتریکی و حرارتی را در بین تمامی فلزات دارد. نقره به صورت خالص هم موجود است، هر چند عمدتاً به عنوان محصول جانبی مس، طلا، سرب و روی تولید می شود. در صنعت نقره در پنل های خورشیدی و فیلتراسیون آب استفاده می شود. همین طور زیورآلات و ظروف و سکه های نقره ای هم مورد استفاده اند. اتصالات و هادی های الکتریسیته، آینه ها، پوشش شیشه ها، فیلم های عکاسی و اشعه ایکس از دیگر استفاده های این عنصر هستند. در پزشکی، ترکیبات نقره ای به عنوان ضدعفونی کننده در پانسمان به کار می روند. نقره در باتری های نقره- روی کاربرد دارد.

سدیم (Na): این عنصر ششمین عنصر جدول تناوبی و یک فلز نرم، سفید مایل به نقره ای و شدیداً واکنش پذیر است. سدیم تنها یک الکترون در لایه بیرونی خود دارد که با اهدای آن بار مثبت می پذیرد. سدیم ششمین عنصر فراوان در پوسته زمین نیز هست. این عنصر اولین بار توسط همفی دیوی در سال ۱۸۰۷ توسط الکترولیز هیدروکسید سدیم جداسازی شد. ترکیبات سدیم در صابون، یخ زدا و از همه مهمتر در نمک طعام به کار می روند. این عنصر در باتری های سدیم- سولفور و لیتیم- سولفور کاربرد دارد.

اسپینل: اسپینل یک ماده معدنی سخت شیشه ای تشکیل شده از یک اکسید منیزیم و آلومینیوم است که یک ساختار شیمیایی سه بعدی تشکیل می دهد. اسپینل ها به عنوان یاقوت شناخته شده بودند. یاقوت ها رنگ های متنوعی از جمله قرمز، آبی، سیز، زرد، قهوه ای و سیاه دارند. باتری های یونی لیتیمی پایه منگنز دارای یک ساختار اسپینلی هستند که سبب می شود کاتد آنها یک ساختار سه بعدی را تشکیل دهد. باتری های اسپینلی به مقاومت کمشان شناخته می شوند.

سولفور (S): گوگرد یا سولفور یک عنصر غیرفلز براق به رنگ زرد روشن است. این ماده در طبیعت موجود است و توسط معدنکاران به دلیل رنگ و شکلش جمع آوری می شده. سولفور در هند، یونان، چین و مصر باستان شناخته شده بود و در انجیل از آن به عنوان سنگ آتشین نام برده شده است. سولفور بوی تخم مرغ فاسد می دهد و دود سولفور برای ضد افونی کردن استفاده می شده. بهترین باروت با سولفور ساخته می شود و در کبریت، حشره کش و قارچ کش ها کاربرد دارد. بزرگترین مصرف صنعتی آن در کود ها است. در گذشته این ماده از گنبد های نمکی استخراج می شد ولی امروزه تقریباً تمام سولفور مورد استفاده به عنوان محصول جانبی از تولید نفت و گاز به دست می آید. ترکیبات سولفور در باتری های سدیم- سولفور مورد استفاده اند.

قلع (Sn): قلع یک فلز نقره ای و چکشخوار است که به راحتی در هوا اکسید نمی شود. این عنصر در زمان باستان پس از برنز در سال ۶۰۰ پیش از میلاد تولید شد. امروزه این عنصر با آلیاژهای بسیاری ترکیب می شود و در لحیم قلع- سرب و پوشش های ضد خوردگی فولاد ها کاربرد دارد. سمیت کم فولاد های پوشش داده شده با قلع را برای بسته بندی غذا مناسب ساخته است. قلع در باتری ها کاربرد دارد.

تیتانات: تیتانات به ترکیب غیر آلی اکسیدهای تیتانیوم اتلاق می شود. این ماده سفید رنگ دارای نقطه ذوب بالایی است که آنها را برای کوره ها مناسب می سازد. تیتانات همچنین به عنوان ماده آند برخی باتری های پایه لیتیوم استفاده می شود.

وانادیوم (V): این عنصر یک فلز سخت و خاکستری مایل به نقره ای است. در سال ۱۸۰۱ وانادیوم در مکزیک یافت شد. این عنصر در ۶۵ ماده معدنی یافت می شود و در حالت فلزی یک لایه اکسید پایدار روی این فلز تشکیل می شود. وانادیوم همچنین به صورت طبیعی در رسوبات سوخت های فسیلی یافت می شود و توسط چین و روسیه از سرباره کوره فولاد و سایر محصولات شامل معدن کاری اورانیوم تولید می شود. وانادیوم در آلیاژ های فولادی مورد استفاده در باتری جریانی بکار می رود.

روی (Zn): روی به صورت شیمیایی مشابه منیزیم است. ترکیب آن با مس، برنج می شود که از قرن دهم قبل از میلاد در فلسطین و از قرن هفتم قبل از میلاد در یونان مورد استفاده بوده است. فلز روی در قرن ۱۲ میلادی در هند برای اولین بار در مقیاس بالا تولید شد و در سده ۱۵۰۰ میلادی در اروپا به تولید انبوه رسید. در ۱۸۰۰، توسط لوئیجی گالوانی و اساندرو ولتا خواص الکتروشیمیایی باتری های روی کشف شد. سایر کاربردها پوشش های ضدخوردگی آهن و ریختگری فلزات سبک است. این عنصر یکی از ترکیبات شامپو ضدشوره است. روی یک ماده معدنی اساسی برای حیات و سلامت ماست. حدود دو میلیارد نفر در جهان از فقر روی رنج می برند.

تصویر بالای صفحه از:

http://www.explainthatstuff.com/

مراجع

پیام خسروی

دانشجوی دکتری مهندسی مواد دانشگاه صنعتی اصفهان

This Post Has One Comment
  1. سلام دکتر خیلی از سایتتان لذت بردم دنبال چنین آگاهی بودم اما ناخودآگاه یافتم خداوند عمر زیاد و آرامش خاطرتان عطا فرماید جالب بودن نوشته هایت این هست که از یکمواد در جملات اندک توضیح کافی دادید از شروع پیدایش تا استفاده کنونی وسود وزیانش

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

4 × دو =

Back To Top
×بستن جستجو
جستجو