باتری یک ابزار ذخیره انرژی 2

1 - ارتباط ویژگی‌ها با یکدیگر

ویژگی‌های باتری کاملا به هم وابسته‌اند. به طور مثال، چگالی انرژی به طور مستقیم به ولتاژ و ظرفیت وابسته است (فرمول درس فیزیک مقطع متوسطه E=QV):

(Watthour (Wh)= Voltage (V) * Amperhour (Ah

بنابراین در یک ولتاژ ثابت، هر چه ظرفیت بیشتر باشد، انرژی باتری بیشتر است. ظرفیت یک باتری مستقیما به ظرفیت الکترودها بستگی دارد.

توان یک باتری طبق رابطه P=IV به صورت مستقیم به مقدار جریان وابسته است. هرچه توان یک باتری بیشتر باشد، باتری این توانایی را خواهد داشت که سریع‌تر شارژ و دشارژ شود. سریع‌تر شارژ شدن یک حسن مهم است. دشارژ سریع نیز توان تحویلی بالاتری را در پی خواهد داشت که در بسیاری از کاربردها مثل خودروهای الکتریکی، صنایع نظامی ‌و ... یک مزیت محسوب می‌شود. با توجه این مطلب، چون جریان و توان با هم ارتباط مستقیم دارند، از این رو در این مقالات هر جا که افزایش جریان ذکر می شود، منظور افزایش توان می‌باشد.

هرچه جریان باتری بیشتر شود، بدلیل ماهیت باتری (همانطور که در دوره متوسطه باتری همراه با یک مقاومت داخلی در نظر گرفته می‌شود)، موجب کاهش ولتاژ دو سر باتری طبق رابطه V=E - Ir می‌شود. در این رابطه I جریان باتری، r مقاومت داخلی، E ولتاژ ایده‌آل یا همان نیروی محرکه الکتروموتوری (EMF)، و V ولتاژی است که در دو سر باتری ایجاد می‌شود. البته این فرمول، یک مدل ساده برای عملکرد باتری است و ارتباط پیچیده‌تری بین ولتاژ و جریان وجود دارد. این کاهش ولتاژ باعث می‌شود که توان (P=VI) به همان نسبت افزایش جریان، زیاد نشود.

جریان‌های بالا موجب می‌شود که نتوان از کل ظرفیت یک باتری استفاده کرد. با افزایش جریان، ظرفیت باتری کاهش می‌یابد، بنابراین بین جریان و ظرفیت رابطه معکوسی وجود دارد، اما بر خلاف دیگر موارد رابطه ریاضی مشخصی بین این دو وجود ندارد. علت این پدیده به مکانیزم عملکرد باتری‌ها برمی‌گردد که در طول بحث‌های آتی بیان می‌شود. چون افزایش جریان، هم ظرفیت و هم ولتاژ باتری را کاهش می‌دهد، بنابراین روی‌هم‌رفته افزایش جریان، کاهش انرژی را در پی دارد. لذا رابطه عکسی بین افزایش توان و افزایش انرژی وجود دارد و ما نمی‌توانیم از هر دو مزیت در آن واحد استفاده کنیم مگر اینکه مشخصات الکتروشیمیایی خود باتری را با طراحی ساختار آن با نانوفناوری و یا تغییر ترکیب شیمیایی ارتقا دهیم.

ممکن است این سوال در ذهن خواننده مطرح شود که چرا برای افزایش توان به جای افزایش جریان، ولتاژ باتری را بالا نبریم تا بتوانیم افزایش هر دو مورد توان و انرژی را با هم داشته باشیم. ولتاژ همان‌طور که دیدیم، حداکثر مقدارش همان ولتاژ تئوری است که توسط الکترودها تعیین می‌شود و وقتی با یک باتری مشخص کار می‌کنیم، قادر نیستیم ولتاژ را از ولتاژ تئوری بالاتر ببریم. در واقع در دشارژ، ما ولتاژ را از باتری می‌گیریم که در حالت کاملا ایده‌آل همان ولتاژ تئوری است. در طول شارژ نیز بدلیل واکنش‌های ناخواسته، ایمنی و ... نمی‌توانیم ولتاژ شارژ را خیلی بالا ببریم تا باتری را سریع‌تر شارژ کنیم. 

طول عمر سیکلی هم در اثر افزایش توان یا به زبان دیگرافزایش C-rate (جریان)، کاهش نشان می‌دهد، چون در جریان‌های بالا، ظرفیت با هر سیکل سریع‌تر کاهش می‌یابد. ولی با استفاده از فناوری نانو می‌توانیم باتری‌هایی بسازیم که در آنها بتوانیم جریان را بالا ببریم و کاهش کمتری از ظرفیت و انرژی را مشاهده کنیم و در نتیجه طول عمر سیکلی بهتر و چگالی انرژی بیشتری بدست آوریم. ولتاژ تئوری (حد ایده‌آل) به ریزساختار بستگی ندارد ولی می‌توان با نانوتکنولوژی مقاومت داخلی باتری (r) را کم کرد تا ولتاژی که از باتری بدست می‌آید به ولتاژ تئوری نزدیک‌تر شود.

همان‌طور که می‌دانیم پتانسیل تئوری باتری با رابطه نرست به انرژی آزاد مرتبط است. از طرفی طبق بحث‌های ترمودینامیکی (تعریف انرژی آزاد و قانون دوم ترمودینامیک)، انرژی آزاد یک واکنش، حداکثر کار مفید قابل تحویل است که آن هم در حالت تعادل (تغییرات دیفرانسیلی) حاصل می‌شود. وجود جریان در باتری یعنی خروج از حالت تعادل، چون برای تولید جریان باید واکنش‌های الکتروشیمیایی صورت گیرد؛ یعنی واکنش به یک سمت پیش رود و از تعادل خارج شود. چون حداکثر کار قابل تحویل به شکل الکتریکی توسط باتری در حالت جریان دیفرانسیلی (نزدیک به تعادل) شکل می‌گیرد و این علت ترمودینامیکی کمتر بودن ولتاژ کاری یک باتری از حالت تئوری آن است. در این حوزه نانوفناوری هیچ نقشی نمی‌تواند داشته باشد. ولی علاوه‌بر دلیل ترمودینامیکی، پتانسیل به علل سینتیکی هم کاهش می‌یابد که اصطلاحا به آنها اورپتانسیل (Overpotential) گفته می‌شود. این پتانسیل موجب می‌شود که در حالت دشارژ، ولتاژی که از باتری می‌گیریم کمتر از حالت ایده‌آل باشد و در هنگام شارژ نیز نیاز به ولتاژ بالاتری برای انجام شارژ باشد. چون این حوزه به عواملی مانند رسانش الکتریکی و یونی و ... برمی‌گردد، نانوفناوری می‌تواند در این زمینه به ما کمک کند. 

2 - اجزای باتری

همان‌طور که مشاهده شد باتری از اجزای مختلفی مانند الکترودها، الکترولیت و ... تشکیل شده که هر کدام نقش خاصی دارند. الکترون‌های لازم برای واکنش از طریق الکترودها و مدار خارجی تامین می‌شود در حالی‌که فراهم آوردن یون‌ها از طریق الکترولیت صورت می‌گیرد. در شکل 1 ، یک باتری لیتیومی نشان داده شده است. الکترود باید رسانایی الکترونی خوبی داشته باشد تا الکترون‌ها را برای واکنش فراهم کند؛ در حالی‌که الکترولیت باید رسانایی یونی عالی داشته باشد تا یون‎ها را سریع و مناسب به سطح الکترودها منتقل کند، ولی عایق الکترونی باشد تا الکترون‌ها به جای این که از طریق مدار خارجی جریان پیدا کنند، از طریق الکترولیت جریان پیدا نکنند. نانوفناوری در ساخت الکترولیت‌هایی که رسانایی یونی بهینه دارند، به صورت مستقیم و غیرمستقیم، موثر است.

شکل 1- شمایی از عملکرد یک باتری لیتیومی 

در هر الکترود باتری غالبا دو نوع مواد فعال (Active Material) و مواد غیرفعال وجود دارد. مواد فعال موادی هستند که در واکنش اکسیداسیون شرکت می‌کنند و ظرفیت و ولتاژ باتری از آنها ناشی می‌شود. مواد غیر فعال موادی هستند که به دلایل دیگر همچون رسانش بهتر، ایجاد استحکام مکانیکی بین ذرات پودر، و جلوگیری از واکنش‌های ناخواسته به الکترود اضافه می‌شوند. هرچه مقدار مواد غیرفعال بیشتر باشد، ظرفیت باتری کمتر خواهد بود. شکل 2 حداقل اجزای یک الکترود کاتد را نشان می‌دهد. بایندر برای اتصال ذرات به هم استفاده می شود. لازم به ذکر است در این مجموعه مقالات و مقالات پژوهشی دیگر، در غالب مواقع، منظور از کاتد یا آند همان اجزای فعال آن الکترود است و نه کل الکترود . 

شکل 2- نمایش اجزای سازنده یک کاتد معمول باتری لیتیومی همراه با مواد فعال

3 - منحنی‌های تعیین مشخصه باتری 

یکی از منحنی‌هایی که در هر مطلب مربوط به باتری دیده می‌شود، منحنی‌های شارژ و دشارژ است که در سیکل‌های مختلف رسم می‌شود. یادگیری این نوع منحنی‌ها برای فهم کلیه مقالات باتری سایت و همچین هر مقاله پژوهشی باتری ضروری است. با توجه به اینکه  ممکن است بنابر سلیقه ظاهر این منحنی‌ها در مقالات مختلف متفاوت باشد، بنابراین تعداد زیادی از این منحنی‌ها نمایش داده می‌شود تا در مقالات بعدی که مکرر از این منحنی استفاده می‌شود دیگر لازم به توضیح نباشد. این منحنی‌ها هم برای باتری و هم برای آند و کاتد رسم می‌شود. منحنی‌ها به شکل ولتاژ در محور عمودی و ظرفیت در محور افقی رسم می‌شوند. چون برای باتری یون لیتیومی، ظرفیت به تعداد یون لیتیوم بستگی دارد، گاهی اوقات به جای ظرفیت در محور افقی، مقدار یون لیتیوم را نمایش می‌دهند. این منحنی‌ها هم برای دوره‌های سیکل‌های مختلف و هم برای جریان‌های مختلف (Crate) رسم می‌شود. کلید مهم در فهم این منحنی‌ها اینست که بدانیم
الف- به طور طبیعی برای کاتد و در کل مسیر منحنی (ممکن است در بعضی مناطق اینگونه نباشد ولی در کل منحنی حتما این قاعده است) هم برای شارژ و هم دشارژ، هر چه ظرفیت موجود در کاتد بیشتر شود، پتانسیل افزایش می‌یابد.
ب- برای کاتد همیشه پتانسیل لازم برای شارژ بیشتر از دشارژ است، بنابراین منحنی‌های شارژ بالای دشارژ قرار می‌گیرد.
ج- برای آند به طور طبیعی و در کل منحنی هم برای شارژ و هم دشارژ (ممکن است در بعضی مناطق اینگونه نباشد ولی در کل منحنی حتما این قاعده است) هر چه ظرفیت موجود در آند بیشتر شود، پتانسیل کاهش می‌یابد.
د- برای آند همیشه پتانسیل شارژ پایین ولتاژ دشارژ قرار می‌گیرد.
ه- برای کل باتری روابط همانند کاتد است.
به عنوان یک نکته خیلی مهم، چون در اکثر مقالات مربوط به آند باتری یون لیتیومی، آنچه به عنوان آند در باتری شناخته می‌شود برای تست‌ها و ارزیابی، در مقابل الکترودی از جنس قطعه فلز لیتیوم قرار می‌گیرد و فلز لیتیوم اینجا نقش آند را دارد؛ بنابراین آنچه در یک باتری آند است در تست‌ها نقش کاتد دارد و بنابراین منحنی‌هایش شبیه کاتد می‌شود. 

در شکل 3 برای تعیین مشخصات باتری، چون گفتیم شارژ ولتاژ بالاتری دارد منحنی بالایی منحنی شارژ است و چون گفتیم برای باتری، ولتاژ باتری با افزایش ظرفیت موجود در باتری، افزایش می‌یابد؛ برای این دو منحنی مشخص می‌شود که هر دو ظرفیت موجود در باتری در جهت محور X کاهش می‌یابد.

شکل 3- نمایی از منحنی شارژ و دشارژ باتری

چون شارژ ولتاژ بالاتری دارد منحنی بالایی منحنی شارژ است و چون گفتیم در حالت شارژ، ولتاژ باتری با افزایش ظرفیت موجود در باتری، افزایش می‌یابد؛ بنابراین هر چه به سمت چپ می‌رویم ظرفیت باتری زیاد می‌شود و ولتاژ افزایش می‌یابد. منحنی پایینی، مربوط به دشارژ است و چون گفتیم در دشارژ، وقتی ظرفیت موجود در باتری کاهش یابد، ولتاژ کاهش می‌یابد نتیجه می گیریم در حالت شارژ، هر چه به سمت راست می‌رویم ظرفیت باتری کمتر می‌شود. برای این دو منحنی مشخص می‌شود که در هر دو منحنی شارژ و دشارژ، ظرفیت موجود در باتری به سمت راست کاهش می یابد.
بنابر سلیقه دیگر، در نوع دیگری از منحنی‌ها، مثل شکل 4 ، برای شارژ و دشارژ هر دو ظرفیت در جهت محور X افزایش می‌یابد. اگر چه بر روی منحنی مشخص شده است ولی با توجه به همین قوانین گفته شده، می‌توان مشخصات را به راحتی تعیین کرد. 

شکل 4- نمایی از منحنی شارژ و دشارژ دیگر

ولی در نوع دیگر منحنی‌ها برای شارژ و دشارژ ممکن است افزایش ظرفیت برای شارژ و دشارژ متفاوت باشد. به عنوان مثال شکل 5، نوع دیگر منحنی شارژ و دشارژ را نشان می‌دهد که در این حالت برای شارژ ظرفیت موجود در خلاف جهت X افزایش می‌یابد ولی برای دشارژ در جهت X کاهش می‌یابد. در این شکل رفتار شارژ و دشارژ برای مرتبه اول و دوم رسم شده است. 

شکل 5- نمایی از منحنی شارژ و دشارژ به سلیقه دیگر

در شکل 6 منحنی دشارژ آند یک باتری لیتیومی را بیان می‌کنیم چون عملکرد آند، طبق مطالب، عکس کاتد و همچنین کل باتری است. در شکل، منحنی قرمز رنگ یک آند است و چهار منحنی بالایی کاتد باتری است. در شکل 6 برای همه منحنی‌ها، جهت محور X ظرفیت مصرف شده (کاهش ظرفیت موجود) را نشان می‌دهد. 

شکل 6- نمایی از منحنی شارژ و دشارژ به سلیقه دیگر

همان‌طور که مشاهده شد این منحنی‌ها گرچه با سلیقه‌های متفاوت رسم می‌شوند ولی تفاوت فقط در جهتی است که مقدار ظرفیت موجود در منحنی‌های شارژ و دشارژ را تعیین کند. شکل منحنی‌ها به نوع ماده مرتبط است. به طور مثال صرف‌نظر از سلیقه رسم، کاتد مشخص شده با رنگ سبز در شکل 6، همواره در منحنی دشارژ (و شارژ)، نسبت به تغییر ظرفیت، ولتاژ ثابتی را ارائه می‌دهد (اصطلاحا Voltage Plateau). بر روی منحنی‌های شارژ و دشارژ هم سینیتیک و هم ترمودینامیک اثرگذار است. 

شکل 7 نشان می‌دهد که چگونه شدت جریان بر روی نوع منحنی شارژ و دشارژ تاثیر دارد و اصولا شدت‌های بیشتر(Crate بالاتر)، ولتاژ و ظرفیت را به دلایل ذکر شده در این بخش و مقالات آتی کمتر می‌کند.

شکل 7- نمایی از منحنی شارژ و دشارژ به سلیقه دیگر

غیر از منحنی‌های شارژ و دشارژ، نمودار عملکرد سیکلی می‌شود و منحنی‌های ظرفیت بر حسب تعداد سیکل‌هاست. این منحنی نشان می‌دهد که ظرفیت در طی سیکل‌ها چگونه تغییر می‌کند. هدف نانوفناوری اینست که در این نمودارها ظرفیت ثابت بماند یا کمتر کاهش یابد، بنابراین طول عمر سیکلی افزایش می‌یابد. ممکن است ظرفیت در بعضی نقاط بدلایلی افزایش یابد ولی سرانجام و بعد از طی سیکل‌های بیشتر(حتی با استفاده از نانوتکنولوژی نیز) ظرفیت کاهش می‌یابد، بنابراین یک طول عمر سیکلی برای هر باتری داریم که برای حالت نانو این طول عمر سیکلی خیلی بیشتر است. شکل 8 دو نمونه از این نمودارها را نشان می‌دهد. 

شکل 8- دو مثال از نمودار عملکرد سیکلی 

4- جمع بندی و نتیجه گیری

مشخص شد که ویژگی‌های یک باتری از یکدیگر مستقل نیستند. به طور مشخص بین ظرفیت و انرژی از یکسو با جریان و توان از سوی دیگر رابطه عکس وجود دارد. به‌علاوه در طراحی ساخت یک باتری نیز مواد فعال و غیرفعال تعریف شد و مشخص شد که تمام یک الکترود از مواد فعال ایجاد نشده است. تاثیر نانو بر ولتاژ ناشی از سینیتیک بیان شد. نمودارهای شارژ- دشارژ و طول عمر سیکلی که مهم‌ترین منحنی‌های پرکاربرد در تعیین مشخصات باتری است توضیح داده شد تا در مطالب آتی از این منحنی‌ها استفاده شود.
برگرفته از سایت:
http://edu.nano.ir/paper/365