تعریف باتری

به طور ساده میتوان باتری را یک سلول تعریف کرد که میتواند انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل کند. یک باتری با انجام واکنشهایی شیمیایی درون خود، انرژی شیمیایی موجود را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند. باتری بسته به مشخصات ساختاری و نوع استفاده از آن، میتواند عمری بین چند ساعت تا چند هفته داشته باشد.
باتری های مختلف دارای مواد و واکنش های شیمیایی متفاوتی هستند بنابراین در تقسیم بندی کلی در دو دسته غیرقابل شارژ (باتری های اولیه) و قابل شارژ (باتری های ثانویه) تعریف می شوند. باتریهای اولیه یکبار استفاده شده و دور انداخته میشوند، زیرا ترکیب شیمیایی مواد الکترود در هنگام تخلیه برگشت ناپذیر، دچار تغییر میشوند. یک نمونه معمول باتری اولیه روی-کربن است. که می توانند در چراغ قوه ها، ساعتهای دیواری، کنترلهای لوام صوتی و تصویری و دیگر دستگاه های قابل حمل استفاده شوند.
باتریهای ثانویه(قابل شارژ) با استفاده از جریان الکتریکی اعمال شده میتوانند چندین بار تخلیه و شارژ شوند. ترکیب شیمیایی اصلی الکترودها را میتوان با جریان الکتریکی معکوس، بازیابی کرد. به عنوان مثال میتوان به باتریهای اسید- سرب که در وسایل نقلیه استفاده میشوند و باتریهای لیتیوم- یون که برای تجهیزات الکترونیکی قابل حمل مانند لپ تاپها و تلفنهای همراه استفاده میشود، اشاره کرد.

ساختار باتری

قسمت اصلی یک باتری که انرژی الکتریکی لازم را فراهم میکند، سلول (Cell) نام دارد. سلول باتری از ۳ جزء (دو الکترود و یک ماده شیمیایی به نام الکترولیت) تشکیل شده است. جهت ایزوله کردن سلول از محیط بیرون و همچنین فراهم کردن ایمنی و راحتی استفاده، سلول درون یک بسته (فلز یا پلاستیکی) قرار دارد. در این بسته خارجی دو الکترود با علامتهای + (قطب مثبت) و – (قطب منفی) وجود دارد که به دو الکترود داخلی سلول متصل هستند.

عملکرد باتری

هر باتری بر اساس یک واکنش شیمیایی، یعنی واکنش اکسایش-کاهش کار میکند. این واکنش بین کاتد و آند و از طریق الکترولیت رخ میدهد. در نتیجه، یک الکترود به علت واکنش اکسایش به صورت منفی باردار میشود. این الکترود، کاتد نام دارد. الکترود دیگر به علت واکنش کاهش به صورت مثبت باردار میشود که آن را آند می نامند. هنگامی که دو نوع فلز مختلف در محلول الکترولیت یکسانی فرو برده شوند، یکی از الکترودها الکترون میگیرد و دیگری الکترون از دست میدهد.در نتیجه، یکی از فلزها الکترون میگیرد و دیگری الکترون از دست خواهد داد. این اختلاف در تراکم الکترون دو فلز، بین فلزها اختلاف پتانسیل الکتریکی ایجاد میکند. این اختلاف پتانسیل میتواند به عنوان منبع ولتاژ در هر وسیله الکتریکی استفاده شود. یونها فقط از طریق جداکننده جریان می یابند و جداکننده تمام حرکات از آند به کاتد را مسدود میکند. بنابراین، تنها راه دریافت
جریان خارجی، از طریق پایانه های باتری است.

هر باتری یک مقاومت داخلی (R) دارد و اختلاف پتانسیل بین قطبهای باتری (V ) زمانی که جریان (I)از آن میگذرد، برابر IR – Eemf=V میباشد. فرایند تبدیل انرژی در باتری باعث افزایش مقاومت الکتریکی داخلی آن میشود و این حالت تا آنجا پیش میرود که نیروی محرکه (Eemf)دیگر توانایی غلبه بر آن را ندارد. افزایش مقاومت الکتریکی در باتری به دلیل نفوذ ماده کاتد به داخل ماده آند رخ میدهد. در برخی از مواقع میتوان با گرم و سرد کردن باتری (انداختن در آب جوش و منقبض و منبسط کردن باتری) یا زدن ضربه، مسیرهای جدیدی را برای عبور جریان ایجا کرده و مقاومت R را تا حدودی کم کرد.
به محض اینکه باتری به مدار خارجی متصل شود، یک جریان در باتری و همچنین مدار جاری می شود. در اثر این جریان در باتری، یک افت ولتاژ درون باتری اتفاق می افتد که بعلت مقاومت داخلی خود باتری است. پس وقتی مدار خارجی متصل می شود، ولتاژ ظاهر شده در قطب باتری چیزی کمتر از ولتاژ مدار باز باتری است. این بدلیل افت ولتاژ در اثر مقاومت درونی باتری است. در واقع، اختلاف EMF نسبت به افت ولتاژ داخلی در طول قطب های باتری است که در زمان اتصال مدار خارجی به آن ظاهر می شود.

ظرفیت باتری

انرژی ذخیره شده در باتری ظرفیت باتری نامیده می شود و با جرم فعال ماده تعیین می شود. ظرفیت باتری حداکثر میزان انرژی را ارائه می دهد که می تواند از باتری تحت شرایط مشخص معینی استخراج شود. ظرفیت های واقعی ذخیره انرژی باتری می تواند به طور معنی داری از ظرفیت صوری آن متفاوت باشد. ظرفیت باتری به شدت به عمر باتری، نوع ماده فعال، شارژ شدن یا تخلیه شدن باتری و دما بستگی دارد. ظرفیت باتری با وات ساعت (Wh )کیلووات- ساعت (kWh) یا آمپر ساعت (Ah)اندازه گیری می شود. متداول ترین واحد ظرفیت باتری Ah است. ظرفیت باتری های قلمی و نیم قلمی معمولی با واحد میلی آمپر ساعت (mAh) نشان داده می شود. یعنی یک باتری 2000 میلی آمپر ساعت به مدت ۱ ساعت جریانی به شدت 2000 میلی آمپر یا به مدت 100 ساعت جریان 20 میلی آمپر فراهم می کند.