شاید هنگامی كه بشر برای نخستین بار با پدیده ی طبیعی رعد و برق روبه رو شد هرگز تصور نمی كرد روزی با الهام از این رویداد بتواند برق تولید كند. اما جرقه های اولیه اندیشه ی مهار و تولید نیروی برق به عنوان پاك ترین منبع تولید انرژی، با آزمایش یك دانشمند ایتالیایی، لوییجی گالوانی شكل گرفت.

او در سال 1780 ، هنگامی كه پاهای یك وزغ را به یك قلاب برنجی متصل كرده بود متوجه شد كه پای جانور در اثر تماس یافتن با یك چاقوی آهنی حركت می كند. وی تصور كرد كه این حركت از وجود انرژی ناشی می شود اما دوست و همكارش ولتا، بر این باور بود كه این پدیده، نتیجه ی تماس دو فلز متفاوت با یك دیگر ، در حضور یك واسطه ی مرطوب است.

سلول هایی كه امروزه از آن ها به عنوان سلول ها الكتروشیمیایی یاد می شود نخستین شبیه سازی پدیده های طبیعی به دست انسان بوده اند كه با تكیه بر انجام واكنش های شیمیایی، به رویای تولید جریان برق تحقق بخشیدند.

سیر تكاملی این سلول های الكتروشیمیایی و رویارویی با كاستی هایی كه متوجه ساختار و مواد سازنده ی آن ها بود، و تلاش در جهت معرفی شكل های مناسب تر آن ها، انواع گوناگونی از آن ها را با نام عمومی باتری ها، در تاریخچه ی این ابزارها ثبت كرده است.

ایرانیان؛ نخستین مخترعان باتری

در سال 1317 خورشیدی، یك باستان شناس آلمانی به نام ویلهلم كوینگ، كه مدیر موزه ملی عراق بود، هنگام جست و جو در روستایی نزدیك شهر باستانی تیسفون، كوزه ای سفالی پیدا كرد كه ارتفاع آن به 14 سانتی متر می رسید و استوانه ای مسی درون آن جای داشت كه در میان این استوانه یك میله ی آهنی قرار گرفته بود.

بررسی این كوزه وجود یك ماده ی اسیدی مانند سركه و نیز اثرهایی از خوردگی شیمیایی را در ظرف سفالی تایید می كرد. كوینگ بر این باور بود كه یك باتری باستانی یافته است و دریافت كه پیشینه ی آن به حدود دو هزار سال پیش، یعنی زمان حكومت اشكانیان در سرزمین های محدود به دو رود دجله و فرات باز میگردد.

وقوع جنگ جهانی دوم این پژوهش ها را مدتی متوقف كرد اما پس از آن، مهندسی به نام ویلاردگری ، در جریان بازسازی باتری های كشف شده، هنگامی كه به عنوان الكترولیت، آن ها را با سركه پر كرد با شگفتی شاهد تولید 2 ولت برق توسط این باتری ها بود. باتری ایرانیان پس از 2000 سال هنوز كار می كرد!

انواع باتری

باتری های اولیه و ثانویه

اگر مواد فعال در باتری تنها برای یك بار استفاده شود و استفاده ی دوباره از باتری امكان پذیر نباشد، باتری را اولیه  یا باتری خشك می نامند. در این نوع باتری ها ، واكنش های الكتروشیمیایی برگشت ناپذیر بوده، نمیتوان آن ها را شارژ كرد.

چنانچه پس از خالی شدن باتری بتوان مواد فعال را به كمك واكنش های الكتروشیمیایی در جهت وارونه انجام داد و باتری را دوباره شارژ یا پر كرد، باتری را ثانویه می گویند. برخی از انواع باتری های ثانویه را می توان صدها یا هزارها بار شارژ كرد.

طبقه بندی بر اساس چگالی انرژی

باتری ها در شكل، اندازه و ظرفیت های گوناگون تولید می شوند. منظور از ظرفیت باتری كه بر حسب آمپر ساعت اندازه گیری می شود، انرژی قابل استفاده ی باتری است كه به انرژی مواد فعال بستگی دارد. این انرژی با ابعاد باتری نسبت مستقیم دارد و از روی تغییرات شیمیایی مواد فعال الكترودها اندازه گیری می شود.

طبقه بندی بر اساس كاربرد

برای باتری ها سه نوع كاربرد به این شرح می توان در نظر گرفت:

•  باتری هایی برای كاربرد عمومی

 این باتری در نوع دكمه ای یا مینیاتوری در وسایل و تجهیزات الكترونیكی قابل حمل مانند سمعك، ماشین حساب، ساعت های الكتریكی و مچی، دوربین های عكاسی، رایانه، تلفن، مسواك، چراغ قوه و لوازم خانگی به كار میرود. بیشتر این باتری ها غیرقابل شارژ و از نوع باتری های اولیه هستند.

•  باتری های تولید استارت، روشنایی و جرقه

این نوع باتری ها برای راه اندازی، ایجاد روشنایی، تامین انرژی الكتریكی مصرف كننده های برقی در زمانی كه موتور آن ها خاموش است استفاده می شوند. هم چنین برای تولید جرقه در موتورهای احتراق مانند موتورهای سواری، هواپیما، كشتی، قایق، لوكوموتیو و ماشین های الكتریكی كاربرد دارند. بیش تر از باتری های سربی برای این منظور ها استفاده می شود كه از جمله باتری ها ی ثانویه اند.

•  باتری های ویژه ی كشش

 در وسایل نقلیه و در صنعت كه نیاز به انرژی بدون تولید صدا، دود و مواد آلاینده است مانند كامیون ها، تراكتورها، وسایل نظافتی مكان های عمومی، خودروها ی ریلی و زیردریایی ها از این باتری ها استفاده می شود.

انواع دیگری از این نوع باتری با عنوان باتری های ساكن در تولید برق اضطراری، ذخیره كردن انرژی محلی، ایستگاه های مخابراتی و رادیویی، تجهیزات بیمارستانی كاربرد دارند. باتری های نظامی و هوا فضا نیز ازجمله باتری های ویژه ی كشش هستند كه در ماهواره ها، فرستنده ها، مهمات، سلاح و ارتباطات مورد استفاده قرار می گیرند.

طبقه بندی از روی كاربرد، میتواند نوع دیگری از طبقه بندی را براساس مصرف كننده، در بر داشته باشد. مصرف كنندگان باتری ها را میتوان در دسته هایی به این شرح قرار داد: پزشكی، هوافضا، نظامی، صنعتی وتجاری. ملاك این طبقه بندی بر پایه ی بالاترین و پایین ترین درجه ی اهمیت برای تعیین و تعریف استانداردهاست. به این معنی كه باتری هایی با درجه ی اهمیت بالاتر، از استانداردهای سخت گیرانه تری برخوردارند. باتری هایی كه در اثر خراب بودن منجر به آسیب های جانی یا خسارت های مادی سنگین میشوند از این جمله اند. در این زمینه میتوان به نمونه هایی به شرح زیر، در عرصه های گوناگون اشاره كرد:

• هنگام انجام یك عمل جراحی، علامت های حیاتی بیمار باید به طور پیوسته پایش شود. بنابراین هرگونه وقفه یا قطع برق و از كار افتادن تجهیزات میتواند به مرگ یا نقص عضو بیمار، به دلیل اختلال در گردش خون یا تنفس منظم وی بینجامد.

• ماهواره های هواشناسی با ارایه ی اطلاعاتی در زمینه ی پیشبینی وضع هوا، وزش باد، بارش باران سهم مهمی در جلوگیری از بروز تلفات جانی و مالی دارند. استفاده از باتری های نامناسب ممكن است قطع ارتباطات ماهواره ای و خسارت های جبران نشدنی را در پی داشته باشد.

•  در عرصه ی كاربردهای نظامی، هنگام حمله ی جنگنده های دشمن، حفاظت از ساكنان یك محل به كمك رادار و هشدارهای رایانه ای صورت میگیرد. هر گونه نقص یا تأخیر در ارسال پیامها منجر به فاجعه های انسانی خواهد شد.

• در صنعت، پردازش و كنترل اطلاعاتی در زمینه ی دما، فشار، نشت گاز و مواد شیمیایی به كمك رایانه ها انجام میگیرد. در این شرایط باتری ها در تجهیزات كنترل خودكار و جلوگیری از خسارت ها نقش مهمی دارند.

• باتری ها UPS كه در رایانه های شخصی كاربرد دارند از وارد شدن خسارت به رایانه یا حذف برخی از اطلاعات جلوگیری می كنند.

گاهشمار باتری

پس از ایرانیان، نخستین باتری واقعی در سال 1800 ، توسط ولتا اختراع شد. پیل ولتایی، چند جفت صفحه از جنس مس و روی را در بر می گرفت كه با یك لایه پارچه یا مقوا از یك دیگر جدا شده، در محلول آب نمك قرار می گرفتند. ولتا از فلز های مختلف در پیل خود استفاده كرد و دریافت كه روی و نقره بهترین نتیجه را در پی دارند. از آن جا كه با تولید جریان برق، صفحه ی روی دچار خوردگی می شد ولتا تصور می كرد كه تولید جریان ناشی از تماس دو فلز با هم است و نه در نتیجه ی انجام واكنش های شیمیایی. با گذشت زمان معلوم شد كه خورده شدنِ روی نشان از توانایی باتری در تولید جریان دارد و به این ترتیب نظریه ی ولتا جای خود را به نظریه ی الكتروشیمیایی داد.

اما باتری ولتا عمر كوتاهی داشت و علت آن، یكی تشكیل حباب های هیدروژن روی كاتد مسی بود كه سبب افزایش مقاومت درونی این باتری میشد. علت دیگر، به خاطر تشكیل مدارهای كوتاه در اطراف ناخالصی های موجود در آند روی بود و باعث تجزیه ی روی میشد. در سال 1835 ،استرجون با مخلوط كردن مقداری جیوه با روی، این مشكل را بر طرف كرد. یك سال بعد، دانیل  برای رفع مقاومت درونی این باتری درصدد برآمد تا از یك الكترولیت دیگر در كنار الكترولیت اولیه استفاده كند. به این ترتیب پیل دانیل اختراع شد كه شامل یك ظرف مسی محتوی مس سولفات بود و درون آن یك محفظه ی سفالی محتوی سولفوریك اسید قرار داشت و الكترودZn در این محفظه قرار می گرفت.

این باتری نسبت به باتری ولتا ایمن تر، با خوردگی كمتر بود كه در شبكه های تلگراف كاربرد گسترده یافت تا آن كه پیل لكلانشه جانشین آن شد. در پیل لكلانشه، كاتد از جنس منگنز دی اكسید بود كه وجود مقداری كربن در آن باعث بهبود رسانایی میشد. این باتری به سرعت در صنعت تلگراف كاربرد گسترده پیدا كرد.در سال 1844 ، گراو برای طولانی تر شدن عمر باتری دانیل، در آن از كاتد پلاتینی شناور در نیتریك اسید استفاده كرد.

با آن كه جریان زیادی توسط باتری گراو تولید میشد اما به خاطر گران بودن الكترود پلاتینی و نیز تولید گاز سمی اكسید نیتریك، با نمونه های ایمن تر و ارزانتر جایگزین شد.

تا این زمان،همه ی باتری های ارایه شده از نوع باتری های اولیه بودند به این معنی كه، پس از به مصرف رسیدن مواد فعال درون آن ها، قابل پركردن و استفاده ی دوباره نبود و با اختراع باتری سربی،نخستین باتری قابل پركردن توسط گاستون پلانت در سال 1859 معرفی شد. این باتری شامل آند سربی و یك كاتد سرب اكسید شناور در سولفوریك اسید بود. هردو الكترود در واكنش با الكترولیت، سرب سولفات تولید می كنند. در آند الكترون آزاد میشود كه توسط كاتد جذب و منجر به تولید جریان میشود.

با گذراندن جریان در جهت وارونه و افزودن برخی تركیب ها این باتری شارژ و برای استفاده ی دوباره آماده میشود.

در دهه ی 1860 ، نوعی باتری دانیل قابل شارژ ساخته شد كه از یك ظرف شیشه ای تشكیل شده بود. كاتد مسی در ته این ظرف قرار میگرفت و آند آن كه شكلی شبیه پای كلاغ داشت از جنس روی، در سطح آن شناور بود. شیشه با آب مقطر و بلورهایی از مس سولفات پر میشد. این باتری جریان قویتری تولید میكرد اما تنها باید به طور ساكن مورد استفاده قرار می گرفت زیرا حركت دادن آن باعث مخلوط شدن محلول ها میشد.

در سال 1887 انقلاب دیگری روی داد و آن تولید و ارایه ی باتری روی  كربن بود . در این باتری به جای الكترولیت مایع، از مخلوط خمیر آمونیوم كلرید و گچ پاریس استفاده شد.

كاتد از جنس منگنز اكسید بود كه در این خمیر قرار داده میشد و سپس لایه ای از جنس روی، به عنوان آند آن را در بر می گرفت. تولید و استفاده از این باتری تاكنون ادامه دارد و در دستگاه های الكتریكی قابل حمل استفاده میشود. به هر حال این باتری ها عمر كوتاهی دارند و قابل شارژ كردن نیستند.

نسل جدید باتری ها كه از سال 1970 به بازار راهیافته، باتری های لیتیمی هستند. در سال 1996 باتری یون  لیتیم بسپاری، وارد بازار شد كه الكترولیت آن ها در یك چند سازه ی جامد قرار داشت و فلز لیتیم با چگالی كم و پتانسیل الكتروشیمیایی بالا، نقش مناسبی در ساخت این باتری ها داشته است.

نتیجه گیری

بشر از گذشته های بسیار دور در الهام از پدیده های طبیعی در مسیر تولید جریان الكتریكی و ساخت باتری قرار گرفته است و ایجاد تغییر در الكترود، الكترولیت و عوامل دیگر نوآوری ها و معرفی باتری های گوناگونی را در پی داشته است.

در عصر كنونی كه به عصر فضا، اتم و نانو شهرت دارد این نوآوری ها همچنان ادامه دارد و بازار مصرف در عرصه های گوناگون پزشكی، هوا فضا، صنعتی، تجاری و نظامی ورود فراورده های جدید را شاهد خواهد بود.