خبرگزاری کشاورزی و منابع طبیعی(IANN)/ امــروزه فـناوری سـاخت و اجزای همراه آن‌ها که به منظور قـرارگـرفتـن در مـدارهـای الکتـریکـی بـه سمـت کوچک شدن تا ابعاد نانومتری پیش می‌روند، رو بـه گـسـتـرش اسـت. باتریها نیز از جمله فناوری‌هایی هستند که به کمک فناوری نانومتحول شدند. شاید مسأله مهمی که پس از تولید انرژی مطرح می‌شود، ذخیره و انباشت حجم زیادی از انرژی در فضایی کوچک است. با توجه به این‌که امروزه لوازم سیار و استفاده از آن‌ها گسترش بسیار یافته است، در تمام کاربردها، ایمنی، افزایش انرژی، اندازه کوچک‌تر و عمر طولانی‌تر مطلوب می‌باشد. توسعه ابرخازن‌ها و باتریها به کمک فناوری نانو به این امر کمک کرده است.تاریخچه باتریها
باتریها تاریخچه‌ای ۲۰۰۰ ساله دارند. اولین باتریها مربوط به پارت‌ها بوده و در منطقه بغداد یافت شده است. از عمر باتری‌های جدید فقط ۲۰۰ سال میگذرد. در سال ۱۷۸۹ میلادی، الکساندر ولتا یک میله مسی و یک میله از جنس روی را در داخل ظرف حاوی اسید کلریدریک نمود. او مشاهده کرد که میله روی به تدریج در داخل محلول اسیدی حل می‌شود و هم‌زمان پتانسیل الکتریکی مشخصی بین تیغه‌ها به وجود می‌آید، به طوری که تیغه مس مثبت و تیغه روی منفی می‌شود.
این اولین آزمایشی بود که منجر به کشف باتریها گردید. به همین دلیل نام ولتا را روی نیروی محرکه تولید شده گذاشتند و از آن به بعد واحد اختلاف پتانسیل الکتریکی «ولت» نامیده شد. اولین نمونه باتری در سال ۱۸۶۸ میلادی ساخته شد. در این باتری از فلز روی به عنوان قطب منفی و از یک میله متشکل از پودر فشرده دی اکسید منگنز به عنوان قطب مثبت استفاده شد. محلول کلرید آمونیوم در یک ظرف شیشه‌ای الکترولیت این باتری بود. این باتری مشکلات زیادی داشت. ظرف شیشه‌ای و الکترودهای این باتری شکننده بودند و نمک آمونیاک نیز به عنوان اسیدی خطرناک شناخته می‌شود. این باتری عمر چندانی هم نداشت. در سال ۱۸۸۸ میلادی اولین نمونه باتری خشک ساخته شد. در این باتری از یک ظرف از جنس روی به عنوان قطب منفی و یک تیغه زغالی به عنوان قطب مثبت و مخلوط خمیری شکل از کلرید روی و کلرید آمونیوم به عنوان الکترولیت استفاده شد.
در سال۱۸۹۰ باتری‌های خشک به تولید انبوه رسید و تا به حال تغییری نکرده است. اما نیاز روزافزون به برق سیار منجر به توسعه هرچه بیش‌تر باتریها شده است. در باتری‌های امروزی مواد گوناگون از قبیل روی و کربن تا جیوه، لیتیوم، نقره و کادمیوم مورد استفاده قرار می‌گیرند.
انواع باتریها
باتریها مولدهای شیمیایی هستند که فعل و انفعال شیمیایی داخل آن‌ها باعث ایجاد جریان الکتریکی می-شود و معمولاً یک الکترولیت (محیط انتقال یون‌ها) و دو تیغه غیر هم‌جنس تشکیل شده است. باتریها به دو دسته باتری‌های اولیه و باتری‌های ثانویه تقسیم می‌شوند. نوع اولیه به باتری‌های غیر قابل شارژ و نوع ثانویه به باتری‌های قابل شارژ معروفند. در باتری‌های اولیه که به باتری‌های یک طرفه نیز معروف هستند، فعل و انفعال شیمیایی تنها یک طرفه انجام می‌پذیرد. این باتریها پس از مدتی کار ضعیف شده و از بین می‌روند. در باتری‌های ثانویه یا دو طرفه، فعل و انفعال شیمیایی دو طرفه بوده و در صورت ضعیف شدن باتری می‌توان آن‌ها را مجدداً شارژ و قابل استفاده نمود.
واکنش شیمیایی است که برق باتریها را ایجاد می‌کند. لیتیومی که در قطب منفی (آند) قرار گرفته است، به صورت یون درآمده و یک نمک لیتیومی ایجاد می‌کند و از طریق یک پلیمر متخلخل به سمت قطب مثبت(کاتد) می‌رود. واکنش الکترون آزاد می‌کند و یک جریان در مدار خارجی ایجاد می‌نماید. با اعمال ولتاژ خارجی به کاتد واکنش در جهت عکس انجام می‌شود و یون‌ها را به آند باز می‌گرداند و باتری مجدداً شارژ می‌شود. در باتری‌های کوچک ساعت یون‌های لیتیوم از جدا کننده عبور کرده و جریان ایجاد می‌کنند. این انتقال معکوس پذیر نیست، بنابراین این باتریها قابل شارژ نیستند.
باتری‌های لیتیوم یونی انرژی زیادی را در ورقه‌های ساندویچ شده فشرده که با یک جدا کننده از هم تفکیک شده‌اند و همگی در یک الکترولیت شناور هستند، ذخیره می‌کند. برای جلوگیری از داغ کردن باتری، یک خروجی به گاز حاصل از واکنش‌ها اجازه خروج می‌دهد. اگر گاز با سرعت ایجاد شود، زوار باتری می‌ترکد و باتری از کار می‌افتد. وقتی از بیرون اتصالی شود، قطعه قطع جریان کشیده شده و جریان باتری را قطع می-کند. باتری لپ تاپ از مجموعه‌ای از باتری‌های لیتیوم یونی تشکیل شده است که یک گرماسنج داغ شدن آن را گزارش می‌کند. باتری‌های لیتیوم یونی سبک هستند و چگالی انرژی و چگالی توان بسیار بالاتری نسبت به انواع قدیمی‌تر باتریها مانند باتری‌های نیکل کادمیوم دارند.
تحول باتری لیتیومی
افزایش نیاز به انرژی سیار با تراکم بالا با توجه به رشد ابزارهای مینیاتوری نازک، نیاز به توسعه باتریها و منابع انرژی را دو چندان می‌کند. مصرف برق نهایی زمانی اهمیت بیش‌تری پیدا می‌کند که رفته‌رفته ابزارهای الکترونیکی بیش‌تری در وسایل به کار برده می‌شود.
در بین انواع منابع ذخیره انرژی شامل خازن‌های قدیمی، ابرخازن‌ها، باتری‌های جدید، باتری‌های قدیمی و پیل‌های سوختی بهترین این منابع باتریها هستند. باتریها به سمت کوچک‌تر و سبک شدن می‌روند و روز به روز کارآیی و ثبات آن‌ها بیش‌تر می‌شود. تراکم بالاتر برای ذخیره انرژی در بسته‌های کوچک‌تر برای حصول قابلیت‌های جدید مانند ابزارها و تلفن‌های نازک لازم است. افزون بر این مشتری به هزینه پایین رغبت بیش‌تری دارد و این در بازارهای وسیع دارای حساسیت بیش‌تری است.
امروزه زمان شارژ یک فاکتور مهم و اندک بودن آن، گاه ضروری است. شیوه ذخیره برق در خازن‌ها بهتر از باتری‌هاست. به لحاظ سرعت، ابرخازن‌ها برای ذخیره انرژی بسیار مناسبند، ولی چگالی انرژی آن‌ها نسبت به باتریها و پیل سوختی کم است؛ لذا برای مشکل انرژی مورد استقبال قرار نمی‌گیرند. باتری‌های لیتیوم یونی سبک هستند و چگالی انرژی و چگالی توان بسیار بالاتری نسبت به انواع قدیمی‌تر باتریها مانند باتری‌های نیکل کادمیوم دارند.
تأثیر فناوری نانو در حوزه باتری بسیار گسترده بوده است. شرکت «توشیبا» نوعی باتری لیتیومی ساخته که زمان شارژ را فوق‌العاده کاهش می‌دهد. این باتری می‌تواند ۸۰ درصد از ظرفیت انرژی باتری را تنها در عرض یک دقیقه، یعنی تقریباً۶۰ برابر سریع‌تر از باتری‌های لیتیومی که امروزه به طور گسترده‌ای در بازار استفاده می‌شوند، شارژ کند و علاوه بر این، دارای چگالی انرژی بالایی بوده و در نتیجه کارایی آن بسیار افزایش یافته است. در بسیاری از سامانه‌های نیازمند به باتری، مسأله جذب انرژی از منابع محیطی مانند نور خورشید و امواج رادیویی نیز مطرح است. فناوری‌های فعلی می‌توانند از امواج رادیویی۱۰ تا ۳۰ میلی وات استخراج کنند.
منبع: سبزینه
منبع: سبزینه
