باتری­ها و کاربرد فناوری نانو در آنها

3CuSO4+2Al→Al2(SO4)3+3Cu

1- مقدمه

با گسترش صنایع و زندگی مدرن، نیاز روزافزون بشر به تامین انرژی، امری غیر قابل انکار است. هم­چنین لازم است انرژی تولید شده به منظور استفاده مجدد و کاربرد آن در وسایل الکترونیکی قابل حمل، ذخیره شود. باتری وسیله‌ای الکتروشیمیایی[3] است که در طی فرایند شارژ، انرژی الکتریکی را به عنوان انرژی شیمیایی در آند و کاتد خود ذخیره می­کند و در صورت نیاز انرژی را به عنوان خروجی الکتریکی در هنگام تخلیه (دشارژ) آزاد می­سازد. باتری ایده­آل می­بایست ظرفیت بالایی داشته باشد، چگالی انرژی آن زیاد باشد، عمر بالا داشته باشد و قیمت آن به‌صرفه باشد.

در این مقاله به معرفی نحوه کار باتری­ها بطور کلی و بررسی دو نوع از باتری‌های متداول و همچنین کاربرد فناوری نانو در آنها خواهیم پرداخت. در مقاله‌های بعد، به باتری­های پیچیده تر و با کاربردهای مهم­تر می­پردازیم.

2- اصول الکتروشیمیایی در باتری‌ها

1-2 واکنش­های اکسایش- کاهش

واکنش­هایی هستند که در آنها عامل اصلی انجام واکنش، الکترون‌ها می­باشند؛ به این گونه از واکنش­ها، اکسایش- کاهش گفته می­شود. در واکنش‌های الکتروشیمی، اکسایش یعنی از دست دادن الکترون و کاهش یعنی به دست آوردن الکترون. یک ماده اکسید­کننده ماده­ای است که باعث اکسایش (اکسید شدن) ماده دیگری می­شود و خود الکترون دریافت می­کند؛ یک ماده کاهنده باعث کاهش ماده دیگری می­شود و خود الکترون از دست می­دهد. در زیر یک واکنش اکسایش- کاهش را مشاهده می­کنید.

در این واکنش، آلومینیوم الکترون­های خود را از دست داده و یون­های مس آن­ها را دریافت می­کنند و در نتیجه فلز مس روی آلومینیوم رسوب می­کند. در این واکنش یون­های سولفات، نقش یون­های ناظر را دارند زیرا در هر دو طرف واکنش حضور داشته و تاثیری در فرایند واکنش ندارند.

2-2 پیل­های گالوانی[4]

در پیل­های گالوانی از واکنش­های خود‌به‌خودی اکسایش- کاهش برای تولید الکتریسیته استفاده می­شود. واکنش مس سولفات و روی را در نظر بگیرید. این واکنش شامل دو نیم واکنش اکسایش و کاهش است.

                                         کاهش

 اکسایش                                           

در این واکنش الکترون­ها جابجا می­شوند ولی سیستم انرژی الکتریکی ایجاد نمی­کند؛ زیرا عامل اکسنده (یون مس) و عامل کاهنده (فلز روی) هر دو در یک بشر قرار داده شده­اند. اگر این دو نیم- واکنش به طور فیزیکی از هم جدا شده و با یک مدار خارجی
به هم وصل شوند، الکترون­ها با عبور از مدار خارجی جابجا شده و جریان الکتریکی ایجاد می­گردد. در شکل 2 پیل گالوانی
مس- روی نشان داده شده است. نکات کلیدی در پیل گالوانی به صورت زیر است:

نیم‌پیل اکسایش: در این حالت، قسمت آند متشکل شده است از میله روی که داخل الکترولیت محلولی از روی فرورفته است. میله روی در نیم واکنش اکسایش واکنش­گر است و به یون دو بار مثبت روی تبدیل می­شود و الکترون­های آزاد شده را به خارج نیم‌پیل خود هدایت می کند.

نیم‌پیل کاهش: در این حالت، قسمت کاتد شامل میله مس می­باشد که درون الکترولیت محلولی از مس فرو رفته است. فلز مس محصول نیم واکنش کاهش است و الکترود مسی الکترون­ها برای واکنش کاهش و تبدیل یون مس به فلز مس استفاده می­کند.

 شکل 2. پیل گالوانی روی - مس

بار نسبی در الکترودها: بار نسبی الکترودها از منبع تولید الکترون و جهت جریان الکترون‌ها در مدار تعیین می­شود. در این پیل، اتم­های روی در آند اکسید شده و یون­های روی و الکترون ایجاد می­کنند و یون­ها وارد محلول می­شوند، در حالی که الکترون­ها از طریق میله روی به سیستم منتقل می­شوند. الکترون­ها از سمت چپ به راست و از طریق سیم به کاتد می­روند؛ جایی که یون مس در محلول آنها را دریافت کرده و به فلز مس کاهش می­یابد. همان­طور که پیل کار می­کند، الکترون ها به طور مداوم در آند تولید و در کاتد مصرف می شوند. بنابراین آند الکترون اضافی داشته و بار آند نسبت به کاتد منفی و بار کاتد نسبت به آند مثبت است. در هر پیل گالوانی آند منفی و کاتد  مثبت می باشد.

پل نمکی: وظیفه پل نمکی کامل کردن مدار و برقراری تعادل یون­های مثبت و منفی در نیم‌پیل­ها می­باشد. برای مثال در نیم‌پیل اکسایش، یون­های مثبت روی به طور مداوم به الکترولیت وارد می­شوند و غلظت یون­های مثبت افزایش می­یابد. پل نمکی باعث ورود یون­های منفی به نیم‌پیل اکسایش می­شود و الکترولیت خنثی باقی می­ماند در عین حالی که مدار الکتریکی را نیز کاملمی­کند.

الکترودهای فعال و نافعال: الکترودهای پیل روی- مس فعال می‌­باشند زیرا میله­های فلزی جرئی از نیم­واکنش هستند. در بسیاری از واکنش­های کاهش، واکنش­گر و یا محصول قابلیت در نظر گرفتن به عنوان الکترود وجود ندارد و الکترود­های نافعال به جای آنها مورد استفاده قرار می­گیرد. در اغلب موارد الکترودهای نافعال میله گرافیت یا پلاتین می­باشد. برای مثال در پیل گالوانی زیر، ذرات واکنش‌دهنده نمی­توانند به عنوان الکترود استفاده شوند و از الکترودهای گرافیتی در آنها استفاده می­شود.

 آند، اکسایش                                                                           

کاتد، کاهش                     

در هر پیل گالوانی، بین دو نیم‌پیل اختلاف پتانسیلی وجود دارد که باعث حرکت الکترون­ها و جریان الکتریکی می­شود. پتانسیل استاندارد هر نیم‌پیل از طریق اتصال آن به نیم­پیل با الکترود استاندارد مرجع که پتانسیل آن صفر فرض شده است، اندازه­گیری
می­شود. نیم‌پیل استاندارد شامل الکترود پلاتین در محلول یک مولار اسید قوی می­باشد که گاز هیدروژن به صورت حباب در محلول آن وجود دارد. پتانسیل استاندارد پیل از طریق رابطه زیر به دست می­آید.

برای مثال پتانسیل استاندارد الکترود‌های مس و روی به ترتیب 0.34+ و 0.76- می باشد، بنابراین اختلاف پتانسیل پیل گالوانی روی- مس برابر با 1.1 ولت است.

 3- باتری­ها

باتری­ها با مهندسی هوشمندانه، نیم­واکنش­ها و نیم‌پیل­های الکتروشیمیایی را در خود جای می‌دهند؛ ولی بر اساس همان اصول الکتروشیمیایی عمل می‌کنند. در حقیقت یک باتری از تعدادی پیل گالوانی که بطور سری مرتب شده­اند تشکیل می‌شود و از مجموع اختلاف پتانسیل‌های تولید شده توسط نیم‌پیل ها استفاده می‌کند. در این مقاله به بررسی باتری نوع اول پرداخته می‌شود. در مقاله‌های بعد، باتری‌های نوع دوم و پیل سوختی مورد بررسی قرار می­گیرند.

1-3 باتری نوع اول (غیر قابل شارژ) و نوع دوم (قابل شارژ)

باتری نوع اول را نمی‌توان دوباره شارژ نمود بنابراین تا زمانی که مواد تشکیل‌دهنده به تعادل برسند، باتری کار می­کند و با رسیدن به حال تعادل باتری می­میرد. برعکس باتری­های نوع اول، در باتری‌های نوع دوم یا قابل شارژ، پس از تمام شدن انرژی الکتریکی آن­ها، واکنش پیل معکوس می­شود و مواد اولیه مجددا تشکیل می­گردند. به عبارت دیگر در این نوع باتری­ها، پیل گالوانی بطور متناوب به پیل الکترولیتی تبدیل می­شود تا غلظت اجزای پیل را به حالت اولیه غیرتعادلی برگرداند. پیل های الکترولیتی عملکردی مشابه پیل‌های گالوانی اما برعکس آن را دارند؛ یعنی با اعمال انرژی الکتریکی، یک واکنش شیمیایی غیرخودبخودی را فعال می‌کنند. در ادامه باتری های قلیایی و سرب- اسید را بررسی خواهیم کرد.

4- باتری قلیایی

باتری­های قلیایی متداول دارای یک پوسته آندی روی هستند که مخلوطی از  و خمیر   و آب را در خود جای
می­دهند و کاتد میله گرافیت غیرفعال می­باشد. نیم واکنش­ها عبارتند از:

آند(اکسایش)                                                       

کاتد(کاهش)                                  

          شکل3. مکانیزم باتری قلیایی               

شکل4. اجزای باتری قلیایی

4-1 کاربرد فناوری نانو در باتری قلیایی

در صورتی که مساحت در دسترس الکترودها افزایش یابد، بارهای الکتریکی راحت­تر جریان پیدا می‌کنند؛ هم‌چنین ظرفیت باتری افزایش پیدا کرده و چرخه شارژ - دشارژ سریع­تر انجام می­شود.

نانوذرات به علت اندازه بسیار کوچک، سطح ویژه زیادی دارند و می­توانند باعث افزایش سطح در دسترس در الکترودها شوند. کاتد را می­توان از نانوساختارهای کربنی مانند نانولوله­های کربنی یا گرافن ساخت که مساحت سطح بالایی دارند. همین­طور در آندمی­توان از نانوذرات روی استفاده کرد و بازده باتری را افزایش داد.

5- باتری سرب- اسید

یک باتری معمولی سرب- اسید از شش پیل که بطور سری به هم وصل شده­اند، تشکیل شده است. هر یک از آنها 1/2 ولت و مجموعا 12 ولت است. هر پیل متشکل از دو تیغه سربی است که از مواد الکترودی پر ­شده ­است. تیغه آند با سرب اسفنجی و تیغه کاتد با دی‌اکسید‌ سرب پر­شده­اند. تیغه‌ها در محلول الکترولیت سولفوریک اسید فرو­رفته­‌اند.

آند( اکسایش)                                         

کاتد(کاهش)                  

شکل5. اجزای مختلف باتری سرب- اسید

صفحات پشم شیشه بین تیغه‌ها از اتصال حاصل از تماس فیزیکی جلوگیری می­کنند. وقتی پیل تخلیه می­شود، مانند یک پیل گالوانی انرژی الکتریکی تولید می­کند. واکنش کلی پیل هنگام تخلیه شدن باتری به صورت زیر است.

وقتی باتری شارژ می­شود، از انرژی الکتریکی به عنوان یک پیل الکترولیتی استفاده می­کند که باعث معکوس شدن پیل و واکنش کلی آن می‌شود.

1-5 کاربرد فناوری نانو در باتری سرب-اسید

یکی از محدودیت‌های این باتری‌ها به علت وزن بالای سرب، کم بودن c-rate آنها است. نرخ شارژ و دشارژ یک باتری با C-rate نشان داده می‌شود. ظرفیت یک باتری معمولا در 1C ارزیابی می­شود به این معنا که یک باتری کاملا شارژ با ۱ Ah باید برای یک ساعت، یک آمپر برق تامین کند. همین باتری با نرخ C  5/0 باید بتواند برای دو ساعت ۵۰۰ میلی‌آمپر برق و با C 2، ۲آمپر برق برای نیم ساعت تامین کند.  بیشتر باتری‌ها در جریان‌هایی با نرخ شارژ بالاتر، ظرفیت خود را از دست می‌دهند. در یک پژوهش به منظور افزایش این نرخ از نانو میله‌های سرب و سرب‌دی‌اکسید که به روش آبکاری[5] الکتروشیمیایی تولید شده­اند، به­عنوان الکترود استفاده شده­است. نتیجه استفاده از این نانوساختارها، افزایش C-rate تا 10C و افزایش ظرفیت دشارژ تا 1000 چرخه است]4[. در پژوهش دیگر از کربن بلک به­عنوان افزودنی آند استفاده شده و باعث افزایش تعداد چرخه­ها و همچنین افزایش ظرفیت باتری شده­است]5[. همچنین افزودن کربن فعال]6[ و نانولوله­های کربنی]7[ باعث بهبود فعالیت باتری­های سرب- اسید می­شود.

6- جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

 باتری‌ها ابزاری برای تامین انرژی الکتریکی می‌باشند. این انرژی از طریق واکنش‌های الکتروشیمیایی به دست می‌آید. الکترون‌ها در آند سلول‌های الکتروشیمیایی تولید و در کاتد مصرف می‌شوند. انتقال الکترون در این دست واکنش‌ها، مبنای تولید اختلاف پتانسیل در باتری‌ها هستند. به طور کلی دو دسته باتری وجود دارد. باتری های نوع اول که غیرقابل شارژ هستند و باتری‌های نوع دوم که قابل شارژ می باشند. باتری‌های قلیایی دسته‌ای از باتری‌های نوع اول هستند که آند آنها از جنس روی و کاتد آن از جنس گرافیت می‌باشد. با استفاده از نانوساختارهایی مانند گرافن می‌توان ظرفیت این باتری‌ها را افزایش داد. باتری‌های سرب- اسید نوع دوم می‌باشند که آند از سرب و کاتد از دی‌اکسید سرب تشکیل شده است. در صورت استفاده از نانومیله‌های سرب و سرب دی اکسید، می‌توان ظرفیت باتری را افزایش داد.

7- منابع

[1]Silberberg, Martin S. Chemistry: The Molecular Nature of Matter and Change. New York: McGraw-Hill,2012. Print.

[2]Layered vanadium and molybdenum oxides: batteries and electrochromics" - N. A. Chernova et al, J. Mat. Chem, 2009

[3]Carbon-coated silicon nanowire array films for high-performance lithium-ion battery anodes" - Huang et al, 2009

[4]A. Moncada, R. Inguanta, S. Piazza, and C. Sunseri, “Performance of Nanostructured Electrode in Lead Acid Battery,” vol. 43, no. 2013, pp. 751–756, 2015.

[5]A. Banerjee, B. Ziv, Y. Shilina, E. Levi, S. Luski, and D. Aurbach, “Single-Wall Carbon Nanotubes Doping in Lead-Acid Batteries : A New Horizon Single-Wall Carbon Nanotube Doping in Lead-Acid Batteries : A New Horizon,” 2017.

[6]B. Hong et al., “Characterization of nano-lead-doped active carbon and its application in lead-acid battery,” J. Power Sources, vol. 270, pp. 332–341, 2014.

[7]H. Hu et al., “applied sciences Enhancing the Performance of Motive Power Lead-Acid Batteries by High Surface Area Carbon