تاریخچه باتری!!!

vox_boy

دنیایی که در آن زندگی می‌کنیم پر از وسایل الکترونیکی است، بیشتر محصولاتی که هرروز استفاده یا مصرف می‌کنم با کمک نیروی برق ساخته شده‌اند و یا از آن استفاده می‌کنند. از طرف دیگر، بیشتر دستگاه‌های قابل‌حمل توسط منابع انرژی کوچک خود، ‌و بوسیله واکنش‌های شیمیایی می‌توانند مقدار محدودی جریان الکترونیکی تولید کنند.

بله در مورد باتری‌ها صبحت می‌کنم، چیزهایی که دوستداران تکنولوژی بدون آن نمی‌توانند زندگی کنند، باتری است که به ما اجازه می‌دهد تا هنگام راه‌رفتن در خیابان به موسیقی موردعلاقه خود گوش دهیم، هرجایی که بخواهیم با کامپیوتر خود کار کنیم، با گوشی تلفن همراه خود صحبت کنیم و بسیاری دیگر. با این حال وقتی که به فروشگاهی می‌رویم و چند عدد باتری AA برمی‌داریم، در مورد سالهای متمادی‌ای که دانشمندان مختلف بر روی این وسیله فلزی کوچک تحقیق و بررسی کرده‌اند، فکری نمی‌کنیم.

در میان این مطلب سعی داریم تا چندین چراغ در تاریخچه طولانی باتری روشن کنیم و بعد به روش توسعه این مفهوم بپردازیم، در قدم اول یک سفر به گذشته دور حدود ۲هزار سال پیش داریم.

باتری‌های اولیه یا باتری‌های بغدادی

با اینکه ممکنه این مطلب برای شما بسیار عجیب به نظر برسد، واقعیت این است که باتریهای اولیه حدود ۲ هزاره پیش در شهری نزدیک بغداد توسعه یافتند. ۱۹۶۳ سال پیش جایی نزدیک بغداد کنونی، این باتری‌های چیزی بیش از ظرف‌های شیشه‌ای .... نبودند، هرکدام شامل میله‌ای آهنی بود که توسط ورقه‌ای خم‌شده از مس محاط شده بودند.

دانشمندان اعتقاد داشتند که با اضافه کردن جوهرنمک به آنها، که نقش یک الکترولیت را بازی می‌کند، این دستگاه‌ها می‌توانند نیروی الکتریسه تولید کنند. آنها همچنین نسخه‌های پیشرفته‌تری از این دستگاه‌ها را بعد نیز ساختند. نهایتا به دلیل اینکه هیچ پرونده‌ای دال بر اینکه این دستگاه‌ها در آن زمان به درستی کار می کرده‌اند و یا میزان کارایی‌شان چقدر می‌توانسته باشد، وجود ندارد؛ کاربرد و وجود آنها در هاله‌ای از ابهام و رازگونه مانده است.

توسعه‌های اولیه - قرن ۱۸
الکتریسیته یکی از زمینه‌های جالب و پرطرفدار دانشمندان در قرن‌های ۱۸ و ۱۹ بود، پس جای تعجب ندارد که کلمه باتری هم در این زمان به وجود آمده باشد، زمانی که بنیامین فرانکلین برای توضیح سری بشقاب‌های شیشه‌ای شارژشده آنرا به کار برد.
نام مهم دیگر این بازه زمانی لوییجی گالوانی دانشمند ایتالیایی است که تحقیق‌های بسیاری در زمینه الکتریسیته عمومی و الکتریسیته حیوانات داشت. بین سال‌های ۱۷۸۰ تا ۱۷۸۶ او توانست پایه‌های الکتریسیته تپش رشته‌های عصبی را شبیه‌سازی کند، کارهای او ادامه‌ای برای دیگر دانشمندان و حتی پدر باتری، ولتا قرار گرفت.

اولین باتری دنیا - پیل ولتایی توسط الکساندرو ولتا
کارهای الکساندر ولتا حدودا همزمان با کارهای گالوانی انجام می‌گرفت. با این حال در سال ۱۸۰۰، این ولتا بود که «پیل ولتایی» چیزی که بعدها اولین باتری دنیا نامیده شد، را توانست بسازد. این پیل شامل مجموعه‌ای از جفت دیسک‌های مسی و رویی بود که بر روی هم قرار داشتند که توسط یک لایه لباس جداشده بودند که به عنوان الکترولیت به کار می‌رفتند.

نکته قابل توجه پیل ولتایی، توانایی ایجاد جریان مداوم و پایدار در حدود همان زمانی که باتری شارژ می‌شد بود. متاسفانه اولین پیل ولتاییک مقدار بسیاری کمی قدرت تولید می‌کرد، ولی با گذشت زمان پیشرفت کرد و مدل‌های پیشرفته‌ای مشاهده شد.

قرن ۱۹ام، قرن باتری و آزمایش‌هایش
بعد از کشف اولیه ولتا، دیگر دانشمندان به مطالعه مفهوم پشت باتری‌ها ادامه دادند و به نتایج کم و بیش خوبی به دست آوردند. یکی از این افراد جان فردریک دانیل بود، که سلول دانیل را اختراع کرد، این سلول از یک دیگچه مسی صیقل نشده حاوی محلول سولفات مس پرشده بود و ظرف درونی آن حاوی اسید سولفوریک و یک الکترود رویی درون آن بود.
نکته‌ای که در مورد سلول دانیل قابل توجه بود قابلیت ایجاد جریان ۱.۱ ولتی بود که نسبت به پیل ولتایی عمر بیشتر داشت و قابل اطمینان‌تر بود. این امکان بخاطر وجود الکترولیت مثبت مس (رسانا) و هیدروژن (یک عایق) در کاتد بود، از طرفی این سلول امن‌تر و به طور قابل توجهی کم ضررتر از پلی ولتایی بود.

سلول دیگری که در همین بازه زمانی توسعه یافت، سلول گروو (Grove) بود، که توسط رابرت گروو در سال ۱۸۴۴ معرفی شد. این سلول (در حقیقت اولین سلول سوختی دنیا) شامل یک آند رویی در اسید سولفوریک و یک کاتد پلاتینی در اسید نیتریک بود که هرکدام بوسیله سفال متخللی جدا شده بود. این سیستم به سلول گروو امکان ایجاد جریان بالای ۲ ولتی را می‌داد، ولی در هنگان ایجاد جریان، بخار سمی اسید نیتریک را آزاد می‌کرد. مشکل دیگر این سلول این بود که هنگامی که مقدار شارژ آن کاهش می‌یافت، افت شدیدی در ولتاژ بوجود می‌آمد. جالبه بدونید که سلول گروو برای مدتی در شبکه‌های تلگرافی آمریکایی مورد استفاده قرار گرفت ولی بعد از گذشت مدتی، نسخه‌های پیشرفته و جدیدتر، جایگزین آن شدند.

اولین باتری قابل شارژ مجدد (Rechargeable) دنیا
یکی از مشکلات باتری‌ها و پیل‌های توسعه‌یافته در نیمه‌اول قرن ۱۹ام طول عمر آنها و کاهش قدرت آنها بعد از واکنش‌های شیمیایی بود. با این حال در سال ۱۸۵۹، وقتی که گاستون پلانت باتری سربی-اسیدی را اختراع کرد، اوضاع بهتر شد؛ اولین باتری دنیا که قابلیت شارژ خودش را با وصل جریان مخالف داشت.

این باتری سربی-اسیدی از یک آند سربی و یک کاتد از جنس اکسید سرب تشکیل شده بود که هر دوی آنها در اسیدسولفوریک غوطه‌ور شده بودند.در این باتری، الکترودها با اسید واکنش می‌دادند و سولفات سرب را ایجاد می‌کردند. این واکنش در آند سربی الکترون‌ها را ایجاد می‌کرد و آزاد می‌ساخت، در حالی که واکنش در کاتد، آنها را جذب می‌کرد که اختلاف در پتانسیل الکتریکی ایجاد می‌کرد و در نتیجه آن جریان بوجود می‌آمد. با این حال، بنا به طبیعت این واکنش‌ها، آنها می‌توانستند با استفاده از عبور جریان مخالف، برعکس شوند و اینگونه بدون اضافه‌کردن ترکیبات تکملیلی باتری شارژ می‌شد.
اگر به نظر شما پروسه‌های ذکرشده در بالا برای شما آشناست، بهتر است بدانید که این روش دقیقا روشی است که در باتری‌های اتومبیل امروزی به‌کار می‌رود البته با کمی تفاوت که در اثر گذشت زمان و پیشرفت علم انجام گرفته است (ترکیبات شیمیایی تا حدی تغییر کرده است و طراحی سلول به طور قابل‌توجهی بهبود یافته ولی اساس کار آن همان باتری قدیمی است).

جاذبه و سلولهای لکلانش
باتری جاذبه‌ای در سال ۱۸۶۰ توسط دانشمندی به نام کالاود با تغییراتی در سلول دانیل ایجاد شد. با حذف جداره متخلل، مقاومت داخلی کل سیستم به طور قابل‌توجهی کاهش یافت که همین امر باعث شد جریان خروجی در مقایسه با سلول دانیل بسیار قوی‌تر شود. و همانطور که در متن بالا خواندید، این باتری تا سال ۱۹۵۰ در شبکه‌های تلگرافی آمریکایی و بریتانیایی مورد استفاده قرار گرفت.

همانطور که از اسم لکلانش (Leclanche) معلوم است، این سلول در سال ۱۸۶۶ توسط جورج لکلانش معرفی شد. این نوع سلول از یک آند رویی و یک کاتد از جنس دی‌اکسید منگنز استفاده می‌کرد که توسط یک ماده سفالی احاطه شده بود و در کلرید آمونیوم غوطه‌ور بود. مزیت این نوع باتری فراهم کردن ولتاژ ۱.۴ تا ۱.۶ بود که باعث مشهوریت آن در تلگراف و کارهای الکتریکی گراهام بل شد.

اولین باتری خشک روی-کربنی
با اینکه همه باتریهای گذشته از الکترولیت‌ها استفاده می‌کردند، در سال ۱۸۸۷ کارل گاسنر اختراع باتری روی-کربنی را به نام خود ثبت کرد که به جای الکترولیت آزاد، از ترکیب گچ پاریس و کلرید آمونیوم استفاده می‌کرد. کاتد با جنس دی‌اکسید منگنز به این قسمت وصل‌شده بود و هر دوی آنها در یک پوسته رویی مهر و موم شده بود که به عنوان آند عمل می‌کرد.

طراحی باتری روی-کربنی بعدها توط شرکت کربنی ملی بهبود یافت که در آن به جای گچ پاریسی از مقوای نازک فشرده استفاده شد، این امر باتری‌ها را کوچکتر کرد و عملیات ساخت و سوارکردن آنها را آسانتر کرد. نتیجه این عمل باتری خشک کلمبیا بود، اولین باتری مناسب برای استفاده عمومی و در تعداد بالا که دستگاه‌های الکتریکی قابل‌حمل را کاربردی‌تر کرد.

اولین باتری آلکالاین دنیا
اولین باتری آلکالاین که از ترکیب الکترودهای نیکل و کادمیوم ساخته‌شده بود توسط دانشمند سوئدی والدمار جانگنر در سال ۱۹۰۰ معرفی شد. این باتری قابلیت شارژ مجدد را داشت و با اینکه در اروپا حضور موفقی پیدا کرد، به دلیل جنگ جهانی دوم، در سال ۱۹۴۶ به آمریکا رسید.

قرن بیستم - قرن باتری‌های امروزی
باتری نیکل-آهنی ادیسون
در کنار باتری نیکل-کادمیوم اشاره‌شده در فوق، والدمر جانگلر همچنین باتری نیکل-آهنی هم ساخت، ولی چون فکر می‌کرد طراحی این باتری بسیار سطح‌پایین است، هرگز آنرا معرفی نکرد. در هر حال، این توماس آلوا ادیسون بود که در ایجاد کمی تغییرات از این ایده بهره گرفت و اختراعش را در سال ۱۹۰۳ به نام خود ثبت کرد. ادیسون امیدوارد بود که باتری های نیکل-آهنی جایگزین باتری‌های سرب-اسیدی اتومبیل‌های اولیه شود، ولی چون این باتری‌ها به اندازه باتری‌های سرب-اسیدی تاثیر داشتند و از نظر کاربرد چیز فراتری نسبت به آنها نداشتند، این اتفاق برخلاف چیزی که ادیسون پیش‌بینی کرده بود، جایگزین نشد.

پنجاه سال ابتدایی قرن بیستم
درحالی که قرن نوزدهم بر روی الکتریسیته و نیروی بخار گذشت، نیمه اول قرن بیستم بسیار گسترده بود، همه این مفاهیم و از طرفی سوق به سوی نفت. در مقابل قسمت، توسعه باتریها در پنجاه سال گذشته و حتی در قرن بیستم ناچیز به نظر می‌رسید. با اینکه بهبودهای بسیار زیادی در این زمینه ارائه شد (باتری‌های نقره-روی و نیکل-روی در ۱۹۲۷ تا ۱۹۳۰)، مهمترین توسعه، توسعه سلول‌های جیوه‌ای بود که در سال ۱۹۴۲ توسط سامول روبن و فیلیپ راجرس مالوی معرفی شد.

بازگشت باتری - باتری آلکالاین متداول
بعد از اتمام جنگ جهانی دوم، دانشمندان دوباره به موضوع باتری‌ها دید ارزشمندانه‌ای پیدا کردند. حتی در دهه ۱۹۵۰، لویس اورری، مهندس شرکت ایوردی (انرژایزر کنونی) باتری با کاتد دی‌اکسید منگنز و آندی از روی پودرشده با یک الکترولیت آلکالاین ساخت. این باتری‌ها در سال ۱۹۵۹ وارد بازار شدند و موردتوجه مردم قرار گرفتند. ایوردی در دهه ۱۹۵۰ باتری‌های با ارزش دیگری نیز معرفی کرد، برای مثال در ۱۹۵۶ اولین باتری ۹ولت، در ۱۹۵۷ اولین باتری ساعت تجاری و در ۱۹۵۸ اولین باتری قابل شارژ نیکل-کادمیوم را وارد بازار کرد.

باتری خورشیدی
در سال ۱۹۵۴، جرالد پیرسون، کالوین فولر و داریل چاپلین اولین باتری خورشیدی که از چندین ستون موازی سیلیوکونی ساخته شده بود را اختراع کردند. این باتری در مقابل نورخورشید قرار می‌گرفت و هدف آن به دام انداختن الکترونهای آزاد و تبدیل آنها به جریان الکترونیکی بود. اولین سرویس آزمایشی عمومی باتری خورشیدی بل (نام بل به دلیل لابراتور بل است که این تحقیق را شروع کرده بود) با سیستم تلفنی حامل تلفنی در ۱۹۵۵ شروع شد.

باتری‌های لیتیوم، لیتوم-یون و لیتیوم-پولیمر
تاریخچه باتری‌ها بدون ذکر باتری‌های معروف امروزی که در فروشگاه‌ها پیدا می‌شوند، یعنی باتری‌های لیتیومی، لیتیوم-یونی و لیتیوم-پلیمتری تکمیل نخواهد شد.
اولین باتری‌های لیتیومی به سال ۱۹۱۲ باز می‌گردد، جایی که لویس بر روی آنها کار می‌کرد، با این حال اولین محصولات تجاری این نوع باتری‌ها در دهه ۱۹۷۰ معرفی شدند، و اولین باتری لیتیوم-یونی در سال ۱۹۹۱ به بازار آمد. باتری‌های لیتیوم-یونی توسط شیمیدان آمریکای جان بی گوداناف برای سونی توسعه یافت که از باتری‌های لیتیومی معمولی پایدارتر بود.
ولی کار اینجا به اتمام نرسید، در سال ۱۹۹۶ بود که باتری‌هایی با طراحی بهتر یعنی باتری‌های لیتیوم-پولیمری معرفی شدند. در این نوع باتری‌ها الکترولیت درون یک مخلوط پلیمری جامد قرار گرفته است، همراه الکترودها و جداکننده‌های ورقه‌ای در کنار همدیگر.

باتری‌های NiMH (نیکل فلز هیدراد)
باتری‌های NiMH در دهه ۱۹۸۰ توسط استانفورد آر اوشینسکی توسعه یافت و با جایگزینی الکترودهای هیدروژنی‌جاذب به جای کادمیوم در باتری‌های NiCd (نیکل-کادمیوم) معرفی شد. باتری‌های NiMH قوی‌تر از همتای NiCd خود بودند و از طرفی چون کادمیوم ماده‌ای سمی به حساب می‌اید، باتری‌های NiMH با محیط زیست بهتر رفتار می‌کردند.

توسعه‌های آینده
با اینکه باتری‌های امروزی از همان قوانین باتری‌های گذشته استافده می‌کنند، ولی بهبود در محلول‌های شیمیایی توسط مهندسان شرکت‌های بزرگ عرصه باتری‌سازی برای افزایش طول عمر باتری قابل انتظار است.
همچنین باید توجه داشته باشید که همانگونه که امروزه باتری‌ها بیشتر از گذشته در زندگی روزمره استفاده می‌شوند، در آینده هم بازه استفاده از باتری‌ها از امروز بیشتر خواهد شد، مخصوصا با ورود اتومبیل‌هایی که نیروی حرکتی خود را از باتری‌ها تامین خواهند کرد.

همانگونه که می‌بینید، باتری‌ها جزئی جدایی‌ناپذیر در زندگی ما هستند و آمده‌اند تا بمانند و در آینده هم نقش بسیار بزرگی را بازی خواهند کرد، پس بشر باید تمرکز خود روی انرژی‌های سبز، تمیز و دوستدار طبیعت قرار دهد.