باتری‌های پایه زینک و باتری اتمی

جعبه‌ی خاطرات ادیسون
موضوع: باتری‌ها
محققین و نویسندگان: علیرضا صف‌شکن، مبینا کریمی، مصطفی بهنام‌فر، عماد ملائی
گویندگان: سید مصطفی ناظمی، آیدین خلقی، مبینا کریمی، محدثه قانعی
اسفند1400

باتری‌های پایه زینکی

باتری­های پایه زینک به انواع مختلفی تقسیم میشن که هر کدوم داستان خودشونو دارن.

نوع اول باتری­های اکسید نقره- زینک هستن که اکسید نقره کاتد و زینک نقش آند داره، الکترولیتی که برای این باتری استفاده میشه معمولاً هیدروکسید سدیم یا هیدروکسید پتاسیمه. در اثر واکنش اکسایش و کاهش، زینک الکترون آزاد میکنه و باعث ایجاد جریان میشه.

باتری­های کربن - زینک نوع دوم هستن که یک سلول خشکه و جریان الکتریکی مستقیم رو از واکنش الکتروشیمیایی بین زینک و دی اکسید منگنز (MnO2) در حضور یک الکترولیت تولید میکنه. باتری‌های زینک-کربن اولین باتری‌های خشک تجاری بودن که از فناوری سلول لُکلانشه مرطوب ساخته شدن. اونا چراغ قوه و سایر دستگاه‌های قابل حمل رو ممکن کردن، چون این باتری چگالی انرژی بالاتری رو با هزینه کمتری نسبت به سلول­های موجود قبلی ارائه میکرد. هنوز هم این باتری­ها در دستگاه­های کم‌تخلیه مثل کنترل از راه دور، چراغ‌قوه، ساعت و رادیو ترانزیستوری مفیدن. سلول‌های خشک زینک - کربن سلول­های اولیه یکبار مصرفن. امروزه این باتری­ها عمدتاً با باتری‌های قلیایی کارآمدتر و ایمن‌تر جایگزین شدن.

نوع سوم، باتری­های زینک - هوا هستن، فناوری اولیة این باتری­ها که قابل شارژن، به یه قرن پیش برمیگرده. اولین سلول حاوی زینک مخلوطی از دی اکسید منگنز و کاتد کربن با الکترولیت کلرید آمونیوم بوده، لُکلانشه به طور اتفاقی کاتد این سلول رو در معرض هوا قرار داده و به اصطلاح مرزهای سه فاز رو بوجود آورده و این یکی از ناخواسته‌ترین ساخته‌های بشره، باتری با پایه زینک!

اما چرا مورد توجه قرار گرفته؟ سلول‌های زینک - هوا فاقد ترکیبات سمی هستن، نه بسیار واکنش‌پذیرن و نه قابل اشتعال. در واقع، میشه اونا رو بازیافت کرد، با خیال راحت از بین برد، یا با زینکِ جدید دوباره شارژ کرد. این باتری نسبت به باتری‌های لیتیومی عملکرد بالاتری داره و چون زینک نسبت به لیتیوم فراوان تره کم هزینه ترم هست. یه باتری معمولی زینک - هوا شامل یک کاتد هوای متخلخل و یک آند فلزی زینکه که با یه الکترولیت قلیایی از هم جدا شدن. در طول تخلیه، اکسیژن از هوا به کاتد متخلخل نفوذ و روی سطح کاهش پیدا میکنه؛ اکسید زینک محلول در همین زمان توسط آند فلز زینک، تولید میشه و با این کار الکترون آزاد تولیدی از طریق مدار حرکت میکنه و میتونه یک دستگاه رو تغذیه کنه. از نظر تئوری، این واکنشو میشه با تکامل اکسیژن در کاتد معکوس و زینک فلزی رو در آند آبکاری کرد. یکی از چالش‌های اصلی این باتری‌ها سینتیک کند اونهاس که باعث میشه عمر کمتری داشته باشن. در حال حاضر، اکسیدهای فلزات گرانبها یا فلزات واسطه به عنوان کاتالیزور با بهترین عملکرد توسعه پیدا کردن. بعلاوه، استفاده از مواد کربنی ارزون و رسانا، هزینه کاتالیزور نهایی رو کاهش داده. مزیت ذاتی این باتری‌ها اینه که به مواد خام حیاتی نیاز ندارن و برای مثال میشه از مواد مبتنی بر کربن از ضایعات ریخته‌گری استفاده کرد. چالش بعدی که حائز اهمیتیه، واکنش خود به خودی بین زینک و الکترولیته، این واکنش باعث ایجاد هیدروژن میشه و خوردگی الکترود و درنهایت شکست سلول رو به همراه داره، متاسفانه به خاطر این موضوع که باید برای مصارف تجاری از آندهای زینک با نرخ دریافت اکسیژن بالا استفاده کنیم این باتری‌ها هنوز قابل استفاده نیستن. دانشمندان و شرکت‌های همکار در تلاشن این فناوری رو توسعه بدن تا روزی برسه که ماشین­های ما به جای مکیدن بنزین، از هوا استفاده کنن.

نوع چهارم، باتری­های جیوه­ای مثل باتری­های نوع اول، یعنی اکسیدنقره - زینک، از یک الکترولیت قلیایی استفاده میکنن و کاربرد و ولتاژ تولیدیشون در حد و اندازه­ی باتری­های نوع دوم، یعنی کربن - زینک هستش. این باتری­ها بیشتر به شکل دکمه­ای در ساعت­ها، سمعک و دوربین­ها کاربرد دارن، اما با توجه به اینکه جیوه یک مادة سَمیه و برای محیط زیست مضره، تولید و فروش این باتری­ها در خیلی از کشورها ممنوع شده.

باتری­های قلیایی پنجمین نوع باتری­های پایه زینکه. برای این قلیایی نامیده شده که الکترولیت قلیایی داره. درسته که باتری­های دیگه­ای رو هم گفتیم که الکترولیت قلیایی دارن، اما اون­ها الکترودهای فلزات فعال متفاوتی دارن که مثل این نوع نیست. انرژی این باتری از واکنش بین زینک و دی‌اکسید منگنز بدست میاد و الکترولیت اون بجای کلرید آمونیوم اسیدی یا کلرید زینک، هیدروکسید پتاسیمه. طول عمر باتری­های قلیایی زیاده و در حالیکه ولتاژ یکسانه چگالیِ انرژی بیشتری نسبت به زینک - کربن دارن. با بیشتر کردن دی‌اکسید منگنز سمی میشن ولی بازهم در مقایسه با بقیة باتری­ها به چشم نمیاد. این باتری­ها در دوربین­های دیجیتال، رادیو و اسباب‌بازی‌ها استفاده میشن.

باتری اتمی

در تعریف سنتی باتری اتمی، به‌نوعی از باتری‌ها گفته میشه که صفحات داخل اون قبل از ساخت، شارژ شده و به صورت دسته صفحه دراومده و در نهایت مونتاژ میشه. بر خلاف باور عمومی، این باتری‌ها دارای الکترولیته ولی به‌خاطر جنس خاص صفحه‌های اون، نیاز به اضافه‌کردن آب‌مقطر نداره و الکترولیت اون کم نمیشه.

باتری اتمی سنتی در واقع نوعی باتری مهر و موم شدست که بسته بندی اون به خاطر جلوگیری از هدر رفتن الکترولیته. ساز و کار این باتری، امکان بهره‌برداری از باتری رو در هر موقعیتی فراهم میکنه. گاز تولید شده در اون کنترل میشه تا بتونیم از 99 درصد این گازهای تولید شده، مجدداً استفاده کنیم. تولیدکنندگان باتری با توجه به ساختار اون، عمر باتری رو بین 3 تا 5 سال در سرویس‌های شناور پیش بینی کردن. در طی این مدت، بیش از هزار چرخه شارژ و دِشارژ اتفاق می افته. مزایای این نوع باتری نسبت به نوع اسیدی اینه که نیاز به تعمیرات و بازدید کمتر، قدرت استارت زدن بالاتر و مقاومت بالا در برابر شارژ بیش از حد و تخلیه شدن داره.

اصطلاحاتی از قبیل باتری اتمی، باتری هسته‌ای، باتری تریتیومی و ژنراتور رادیوایزوتوپی، همگی برای توصیف یک دستگاه مشخص به کار میرن؛ دستگاهی که مثل راکتورهای هسته‌ای از واپاشی ایزوتوپ‌های رادیواکتیو، برای تولید برق استفاده میکنه؛ اما با هم تفاوت‌هایی دارن و از واکنش زنجیره‌ای یکسان استفاده نمیکنن. باتری‌های اتمی در مقایسه با باتری‌های دیگه بسیار پرهزینه ان؛ اما در کنار هزینه‌ی ساخت و نگه‌داری بالا، نباید از عمر طولانی و تراکم انرژی بالای اون‌ها به‌راحتی عبور کنیم. این ویژگی‌ها در واقع همون دلیلیه که اونارو به‌عنوان یک منبع انرژی مناسب برای تجهیزاتی تبدیل میکنه که باید برای مدت‌های طولانی به‌دور از نظارت و وارسیِ نزدیک باشن؛ از جمله‌ی این تجهیزات میشه به فضاپیماها، ضربان‌سازهای قلب، سیستم‌های زیردریایی و ایستگاه‌های علمی خودکار در نقاط دورافتاده اشاره کرد.

باهم 6 گروه باتری پرکاربرد رو بررسی کردیم، عزم بشر در توسعه باتری‌ها جزم شده. دنیای پیش رو نیازمند حمل کردن انرژیه. انرژی باعث پیشرفت انسان شده و اون رو متمدن نگه‌میداره. هوای منابع انرژی مون رو داشته باشیم:) ... ممنون که پابه‌پای وولکانو پیش میایین ... مراقب خودتون باشید.