یکی از انواع باتری های قلیایی به نام باتری روی – نقره یا اکسید نقره است که از چگالی انرژی بالایی برخوردار است. این نوع باتری که به صورت باتری دکمه ای به کار برده می شود، در بسیاری از ابزارهای الکترونیکی مانند سمعک و تجهیزات عکاسی مورد استفاده قرار می گیرد. دو نوع از باتری روی – نقره بر اساس سرعت و بازده آن وجود دارد. این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک ما را با باتری روی – نقره و اجزای تشکیل دهنده آن آشنا می کند.
باتری روی – نقره چیست؟
باتری اکسید نقره – روی باتری بسیار پرانرژی است که با توجه به نوع آن می تواند بسیار مورد استفاده قرار گیرد. اگر راندمان و سرعت را مدنظر بگیریم، دو نوع از این باتری ها وجود دارد. باتری با سرعت دشارژ پایین که طول عمر عملکردی آن نهایت بین ۱ تا ۳ سال بوده و تعداد سیکل های عملیاتی مفید آن به طور تقریبی ۱۰۰ سیکل است. نوع دوم، باتری با سرعت دشارژ بالا است که نهایت طول عمر عملکردی آن ۵ ماه بوده و تعداد سیکل های عملیاتی آن ۲۰ است. از باتری های نوع اول در صنایع الکترونیکی، نظامی و مخابراتی و از نوع دوم بیشتر در صنایع نظامی مانند سیستم های دفاعی و جنگی استفاده می شود.
در اژدرهای الکتریکی از باتری های روی – اکسید نقره به عنوان منبعی برای تامین نیروی پیشران استفاده می شود. در دسته بندی دیگری، این نوع باتری ها را به دو دسته ی اولیه که قابل شارژ نیستند و ثانویه که قابل شارژ هستند، تقسیم می کنند. همچنین بر اساس مکانیسم فعالسازی نیز می توان باتری های روی – اکسید نقره را به دو دسته ی فعال شونده دستی و فعال شونده خودکار تقسیم کرد. از باتری هایی که به طور دستی فعال می شوند در سیستم های فضایی و زمینی و از باتری های خودکار در صنایع موشکی به کار گرفته می شود.
چگونگی عملکرد باتری روی – نقره
وقتی باتری روی – اکسید نقره مورد استفاده قرار می گیرد و دشارژ می شود، واکنش های الکتروشیمیایی در آن انجام می شود. این واکنش بین دو الکترود کاتد که اکسید نقره است و آند که روی است انجام می شود. اکسید نقره می تواند AgO و یا Ag۲O باشد. محلول پتاسیم هیدروکسید نیز در این سیستم، به عنوان الکترولیت به کار برده می شود.
در طی واکنش الکتروشیمیایی که در دمای ۲۵ درجه سانتی گراد، بین دو قطبی کاتد مثبت و آند منفی انجام می شود، هیدروکسید روی به صورت محلول و نقره به صورت جامد تشکیل می شود.
اجزای اصلی تشکیل دهنده باتری روی – نقره
در باتری های مورد بحث در این مقاله، دو الکترود روی و نقره، سیستم غشا و سپراتور، الکترولیت، اتصالات مورد نیاز و در کل بدنه سل، اجزای تشکیل دهنده آن هستند. علاوه بر اکسیدهای نقره ای که در بالا گفته شد، Ag۲O۳ نیز می تواند به عنوان کاتد استفاده شود. فلز نقره که در نتیجه واکنش الکتروشیمیایی در این باتری تولید می شود، در محلول های قلیایی مانند هیدروکسید پتاسیم پایدار است.
در این جا به بررسی الکترولیت و الکترودهای مورد استفاده در باتری های روی – اکسید نقره می پردازیم.
الکترولیت و اتصالات
محلول هیدروکسید پتاسیم به عنوان محلول الکترولیتی است که در باتری های مورد بحث استفاده می شود. غلظت این محلول را با توجه به نوع باتری ها متغیر است. به عنوان مثال تفاوت در سرعت دشارژ باتری ها، در غلظت انتخابی این محلول ها موثر است. در این هنگام ممکن است مواد افزودنی به این محلول ها اضافه شود.
اتصالاتی که در سیستم پیل الکتروشیمیایی باتری های نقره – روی استفاده می شود، می توانند جنس هایی از نقره، مس، نیکل و … باشد. برای بالا بردن هدایت الکتریکی و همچنین بازده عملکردی این نوع باتری ها، از پوشش نقره برای اتصالات آن ها استفاده می شود. اما پلاستیک های SAN و یا پلی سولفان برای بدنه این باتری ها کاربرد دارد، زیرا این مواد دارای مقاومت شیمیایی و مکانیکی خوبی هستند.
ساخت الکترود آند (روی)
از روش های مختلفی برای ساخت الکترود روی در باتری های روی – نقره استفاده می شود. یکی از این روش ها، پرس خشک است که در آن، مواد به صورت پودری و در همان حالت خشک، به صورت پرس شده روی شبکه فلز الکترود قرار می گیرند. مقدار معینی از این ماده استفاده می شود.
روش دیگری، خمیری است که در آن نیز مقدار معینی از ماده و با ضخامت مشخص، اما به شکل پودری روی شبکه پرس می شود.
رسوب دادن مقدار معین ذرات فعال روی در یک سیستم الکترولیتی بر روی شبکه، از روش های دیگر ساخت الکترود روی است.
از بین روش های گفته شده، معمول ترین روشی که برای باتری های سرعت دشارژ بالا استفاده می شود، الکترولیتی است. در این باتری ها، برای این که از این الکترودها در برابر خورندگی هیدروژن محافظت شود، آن ها را به جیوه آغشته می کنند.
ساخت الکترود کاتد نقره یا اکسید نقره
از دو روش خشک و خمیری در ساخت الکترود نقره مشابه با ساخت الکترود روی، استفاده می شود. در روش خشک، مقدار معینی از ماده فعال و پودری نقره بر روی شبکه اعمال و پرس می شود. در روش خمیری نیز، پودر نقره و مواد خمیری کننده به عنوان خمیرساز، در مقدار معینی بر روی شبکه الکترود اعمال و پرس می شود.
علاوه بر روش های گفته شده، برای ساخت الکترود نقره از روش سومی به نام تف جوشی نیز استفاده می شود. در این روش، همان اعمال روش خشک و خمیری اعمال می شود، اما بعد از پرس کردن برای ایجاد استحکام در الکترود، عملیات تف جوشی (زینترینگ) انجام می شود. این اعمال تحت دمای معین و در مدت زمان معین انجام می گیرد.
روش ساخت الکترود نقره به صورت خمیری
در این روش برای بالا بردن فعالیت الکتروشیمیایی الکترود، به مواد فعال و پودری الکترودها، مواد افزودنی به عنوان مواد خمیری کننده اضافه می کنند. مواد افزودنی شامل عامل اتصال دهنده و عامل پرکننده ای است که بی اثر بوده ولی حجم خمیر را زیاد کرده و موجب پخش راحت آن روی سطح شبکه الکترود می شوند. در این حالت مواد فعال دارای استحکام مکانیکی بین یکدیگر و بین آن ها با شبکه الکترود می شود.
اما عوامل خمیرساز باید با مواد فعال الکترودی بی اثر بوده و در صورت امکان بهتر است، جریان الکتریسیته را عبور دهند. همچنین این مواد باید توانایی چسبندگی داشته و بتوانند با حل شدن در آب، تولید مواد پایدار و یکنواختی را بدهند. یکی از خصوصیاتی که عامل خمیرساز باید داشته باشد، امکان تجزیه حرارتی آن در دمای مناسب است که در این شرایط، باید حداقل خاکستر بر جای بماند.
روش های ساخت الکترود نقره به صورت تف جوشی
ساخت الکترودهای نقره اکسید زینتر شده
مراحلی که برای تهیه این نوع از الکترود انجام می گیرد، شامل تهیه خمیر از مخلوط پودر اکسید نقره با آب در یک استوانه است. سپس از این خمیر که ۷۰ تا ۸۰ درصد Ag۲O دارد با استفاده از یک اسپاتول، روی توری بافته شده از نقره کشیده می شود. به جای توری نقره، می توان از ورقه نقره پانچ و یا توری مسی یا نیکلی استفاده کرد که با نقره آبکاری شده است. لایه خمیر کشیده شده را ابتدا در دمای ۷۰ تا ۸۰ درجه سانتی گراد و سپس در دمای ۴۰۰ تا ۶۰۰ درجه سانتی گراد حرارت می دهند تا تجزیه اکسید نقره به نقره آنجام شود. مدت زمان زینتر شدن بسته به دمای مورد استفاده دارد. اگر دما ۴۵۰ درجه سانتی گراد باشد، مدت زمان به کار رفته ۳۰ دقیقه خواهد بود.
سپس برای ایجاد اتصال بیشتر بین توری و نقره، پلیت ها فشرده می شوند. بعد از این مرحله، الکتروفرم نقره به اکسید نقره دوظرفیتی در محلول هیدروکسید پتاسیم انجام می شود. در نهایت الکترودها را با آب جاری شسته و آن را در دمای ۷۰ درجه سانتی گارد خشک می کنند. نکته ای که باید توجه شود، خشک کردن آهسته آن برای جلوگیری از ترک خوردگی است. تجزیه نقره اکسید با قرار دادن در کوره انجام می گیرد.
ساخت الکترودهای پودر نقره زینتر شده
برای ساخت الکترودهای مجزا و یا نوراهای پیوسته، از روش ساخت الکترود نقره بر اساس زینتر کردن پودر نقره به صورت مستقیم استفاده می شود. توری و شبکه نگهدارنده در این روش، صفحه فلزی کشیده شده است. ساخته شدن این الکترودها در قالب هایی با صفحه فولادی انجام می شود. در این روش ابتدا مقدار معینی از پودر نقره داخل قالب ها ریخته شده و به صورت صاف شده روی شبکه قرار می گیرد. بعد از این که نگهدارنده روی آن قرار می گیرد، لایه بعدی پودر نقره روی شبکه ریخته می شود.
ممکن است به جای دو مرحله، ریخته شدن پودر نقره روی شبکه نگهدارنده، به صورت یکجا انجام شود. سپس پودر نقره را فشرده کرده و در کوره های الکتریکی، قالب های ریخته شده در مجاورت هوا و با دمای ۴۰۰ تا ۷۰۰ درجه سانتی گراد گرما داده می شوند. در این شرایط، ذرات نقره زینتر می شوند. با برش دادن پودرهای زینتر شده در ابعاد دلخواه، آن ها مورد استفاده قرار می گیرند.
نکته ای که در این زمینه رعایت می شود، فضای بزرگتری برای الکترولیت در نتیجه ی ایجاد شیارها در سطح الکترود، بین نقره و جدا کننده نفوذپذیر ایجاد می شود.
ساخت الکترودهای آمیخته با رزین زینتر شده
برای ساخت الکترودهای با رزین زینتر شده که یکی از جدیدترین روش های ساخت الکترود در باتری روی – نقره است، ابتدا مخلوطی از پودر نقره، رزین مناسب و یا ترکیب متخلخلی ایجاد می شود. مخلوط ایجاد شده را می توان به شکل ورقه های پیوسته ای نورد داد. زینتر کردن این ورقه های نقره از طریق حرارت دادن آن ها انجام می شود که با سوختن، رزین آن ها از بین می رود. ورقه ها را برش داده و تخلخلی که در ساختار ورقه ها وجود دارد، سطوح تاثیر پذیر آن را زیاد می کند. در این حالت بازده الکترود بالا می رود. میزان تخلخل ورقه های ساخته شده به اندازه مواد، فشاری که در پرس به کار برده می شود و همچنین دمای زینتر کردن بستگی دارد.
