پیل حرارتی

طبقه بندی پیلهای حرارتی

پیلهای حرارتی انواع گوناگونی دارند؛ اما می‌توان بطور کلی آنها را به دو دسته پیلهای لیتیومی و پیلهای کلسیومی تقسیم نمود. طیف گسترده‌ای از مواد به منظور ساخت اجزای پیل مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ ولی نحوه انتخاب آنها باید به گونه‌ای باشد که بتواند بر حسب نیاز ، بهترین سطح ولتاژ و جریان را تأمین نماید. در پیلهای لیتیومی از لیتیم و ترکیبات آن و در پیلهای کلسیومی از کلسیم و ترکیبات آن برای ساخت قطعات اصلی پیل استفاده می‌گردد. محدوده ولتاژ قابل تأمین توسط هر پیل در حدود 1.5 تا 3.5 ولت است.

پیلهای لیتیومی

آند

در این پیلها ابتدا از لیتیوم خالص به عنوان آند استفاده می‌شد؛ اما استفاده از این ماده مشکلاتی را به همراه داشت. لیتیوم خالص بیش از اندازه فعال است و کار کردن با آن آسان نیست. از طرفی دارای نقطه ذوب پایینی است و در دمای 181 درجه سانتیگراد ذوب می‌شود. در نتیجه در درجه حرارت عملکرد پیل ، به صورت مذاب در می‌آمد و می‌تواند به سمت بیرون نشت پیدا کرده و باعث اتصال کوتاه شدن پیل می‌گردید. به همین دلیل مجبور بودند لیتیوم مذاب را بوسیله یک قطعه اسفنجی مهار نمایند که این کار نیز مشکلاتی را به همراه داشت. لذا دیگر از لیتیوم خالص برای اند استفاده نمی شود، بلکه از آلیاژهای لیتیوم مانند لیتیوم- آلومینیوم و لیتیوم – سیلسیوم برای این منظور استفاده می‌شود. این کار مزایای زیادی دارد: از جمله اینکه نقطه ذوب را افزایش می‌دهد. به گونه‌ای که در درجه حرارت عملکرد پیل ، آند می‌تواند پایداری حرارتی خود را حفظ نماید. از سوی دیگر ساخت و کاربردی کردن آن آسانتر است.

الکترولیت

بطور معمول از نمکهای هالیدی فلزات قلیایی برای ساخت الکترولیت استفاده می‌شود. این کار بخاطر قابلیت هدایت الکتریکی بسیار بالای این نمکها در حالت مذاب است. نقطه ذوب هر یک از این نمکها بالاست. در صورتی که الکترولیت باید دارای نقطه ذوب به نسبت پایینی باشد تا تأمین گرمای لازم برای رسیدن به نقطه ذوب آسان باشد. به همین دلیل از ترکیب یوتکتیک دوگانه یا سه گانه این نمکها استفاده می‌شود. ترکیب یوتکتیک به ترکیبی گفته می‌شود که کمینه نقطه ذوب را به ازای درصد معینی از اجزای تشکیل دهنده‌اش دارا باشد. در پیلهای حرارتی بطور معمول از ترکیب یوتکتیک کلریدهای لیتیوم و پتاسیم به عنوان الکترولیت استفاده می‌شود. نقطه ذوب هر یک از این دو ماده به ترتیب 614 و 790 درجه سانتیگراد است. در حالی که نقطه ذوب ترکیب یوتکتیک آنها برابر با 352 درجه سانتیگراد است.

کاتد

طیف گسترده‌ای از مواد به عنوان کاتد در پیلهای لیتیومی مورد استفاده قرار می‌گیرند. اما بیشتر از سولفیدهای فلزی نظیر سولفید آهن ، بی سولفید آهن ، سولفید مس و بی سولفید کبالت برای این منظور استفاده می‌شود. مهمترین مشخصه مواد فعال کاتد این است که دارای پایداری حرارتی باشد تا در دمای عملکرد پیل دچار تجزیه یا تغییر فاز نشود. از این مواد بی سولفید آهن بخاطر خواص الکتروشیمیایی مطلوب ، سهولت دسترسی و ارزان بودن ، بیشتر استفاده می‌شود. بی سولفید آهن که نام تجارتی آن پیریت است به دو صورت طبیعی و سنتزی یافت می‌شود. پیریت طبیعی خلوص بالایی ندارد، اما به روش سنتزی می‌توان به درجه خلوص بالای 99 درصد نیز دست یافت که این نوع پیریت را پیریت سنتزی می‌نامند.

شیوه عملکرد

درجه حرارت عملکرد پیل بستگی به نوع الکترولیت استفاده شده دارد. هر قدر الکترولیت مورد استفاده نقطه ذوب پایین‌تری داشته باشد، پیل زودتر شروع به کار خواهد کرد و زمان فعال شدن آن کوتاه‌تر خواهد بود. پس از ذوب تا الکترولیت مجموعه واکنشهای الکتروشیمیایی بین آند و کاتد رخ می‌دهد. این گرما توسط مواد پیروتکتیک اطراف و لابه‌لای پیلها تأمین می‌گردد. برای آزاد شدن گرمای ناشی از سوختن این مواد باید یک زنجیره آتش فعال گردد. برای این منظور ابتدا با اعمال یک پالس الکتریکی یا مکانیکی چاشنیهای باتری فعال می‌شود و مواد پیروتکنیکی موجود در اطراف پیلها بر اثر آن می‌سوزند. این مواد که دارای سرعت سوزش بالایی هستند، سبب فعال شدن منابع گرمایی موجود در لابه‌لای پیلها می‌شوند. گرمای ناشی از اشتغال این منابع به گونه‌ای محاسبه می‌گردد که بتواند عملکرد باتری را برای مدت زمان مورد نیاز تضمین نماید.

ساخت پیل

برای ساخت پیل از فناوری پیلهای نازک استفاده می‌شود. مطابق این روش هر یک از مواد مربوط به اجزای پیل به صورت یک قرص با ابعاد مورد نیاز و ضخامت کم ساخته می‌شوند. با توجه به اینکه سطح ولتاژ پیلهای کلسیومی به میزان 0.5 ولت بالاتر از پیلهای لیتیومی است، لذا سامانه لیتیومی نیاز به تعداد پیلهای بیشتری دارد تا بتواند سطح ولتاژ معینی را تولید نماید. از سوی دیگر در سامانه لیتیومی ، برخلاف سامانه کلسیومی ، باید یک لایه جدا کننده بین آند و کاتد بکار رود تا از واکنش مستقیم بین این دو و در نتیجه اتصال کوتاه شدن پیل جلوگیری نماید. به همین دلیل ضخامت پیلهای لیتیومی افزایش می‌یابد. لذا استفاده از فناوری پیلهای نازک می‌تواند امکان تولید پیل با کمترین ابعاد را فراهم سازد.