5/5 - (2 امتیاز)

S-2107 : باتری ثانویه؛ باتری قابل شارژ

Secondary batteries

فهرست مطالب

در این مقاله راهنمایی برای انتخاب بهترین باتری قابل شارژ یا “باتری ثانویه” را برای شما آماده کرده‌ایم. بیشترین زمان پشتیبانی، عمر طولانی، اندازه مناسب و کم هزینه بودن و… ، همه این موارد در انتخاب باتری مناسب شما دخیل هستند. پس با ساینا باتری همراه باشید تا به طور مفصل درباره این ویژگیها بحث کنیم.

تاریخچه پیدایش باتری قابل شارژ

جان اف دانیل، شیمیدان انگلیسی، در سال 1836 یک باتری ارتقا یافته تولید کرد. این باتری نسبت به نمونه‌های قبلی، جریان ثابت‌تری را برای ذخیره انرژی الکتریکی تولید میکرد. همچنین پزشک فرانسوی Gaston Planté در سال 1859، اولین باتری قابل شارژ مبتنی بر سرب اسید را اختراع کرد. سیستمی که امروزه نیز همچنان مورد استفاده قرار می‌گیرد.

تا آن زمان، همه باتری‌ها “اولیه” بودند یعنی قابلیت شارژ مجدد نداشتند.

پیشنهادی: باتری سیلد لید اسید چیست را مطالعه کنید.

والدمار یونگنر از سوئد در سال 1899، باتری نیکل کادمیوم (NiCd) را اختراع کرد. والدمار در این باتری از نیکل به عنوان الکترود مثبت (کاتد) و کادمیوم به عنوان الکترود منفی (آند) استفاده ‌نمود. هزینه‌های بالای مواد این باتری در مقایسه با سرب استفاده از آن را محدود می‌کرد.

دو سال بعد، توماس ادیسون آهن را جایگزین كادمیوم این باتری كرد و آن را نیکل آهن (NiFe) نامید. انرژی ویژه کم، عملکرد ضعیف در دمای پایین و تخلیه خودبه‌خودی زیاد، موفقیت باتری نیکل آهن را نیز برهم زد. تنها در سال 1932 بود که شلخت و آکرمن به جریان‌های بار بیشتری در این باتری دست یافتند و با اختراع صفحه قطب متخلخل، طول عمر نیکل کادمیوم را بهبود بخشیدند. گئورگ نویمان در سال 1947 موفق به پلمپ سلول آن شد.

نیکل کادمیوم برای سال‌های طولانی تنها باتری قابل شارژ مورد استفاده در کاربردهای هوشمند و قابل حمل بود. در دهه 1990، محیط‌بانان اروپایی نگرانی خود از آسیب‌هایی که هنگام دفع نیکل کادمیوم به محیط زیست اعمال می‌شد را ابراز کردند. در حال حاضر دستورالعمل 2006/66/EC فروش این باتری را در اتحادیه اروپا مگر برای موارد خاص صنعتی که هیچ جایگزینی برای آن‌ها مناسب نیست، محدود می‌کند. گزینه جایگزین این باتری، باتری نیکل هیدرید فلز (NiMH) است. نیکل هیدرید فلز یک باتری سازگار با محیط زیست و شبیه به نیکل کادمیوم است.

مقایسه باتری های قابل شارژ

باتری‌های قابل شارژ، نقش مهمی در زندگی ما دارند. بسیاری از کارهای روزانه ما با دستگاه‌هایی است که بدون توانایی شارژ ‌مجدد قابل تصور نیست. متداول‌ترین باتری‌های قابل شارژ، سرب اسید، نیکل هیدرید فلز، نیکل کادمیوم و لیتیوم یون هستند. در ادامه خلاصه‌ای از مشخصات آن‌ها آورده شده است.

باتری سرب اسید

این باتری قدیمی‌ترین باتری قابل شارژ است. اسید سرب یک باتری بادوام، در صورت آسیب بی‌خطر و قیمت آن از نظر اقتصادی مقرون به صرفه است. این باتری با وجود مزایایی که دارد، دارای انرژی ویژه کم و تعداد چرخه محدود است. از باتری سرب اسید در صندلی‌های چرخدار، اتومبیل‌های گلف، نفربر، روشنایی اضطراری و منبع تغذیه بدون وقفه (UPS) استفاده می‌شود. سرب استفاده شده در این باتری سمی است و نباید آن را در محل دفن زباله رها کرد.

باتری نیکل کادمیوم

از باتری‌های NiCd ارتقا یافته، در مواردی استفاده می‌شود که به طول عمر بالا، جریان تخلیه زیاد و دمای شدید نیاز باشد. نیکل کادمیوم یکی از مقاوم‌ترین و با دوام‌ترین باتری‌ها است. این باتری از محدود باتری‌هایی است که امکان شارژ سریع با حداقل استرس را فراهم می‌کند. کاربردهای اصلی آن عبارتند از استفاده در ابزارهای برقی، تجهیزات پزشکی، تجهیزات هواپیمایی و یوپی‌اس‌ها. به دلیل نگرانی‌های زیست محیطی، نیکل کادمیوم با سایر مواد شیمیایی جایگزین می‌شود.

باتری نیکل فلز هیدرید

NiMH به عنوان جایگزین نیکل کادمیوم عمل می‌کند؛ زیرا فقط دارای فلزات سمی خفیف است و انرژی ویژه بالاتری را تأمین می‌کند. باتری نیکل فلز هیدرید در وسایل پزشکی، اتومبیل‌های هیبریدی و کاربردهای صنعتی استفاده می‌شود. این باتری در سلولهای AA و AAA برای استفاده مصرف کنندگان موجود است.

باتری لیتیوم یون

امروزه بیشتر فعالیت‌های تحقیقاتی حول بهبود باتری‌های مبتنی بر لیتیوم است. این باتری برای اولین بار در سال 1991 توسط کمپانی سونی تجاری شد. این باتری دارای مزایای زیاد از جمله انرژی خاص بالا، شارژ ساده، تعمیر و نگهداری آسان و بی خطر بودن برای محیط زیست میباشد.

لیتیوم یون به راحتی توانست در برخی از کاربردهایی که قبلاً توسط باتری‌های بر پایه سرب و نیکل صورت می‌گرفت، جایگزین شود. به دلیل نگرانی‌های ایمنی، لیتیوم یون به مدار محافظ نیاز دارد. این نوع باتری گرانتر از باتری‌های دیگر است. اما تعداد زیاد چرخه و نیاز کم به تعمیر و نگهداری آن باعث کاهش هزینه هر چرخه آن می‌شود.

پیشنهادی: انواع باتری لیتیوم یون را طالعه کنید.

جدول مقایسه باتری های قابل شارژ

در جدول زیر، مقایسه ویژگی‌های چهار باتری قابل شارژ رایج را آورده‌ایم. در این جدول باتری لیتیوم یون به انواع مختلفی تقسیم می‌شود که عبارتند از کبالت، منگنز، فسفات و تیتانات. این نامگذاری به دلیل مواد فعال موجود در آن‌ها صورت گرفته است. (پیشنهادی: انواع باتری لیتیوم یون را مطالعه کنید.)

در این لیست، باتری لیتیوم یون پلیمر محبوب که نام خود را از جداکننده و الکترولیت منحصر به فرد خود گرفته است، وجود ندارد. اکثر این باتری‌ها یک نسخه ترکیبی هستند که با سایر Li-ion ها عملکرد مشترک دارند. همچنین باتری لیتیوم-فلز قابل شارژ نیز در جدول ذکر نشده است. باتری‌ای که در صورت حل مشکلات ایمنی خود، امکان تبدیل شدن به یک انتخاب مناسب با انرژی ویژه فوق العاده بالا و قدرت ویژه خوب را دارد. این جدول فقط باتریهای قابل حمل را ذکر کرده است.

مشخصات	سرب اسید	نیکل کادمیوم	نیکل هیدرید فلز	لیتیوم یون¹
مشخصات	سرب اسید	نیکل کادمیوم	نیکل هیدرید فلز	کبالت	منگنز	فسفات
انرژی ویژه (Wh/kg)	30-50	45-80	60-120	150-250	100-150	90-120
مقاومت درونی	خیلی کم	خیلی کم	کم	متوسط	کم	خیلی کم
طول عمر بر اساس تعداد چرخه ها² (در عمق تخلیه 80%)	200-300	1000	300-500³	500-1000	500-1000	1000-2000
زمان شارژ (ساعت)⁴	8-16	1-2	2-4	2-4	1-2	1-2
میزان تحمل شارژ بیش از حد	زیاد	متوسط	کم	کم (شارژ تدریجی ندارد)
نرخ خودتخلیگی در هر ماه (دمای اتاق)	5%	20%⁵	30%⁵	کمتر از 5% مدار محافظ در هر ماه 3% مصرف دارد.
ولتاژ نامی هر سلول	2 ولت	1.2⁶ ولت	1.2⁶ ولت	3.6⁷ ولت	3.7⁷ ولت	3.2-3.3 ولت
ولتاژ قطع شارژ	2.40 2.25 در حالت شناور	تشخیص شارژ کامل از طریق مشخصه ولتاژ		به طور معمول 4.20 اما گاهی تا ولتاژهای بالاتر نیز میرود.		3.60
ولتاژ قطع تخلیه	1.75 ولت	1.00 ولت		2.50-3.00 ولت		2.50 ولت
بیشینه جریان بار (بهترین نتیجه)	5C⁸ 0.2C	20C 1C	5C 0.5C	2C <1C	>30C <10C	>30C <10C
دمای شارژ	-20 تا 50 درجه سانتی گراد	0 تا 45 درجه سانتی گراد		0 تا 45 درجه سانتی گراد⁹
دمای تخلیه	-20 تا 50 درجه سانتی گراد	-20 تا 65 درجه سانتی گراد		-20 تا 60 درجه سانتی گراد
الزام به تعمیر و نگهداری	هر 3 تا 6 ماه¹⁰ (نیاز به شارژ تاپینگ دارد)	در صورت استفاده مداوم، هر 90 روز یک بار تخلیه کامل شود.		نیاز به تعمیر و نگداری ندارد.
الزامات ایمنی	از نظر حرارتی پایدار است	از نظر حرارتی پایدار است. به فیوز محافظ نیاز دارد		استفاده از مدار محافظ الزامی است.¹¹
زمان انتشار	اواخر 1800	1950	1990	1991	1996	1999
میزان سمی بودن	خیلی زیاد	خیلی زیاد	کم	کم
بازدهی کولن¹²	~90%	~70% (در شارژ آرام) ~90% (در شارژ سریع)		99%
هزینه	کم	متوسط		زیاد¹³
جدول1: مشخصات باتری های قابل شارژ رایج. این ارقام براساس میانگین نرخ باتری‌های تجاری در زمان انتشار آن‌ها است. باتری‌های خاص با نرخ بالاتر از حد متوسط مستثنی هستند.

نکات مربوط به جدول

- ترکیب کبالت، نیکل، منگنز و آلومینیوم چگالی انرژی را تا 250 وات ساعت/کیلوگرم افزایش می‌دهد.
- عمر چرخه بر اساس DoD مخفف Depth of Discharge به معنای عمق تخلیه است. عمق تخلیه کم، عمر باتری را طولانی‌تر می‌کند.
- عمر چرخه، مبتنی بر تعمیر و نگهداری منظم باتری‌ها و برای جلوگیری از خطای اثر حافظه‌ای است.
- باتری‌هایی با شارژ فوق العاده سریع برای اهداف خاص ساخته شده‌اند.
- پدیده تخلیه خود به خودی، بلافاصله پس از شارژ شروع می‌شود. نرخ خودتخلیگی نیکل کادمیوم در 24 ساعت اول 10% است. اما پس از آن، هر 30 روز 10% افت دارد. دمای محیط و سن باتری باعث افزایش نرخ تخلیه خود به خودی می‌شوند.
- در قدیم، برای تولید باتری‌، ولتاژ هر سلول معادل25 ولت در نظر گرفته می‌شد؛ اما امروزه، 1.20 ولت رایج تر است.
- تولیدکنندگان ممکن است ولتاژ را به دلیل مقاومت داخلی کم، بالاتر اعلام کنند. (بازاریابی)
- احیای باتری از طریق پالس‌های با جریان بالا (برای بازیابی)، پروسه‌ای زمان‌بر است.
- باتری لیتیوم یون را در دمای انجماد شارژ نکنید.
- تعمیر و نگهداری ممکن است شامل یکسان سازی ولتاژ سولها یا اضافه شارژ برای جلوگیری از سولفاته شدن باشد.
- مدار محافظ اکثر باتری‌های لیتیوم یون در ولتاژهای پایین تر از 20V و بالاتر از 4.30V ولتاژ را قطع می‌کند. تنظیمات ولتاژ لیتیوم-آهن-فسفات متفاوت است.
- بازدهی کولن در صورت شارژ سریعتر، بالاتر است (که بخشی از آن به دلیل خطای خود تخلیه است).
- لیتیوم یون ممکن است نسبت به سرب اسید هزینه کمتری به ازای هر چرخه داشته باشد.
برای باتری‌ای که در سرویس یا در انبار است، برای حفظ شارژ کامل و جلوگیری از سولفاتاسیون باتری‌های سرب اسید، شارژ تاپینگ اعمال می‌شود.

نتیجه گیری

در این مقاله راهنما سعی کردیم جدولی جهت آشنایی شما با تفاوت باتری‌های قابل شارژ یا ثانویه منتشر کنیم. امیدواریم که این مقاله به شما در انتخاب بهترین و مناسب‌ترین باتری با توجه به نیازتان کمک کند. در همین راستا صمیمانه پذیرای سؤالات شما هستیم.

منبع : باتری یونیورسیتی