S-2010 : باتری چیست؟ هر آن چیزی که لازم است در مورد باتری بدانید

S-2010 : باتری چیست؟ هر آن چیزی که لازم است در مورد باتری بدانید

What is a battery? Everything you need to know about batteries

در این مقاله ما با یکی از اجزای مهم در صنعت برق و الکترونیک یعنی باتری‌ها آشنا خواهیم شد. در این مقاله به این سؤال پاسخ می‌دهیم که باتری چیست و نگاهی به انواع مختلف آن خواهیم انداخت. همچنین شما را در جهت انتخاب نوع مناسب باتری نسبت به کار مدنظرتان راهنمایی خواهیم کرد. با ساینا باتری همراه باشید.

منبع انرژی جدید به نام باتری

ممکن است در زندگی خود حداقل با چند نوع مختلف از باتری روبرو شده باشید. باتری‌ها در دهه اخیر به یک منبع بسیار مهم انرژی تبدیل شده‌اند. در چند دهه گذشته، آن‌ها بخشی جدایی ناپذیر از زندگی ما برای تامین انرژی دستگاه‌های قابل حمل مانند رادیوهای ترانزیستور، کنسول‌های بازی‌، دوربین‌ها و غیره بودند.

در حال حاضر، با پیشرفت در تلفن های هوشمند، تبلت‌ها، لپ‌تاپ‌ها، انرژی خورشیدی و وسایل نقلیه الکتریکی، تحقیقات در مورد باتری‌های قدرتمندی که توانایی دوام بیشتر و همچنین ارائه انرژی بیشتر دارند، به اوج خود رسید.

در حقیقت، جایزه نوبل شیمی 2019 به سه دانشمند John B. Goodenough ،M. Stanley Whittingham و Akira Yoshino  برای تولید باتری‌های لیتیوم یون اهدا شده است.

باتری چیست؟

باتری چیست؛ یک وسیله‌ای شیمیایی است که انرژی الکتریکی را به صورت مواد شیمیایی ذخیره می‌کند. در این وسیله، با استفاده از واکنش الکتروشیمیایی، انرژی شیمیایی ذخیره شده به انرژی الکتریکی جریان مستقیم تبدیل می‌شود.

الساندرو ولتا، فیزیکدان ایتالیایی اولین باتری‌ها را در سال 1800  اختراع کرد.

واکنش الکتروشیمیایی در باتری‌ها، انتقال الکترون از یک ماده به ماده دیگر (به نام الکترود) از طریق جریان الکتریکی است.

ساختار باتری

با اینکه از اصطلاح باتری غالباً استفاده می‌شود، اما واحد اصلی الکتروشیمیایی ذخیره انرژی، سلول نامیده می‌شود که منبع آن، انرژی الکتریکی تولید شده توسط تبدیل انرژی شیمیایی است.

یک سلول به طور معمول شامل سه جزء اصلی و تشکیل شده از دو الکترود و الکترولیت است که شامل ترمینال، به همراه جدا کننده و محفظه می‌باشد.

در باتری‌ها، دو نوع الکترود وجود دارد که آند و کاتد نامیده می‌شوند.

آند الکترود منفی است (همچنین الکترود سوخت یا الکترود کاهنده نیز نامیده می‌شود). آند، الکترون‌ها را در مدار از دست می‌دهد و در واکنش الکتروشیمیایی اکسید می‌‍شود.

از طرف دیگر، کاتد الکترود مثبت است (الکترود اکسید کننده نیز نامیده می‌شود). الکترون را از مدار می‌پذیرد و در واکنش الکتروشیمیایی کاهش می‌یابد. از این رو، تبدیل انرژی در آن‌ها به دلیل واکنش اکسیداسیون و کاهش الکتروشیمیایی است.

سومین جز مهم سلول، الکترولیت است. الکترولیت به عنوان رسانای یونی (Ionic Conductor) شناخته می‌شود و عمل انتقال بار بین دو الکترود را انجام می‌دهد. نکته مهمی که باید در اینجا ذکر شود این است که الکترولیت رسانای الکتریکی نیست بلکه فقط رسانایی یونی دارد.

پیشنهاد : تفاوت بین مواد رسانا و نارسانا را مطالعه کنید.

باتری اغلب متشکل از یک یا چند “سلول” است که به صورت الکتریکی یا به صورت پیکربندی سری یا موازی به هم متصل شده‌اند تا ولتاژ و میزان جریان لازم را تامین کنند.

انواع باتری

انواع باتری

اصولاً همه باتری‌ها و سلول‌های الکتروشیمیایی، به دو نوع طبقه بندی می شوند:

۱ – اولیه (غیر قابل شارژ)

۲ – ثانویه (قابل شارژ)

به زبان ساده، باتری‌های نوع اولیه، غیر قابل شارژ هستند. یعنی نمی‌توان آن‌ها را با برق شارژ کرد. در حالی که نوع ثانویه آن‌ها قابل شارژ بوده و می‌توان آن‌ها را توسط جریان برق شارژ نمود.

باتری‌های اولیه (غیر قابل شارژ)

باتری اولیه یکی از منابع ساده انرژی برای دستگاه‌های قابل حمل الکترونیکی مانند چراغ قوه‌ها، دوربین‌ها، ساعت‌ها، اسباب‌بازی‌ها، رادیوها و غیره است. از آنجا که نمی‌توان آن‌ها را به صورت الکتریکی شارژ کرد، پس از استفاده از آن و تخلیه شدن کامل، آن‌ها را دور می‌اندازند.

معمولاً  باتری‌های نوعی اولیه، ارزان، سبک، کوچک بوده و به سهولت قابل استفاده می‌باشند. همچنین نگهداری آن‌ها نیز آسان است. اکثر این نوع باتری‌ها، از نوع تک سلولی و معمولاً به صورت استوانه‌ای شکل هستند.

انواع باتری‌های اولیه

تا دهه 1970، باتری‌های مبتنی بر آند روی، از اصلی ترین انواع باتری اولیه بودند. در طی دهه 1940، جنگ جهانی دوم و پس از جنگ، نوع روی – کربن دارای ظرفیت متوسط 50 وات بر کیلوگرم بوده‌اند.

بیشترین پیشرفت چشمگیر در فناوری آنها در دوره 1970 تا 1990 اتفاق افتاد. در این زمان، معروف‌ترین آن‌ها یعنی روی/آلکالین منگنز دی اکسید تولید شده‌اند و به آرامی جایگزین روی – کربن قدیمی به عنوان نوع اولیه اصلی شدند.

در این دوره، از باتری‌های روی – اکسید مرکوریک و کادمیوم – مرکوریک اکسید نیز استفاده شده بود. اما به دلیل نگرانی‌های زیست محیطی، به آرامی از رده تولید خارج شدند.

پس از آن، توسعه باتری‌های دارای لیتیوم به عنوان ماده آند فعال آغاز شد. به دلیل انرژی خاص بالا و ماندگاری بیشتر لیتیوم نسبت به روی، توسعه باتری‌های لیتیوم، یک موفقیت بزرگ محسوب می‌شود.

لیتیوم به شکل سلول‌های دکمه‌ای و سکه‌ای برای طیف خاصی از تجهیزات (مانند ساعت، پشتیبان حافظه و غیره) تولید می‌شوند. البته باتری‌های بزرگتر از این مدل‌ها نیز موجود می‌باشد.

باتری ثانویه (قابل شارژ)

باتری‌های ثانویه را باتری شارژی نیز می‌نامند. زیرا بعد از تخلیه (دشارژ) می‌توان آن‌ها را دوباره شارژ کرد. در این نوع باتری‌ها، سلول‌های الکتروشیمیایی را می‌توان با عبور جریان از سلول‌ها در جهت مخالف، “شارژ” کرد.

اصولاً باتری های ثانویه به دو روش قابل استفاده هستند:

1. باتری‌های ثانویه اساساً به عنوان دستگاه‌های ذخیره انرژی مورد استفاده قرار می‌گیرند که از طریق برق به یک منبع اصلی انرژی متصل شده و توسط آن شارژ می‌شوند. همچنین در صورت لزوم انرژی را تأمین می‌کنند.
2. پس از تخلیه کامل، به جای دور انداختن آن، باتری با مکانیزم مناسبی شارژ می‌شود. نمونه‌هایی از این نوع، باتری‌های موبایل، لپ‌تاپ، وسایل نقلیه برقی و غیره هستند.

چگالی انرژی باتری های ثانویه نسبت به اولیه کمتر است. اما دارای ویژگی‌های خوب دیگری مانند چگالی توان بالا، منحنی تخلیه مسطح، میزان تخلیه زیاد، عملکرد دمای پایین و… می‌باشند.

انواع باتری ثانویه

در واقع دو تا از قدیمی‌ترین باتری‌های ثانویه، سرب اسید (در اواخر سال 1850) و نیکل – کادمیوم (در اوایل دهه 1900) می‌باشند.

اولین و متداول‌ترین باتری‌های قابل شارژ، اسید سرب (لید اسید) نامیده می‌شوند. آن‌ها بر اساس زوج الکتروشیمیایی سرب – دی اکسید سرب (Pb – PbO2) ساخته شده‌اند. الکترولیت مورد استفاده در این نوع باتری، اسید سولفوریک است.

نوع دوم باتری قابل شارژ، نیکل – کادمیوم نامیده می‌شوند. آن‌ها بر اساس نیکل اکسی هیدروکسید (اکسید نیکل) به عنوان الکترود مثبت و الکترود منفی بر پایه فلز کادمیوم ساخته شده‌اند. برای الکترولیت، از محلول قلیایی هیدروکسید پتاسیم استفاده می‌شود.

در دهه‌های اخیر، دو نوع جدید باتری قابل شارژ به نام‌های نیکل – فلز هیدرید و لیتیوم – یون ظاهر شدند. از این دو، لیتیوم – یون به عنوان یک تغییر دهنده  اساسی ظاهر شد و با ارقام خاص انرژی و چگالی انرژی (150 وات بر کیلوگرم و 400 وات در لیتر) از لحاظ تجاری برتر شد.

انواع دیگری از نوع ثانویه وجود دارد اما چهار نوع عمده این موارد است:

۱ – سربی اسیدی (لید اسید)

۲ – نیکل – کادمیوم

۳ – نیکل – هیدرید فلزی

۴ – لیتیوم – یونی

نیکل کادمیوم

باتری‌های نیکل – کادمیوم یا Ni-Cd یکی از قدیمی‌ترین انواع موجود در کنار نمونه سرب اسیدی هستند. آن‌ها عمر بسیار طولانی دارند و بسیار قابل اعتماد هستند.

از مزایای اصلی باتری‌های نیکل کادمیوم، این است که نرخ بالای تخلیه دارند و در دامنه وسیعی از دمای محیط کار می‌کنند. همچنین ماندگاری آن‌ها بسیار زیاد است. هزینه این باتری بیشتر از سرب اسیدی در هر وات ساعت است، اما از سایر باتری های قلیایی کمتر است.

هر سلول باتری برای مصرف کننده عمومی، دارای ولتاژ 1.2 ولت می‌باشد. در کاربردهای صنعتی، Ni-Cd بعد از سرب اسیدی به دلیل عملکرد دمای پایین، ولتاژ تخلیه مسطح، عمر طولانی، نگهداری کم و قابلیت اطمینان عالی قرار دارد.

متأسفانه، یک ویژگی اصلی باتری‌های Ni-Cd “اثر حافظه” می‌باشد که تنها نقطه ضعف آن‌ها است. وقتی سلول‌های Ni-Cd تا حدی تخلیه شده و سپس دوباره شارژ می‌شوند، به تدریج ظرفیت خود را از دست می‌دهند، یعنی به ازای هر چرخه شارژ و دشارژ مقداری از ظرفیت آن از دست می‌رود.  “تهویه مطبوع” فرآیندی است که در آن می‌توان ظرفیت از دست رفته باتری‌ها را بازیابی کرد.

در این فرایند، سلول‌ها کاملاً تا حد صفر ولت تخلیه شده و سپس دوباره شارژ می‌شوند.

نیکل – هیدرید فلزی

این نوع باتری‌های نسبتاً جدید، نسخه پیشرفته‌ای از باتری‌های الکترود هیدروژن نیکل است که منحصراً در برنامه‌های هوافضا (ماهواره‌ها) استفاده می‌شد. الکترود مثبت نیکل اکسید هیدروکسید (NiOOH) است؛ در حالی که الکترود منفی سلول یک آلیاژ فلز است. تا جایی که هیدروژن به صورت برگشت پذیر ذخیره می‌شود.

یکی از مزیت‌های اصلی این نوع باتری، انرژی خاص و چگالی انرژی بالاتر آن است. باتری‌های هیدرید فلزی نیکل مهر و موم شده به عنوان سلول‌های استوانه ای کوچک در دسترس هستند و در تجهیزات الکترونیکی قابل حمل استفاده می‌شوند.

لیتیوم یون

ظهور باتری‌های لیتیوم یون در چند دهه گذشته، کاملاً خارق العاده بوده است. بیش از 50٪ بازار مصرف از باتری‌های لیتیوم یون استفاده کرده است. لپ‌تاپ‌ها، تلفن‌های همراه، دوربین ها و … بیشترین کاربرد از نوع لیتیوم یون را دارند.

باتری‌های لیتیوم یون به طور قابل توجهی چگالی انرژی بالا، انرژی خاص بالا و عمر چرخه طولانی‌تر دارند. از دیگر مزایای باتری های لیتیوم یون، سرعت تخلیه کند و دامنه وسیعی از دمای کار است.

کاربرد باتری ها

در چند دهه گذشته، استفاده از نوع کوچک مهر و موم شده در دستگاه‌های کاربرد عمومی، کاملا تصاعدی بوده است. باتری‌های اولیه یا قابل شارژ با ابعاد کوچک، در تعداد زیادی از لوازم خانگی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در زیر به برخی از آن‌ها اشاره شده است.

• دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل: ساعت، دوربین، تلفن همراه، لپ تاپ، دوربین فیلمبرداری، ماشین حساب، تجهیزات آزمایش (مولتی متر).
• سرگرمی: رادیو، پخش کننده‌هایMP3، پخش کننده‌هایCD، تجهیزات کنترل از راه دور مادون قرمز، اسباب بازی‌ها، صفحه کلیدها.
• خانگی: ساعت، دزدگیر، ردیاب دود، چراغ های چشمک زن، یوپی‌اس، چراغ‌های اضطراری، مسواک، اصلاح کننده مو، دستگاه فشار خون، سمعک، شبیه ساز ضربان قلب، ابزارهای قابل حمل (دریل ، پیچ گوشتی).

چگونه باتری را انتخاب کنیم؟

انتخاب باتری برای برنامه شما فقط به دو ویژگی بستگی دارد:  عملکرد و هزینه. اما اگر کمی عمیق‌تر شویم، موارد زیر عوامل تعیین کننده در انتخاب نوع مناسب برای برنامه شما هستند.

• ابتدایی یا ثانویه
• انرژی یا قدرت
• ماندگاری
• بهره‌وری انرژی و میزان شارژ
• عمر آن‌ها
• دمای آن

نتیجه گیری

در این مقاله سعی کردیم مفهوم باتری چیست را بیان کنیم و شما را با کاربرد انواع مختلف آن آشنا کردیم.

توجه داشته باشید که ما منتظر نظرات شما عزیزان در کامنت‌ها هستیم. اگر نیاز است مطلبی به این متن اضافه شود، آن را با ما در میان بگذارید و در صورت داشتن هرگونه سوالی از طریق کامنت‌ها ما را در جریان بگذارید تا شما را راهنمایی کنیم.

منبع : electronicshub.org