باتری چیست؟ هر آن چیزی که لازم است در مورد باتری بدانید

در این مقاله ما با یکی از اجزای مهم در صنعت برق و الکترونیک یعنی باتری ها 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 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 باطری روبرو شده باشید. آن‌ها در دهه اخیر به یک منبع بسیار مهم انرژی تبدیل شده‌اند. در چند دهه گذشته، آن‌ها بخشی جدایی ناپذیر از زندگی ما در تامین انرژی چندین دستگاه قابل حمل مانند رادیوهای ترانزیستور، بازی های دستی، دوربین ها و غیره بودند.

در حال حاضر با پیشرفت در تلفن های هوشمند، تبلت ها، لپ تاپ ها، انرژی خورشیدی و وسایل نقلیه الکتریکی، تحقیقات در مورد باطری های 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 باتری های لیتیوم یون اهدا شده است.

باتری چیست؟

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

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

واکنش الکتروشیمیایی در یکی از آن‌ها شامل 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 مسئول ذخیره واقعی انرژی سلول نامیده می‌شود. همانطور که ذکر شد سلول واحد اصلی الکتروشیمیایی است که منبع آن انرژی الکتریکی تولید شده توسط تبدیل انرژی شیمیایی است.

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

به هنگام صحبت از الکترودها، دو نوع الکترود وجود دارد که آند و کاتد نامیده می‌شوند.

آند الکترود منفی است (همچنین الکترود سوخت یا الکترود کاهنده نیز نامیده می‌شود). الکترون‌ها را به مدار خارجی 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 پیوسته 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. یک الکترولیت یون بین دو الکترود به عنوان یونی برای انتقال بار عمل می‌کند. از این رو، الکترولیت گاهی اوقات به عنوان رسانای یونی (Ionic Conductor) شناخته می‌شود. نکته مهمی که باید در اینجا ذکر شود این است که الکترولیت رسانای الکتریکی نیست بلکه فقط رسانایی یونی دارد.

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

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

انواع باتری

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

1. اولیه (غیر قابل شارژ)
2. ثانویه (قابل شارژ)

به زبان ساده، نوع اولیه از نوع باتری غیر قابل شارژ هستند. یعنی نمی‌توان آن‌ها را به صورت برقی شارژ کرد. در حالی که نوع ثانویه آن‌ها قابل شارژ هستند و می‌توان آن‌ها را به صورت برقی شارژ کرد.

باتری های اولیه (غیر قابل شارژ)

باتری اولیه یکی از منابع ساده و راحت برق برای چندین دستگاه قابل حمل الکترونیکی مانند چراغ قوه ها، دوربین ها، ساعت ها، اسباب بازی ها، رادیوها و غیره است. از آنجا که نمی‌توان آن‌ها را به صورت الکتریکی شارژ کرد، به هنگام استفاده از آن و تخلیه شدن کامل آن‌ها را کنار می گذارند.

معمولاً این نوع یعنی اولیه ارزان، سبک، کوچک و بسیار راحت استفاده می‌شوند. همچنین نگهداری آن‌ها نیز آسان است. اکثر این نوع که در برنامه های داخلی استفاده می‌شوند از نوع تک سلولی هستند و معمولاً به صورت استوانه ای شکل هستند.

انواع باتری های اولیه

تا دهه 1970، باتری های 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 آن‌ها به آرامی جایگزین روی – کربن قدیمی به عنوان نوع اولیه اصلی می‌شوند.

در این دوره از باتری های روی – اکسید مرکوریک و کادمیوم – مرکوریک اکسید نیز استفاده شده است. اما به دلیل نگرانی‌های زیست محیطی، این نوع به آرامی از بین می‌روند.

در این دوره است که توسعه باتری‌های دارای لیتیوم به عنوان ماده آند فعال آغاز شده است. به دلیل انرژی خاص بالا و ماندگاری بیشتر لیتیوم نسبت به سنتی روی، یک موفقیت بزرگ محسوب می‌شود.

لیتیوم به عنوان سلول دکمه ای و سکه ای برای طیف خاصی از برنامه ها (مانند ساعت، پشتیبان حافظه و غیره) تولید می‌شوند. در حالی که باتری‌های بزرگتر از نوع استوانه‌ای نیز موجود هستند.

باتری ثانویه (قابل شارژ)

باتری های ثانویه را باتری شارژی نیز می‌نامند. زیرا بعد از تخلیه (دشارژ) می‌توان آن‌ها را دوباره شارژ کرد. وضعیت شیمیایی سلول‌های الکتروشیمیایی را می توان با عبور جریان از سلول‌ها در جهت مخالف تخلیه، به حالت اصلی آن‌ها “شارژ” کرد.

اصولاً باطری های ثانویه به دو روش قابل استفاده هستند:

1. باتری های ثانویه اساساً به عنوان دستگاه‌های ذخیره انرژی مورد استفاده قرار می‌گیرند که از طریق برق به یک منبع اصلی انرژی متصل شده و همچنین 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 شارژ مناسب شارژ می‌شود. نمونه‌هایی از این نوع مانند موبایل، لپ تاپ، 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 است.

انواع باتری ثانویه

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

اولین و متداول‌ترین باتری های 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 اسید سولفوریک بسیار رایج است.

نوع دوم 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. با آمدن به الکترولیت، از محلول قلیایی هیدروکسید پتاسیم استفاده می شود.

در دهه‌های اخیر، دو نوع جدید باتری قابل شارژ ظاهر شده است. آن‌ها نیکل – فلز هیدرید و لیتیوم – یون هستند. از این دو، لیتیوم – یون به عنوان یک تغییر دهنده بازی ظاهر شد. 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:

• سربی اسیدی (لید اسید)
• نیکل – کادمیوم
• نیکل – هیدرید فلزی
• لیتیوم – یونی

اکنون اجازه دهید به طور مختصر در مورد آن‌ها به صورت جداگانه صحبت کنیم.

سربی اسیدی

باتری های لید اسید یا سربی اسیدی محبوب‌ترین و پرمصرف‌ترین باتری های قابل شارژ هستند. آن‌ها بیش از یک قرن محصول موفقی بوده‌اند. این نوع در چندین تنظیم مختلف مانند سلول های کوچک مهر و موم شده با ظرفیت 1 آمپر ساعت تا سلول های بزرگ با ظرفیت 12،000 آمپر ساعت در دسترس هستند.

یکی از عمده‌ترین کاربردهای باتری های اسید سرب در صنعت خودرو است. زیرا در اصل به عنوان باتری SLI (استارت، روشنایی و احتراق) استفاده می‌شود.

از دیگر کاربردهای آن می‌توان به ذخیره انرژی، برق اضطراری، وسایل نقلیه الکتریکی (حتی وسایل نقلیه هیبریدی)، سیستم‌های ارتباطی، سیستم‌های روشنایی اضطراری و … اشاره کرد.

پیشنهادی: باتری سیلد لید اسید چیست را مطالعه کنید.

این نوع در مقایسه با سایر فناوری‌های باتری ثانویه کم‌هزینه‌ترین گزینه برای هر کاربردی هستند. همچنین عملکرد بسیار خوبی را ارائه می‌دهند.

نیکل کادمیوم

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

یکی از مزایای اصلی آن این است که نرخ بالای تخلیه دارند و در دامنه وسیعی از دما کار می‌کنند. همچنین ماندگاری آن‌ها بسیار زیاد است. هزینه این نوع بیشتر از سربی اسیدی در هر وات ساعت است، اما از سایر باتری های قلیایی کمتر است.

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

متأسفانه، یک ویژگی اصلی باتری های Ni-Cd به نام “اثر حافظه” وجود دارد 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 چرخه به چرخه. “تهویه مطبوع” فرآیندی است که در آن می‌توان ظرفیت از دست رفته باتری ها را بازیابی کرد.

در این فرایند، سلول‌ها کاملاً به صفر ولت تخلیه می‌شوند و سپس دوباره شارژ می‌شوند.

نیکل – هیدرید فلزی

این نوع باتری های نسبتاً جدید، نسخه پیشرفته‌ای از باتری های الکترود هیدروژن نیکل است که منحصراً در برنامه‌های هوافضا (ماهواره ها) 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. باتری های هیدرید فلزی نیکل مهر و موم شده به عنوان سلول های استوانه ای کوچک در دسترس هستند و در الکترونیک‌های قابل حمل استفاده می‌شوند.

لیتیوم یون

ظهور باتری های لیتیوم یون در چند دهه گذشته کاملاً خارق العاده بوده است. بیش از 50٪ بازار مصرف از باتری های لیتیوم یون استفاده کرده است. به ویژه، لپ تاپ ها، تلفن های همراه، دوربین ها و … بیشترین کاربرد از نوع لیتیوم یون را دارند.

باتری های لیتیوم یون به طور قابل توجهی چگالی انرژی بالا، انرژی خاص بالا و عمر چرخه طولانی‌تر دارند. از دیگر مزایای اصلی باتری های لیتیوم یونی، 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 برنامه‌های کاربردی مصرف کننده بسیار نمایی بوده است. باتری های اولیه یا قابل شارژ با ضریب شکل کوچک در تعداد زیادی از لوازم خانگی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در زیر به برخی از آن‌ها اشاره شده است.

• دستگاه های الکترونیکی قابل حمل: ساعت، دوربین، تلفن همراه، لپ تاپ، دوربین فیلمبرداری، ماشین حساب، تجهیزات آزمایش (مولتی متر).
• سرگرمی: رادیو، پخش کننده‌های MP3، پخش کننده‌های CD، همه کنترل از راه دور مادون قرمز، اسباب بازی‌ها، بازی ها، صفحه کلیدها.
• خانگی: ساعت، دزدگیر، ردیاب دود، چراغ های چشمک زن، یو پی اس، چراغ های اضطراری، مسواک، موبر و اصلاح کننده مو، مانیتور فشار خون، سمعک، شبیه ساز ضربان قلب، ابزار قدرت قابل حمل (دریل ، پیچ گوشتی).

چگونه باتری را انتخاب کنیم؟

انتخاب آن برای برنامه شما فقط به دو ویژگی بستگی دارد: عملکرد و هزینه. اما اگر کمی عمیق تر 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 آن ها
• 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 ما را در جریان بگذارید و در صورت داشتن هرگونه سوالی از طریق کامنت‌ها ما را در جریان بگذارید تا شما را راهنمایی کنیم.

منابع

electronicshub.org