باتری وسیله ای است که بعنوان منبع تامین انرژی الکتریکی عمل می کند و برق مورد نیاز دستگاه ها و تجهیزات الکتریکی یا الکترونیکی را فراهم می سازد. از چراغ قوه ساده گرفته تا تلفن های همراه و لپ تاپ و جارو شارژی ، همه و همه از باتری برای تامین الکتریسیته مورد نیاز خود استفاده می کنند. همچنین خودروهای برقی و سیستم های برق خورشیدی نیز برای کار صحیح خود نیاز به باتری دارند. گسترش فن آوری باعث شده است باتری ها در سایزهای مختلف و با تکنولوژی متفاوت به بازار عرضه شوند. تولید برق در باتری با تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی از طریق فعل و انفعالات شیمیایی صورت می گیرد. 

ساختار باتری

باتری از یک یا چند سلول الکتروشیمیایی تشکیل می شود که بهمراه اتصالات خارجی ، قطب های مثبت و منفی را برای اتصال به دستگاه خارجی فراهم می کند. هر سلول باتری از دو الکترود بنام های آند و کاتد و یک ماده رسانا بنام الکترولیت تشکیل شده است. بطوریکه الکترودها در داخل ماده الکترولیت غوطه ور بوده و با آن در تماس هستند. این اجزا توسط یک قاب خارجی از محیط بیرونی جداسازی و ایزوله شده اند. 

آند سرشار از الکترون است و آنرا بعنوان قطب مثبت در نظر می گیریم. زیرا الکترون ها را به مدار خارجی تزریق می کند. کاتد دچار کمبود الکترون است و به این علت آنرا بعنوان قطب منفی در نظر می گیریم. بین آند و کاتد یک اختلاف پتانسیل الکتریکی یا ولتاژ وجود دارد که مقدار آن در باتری های مختلف متفاوت بوده و باعث جاری شدن جریان الکتریکی در مدار و تزریق انرژی الکتریکی به دستگاه می شود. 

طرز کار باتری

باتری بر اساس واکنش های شیمیایی بنام اکسیداسیون و احیا عمل می کند که در این واکنش ها الکترون تولید شده و موجب ایجاد انرژی الکتریکی و جاری شدن جریان در مدار خارجی می گردد. واکنش اکسیداسیون در آند رخ می دهد و طی آن مولکول های آند با از دست دادن الکترون به یون مثبت تبدیل شده و در این فرآیند یک یا چند الکترون تولید می شود. در کاتد واکنش احیا صورت می گیرد که طی آن یون های مثبت با جذب الکترون به حالت پایدار می رسند . تولید الکترون اضافه و یون های مثبت  منجر به ایجاد اختلاف پتانسیل الکتریکی و ولتاژ در قطب های مثبت و منفی باتری می گردد که با اتصال این ولتاژ به مدار خارجی ، جریان الکتریکی جاری می شود و  انرژی الکتریکی تحویل دستگاه می گردد. این فرآیند تا زمانی ادامه خواهد یافت که مواد شیمیایی درون باتری به حالت تعادل رسیده و تمایلی به واکنش بیشتر نداشته باشند. در اینحالت می گوئیم باتری تخلیه شده است و ولتاژ خروجی آن به مقدار زیادی افت خواهد کرد. 

طبقه بندی باتری ها

باتری ها به دو گروه غیر قابل شارژ و قابل شارژ طبقه بندی می شوند. 

باتری غیر قابل شارژ 

باتری های غیر قابل شارژ که نام دیگر آنها باتری های  Primary است یکبار مصرف بوده و نمی توان آنها را شارژ مجدد نمود. واکنش های شیمیایی در این باتری ها برگشت پذیر نیست و لذا قابل شارژ نیستند. مثل انواع باتری های قلمی سایز  AA و  AAA

باتری قلمی غیر قابل شارژ سایز AA 

باتری قابل شارژ 

باتری های قابل شارژ که به آنها باتری  Secondary نیز گفته می شود قابل شارژ بوده و می توان به دفعات زیاد آنها را شارژ کرده و استفاده نمود. فرآیندهای شیمیایی در این نوع باتری ها برگشت پذیر بوده لذا باتری می تواند با اتصال به یک شارژر الکتریکی مجددا شارژ شود. مثل انواع باتری های تلفن همراه و لپ تاپ و خودرو برقی . شارژر دستگاهی است که با تزریق الکترون ها به درون باتری آنرا شارژ کرده و باتری را مجددا قابل استفاده می کند. 

مشخصات کلیدی باتری ها 

۱- ولتاژ باتری 

ولتاژ باتری همان اختلاف پتانسیل بین قطب مثبت و منفی است که موجب می شود الکترون ها در مدار خارجی جریان یابند و برق مورد نیاز دستگاه تامین شود . هر چه ولتاژ بالاتر باشد قدرت باتری برای انتقال انرژی بیشتر است. ولتاژ با واحد ولت  ( V ) اندازه گیری می شود . بعنوان مثال ولتاژ باتری های قلمی برابر با ۱/۵ ولت و ولتاژ باتری های کتابی برابر ۹ ولت است. ولتاژ باتری ها توسط شرکت سازنده تعیین شده و بر روی باتری نوشته می شود. 

ولتاژ یک باتری کتابی که بر روی برچسب آن نوشته شده است و برابر ۹ ولت می باشد

۲- ظرفیت باتری 

ظرفیت باتری به میزان انرژی گفته می شود که یک باتری می تواند در خود ذخیره کند. همچنین ظرفیت باتری مشخص می کند که یک باتری تا چه زمان می تواند انرژی مورد نیاز یک دستگاه را بدون نیاز به شارژ مجدد تامین کند. ظرفیت باتری به عواملی همچون جنس مواد شیمیایی بکار رفته و نوع فناوری استفاده شده در ساختار باتری بستگی دارد.

واحد اندازه گیری ظرفیت در باتری های بزرگ بر حسب آمپر ساعت  ( AH ) و در باتری های کوچک که در گوشی های تلفن همراه یا تجهیزات الکترونیکی استفاده می شوند بر حسب میلی آمپر ساعت  ( mAH ) است. میلی آمپر برابر یک هزارم آمپر است. بعنوان مثال وقتی می گوئیم ظرفیت یک باتری تلفن همراه ۴۵۰۰ میلی آمپر ساعت است بدین معنی می باشد که این باتری در مدت یک ساعت می تواند ۴۵۰۰ میلی آمپر را تامین کند . و یا چنانچه در هر ساعت ۱۰۰ میلی آمپر جریان از این باتری مصرف کنیم می توان بمدت ۴۵ ساعت بدون نیاز به شارژ مجدد از این باتری استفاده کرد . ظرفیت باتری ها توسط شرکت سازنده بر روی آنها درج می شود. در حال حاضر بیشترین ظرفیت مختص باتری های لیتیومی است .

۳- چگالی انرژی باتری

چگالی انرژی رابطه بین انرژی ذخیره شده در باتری و حجم یا وزن باتری را بیان می کند. با پیشرفت تکنولوژی و ورود انواع تجهیزات و دستگاه های الکترونیکی به بازار نیاز به باتری های با چگالی انرژی بالا بیشتر از گذشته احساس می شود. یعنی باتری هایی که در عین کوچکی و وزن کم قادر باشند انرژی بیشتری برای دستگاه تامین کنند و مدت زمان بیشتری دستگاه را روشن نگه دارند . چگالی انرژی باتری یک پارامتر کلیدی در ارزیابی عملکرد باتری خصوصا در دستگاه ها و تجهیزات قابل حمل است و هر چه مقدار آن بالاتر باشد توان و کارایی باتری بالاتر خواهد بود . چگالی انرژی با واحد وات - ساعت  ( WH ) بیان می شود. 

یک باتری لیتیوم - یون که چگالی انرژی آن برابر ۲/۹۶ وات ساعت می باشد 

از طرف دیگر محدودیت هایی در خصوص چگالی انرژی باتری وجود دارد که نمی توان آنرا از دایره توجه خارج نمود. اگر چگالی انرژی باتری بیش از حد بالا باشد می تواند یک مشکل ایمنی مثل افزایش درجه حرارت و آتش سوزی ایجاد کند. در بین انواع  باتری ، باتری های لیتیوم - یون چگالی انرژی بالاتری نسبت به سایر باتری ها دارند. 

انواع باتری های موجود در بازار

امروزه باتری ها در رنج بسیار متنوعی ساخته شده و به بازار ارائه می شوند. خصوصا با افزایش استفاده از تلفن های همراه و گجت های هوشمند ، تنوع در تعداد باتری های موجود در بازار نیز بیشتر شده است. در این بخش انواع باتری های موجود در بازار را بررسی خواهیم کرد. 

۱- باتری آلکالین یا قلیایی 

باتری آلکالین یا قلیایی ( آلکالاین نیز تلفظ می شود  Alkaline ) نوعی باتری است که بر مبنای واکنش شیمیایی میان فلز روی و دی اکسید منگنز تولید الکتریسیته را انجام می دهد. در این باتری از فلز روی بعنوان آند و از دی اکسید منگنز بعنوان کاتد استفاده می شود و ماده قلیایی هیدروکسید پتاسیوم نیز در بین آند و کاتد نقش الکترولیت را ایفا می کند. علت نامگذاری این نوع باتری ها به باتری قلیایی نیز استفاده از همین ماده قلیایی بعنوان الکترولیت است. این نوع باتری ها در سایز قلمی AA و  AAA و کتابی در بازار موجود بوده و تماما غیر قابل شارژ هستند. 

۲- باتری روی - کربن 

باتری های روی - کربن که با اسامی دیگری همچون باتری کربن - زینک یا لکلانشه  ( Leclanche ) نیز شناخته می شوند جزو نسل های ابتدایی باتری هستند که در آنها از فلز روی بعنوان آند و ماده کربن بعنوان کاتد استفاده شده است . این باتری ها ارزان بوده اما چگالی انرژی پائینی دارند و معضل نشت داخلی و افت ولتاژ در طول زمان نیز در آنها دیده می شود. شکل ظاهری آنها مشابه باتری های آلکالین است اما عبارت کربن زینک روی آنها قید شده است تا بتوان آنها را از دیگر انواع باتری ها تشخیص داد. این باتری ها نیز غیر قابل شارژ هستند. 

یک باتری روی - کربن در سایز  AA

۳- باتری سرب اسید

در این باتری ها از فلز سرب بعنوان آند استفاده شده و از دی اکسید سرب بعنوان کاتد و از اسید سولفوریک بعنوان الکترولیت استفاده شده است. نوع پیشرفته و جدید این باتری ها بنام باتری سیلد اسید یا  SLA شناخته می شود که به معنی باتری اسید سرب مهر و موم شده است . در این نوع باتری ها اسید سولفوریک بصورت ژل غیر محلول استفاده شده و امکان نشت به بیرون وجود ندارد و کلیه قطعات داخلی باتری از محیط بیرون ایزوله و آب بندی شده است. 

باتری های اسید سرب قابل شارژ بوده و کاربردهای زیادی از جمله در اتوموبیل های غیر برقی و سیستم های برق اضطراری  UPS دارند. ولتاژ هر سلول در این باتری ها برابر ۲ ولت است. وزن سنگین ، ابعاد بزرگ و حجم بالا و از طرف دیگر چگالی انرژی پائین در کنار زمانبر بودن شارژ مجدد از جمله معایب این نوع باتری ها می باشد. 

۴- باتری نیکل - کادمیوم 

باتری های نیکل کادمیوم که با حروف  NiCd یا  NiCad شناخته می شوند ، نوعی باتری قابل شارژ هستند که در آنها از اکسید نیکل و فلز کادمیوم بعنوان الکترودهای آند و کاتد استفاده شده است. در این باتری ها ولتاژ هر سلول برابر ۱/۲ ولت است که نسبت به باتری های آلکالین یا سرب اسید مقدار پائینتری دارد. بعلت مخاطرات زیست محیطی ، امروزه تولید و استفاده از این نوع باتری ها رو به کاهش است. 

۵- باتری نیکل - متال هیدرید

این باتری ها که با نام لاتین Nickel-Metal Hydride و علامت اختصاری NiMH یا  Ni-MH مشخص می شوند نوعی از باتری های قابل شارژ هستند که شباهت زیادی به باتری های نیکل - کادمیوم دارند اما ظرفیت آنها دو الی سه برابر بیشتر است . در این باتری ها الکترود مثبت از جنس نیکل اکسید هیدروکسید یا  NiO(OH) و الکترود منفی از جنس یک آلیاژ جذب کننده هیدروژن می باشد. در این باتری ها ماده کادمیوم حذف شده است و به این علت اثرات مخرب زیست محیطی ندارند. چگالی این نوع باتری ها نیز بالا بوده و به چگالی انرژی در باتری های لیتیومی نزدیک است. 

۶- باتری لیتیومی 

باتری های لیتیومی نوعی از باتری های نسل جدید هستند که در آنها از فلز لیتیوم یا ترکیبات آن بعنوان آند استفاده می شود . این باتری ها عموما قابل شارژ بوده و توان بالا و عملکرد بسیار خوبی نسبت به وزن خود دارند و به این دلیل استفاده از آنها رو به گسترش است. امروزه باتری های لیتیومی در انواع مختلفی ساخته می شوند که هر یک از آنها ویژگی های خاص خود را دارد . انواع باتری های لیتیومی عبارتند از :

باتری لیتیوم - یون

باتری لیتیوم - پلیمر

باتری لیتیوم - گوگرد

باتری لیتیوم آهن فسفات

باتری لیتیوم تیتانات

اثر حافظه در باتری 

اثر حافظه در باتری پدیده ای است که در باتری های قابل شارژ مشاهده می شود و به این معنی است که چنانچه باتری را قبل از تخلیه کامل مجددا شارژ کنیم ، در دفعات بعدی باتری این سطح را بعنوان سطح شارژ کامل شناسایی کرده و بتدریج ظرفیت شارژ کامل خود را از دست می دهد . بعبارت دیگر باتری به خاطر می سپارد که در چه سطحی از شارژ بیشتر مورد استفاده قرار گرفته است و تمایل دارد تا در همان سطح متوقف شده و بیشتر از آن شارژ نشود. این اثر بیشتر در باتری های نیکل - کادمیوم مشاهده می شود. 

طول عمر باتری 

طول عمر باتری به ساختار باتری و مواد تشکیل دهنده آن ، تکنولوژی ساخت و نحوه استفاده از آن بستگی داشته و در بازه چند ساعت تا چندین سال متغیر است. توجه به نحوه شارژ و نوع شارژر مورد استفاده نیز در افزایش طول عمر موثر است. اما در مورد باتری های غیر قابل شارژ باید به این نکته توجه نمائیم که چنانچه از باتری توان بیشتری مصرف شود باتری زودتر تخلیه خواهد شد و طول عمر آن کوتاه تر خواهد بود. در مورد نگهداری باتری در انبار یا فروشگاه قبل از مصرف یعنی فاصله بین تولید تا مصرف که آنرا  Shelf Life نیز می گویند باید به این نکته اشاره نمود که رعایت شرایط نگهداری مثل دمای مناسب ، تاثیر زیادی در طول عمر باتری خواهد داشت ضمن اینکه برای هر باتری یک تاریخ انقضاء توسط کارخانه سازنده تعیین می شود و بر روی باتری درج می گردد. 

نظرات کاربران