هنگامی که نام باتری را می‌شنویم، در وهله اول تصویر باتریهای آبی‌رنگ قلمی که پشت اسباب‌بازیهایمان در کودکی قرار می‌دادیم، در ذهنمان تداعی میشود. اما اگر نگاهی به اطراف خود بیندازیم، به این نتیجه می‌رسیم که باتری یکی از کاربردی‌ترین وسایل و منابع انرژی است که در طول روز از آن استفاده می‌کنیم. گوشی هوشمند ما دارای باتری است و بدون آن و شارژش شاید زندگی بسیاری از ما مختل شود.
خودروها، لپتاپها، انواع کنترل‌ها و صدها مورد دیگر که در صورت عدم وجود باتری استفاده از آنها غیرممکن می‌شد و حتی می‌توان مدعی شد که اگر باتری وجود نداشت و تولید نمی‌شد، انسان هیچوقت به زندگی مدرن امروزی نمی‌رسید. پس می‌توان نتیجه گرفت که باتری شاید به میزانی که سایر ابزار در مرکز توجهات بوده‌اند، دیده نشده است! در این مطلب از وبسایت آرتا الکتریک بنا داریم به شکل مفصل و همه جانبه به باتری و انواع آن بپردازیم و نحوه عملکرد و کاربردهای آن را مورد بررسی قرار دهیم. اگر شما نیز علاقه‌مندید در مورد این موضوع اطلاعات بیشتری به دست آورید، تا پایان این مطلب همراه ما باشید.
باتری چیست؟
همانطور که طبعاً همه شما عزیزان می‌دانید، باتری وسیله‌ای است که میتواند انرژی را در خود ذخیره کند و در زمان نیاز آن را در اختیار ما قرار دهد و انرژی مدنظر را تأمین کند. انسان زمانی که در تکنولوژی‌های خود نیاز به ذخیره و استفاده به‌موقع از انرژی را داشت، دست به تولید باتری زد. اگر بخواهیم تعریف دقیق‌تری از باتری بیان کنیم:
“باتری انرژی شیمیایی موجود در خود یا انرژی ذخیره‌شده از قبل را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند و در مواقع نیاز در اختیار کاربر قرار می‌دهد.”
باتری‌هایی که در گذشته متداول‌تر بود، یک پک شیمیایی یا Chemical power pack بود که انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کرد و پس از پایان انرژی شیمیایی، دیگر قابل استفاده نبود. این دسته از باتریها یکبارمصرف بوده و برای بارهای بعدی قابل‌استفاده نخواهند بود. در حالی که باتریهای جدیدتر مانند باتری گوشی، میتوانند چندین بار شارژ و دشارژ شوند.
تاریخچه باتری
در آثار باستانی قدیمی آثاری از وجود اشیا شبیه به باتری دیده شده است که مشهورترین آنها باتری بغداد است. در سال 1938 در موزه بغداد شئ‌ای دیده شد که ساختاری شبیه به باتری داشت و به همین دلیل برخی‌ها اولین باتری در تاریخ را باتری بغداد می‌دانند. البته باید اشاره کنیم که ساختار این باتری با باتریهای نوین و امروزی متفاوت بود.
در تاریخ معاصر اولین‌بار ایده تولید و ساخت باتری در سال 1800 میلادی به‌وسیله الکساندر ولتا ایتالیایی مطرح شد و او با استفاده از ورقه‌های مسی و روی و پارچه‌ای آغشته به آب‌شور باتری مدنظر خود را طراحی کرد. اولین ایده باتری با قابلیت شارژ و دشارژ در سال 1974 میلادی توسط بنجامین فرانکلین ارائه شد و او با در کنار هم قراردادن چندین خازن، ایده ذخیره انرژی و استفاده از آن در مواقع لازم باتری جدید را بیان کرد. پس از گذشت سالها و پیشرفت روزافزون تکنولوژی امروزه باتریها در انواع و ابعاد مختلف تولید و به بازار عرضه میشود.
باتری چگونه کار می‌کند؟
به بخش اصلی باتری که باعث تامین انرژی الکتریکی میشود، سلول می‌گویند. سلول باتری دارای دو الکترود و یک ماده به نام الکترولیت است. برای اینکه آسیبی به باتری وارد نشود و سلول باتری بتواند به‌درستی عمل کند، آن را درون یک بسته قرار می‌دهند. بر روی بخش بیرونی باتری همانطور که قطعاً تا به حال مشاهده کرده‌اید، الکترود مثبت با علامت + و الکترود منفی با – نمایش داده شده‌اند. نکته مهم در تفاوت باتری با سلول این است که یک باتری میتواند بسته به کاربردش از چندین سلول تشکیل شده باشد.
اگر نگاهی به ساختار باتری قلمی داشته باشیم، در می‌یابیم که الکترود مثبت در مرکز استوانه قرار گرفته و الکترود منفی دیواره استوانه را تشکیل داده است. ماده شیمیایی درون سلول که آن را با نام الکترولیت معرفی کردیم نیز در میان این دو الکترود قرار گرفته است. هنگامی که باتری ما درون یک مدار قرار می‌گیرد، الکترولیت شروع به فعالیت می‌کند و طی واکنش‌های شیمیایی که با دو الکترود انجام می‌دهد، طی فرایندی آرام به ماده دیگری تبدیل میشود. طی این واکنش شیمیایی توسط الکترولیت، یون‌های جدیدی تشکیل می‌شوند و الکترون‌های آزاد موجود در سر الکترود منفی وارد مدار می‌شوند و با شارش این الکترون‌ها انرژی لازم در مدار تأمین می‌گردد. پس از گذشت مدت‌زمان تعیین‌شده و از دست رفتن خاصیت ماده الکترولیت، حرکت یون‌ها در این ماده متوقف میشود و در نتیجه متوقف‌شدن شارش الکترون‌ها، باتری از کار می‌افتد.
انواع باتریها از نظر فناوری ساخت
حالا که با چیستی و نحوه عملکرد باتریهای اولیه آشنا شدیم، قصد داریم باتریها را بر اساس فناوری ساختشان طبقه‌بندی کنیم تا شما عزیزان بیش از پیش با این محصول کاربردی و انواع آن آشنا شوید. در ابتدای امر برای اینکه بتوانیم دیدگاه بهتری نسبت به باتریهای موجود در بازار داشته باشیم، قصد داریم باتریها را به دو دسته باتری غیر قابل شارژ (باتری اولیه) و باتری قابل شارژ (باتری ثانویه) تقسیم‌بندی کنیم.
باتری غیر قابل شارژ
در حال حاضر شاید تصور شما از باتری غیر قابل شارژ محصولی قدیمی و به درد نخور باشد، اما باید بدانید که با اینکه تکنولوژی‌های جدیدتری برای تولید باتری نسبت به باتریهای اولیه عرضه شده، اما این باتریها هنوز هم کاربردهای مخصوص خود را دارند! مزیت اصلی و مهم باتریهای غیر قابل شارژ این است که نسبت به باتریهای قابل شارژ، ظرفیت ذخیره انرژی بیشتری دارند و مدت‌زمان دشارژ آنها بسیار طولانی‌تر است. این ویژگی باعث شده همچنان در بسیار از موارد، باتری غیر قابل شارژ کاربردهای متعددی داشته باشد. برای مثال ضربان‌سازهایی که در قلب افراد بیمار قرار می‌گیرند را نمیتوانیم برای دفعات متعدد از بدن فرد خارج کنیم و از این رو، باید برای تأمین انرژی ضربان‌ساز از باتریهای اولیه بهره بگیریم.
باتریهای غیر قابل شارژ معمولاً با استفاده از سه فناوری کربن–روی، قلیایی و لیتیومی ساخته می‌شوند. در ساختار هیچ یک از این باتریها، هیچ ماده مایعی وجود ندارد و از این رو، به این دسته از باتریها، سلول‌های خشک نیز می‌گویند. در ادامه هر یک از این فناوری‌ها را مورد بررسی قرار می‌دهیم.
1- باتری روی – کربن
باتریهای روی – کربن (Zinc – Carbon)، یکی از پرکاربردترین و ارزان قیمت‌ترین باتریهای موجود در بازار هستند که در زندگی روزمره از آنها به شکل گسترده‌ای استفاده می‌کنیم. این باتریها که یکبارمصرف و غیر قابل شارژ هستند، برای اولین‌بار توسط ژئورژ لکلانچ در سال 1865 میلادی ساخته شدند. باتریای که عملکرد آن را در بخش “باتری چگونه کار می‌کند؟”، مورد بررسی قرار دادیم، در واقع همین باتری روی–کربن بود. در این باتری الکترود منفی روی و الکترود مثبت میله کربنی است. الکترولیت این باتری از جنس ماده کلرید آمونیوم است. ظرفیت انرژی و طول عمر باتری روی – کربن چندان زیاد نیست و به همین دلیل در صورت استفاده از این محصول، باید به شکل دوره‌ای و زودهنگام باتری دستگاه را عوض کنید.
2- باتری قلیایی
دیگر باتری اولیه که در این بخش قصد بررسی آن را داریم، باتری قلیایی یا Alkaline است. این باتری نسبت به باتری روی–کربن از طول عمر مفید و ظرفیت بیشتری برخوردار است و به همین دلیل قیمت بیشتری نیز نسبت به آن دارد. الکترود مثبت باتری قلیایی منگنز اکسید، الکترود منفی آن از جنس روی است. الکترولیت این باتری از جنس محلول قلیایی غلیظ پتاسیم هیدروکسید است. از آن جایی که برخورد این الکترولیت با پوست و تنفس آن خطراتی را برای سلامتی شما به همراه دارد، باید مراقب باشید که این ماده از درون باتری به بیرون نشت پیدا نکند. برخی از ویژگی‌های مثبت باتریهای قلیایی به شرح زیر است.
- عمر مفید طولانی
- ابعاد کوچک و مناسب
- نشت کم الکترولیت
- مقاومت داخلی کم و در نتیجه ارائه جریان مناسب
- سازگاری با دستگاه‌های قابل‌حمل و پرتابل
باتریهای قابل شارژ
پیش از اینکه تجهیزات الکترونیکی مانند تلفن‌های همراه و لپتاپها وارد بازار شوند و به محبوبیت برسند، استفاده از باتریهای قابل شارژ یا ثانویه چندان مرسوم نبود. زمان دشارژ این باتریها نسبت به باتریهای اولیه بسیار کوتاه‌تر بود و به همین دلیل مردم علاقه چندان به استفاده از آنها نشان نمی‌دادند. در اوایل معرفی باتریهای قابل شارژ، باتریهای نیکل–کادمیوم و نیکل متال هیدرید بیش از سایر انواع باتریهای قابل شارژ موردتوجه بودند.
از دیگر باتریهای قابل شارژ پرکاربرد نیز می‌توان به باتری ثانویه سرب اسید اشاره کرد. باتری سرب اسید هنوز هم در بازار به فروش می‌رسد و در برخی از خودروها مورداستفاده قرار می‌گیرد. در حال حاضر پرکاربردترین باتری قابل شارژ باتری لیتیوم یونی است که در گوشی‌های هوشمند و لپتاپ به کار گرفته میشود.
1- باتری سرب اسید
باتری سرب اسید یا Lead-Acid که با نام تجاری باتری ماشین نیز شناخته میشود، 12 ولت است و از 6 سلول 2 ولت ساخته میشود. الکترود منفی و مثبت این باتری به ترتیب فلز سرب متخلخل و اکسید سرب است. الکترولیت این باتری نیز از جنس اسید سولفوریک است. هنگامی که این باتری در وضعیت دشارژ قرار می‌گیرد، الکترودها با لایه‌ای از سولفات سرب پوشانده می‌شوند. واکنش‌های میان الکترودها و الکترولیت باعث میشود، اسید سولفوریک تشکیل‌دهنده الکترولیت به آب بدل شود. در مدار الکتریکی موجود در خودرو، این باتری انرژی موردنیاز استارت خودرو و روشنایی چراغ‌ها را تأمین می‌کند و توسط آلترناتور یا همان دینام شارژ می‌گردد.
دلیل جایگزین‌شدن این باتری با فناوری‌های جدیدتر، وزن زیاد آن و ناسازگاری فلز سرب با محیط‌زیست است. توان خروجی بالا، قابلیت شارژ آسان و قیمت مناسب را می‌توان به‌عنوان مزایای استفاده از باتری اسید سرب شناخت. باتریهای اسید سرب در ولتاژهای مختلفی مانند 2، 6، 12 و 24 تولید شده‌اند و معمولاً در وسایل نقلیه مانند خودروهای سواری و ماشین‌آلات سنگین به کار می‌روند.
2- باتری نیکل کادمیوم
در دهه‌های قبل، باتریهای نیکل کادمیوم تا حدودی توانستند جایگزین باتریهای غیر قابل شارژ شوند. کسانی که به طور مداوم از دستگاه‌های باتریخور استفاده می‌کردند، به‌جای باتریهای اولیه، استفاده از باتری نیکل کادمیوم را در دستور کار خود قرار دادند. این دسته از باتریها میتوانند صدها بار توسط کاربر مورداستفاده قرار گیرند و بدون محدودیت شارژ و دشارژ شوند.
الکترود مثبت و الکترود منفی باتری نیکل کادمیوم به ترتیب از جنس نیکل هیدروکسید و کادمیوم است. الکترولیت موجود در این باتری نیز محلولی غلیظ از پتاسیم هیدروکسید است. با توجه به وجود اثری به نام مموری افکت یا اثر حافظه در این باتریها، بهتر است این باتری را پس از دشارژ شدن کامل، شارژ کنید. ولتاژ اسمی این نوع 1.2 ولت است و با توجه به این ولتاژ کم، معمولاً در گجت‌های مختلف از چند عدد باتری نیکل کادمیوم به شکل سری استفاده میشود. قیمت ارزان، قابلیت شارژ آسان و نسبتاً سریع و قابلیت استفاده در تمامی محیط‌ها از جمله ویژگی‌های مثبت باتری نیکل کادمیوم است. از جمله کاربردهای این باتری می‌توان به اسباب‌بازی‌های RC، چراغ‌های خورشیدی و تلفن‌های بی‌سیم اشاره کرد.
3- باتری نیکل متال هیدرید
این باتری از نظر عملکرد بسیار شبیه به باتری نیکل کادمیوم است؛ اما نسبت به این باتری دارای برتری‌هایی است که از جمله آنها می‌توان به اثر حافظه کمتر و عدم مخاطرات زیست‌محیطی اشاره کرد. نیکل اکسی هیدروکسید الکترود مثبت این باتری را تشکیل می‌دهد و الکترود منفی این باتری نیز آلیاژی است که جاذب هیدروژن است. از دیگر مزایای نیکل متال هیدرید می‌توان به چگالی انرژی بالا و شارژ آسان اشاره کرد.
4- باتری لیتیوم یون
امروزه باتریهای لیتیوم یون به‌عنوان پرکاربردترین و سریع‌ترین باتریهای قابل شارژ در جهان شناخته می‌شوند. باتری اغلب گجت‌های مورداستفاده شما مانند لپتاپ، گوشی هوشمند و… از جنس همین باتری لیتیوم یون است. در باتری لیتیوم یون مشکل عدم سازگاری با محیط‌زیست و ولتاژ پایین باتریهای نیکل کادمیوم حل شده و طول عمر نیز طولانی و مطلوب است. همانطور که همه ما در زمینه مصرف از باتری گوشی‌های هوشمند تجربه داریم، این دسته در حالت استفاده مداوم چیزی در حدود 28 ماه بازدهی دارند. از جمله مزایای باتریهای لیتیوم یونی می‌توان به وزن بسیار کم، چگالی انرژی زیاد و میزان جریان بالا اشاره کرد. ولتاژ اسمی باتریهای لیتیوم یونی 3.7 ولت و بازه ظرفیت آنها بین 100 تا 1000 میلی‌آمپر است. البته ظرفیت باتری‌هایی که برای گوشی‌های هوشمند و لپتاپها مورداستفاده قرار می‌گیرد، به‌مراتب بیشتر از این بازه است.
انواع باتری از نظر ظاهری
باتریها میتوانند با فناوری‌های مختلف در اشکال فیزیکی متفاوتی تولید شوند. با این وجود نمی‌توان دسته‌بندی دقیقی از نظر ظاهری برای باتریهای مختلف ارائه کرد. با این حال قصد داریم باتری‌هایی که بیشتر با آنها سر و کار داریم را از نظر ظاهری بررسی کنیم.
1- باتری قلمی و نیم قلمی
باتریهای قلمی و نیم‌قلمی مشهورترین و شناخته‌شده‌ترین باتری‌هایی هستند که به شکل روزمره از آنها استفاده می‌کنیم. در دسته‌بندی تخصصی‌تر از نظر ابعاد، باتری قلمی را با شناسه AA و باتری نیم‌قلمی را با شناسه AAA می‌شناسند. از این رو در برخی از کشورها به باتری قلمی باتری AA نیز می‌گویند.
نکته جالب در مورد باتری قلمی و نیم قلمی این است که این باتری میتوانند با استفاده از تمامی تکنولوژی‌هایی که در بخش‌های قبلی اشاره کردیم، ساخته شوند. با این تفاسیر باتریهای قلمی را می‌توان به دو دسته قابل شارژ و غیر قابل شارژ تقسیم‌بندی کرد. باتریهای قلمی با فناوری زینک – کربن، آلکالاین، لیتیوم، لیتیوم یون، نیکل کادمیوم و نیکل متال هیدرید در بازار موجود است.
2- باتری کتابی
ولتاژ باتریهای کتابی معمولاً 9 ولت است و از این رو، در بازار جهانی این باتریها را با نام باتریهای 9 ولت می‌شناسند. این باتری نیز مانند باتری قلمی، در دو نوع قابل شارژ و غیر قابل شارژ تولید و به بازار عرضه میشود. باتری کتابی قابل شارژ با فناوری‌های لیتیوم، روی، کلرید روی و اکسید نقره در بازار عرضه شده است.
باتری کتابی غیر قابل شارژ نیز با فناوری‌های مختلفی مانند لیتیوم یون، فسفات آهن لیتیوم، لیتیوم تیتانت، اکسید منگنز لیتیوم و لیتیوم نیکل منگنز تهیه میشود. باتریهای کتابی میتوانند علاوه بر 9 ولت، ولتاژهای دیگری مانند 12 ولت نیز داشته باشند؛ اما مرسوم‌ترین نوع این نوع باتریها، باتری 9 ولت است. از جمله کاربردهای باتری کتابی در دنیای الکترونیک می‌توان به آشکارسازهای دود، دستگاه‌های تست و ابزارهای پزشکی، نمایشگرهای LCD، مانیتورهای بیمار، چراغ اضطراری، دستگاه‌های پزشکی و… اشاره کرد.
3- باتری دکمه‌ای یا سکه‌ای
آخرین باتری یکبارمصرفی که آن را بررسی می‌کنیم، باتری دکمه‌ای یا Button Battery است. این دسته از باتریها را با عنوان باتری سکه‌ای نیز می‌شناسند. این نوع از نظر ظاهری شبیه به دکمه است و اغلب برای تأمین انرژی ساعت‌های مچی و ماشین حساب به کار گرفته میشود. در ساخت باتریهای دکمه‌ای می‌توان از الکترودها و الکترولیت‌های مختلفی بهره گرفت. روی یا لیتیوم میتوانند الکترود منفی این باتری را تشکیل دهند و الکترود مثبت این باتری نیز میتواند از جنس اکسید منگنز یا اکسید نقره باشد. در انتخاب الکترولیت نیز گستره مختلفی از مواد در دسترس هستند و می‌توان علاوه بر مواد قلیایی، از دیگر مواد نیز به‌عنوان الکترولیت در این باتری استفاده کرد. وزن کم، تراکم بالا، ابعاد کوچک و مناسب، قیمت ارزان، ماندگاری طولانی و ولتاژ اسمی بالا از جمله ویژگی‌های مثبت باتری دکمه‌ای هستند.
پارامترهای مهم هنگام بررسی یک باتری
برای اینکه بتوانیم هنگام بررسی یک باتری با ماهیت و ویژگی‌های آن بیش از پیش آشنا شویم، پارامترهای مهم آن را بررسی می‌کنیم. در این بخش قصد داریم این پارامترها را به شما معرفی کنیم تا بتوانید باتری مناسب مدار یا دستگاه خود را به‌راحتی پیدا کنید.
- ظرفیت: انرژی ذخیره شده که آن را با پارامتر ظرفیت بیان می‌کنیم به سه عامل ولتاژ، جریان و ساعت بستگی دارد. معمولاً ظرفیت باتری را با واحد میلی‌آمپر مشخص می‌کنند. مفهوم باتری با ظرفیت 2000 میلی‌آمپر این است که این باتری میتواند در مدت یک ساعت، 2500 میلی‌آمپر جریان را منتقل کند و بسته به شرایط مدار و استفاده شما این میزان جریان و مدت‌زمان کارکرد آن متفاوت خواهد بود.
- درجه C: این پارامتر مربوط به میزان جریان برقی است که در باتری وجود دارد. برای حاصل‌شدن درجه C، ظرفیت باتری را به عدد 1000 تقسیم می‌کنند. مفهوم درجه C این است که در یک ولتاژ ثابت باتری میتواند به میزان درجه C آمپر جریان را منتقل کند. برای مثال درجه C یک باتری 20000 میلی‌آمپر برابر با 20 است و این باتری میتواند در یک ولتاژ ثابت، به میزان 20 آمپر جریان را منتقل کند.
- ولتاژ اسمی: ولتاژ باتری در طول مدت‌زمان استفاده دست خوش تغییر نمی‌شود و از این رو، به این ولتاژ، nominal voltage یا ولتاژ اسمی می‌گویند. با توجه به ثابت‌بودن این مقدار، دیگر ولتاژ در محاسبه ظرفیت باتری یک متغیر محسوب نمی‌شود و ظرفیت باتری تنها به جریان و مدت‌زمان بستگی دارد.
- جریان شارژ: میزان جریانی که تحت عنوان جریان شارژ شناخته میشود، حداکثر جریانی است که یک باتری میتواند هنگام شارژ دریافت کند.
- ولتاژ شارژ: ولتاژ شارژ میزان ولتاژی است که برای شارژکردن باتری مناسب و بهینه است. ولتاژ شارژ در اغلب باتریها 4.2 ولت است.
- جریان تخلیه: به مقدار جریانی که میتواند هنگام دشارژ از باتری خارج و به مدار وارد شود، جریان تخلیه می‌گویند.
گفتار پایانی
حال که به شناخت مناسبی از باتریها رسیدیم، می‌توانیم درک کنیم که چرا پژوهشگران باتریها را یکی از مهمترین اختراعات بشر در دو قرن اخیر نامیده‌اند و آن را محصولی انقلابی می‌دانند. این وسیله شگفت‌انگیز ما را به زندگی مدرن امروزی نزدیک کرد و زندگی را برای ما آسان‌تر کرد.