باتری

باتری وسیله‌ای متشکل از یک یا چند سلول الکتروشیمیایی با اتصالات خارجی است.

که برای تأمین انرژی دستگاه‌های الکتریکی مانند چراغ‌قوه، تلفن‌های همراه و خودروهای برقی استفاده می‌شود.

هنگامی که یک باتری در حال تأمین توان الکتریکی است، ترمینال مثبت آن کاتد و ترمینال منفی آن آند است.

ترمینالی که با علامت منفی مشخص شده‌است منبع الکترون‌هایی است که از طریق یک مدار الکتریکی خارجی به سمت ترمینال مثبت جریان می‌یابد.

هنگامی که یک باتری به یک بار الکتریکی خارجی متصل می‌شود، یک واکنش اکسایش-کاهش واکنش دهنده‌های پر انرژی را به محصولات کم انرژی تبدیل می‌کند و اختلاف انرژی آزاد به عنوان انرژی الکتریکی به مدار خارجی تحویل می‌شود.

از گذشته، از اصطلاح “باتری” برای دستگاه‌هایی با چند سلول استفاده می‌شد، با این حال از این اصطلاح همچنان برای دستگاه‌هایی با فقط یک سلول استفاده می‌شود.

باتری‌های اولیه (یکبار مصرف) یکبار استفاده می‌شوند و دور انداخته می‌شوند، زیرا ترکیب شیمیایی مواد الکترود در هنگام تخلیه برگشت‌ناپذیر، دچار تغییر می‌شوند.

یک نمونه معمول باتری قلیایی است که برای چراغ قوه و بسیاری از دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل استفاده می‌شود.

باتری‌های ثانویه (قابل شارژ) با استفاده از جریان الکتریکی اعمال شده می‌توانند چندین بار تخلیه و شارژ شوند.

ترکیب شیمیایی اصلی الکترودها را می‌توان با جریان الکتریکی معکوس، بازیابی کرد.

به عنوان مثال می‌توان به باتری‌های اسید-سرب که در وسایل نقلیه استفاده می‌شوند و باتری‌های لیتیوم-یون که برای تجهیزات الکترونیکی قابل حمل مانند لپ تاپ‌ها و تلفن‌های همراه استفاده می‌شود، اشاره کرد.

باتری‌ها در اشکال و اندازه‌های مختلفی وجود دارند، از سلول‌های مینیاتوری گرفته که برای تأمین انرژی سمعک و ساعت مچی استفاده می‌شود تا سلول‌های کوچک و نازک که در تلفن‌های هوشمند استفاده می‌شود،

و باتری‌های بزرگ اسید-سرب یا لیتیوم-یونی که در وسایل نقلیه استفاده می‌شوند و باتری‌های عظیم‌الجثه به اندازه اتاق ساختمان که برق اضطراری مراکز تلفن و مراکز داده رایانه را فراهم می‌کنند.

از آنجایی که تولید برق توسط نیروگاه‌های بادی و خورشیدی منقطع است، باتری‌ها یک جزء بسیار مهم در تحقق اهداف توسعه پایدار و انرژی‌های نو هستند و به همین دلیل به سرعت در حال پیشرفت هستند.

در سال ۲۰۱۹ اندازه بازار جهانی باتری برابر ۱۰۸٫۴ میلیارد دلار ارزیابی شده‌است و انتظار می‌رود از سال ۲۰۲۰ تا ۲۰۲۷ با نرخ رشد مرکب سالانه ۱۴٫۱٪ رشد کند و به ۳۱۰٫۸ میلیارد دلار برسد.

کارکرد باتری

معمولاً هر باتری از یک یاچند سلول کوچک داخلی تشکیل شده‌است، در باتری‌ها ممکن است سلول‌ها برای افزایش جریان با هم موازی شده

یا برای افزایش ولتاژ با هم سری شوند، هر سلول شامل دو نیم سلول است

که به صورت سری توسط ماده‌ای الکترولیت -شامل یون‌های مثبت و یون‌های منفی – که رسانای الکتریکی می‌باشد به هم متصل‌اند.

با اتصال باتری به مصرف‌کننده یون‌های منفی از طریق سیم هادی به مصرف‌کننده وارد شده

و بعد از ایجاد انرژی در آن (انرژی گرمایی بر اثر عبور از یک مقاومت یا انرژی جنبشی بر اثر القا یا انرژی نور بر اثر پرتاب و…) به سمت یون‌های مثبت حرکت می‌کنند

و به تدریج یون‌های مثبت (که در اینجا حفره‌ها هستند) را خنثی می‌کنند.

با گذشت زمان یون‌های مثبت بیشتری خنثی شده و به تدریج انرژی باتری کم شده و مقاومت داخلی آن افزایش می‌یابد

در این حالت بعد از گذشت مدت زمانی که معمولاً با آمپر ساعت باتری مشخص می‌شود باتری به صورت کامل تخلیه می‌شود.

مثلاً یک باتری ۶۰ آمپر ساعت می‌تواند ۶۰ آمپر را تا یک ساعت تأمین کند،

این باتری بعد از گذشت یک ساعت و با کشیدن جریان ۶۰ آمپر از ان به صورت کامل تخلیه می‌شود.

با کاهش جریان دریافتی از باتری می‌توان مدت زمان کارایی آن را افزایش داد،

در این حالت باید پارامترهای مانند دما، لزرش و مقدار تنش موجود در جریان را نیز در زمان نهایی لحاظ کرد.

به عنوان مثال باتری ۶۰ آمپر ساعتی در حالت تئوری باید جریان ۲۰ آمپر را برای مدت زمان ۳ ساعت تأمین کند

در حالی که با توجه به ساختار باتری و همچنین دمای محیط ممکن است این زمان تا نیم ساعت نیز کاهش یابد.

اساساً، یک باتری شامل سه بخش عمده است:

دو الکترود (مثبت و منفی) که داخل الکترولیت مستغرق می‌باشد. سازندگان باتری عموماً باتری را با ظرفیت کولومتریک مشخص می‌نمایند،

که این مقدار از تخلیه باتری با شارژ کامل تا رسیدن به ولتاژ قطع به‌دست می‌آید.

لازم است ذکر شود که عموماً باتری‌های مشابه در جریان‌های تخلیه متفاوت دارای ظرفیت متفاوت هستند.

به‌طور کلی در جریان‌های تخلیه بزرگ‌تر ظرفیت باتری کاهش می‌یابد.

تقسیم‌بندی باتری‌ها

بر اساس شرایط محیطی و شرایط الکتریکی مورد استفاده بایستی از باتری‌های متفاوت استفاده کرد

که دارای مشخصات گوناگون تحت شرایط دشارژ می‌باشند انواع باتری از نظر کاربرد عبارت اند از:

باتری‌های خورشیدی که شارژ آن‌ها تابع قوانین خاص است.

باتری‌های مورد استفاده در. ups و لپ‌تاپ و موبایل که توانایی تأمین یک جریان ثابت برای مدت زمان طولانی را دارند.

باتری‌های اتومبیل، لیفتراک و موتورسیکلت که می‌توانند جریان زیادی را در مدت زمان کوتاه جهت استارت تأمین کنند.

باتری‌های سامانه‌های حفاظتی، روشنایی، امنیتی و سامانه‌های کنترل که باید دارای عمر و پایداری بالایی باشند.

باتری‌های قلمی و نیم قلمی و…(باتری که برای مصارف عمومی ساخته شده‌اند) این باتری‌ها باید ارزان باشند.

باتری‌ها سکه‌ای و باتری‌های پشتیبان که می‌توانند جریان کمی را برای مدت زمان خیلی طولانی تأمین کنند.

و…

به‌طور کلی باتری‌ها به دو دسته قابل شارژ و غیرقابل شارژ تقسیم‌بندی می‌شوند.

باتری‌های شارژ نشدنی (یک بار مصرف)

این باتری‌ها قادر به شارژ الکتریکی نبوده و یکبار استفاده و شارژ می‌شوند.

باتری‌های غیرقابل شارژ، سلولهای خشک (باتری خشک) نیز نامیده می‌شوند.

در باتری خشک معمولی، بر اثر واکنش ماده آند (قطب مثبت) (عنصر Zinc یا Alkaline یا Lithium یا Silver)و ماده کاتد (قطب منفی) (عنصر carbon یا chloride یا copper oxide یا iron disulfide یا manganese dioxide) با الکترولیتی که محیط بین آند و کاتد را دربر گرفته‌است، انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود.

اساس نام‌گذاری باتری با نام‌های همچون باتری لیتیوم (Lithium) یا باتری Alkaline یا … به دلیل عناصر استفاده در ساخت آن‌ها می‌باشد.

هر باتری یک مقاومت داخلی (R) دارد و اختلاف پتانسیل بین قطب‌های باتری (V)، زمانی که جریان I از آن می‌گذرد، برابر V=Eemf – IxR می‌باشد.

فرایند تبدیل انرژی در باتری باعث افزایش مقاومت الکتریکی داخلی آن می‌شود و این حالت تا آنجا پیش می‌رود که نیروی محرکه دیگر توانایی غلبه بر آن را ندارد.

افزایش مقاومت الکتریکی در باتری به دلیل نفوذ مادهٔ کاتد (منفی) به داخل مادهٔ آند رخ می‌دهد.

در برخی از مواقع می‌توان با گرم و سرد کردن باتری (انداختن در آب جوش و منقبض و منبسط کردن باتری) یا زدن ضربه، مسیرهای جدیدی را برای عبور جریان ایجا کرده و مقاومت R را تاحدودی کم کرد.

در باتری فرسوده مقاومت داخلی به قدری زیاد است که با عبور جریان، ولتاژ دو سر باتری به سرعت افت می‌کند و باتری قابلیت تأمین انرژی الکتریکی مفید را ندارد.

باتری‌های شارژ شدنی

مقالهٔ اصلی: باتری قابل شارژ

از این باتری‌ها برای مقاصد زیر استفاده می‌شود:

باتری‌های نیروگاهی (GROE-OGI-OPZS-FNC)

باتری‌های آنتن‌های مخابراتی باتری‌های مخابراتی NET Power-power

باتری‌های مورد استفاده در سامانه‌های ریلی و مترو

باتری‌های مورد استفاده در پروژه‌های نفت، گاز و پتروشیمی (FNC)

باتری‌های خورشیدی (Solar.bloc)

باتری‌های مورد استفاده در ups

باتری‌های منابع تغذیه (SLA – VRLA)

باتری‌های اتومبیل، لیفتراک و موتورسیکلت

باتری‌های سامانه‌های حفاظتی، روشنایی، امنیتی و سامانه‌های کنترل

این باتری‌ها پس از دشارژ، با عبور جریان در جهت مخالف جریان دشارژ، به صورت الکتریکی قابل شارژ می‌باشند

و با نام باتریهای ذخیره یا باتری شارژی نیز شناخته می‌شوند،

عمر این باتری بیشتر از ۵ سال است و بارها می‌توان آن‌ها را شارژ و دشارژ کرد.

 

۱ – کاربردهایی که به دلیل صرفه اقتصادی و نیاز به توان بالاتر از توان باتری غیرقابل شارژ، باتریهای شارژی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

در این موارد هر چند امکان استفاده از باتریهای غیرقابل شارژ نیز وجود دارد ولی هزینه زیاد، کارایی کم و آلودگی محیط زیست را در پی خواهد داشت.

 

۲ – کاربردهایی که در آن‌ها از باتری‌های قابل شارژ به عنوان وسیله ذخیره انرژی استفاده می‌شود

و باتریها توسط یک منبع انرژی اولیه شارژ و در هنگام نیاز انرژی ذخیره شده را به بار تحویل می‌دهند.

در این حالت باتری همیشه توسط یک شارژر در زیر شارژر قرار گرفته و در مواقع قطع برق انرژی مورد نیاز مصرف‌کننده را تأمین می‌کند،

باتری منبع تغذیه بدون وقفه و باتری اتومبیل، لیفتراک و موتورسیکلت نمونه‌ای از این کاربرد می‌باشد.

 

باتریهای قابل شارژ را می‌توان به دو دسته کلی اسیدی و بازی تقسیم‌بندی نمود

که هر کدام براساس جنس الکترودهای مثبت و منفی به انواع گوناگون تقسیم‌بندی می‌شوند.

برای کاربردهای صنعتی ساکن در اکثر موارد از باتریهای نیکل–کادمیوم (بازی) و برای کاربردهای که در آن لرزش وجود دارد معمولاً از باتری سرب – اسید استفاده می‌گردد.

از ویژگی‌های باتریهای قابل شارژ علاوه بر قابلیت شارژ مجدد، توان بالا، نرخ دشارژ سریع و مشخصه عملکرد بهتر دمای پائین می‌باشد.

باتری نیکل – کادمیوم را معمولاً در Battery room یا باتری خانه نگهداری می‌کنند.

 

توان الکتریکی باتری

توانی که هر باتری بر حسب وات فراهم می‌کند، برابر حاصل‌ضرب ولتاژ آن (بر حسب ولت) در حداکثر جریان مجاز آن (برحسب آمپر) می‌باشد.

در کاربردهایی با توان بالا از جمله راه اندازه موتور خودرو، میزان توان‌های تأمین شده در فواصل زمانی کوتاه به بیش از ۱۰۰۰ وات می‌رسد.

در کاربرد کم توان در وسایل الکترونیکی ظریف، مانند سمعک‌ها و ساعت‌های رایانه‌ای، اندازه توان‌های فراهم شده نزدیک چند میلی وات است.

خطر و نقص باتری

خطرها و نقص‌های مربوط به باتری عبارتند از:

• انفجار
• نشتی
• ملاحظات زیست‌محیطی
• ضایعات باتری فرسوده
• انفجار

پدیده انفجار باتری عموماً ناشی از عدم کاربرد یا کارکرد صحیح باتری است.

به عنوان مثال تلاش برای شارژ نمودن مجدد باتری‌های یک بار مصرف یا غیرقابل شارژ، می‌تواند باعث انفجار این منبع انرژی الکتریکی شود.

نشتی

در بعضی از باتری‌ها از مقوا، فلز روی و مواد شیمیایی استفاده می‌شود.

واکنش شیمیایی درون باتری در مدت زمان طولانی، باعث خروج و نَشت مواد شیمیایی داخل باتری به بیرون شده

و ایجاد خوردگی شیمیایی در قطعات فلزی دستگاه‌ها که اطراف باتری قرار دارند می‌نماید.

ملاحظات زیستگاهی

افزایش بهره‌گیری از باتری‌ها و کاربردهای گسترده آن افزایش زباله‌های صنعتی و زیستگاهی تازه این کالا را به همراه داشته‌است.

آفرینندگان باتری از مواد شیمیایی هراس ناک برای پیدایش کارایی بهتر باتری‌های ساخته شده خود سود می‌جویند.

پسمان‌های انباره مایه بالا رفتن آلودگی زیستگاهی به زهرهای کشنده فلزی باتری‌ها شده‌است ا

لبته امروزه انسان‌های زیادی در تلاش بوده تا این خطرات را (برای مثال با ساخت باتری‌های چندبار مصرف که باعث کاهش زباله‌هایی از این قبیل می‌شود) کاهش دهند.

باتری‌های روی-کربن برای محیط زیست خطرناک‌اند و پس از استفاده نباید همراه با بقیهٔ ضایعات خانگی دفع شوند.

نخستین باتری تاریخ

پیل الکتریکی در ایران باستان در فاصله سال‌های ۲۵۰ ق. م تا ۲۲۴ پ. م در تیسفون ساخته شد.

این باتری‌ها به باتری‌های بغداد و پیل الکتریکی مشهورند.

شرکت جنرال الکتریک این باتری‌ها را با روش تاریخ‌گذاری رادیوکربن (به انگلیسی: Radiocarbon dating) شبیه‌سازی کرده‌است.

معلوم شده‌است که قدمت این پیل‌ها به ۲۰۰ سال پیش از میلاد می‌رسد.

این پیل‌ها دارای بدنهٔ بیرونی از جنس ارتن ور بوده که حاوی میله‌ای آهنی است و به وسیلهٔ بخشی از بدنهٔ مسی (میلهٔ آهنی درون استوانهٔ مسی) ایزوله شده‌است.

زمانی که درون محفظه با محلولی الکترولیت مانند آبلیمو پر شود، این وسیله جریان الکتریکی خفیفی تولید می‌کند.

این احتمال وجود دارد که این وسیله برای آبکاری الکتریکی جواهر به کار می‌رفته‌است.

در سال ۱۳۱۷ خورشیدی برابر با ۱۹۳۸ میلادی، باستان‌شناس آلمانی ویلهلم کونیک و همکارانش ابزارهایی را در نزدیکی تیسفون پایتخت ایران در دوران اشکانیان یافتند.

پس از بررسی معلوم شد که این ابزارها پیل‌های الکتریکی هستند،

که در دوره تاریخی ایران اشکانی ساخته شده و به کار برده می‌شده‌اند.

او این پیل‌های تیسفون را باتری پارتی نامید که امروزه با نام‌های دیگر همچون باتری پارتیان یا پیل اشکانی هم مشهورند.

او در مقاله‌ای این مطلب را منتشر کرد و از این وسیله با عنوان باتری باستانی یاد کرد

که برای آبکاری الکتریکی و انتقال لایه‌ای از طلا یا نقره از سطحی به سطح دیگر به کار می‌رفته‌است.

این اکتشاف مربوط به دوره تاریخی سلسله اشکانیان، تاحدی موجب شگفتی است.

حتی برخی از دانشمندان اروپایی و آمریکایی این باتری را به موجودات فضایی افسانه‌ای و احتمالاً ساکنان فرا هوشمند سیارات دیگر که تصور می‌شود

با بشقاب‌های پرنده و کشتی‌های فضایی به زمین آمده بودند، نسبت دادند، و آن را فراتر از دانش اندیشمندان و پژوهشگران آن دوران دانستند.

برای ایشان پذیرفتنی نبود که دانش ایرانیان در ۱۵۰۰ سال پیش از گالوای ایتالیایی(۱۷۸۶ میلادی) که پیل الکتریکی را اختراع کرد تا به این حد بالا باشد.

به احتمال زیاد، ساکنان بین‌النهرین از این پیل‌های الکتریکی جریان برق تولید می‌کردند و از آن برای آبکاری اشیاء زینتی سود می‌جستند.

اما در پهنه دریانوردی منطقه خاورمیانه از این اختراع جهت آبکاری ابزارهای آهنی در کشتی و جلوگیری از زنگ زدن و تخریب آن‌ها استفاده می‌کردند.

این تئوری بعدها توسط دانشمندان دیگری به بوته آزمایش سپرده شد. ویلارد گری،

مهندس برق شرکت جنرال الکتریک در ایالت ماساچوست، پس از مطالعهٔ مقالهٔ کونیگ تصمیم گرفت باتری بغداد را بازسازی کند.

وی درون کوزهٔ سفالین را با آب انگور، سرکه یا محلول سولفات مس پر کرد و موفق به تولید ولتاژ حدود ۱٫۵ تا ۲ ولت شد.

بعدها اگبرشت، مصرشناس مشهور در سال ۱۹۷۸ نمونه‌ای از باتریهای بغداد را بازسازی کرد و آن را با آب انگور پر نمود و توانست ولتاژ ۰٫۸۷ ولت تولید کند.

وی از این پیلها برای طلاکاری یک پیکرهٔ نقره‌ای استفاده کرد.

نمونه‌های بیشتری از این باتری‌های باستانی در سال ۱۹۹۹ توسط دانشجویان Marjorie Senechal،

استاد ریاضیات و تاریخ علم در Smith College ماساچوست، ساخته شد. آن‌ها با پر کردن کوزهٔ آن با سرکه قادر به تولید ولتاژ ۱٫۱ ولت بودند.

علاوه بر تئوری استفاده از این باتریها برای آبکاری الکتریکی فلزها، تئوری‌های دیگری مبنی بر استفادهٔ پزشکی یا موارد دیگر داده شده‌اند.”

انواع باتری

باتری‌‌ها معمولاً در وسایل خانگی و برای کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌‌گیرند.

هر باتری برای هدف مشخصی طراحی می‌‌شود و براساس نیاز مورد نظر می‌‌تواند مورد استفاده قرار گیرد.

عمدتاً دو نوع باتری وجود دارد: پیل‌‌های اولیه و ثانویه.

هر چند، باتری‌ها را می‌توان به چهار دسته اصلی یعنی پیل اولیه، پیل ثانویه، پیل سوختی و پیل یدک نیز دسته‌‌بندی کرد.

پیل اولیه (باتری‌‌های غیر قابل شارژ)

باتری‌‌های غیر قابل شارژ به عنوان باتری‌‌های اولیه یا پیل اولیه شناخته می‌‌شوند.

باتری‌‌های اولیه، آن‌هایی هستند که وقتی انرژی ذخیره شده آن‌ها یک بار به طور کامل استفاده می‌‌شود، نمی‌‌توان دوباره از آن‌ها استفاده کرد.

این باتری‌‌ها توسط هیچ منبع خارجی نمی‌‌توانند مجدداً انرژی ذخیره کنند.

به همین دلیل است که پیل‌‌های اولیه را باتری‌‌های یک بار مصرف می‌‌نامند.

عامل اصلی کاهش طول عمر باتری‌‌های اولیه این است که در طول استفاده، قطبیده می‌‌شوند.

برای طولانی کردن عمر باتری‌‌ها با کاهش اثر قطبش، از واقطبیدگی شیمیایی استفاده می‌‌شود؛

یعنی اکسید کردن هیدروژن با آب به وسیله اضافه کردن عامل اکسیدکننده به پیل.

به عنوان مثال، در پیل روی-کربن و لکلانشه از منگنز دی اکسید و در پیل بانسن (Bunsen) و گرو (Grove) از نیتریک اسید استفاده می‌‌شود.

چند کاربرد پیل‌‌های اولیه به صورت زیر است:

• ساعت و اسباب‌‌بازی‌‌ها
• وسایل خانگی کوچک
• رایانه‌‌های شخصی
• اینورترها و چراغ‌‌های قابل حمل ضروری

انواع باتری های غیر قابل شارژ عبارتند از:

• باتری روی-کربن
• قلیایی
• پیل‌‌های لیتیومی
• پیل‌‌های نقره اکسید
• پیل‌‌های روی-هوا
• باتری روی-کربن

باتری‌‌های روی-کربن نخستین باتری‌‌های خشک تجاری هستند که نیروی خیلی کمی را تأمین می‌‌کنند و به عنوان پیل خشک شناخته می‌‌شوند.

یک میله کربنی در باتری قرار می‌‌گیرد که جریان را از الکترود دی اکسید منگنز جذب می‌کند.

این امر می‌تواند ۱٫۵ ولت DC تولید کند.

این نوع باتری‌ها در چراغ قوه، رادیو و ساعت دیواری مورد استفاده قرار می‌گیرند.

باتری آلکالین

باتری آلکالین نیز یک باتری سلولی خشک است که از آند روی و کاتد دی اکسید منگنز تشکیل شده است.

باتری آلکالین با قوطی فولادی بسته شده و قسمت بیرونی بخش داخلی با دی اکسید منگنز  پر شده است.

الکترولیت روی و هیدروکسید پتاسیم در مرکز باتری وجود دارد.

باتری‌های آلکالین نسبت به سایر باتری‌ها چگالی بالاتری دارند.

این باتری‌ها معمولاً در پخش‌کننده‌های صوتی، رادیو و چراغ‌ قوه‌ها استفاده می‌شوند.

باتری لیتیومی

باتری‌‌های پیل لیتیومی (Lithium Cell) به شکل سکه‌‌ای یا دکمه‌‌ای به بازار عرضه می‌‌شوند.

این باتری‌‌ها مقدار ولتاژ بیشتری (۳ ولت) نسبت به باتری‌‌های روی، قلیایی و منگنز تولید می‌‌کنند.

پیل‌‌های لیتیومی کوچک‌تر و سبک‌‌تر هستند و طول عمر بیشتری دارند (تقریباً 10 سال).

مقاومت داخلی این باتری‌‌ها بالا بوده و قابل شارژ نیستند.

متداول‌‌ترین پیل سکه‌‌ای مورد استفاده در تعدادی از وسایل الکترونیکی، CR2032 است که مقدار ولتاژ خروجی آن ۳ ولت است.

باتری نقره اکسید

باتری‌‌های نقره اکسید (Silver Oxide)، باتری‌‌هایی کم‌توان با ظرفیت بالا هستند.

ظاهر این باتری‌‌ها شبیه پیل‌‌های جیوه‌‌ای است و نیرو محرکه الکتریکی (EMF) آن‌ها بیشتر از ۱٫۵ ولت است.

کاتد این باتری از نقره اکسید و الکترولیت موجود در داخل آن از پتاسیم یا سدیم هیدروکسید ساخته می‌‌شود.

از آنجایی که فلز نقره گران است، این باتری کاربردهای خیلی محدودی دارد.

پیل‌‌های نقره اکسید ویژگی‌‌های بسیار خوبی دارند که عبارتند از:

آب‌‌بندی منحصر به فرد ساختار این باتری باعث می‌‌شود که در برابر نشت کردن بسیار مقاوم باشد.

ولتاژ خروجی ثابت داده شده توسط باتری برای تخلیه پایدار مفید است.

استفاده از آنتی‌‌اکسیدان‌‌ها به چگالی انرژی بالا در باتری کمک می‌‌کند.

از کاربردهای پیل نقره اکسید می‌توان به موارد زیر اشاره کرد؟

• دستگاه‌‌های IOT
• ساعت‌‌های الکتریکی
• ابزار دقیق
• وسایل پزشکی
• باتری روی-هوا

باتری روی-هوا (Zinc Air) در مدت 5 دقیقه درست پس از باز شدن به ولتاژهای عملکرد کامل می‌‌رسد.

این باتری‌‌ها از نوع باتری‌‌های اولیه با طراحی قابل شارژ هستند.

مقدار اکسیژن موجود در هوا به عنوان جرم فعال باتری عمل می‌‌کند.

در این باتری، کاتد یک بدنه پرمنفذ است که از کربن ساخته شده و به هوا دسترسی دارد.

ولتاژ خروجی این پیل ۱٫۶۵ ولت است. در حین تخلیه، توده‌‌ای از ذرات روی، آند پرمنفذی را تشکیل می‌‌دهد که با الکترولیت اشباع شده است.

اکسیژن موجود در هوا با یون هیدروکسیل واکنش داده که منجر به تولید زینکات می‌‌شود.

زینکات نیز روی اکسید و آب را تولید می‌کند که به الکترولیت باز می‌‌گردد.

پیل ثانویه (باتری‌‌های قابل شارژ)

باتری‌‌های قابل شارژ به عنوان پیل ثانویه شناخته می‌‌شوند.

این نوع باتری‌‌ها را می‌‌توان با وصل کردن به شارژ، بارها و بارها مورد استفاده قرار داد و قبل از اینکه نیاز به تعویض باتری باشد، استفاده‌‌های متعددی از آن کرد.

هزینه اولیه باتری‌‌های قابل شارژ معمولاً بیشتر از باتری‌‌های یک بار مصرف است،

اما مجموع هزینه مالکیت و اثر زیست محیطی این باتری‌‌ها کمتر است،

زیرا می‌‌توان قبل از نیاز به تعویض، آن‌ها را چندین بار به صورت ارزان مجدداً شارژ کرد.

این باتری‌‌ها در موارد زیر مورد استفاده قرار می‌گیرند:

دستبندهای سلامتی و ساعت‌‌های هوشمند

کاربردهای نظامی و زیردریایی‌‌ها

دوربین‌‌ها و ضربان‌‌سازهای مصنوعی

باتری‌‌های ثانویه یا قابل شارژ انواع مختلفی دارند که عبارتند از:

• سرب-اسید
• لیتیوم-یون (Li-ion)
• نیکل-هیدرید فلز (Ni-MH)
• نیکل-کادمیوم (Ni-Cd)
• باتری سرب-اسید

سرب-اسید (Lead Acid) یک نمونه خیلی رایج از باتری‌‌های قابل شارژ است.

معمولاً برای ذخیره انرژی خورشیدی از این باتری‌ها استفاده می‌‌شود، زیرا کیفیت باتری‌‌های سرب-اسید، آن‌ها را از سایر باتری‌‌ها متمایز می‌‌سازد.

این باتری‌‌ها جریان زیادی تولید می‌‌کنند و در اتومبیل‌‌ها مورد استفاده قرار می‌‌گیرند.

هنگامی که باتری از کار می‌‌افتد، می‌‌توان آن را بازیافت کرد.

در واقع، حدود 93 درصد سرب باتری برای بازیافت دوباره مورد استفاده قرار می‌‌گیرد تا باتری‌‌های سرب-اسید جدید ساخته شوند.

باتری لیتیوم-یون

از آنجایی که این باتری‌‌ها چگالی توان بالایی دارند، معمولاً در الکترونیک از آن‌ها استفاده می‌‌شود.

این باتری‌‌ها می‌‌توانند 150 وات-ساعت انرژی را در یک کیلوگرم از جرم خود ذخیره کنند.

هنگام تخلیه، یون‌‌های لیتیوم از الکترود منفی به سمت الکترود مثبت و در جهت مخالف حرکت می‌‌کنند.

توجه داشته باشید که داغ شدن باتری می‌‌تواند منجر به آسیب‌‌دیدگی و آتش گرفتن آن شود.

باتری نیکل-هیدرید فلز

ماده این باتری‌‌ها میان‌‌فلزی است. این نوع باتری‌‌ها طول عمر خوب و ظرفیت جریان بالایی دارند و می‌‌توانند 100 وات-ساعت انرژی را در یک کیلوگرم ذخیره کنند.

همچنین، از نظر حرارتی نسبت به باتری‌‌های لیتیوم-یون مقاوم‌‌ترند.

خود-تخلیه این باتری‌‌ها نسبت به سایر باتری‌‌ها بالاتر است.

باتری نیکل-کادمیوم

در باتری قابل شارژ نیکل-کادمیوم، از نیکل اکسید هیدروکسید و کادمیوم فلزی به عنوان الکترود استفاده می‌‌شود.

این باتری هنگامی که مورد استفاده قرار نمی‌‌گیرد، قادر است ولتاژ و شارژ الکتریکی را نگه دارد و از این نظر مفید است.

ایراد اصلی باتری نیکل-کادمیوم که ممکن است بعداً باعث پایین آمدن ظرفیت باتری شود این است

که اگر باتریِ دارای شارژِ اندک دوباره شارژ شود، ممکن است نقطه شارژ مجدد در حافظه باتری نگه داشته شود.

این اتفاق باعث می‌‌شود که هنگام رسیدن شارژ باتری به آن نقطه، ولتاژ افت پیدا کند.

تحویل ظرفیت نامی در نرخ تخلیه کامل و داشتن چرخه طول عمر خوب در درجه حرارت پایین از جمله مزیت‌‌های باتری نیکل-کادمیوم است.

تفاوت پیل‌‌های اولیه و ثانویه

از نظر مشخصات، پیل‌‌های اولیه مقاومت داخلی بالا، ظرفیت بالاتر و طراحی کوچک‌تری دارند.

در حالی که پیل‌‌های ثانویه دارای مقاومت داخلی پایین، واکنش‌‌های شیمیایی برگشت‌‌پذیر و طراحی پیچیده‌‌ای هستند.

از دیدگاه طراحی، پیل‌‌های اولیه معمولاً خشک هستند؛

یعنی مایعی ندارند و پر از خمیری هستند که به یون‌‌های داخل باتری اجازه حرکت می‌‌دهد.

به همین دلیل است که پیل‌‌های اولیه در برابر نشت کردن مقاوم هستند.

اما پیل‌‌های ثانویه از نمک مایع یا مذاب ساخته می‌‌شوند.

پیل یدک

باتری‌‌های یدک (Reserve Battery) به عنوان باتری اضطراری (Stand-by Battery) نیز شناخته می‌‌شوند.

الکترولیت این باتری‌ها در حالت جامد تا زمان رسیدن به نقطه ذوب، غیرفعال می‌‌ماند.

به محض رسیدن به نقطه ذوب، هدایت یونی شروع و باتری فعال می‌‌شود.

انواع باتری های یدک عبارتند از:

• باتری‌‌های فعال شده با آب
• باتری‌‌های فعال شده با حرارت
• باتری‌‌های فعال شده الکترولیتی
• باتری‌‌های فعال شده با گاز

این باتری‌‌ها در موارد زیر مورد استفاده قرار می‌‌گیرند:

• دستگاه‌‌های سنجش زمان و فشار
• باتری‌‌های اتومبیل و سایر وسایل نقلیه
• سیستم‌‌های تسلیحاتی
• پیل سوختی

در این دسته از باتری‌‌ها، مواد فعال از منبع خارجی تغذیه می‌‌شوند.

پیل‌‌های سوختی تا زمانی که مواد فعال با الکترودها تغذیه شوند، قادر به تولید انرژی الکتریکی هستند.

غشای تبادل پروتون از گاز هیدروژن و اکسیژن به عنوان سوخت استفاده می‌‌کند.

واکنش در داخل پیل صورت می‌‌گیرد و نتیجه آن تولید آب، الکتریسیته و حرارت است.

اجزای اصلی پیل‌‌های سوختی عبارتند از: آند، کاتد، الکترولیت و کاتالیزگر.

مزایای پیل سوختی عبارتند از:

فرایند تبدیل مستقیم انرژی پتانسیل شیمیایی به انرژی الکتریکی از گلوگاه حرارتی جلوگیری می‌‌کند.

این پیل به علت نداشتن اجزای متحرک، مناسب و بسیار مطمئن است.

به علت تولید هیدروژن به روشی سازگار با محیط زیست، در مقایسه با سایر پیل‌‌ها آسیب نسبتاً کمتری به محیط زیست می‌‌رساند.

از کاربردهای پیل سوختی نیز می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

این نوع پیل بیشتر در حمل و نقل از جمله در اتومبیل‌‌ها، اتوبوس‌‌ها و سایر وسایل نقلیه موتوری مورد استفاده قرار می‌‌گیرد.

پیل سوختی غالباً به عنوان پشتیبان برای تولید الکتریسیته هنگام قطع برق به کار می‌‌رود.

مزایا و معایب باتری‌ها

استفاده از باتری نسبت به سایر منابع توان مزیت‌های زیر را به همراه دارد:

ظرفیت انرژی خاص: ظرفیت ذخیره انرژی باتری در مقایسه با سوخت فسیلی خیلی کمتر است.

اما باتری‌‌ها در مقایسه با موتورهای حرارتی ظرفیت تحویل انرژی مؤثرتری دارند.

پهنای باند توان: باتری‌‌ها به دلیل پهنای باند توان بالا می‌‌توانند بارهای کوچک و بزرگ را به طور مؤثرتری کنترل کنند.

پاسخگویی: باتری‌‌ها قادر به تحویل توان در مدت زمان کوتاه هستند؛

بدین معنی که مانند موتورهای احتراقی نیازی به گرمایش ندارند.

محیط زیست: استفاده از باتری‌‌ها آسان است و تقریباً گرمای زیادی تولید نمی‌کنند.

اکثر باتری‌‌ها مانند سایر موتورهای سوختی سر و صدا ایجاد نمی‌‌کنند.

نصب: امروزه، باتری‌‌های آب‌‌بندی شده را می‌‌توان تقریباً در هر موقعیتی به کار برد.

این باتری‌ها مقاومت خوبی در برابر ضربه و لرزش دارند.

از معایب باتری‌‌ها نیز می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

زمان شارژ: هرگاه باتری‌‌هایی که از نوع باتری‌‌های اولیه هستند، تخلیه شوند، ساعت‌‌ها طول می‌‌کشد تا مجدداً برای استفاده شارژ شوند.

اما در مورد استفاده از سوخت‌‌ها که چند دقیقه زمان می‌‌برد، این‌گونه نیست.

هزینه کارکرد: هزینه و وزن باتری‌‌های بزرگ، آن‌ها را برای وسایل نقلیه بزرگ و استفاده مطمئن غیرعملی می‌‌کند.

ظرفیت ذخیره انرژی: ظرفیت ذخیره انرژی باتری‌‌ها در مقایسه با سوخت‌‌های فسیلی کمتر است.

انتخاب باتری مناسب بر اساس مصرف

انتخاب باتری مناسب بر اساس استفاده‌‌ای که از آن می‌‌کنیم، برای جلوگیری از آسیب دیدن وسایل بسیار مهم است.

هنگام انتخاب باتری مناسب باید به نکاتی توجه کنیم که در اینجا به برخی از آن‌ها اشاره می‌کنیم.

اولیه یا ثانویه: این یکی از مهم‌‌ترین عوامل در انتخاب نوع باتری مناسب برای وسایل است.

می‌توان از باتری اولیه برای مصارف موردی و در وسایل در دسترس مانند اسباب‌‌بازی‌‌ها و غیره استفاده کرد.

اما اگر از وسیله‌‌ای برای مدت زمان طولانی استفاده می‌شود، باتری‌‌های قابل شارژ یا ثانویه مناسب‌‌تر خواهند بود.

محدوده دمایی: انتخاب باتری مناسب با دمای مناسب به شما کمک می‌‌کند تا خطر گریز حرارتی کاهش یابد.

باتری‌‌های لیتیوم-یون می‌‌توانند در محدوده دمایی 20 تا 45 درجه سلسیوس شارژ شوند.

شارژ بیش از حد، دمای بالا هنگام شارژ و اتصال کوتاه ممکن است منجر به انفجار باتری‌‌ها شود و در نهایت به وسیله صدمه بزند.

دوام: دوام باتری بیشتر به دو عامل بستگی دارد: طول عمر شارژ و طول عمر کل. علاوه بر این، عوامل فیزیکی باتری نیز بر طول عمر آن تأثیر خواهد گذاشت.

چگالی انرژی: مقدار کل انرژی ذخیره شده در باتری در واحد حجم، چگالی انرژی نامیده می‌‌شود.

چگالی انرژی، پایداری باتری را تعیین می‌‌کند.

به عبارت دیگر، مشخص می‌‌کند که دوام باتری تا شارژ مجدد بعدی چقدر است.

ایمنی: انتخاب باتری باید بر اساس دمای عملکرد آن باشد. بعضی مواقع، دمای باتری از حد فراتر می‌‌رود و ممکن است به اجزای وسیله آسیب بزند.

همچنین، در صورتی که دمای وسیله بیش از حد بالا باشد، ممکن است کارایی آن کاهش یابد.

سایر مواردی که باید هنگام خرید باتری به آن‌ها توجه کرد، عبارتند از:

• شیمی پیل
• قابلیت حمل
• اندازه و شکل فیزیکی
• قیمت
• قابلیت اطمینان
• باتری وسیله نقلیه الکتریکی

باتری‌‌های وسیله نقلیه الکتریکی (Electrical Vehicle) یا EV برای تأمین توان در دوره زمانی مداوم طراحی می‌‌شوند.

سهم این باتری‌‌ها در بازار در حال افزایش است، زیرا ماهیتی سازگار با محیط زیست دارند و قابل اطمینان هستند.

متداول‌‌ترین باتری‌‌ها در اتومبیل‌های مدرن، باتری لیتیوم-یون و لیتیوم-پلیمر است.

این پیل‌‌ها در قالب ماژول‌ نصب می‌‌شوند. به عبارت دیگر، برای ساختن یک جعبه، یک نوع باتری نصب می‌‌شود.

برای مثال، در اتومبیل الکتریکی BMW تعداد ۹۶ پیل نصب می‌‌شود.

تعدادی از پیل‌‌ها در چارچوبی قرار داده می‌‌شوند که از باتری‌‌ها در برابر لرزش و گرمای خارجی محافظت می‌‌کند.

ترکیبی از پیل‌‌ها را ماژول می‌‌نامند.

تعدادی از این نوع ماژول‌‌ها، جعبه خنک‌‌کننده و سیستم مدیریت باتری به صورت یک جعبه با هم ترکیب می‌‌شوند.

در وسایل نقلیه الکتریکی از دو نوع باتری لیتیوم-یون استفاده می‌‌شود:

اکسید فلز و فسفات. در وسایل نقلیه همچون اتومبیل‌‌ها، باتری‌‌های لیتیوم-یون از نظر خطر شیمیایی و راحتی ایمن‌‌تر هستند.

ساختار باتری‌‌های EV

در حال حاضر، اتومبیل‌‌های الکتریکی به کمک باتری‌‌های لیتیومی حرکت می‌‌کنند.

ولتاژ نرمال یک پیل لیتیومی ۳٫۷ ولت است، اما وسیله نقلیه الکتریکی به 300 ولت نیاز دارد.

برای رسیدن به این مقدار ولتاژ و جریان، پیل‌‌های لیتیومی را به صورت سری و موازی ترکیب می‌‌کنند.

ترکیب این نوع پیل‌‌های لیتیومی را ماژول می‌نامند.

ماژول‌‌ها همراه با یک سیستم مدیریت باتری (BMS) در ارتباط هستند تا از آن‌ها حفاظت کند.

شکل زیر ماژول‌‌های پیل لیتیومی نیسان لیف را نشان می‌‌دهد که برای رسیدن به ولتاژ مورد نیاز ساخته شده‌‌اند.

لازم است هنگام استفاده از باتری‌‌های وسیله نقلیه الکتریکی، نکات زیر در نظر گرفته شوند:

نباید اجازه داد باتری به ولتاژ کمتر از ولتاژ قطع (که تخلیه اضافه نیز نامیده می‌‌شود) برسد.

بیشترین بازده تنها زمانی حاصل می‌‌شود که مقادیر جریان پایین‌‌تر باشد.

باتری‌‌های EV دارای مقدار نامی برحسب KWh (کیلو وات ساعت) هستند که مشخص می‌‌کند باتری وسیله نقلیه چقدر کار خواهد کرد.

همیشه مقداری خودتخلیه از طرف باتری‌‌ها وجود دارد.

سیستم مدیریت باتری کمک می‌‌کند تا مقدار شارژ باقیمانده در باتری را بدانیم.