باتری

برای دیگر کاربردها، باتری (ابهام‌زدایی) را ببینید.

چند نوع باتری

باتری یا پیل الکتریکی (ولتاییک) منبعی از انرژی پتانسیل الکتریکی است که در درون آن با انجام واکنش‌های شیمیایی، انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود، این انرژی در قطب‌های باتری قابل دریافت است. انرژی قابل دریافت در قطب‌های باتری به ازای یکای بار الکتریکی را نیروی محرکه الکتریکی (Electromotive force یا emf) باتری می‌گویند و آن را با یکای ولت اندازه‌گیری می‌کنند. باتری دارای دو الکترود و یک حلال پروتونی الکترولیت است. دو الکترود باید از جنس‌های مختلف باشد زیرا اگر یکی باشند الکترون دهی آن‌ها یکسان است و واکنشی رخ نمی‌دهد و در نتیجه انرژی تولید نمی‌شود. الکترولیت محلولی است که بین دو الکترود ارتباط بر قرار می‌کند.

به صورت عامیانه در یک باتری الکترود منفی را آند و الکترود مثبت را کاتد می نامند اما در واقع آند الکترودی است که در یک مجموعه دو الکترودی (داخل محلول الکترولیت)، الکترود از دست می دهد و یا جریان الکتریکی (جریان الکتریکی به صورت قراردادی مخالف جهت حرکت الکترود می باشد) به آن وارد می شود. در نتیجه در یک باتری که در حال دشارژ شدن است (در حال مصرف شدن) قطب منفی آند و در یک باتری که در حال شارژ شدن است قطب مثبت آند نامیده می شود. کاتد الکترودی است که الکترود می گیرد و یا جریان الکتریکی از آن خارج می شود. در یک باتری که در حال دشارژ شدن است قطب مثبت کاتد و در یک باتری که در حال شارژ شدن است قطب منفی، کاتد نامیده می شود.

تصویر سمت چپ: باتری در حال دشارژ شدن - تصویر سمت راست: باتری در حال شارژ شدن

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 به ذکر است که عموماً باتری‌های مشابه در جریان‌های تخلیه متفاوت دارای ظرفیت متفاوت هستند. به طور کلی در جریان‌های تخلیه بزرگ‌تر ظرفیت باتری کاهش می‌یابد.

تقسیم‌بندی باتری‌ها

از بالا به پایین: یک باتری ۴٫۵ ولتی و D Cellو یک C cellو یک AA cellو یک AAA cellو یک AAAA AAAA cellو یک A23 battery و یک ۹-volt PP3 batteryو یک جفت باتری CR2032 and LR44.

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. در جدول زیر توضیحات بیشتر ی آورده شده‌است:

'

ساختار شیمیایی	ولتاژ نامی هر سل	انرژی ویژه &۹۱;MJ/kg&۹۳;	نمونه کاربرد و ویژگی
Zinc–carbon	۱٫۵	۰٫۱۳	کاربردهای عمومی (باتری ارزان).
Zinc–chloride	۱٫۵		کاربرد عمومی با عمر بیشتر نسبت به Zinc–carbon.
Alkaline (zinc–manganese dioxide)	۱٫۵	۰٫۴–۰٫۵۹	کاربرد عمومی . قیمت و عمر بالاتر ازZinc–chloride.
Nickel oxyhydroxide (zinc–manganese dioxide/nickel oxyhydroxide)	۱٫۷		ظرفیت انرژی متوسط، مناسب برای مقاصد تمیز (باتری نشتی ندارد).
Lithium (lithium–copper oxide) Li–CuO	۱٫۷		دیگر تولید نمی‌شود. با باتری silver oxide (IEC-type "SR") جایگزین شده‌است.
Lithium (lithium–iron disulfide) LiFeS۲	۱٫۵		قیمت زیاد، مناسب برای سیستم‌های گران‌قیمت و حساس، نظیر ریموت‌های کنترل، دوربین و … . .
Lithium (lithium–manganese dioxide) LiMnO۲	۳٫۰	۰٫۸۳–۱٫۰۱	قیمت زیاد، عمر طولانی، مناسب برای تغذیهٔ سیستم‌های پشتیبان، این باتری جریان نشتی داخلی کمی دارد و می‌تواند جریان کمی را برای مدت زمان طولانی تأمین کند.
Mercury oxide	۱٫۳۵		قابلیت تأمین ولتاژ و جریان ثابت، این باتری به دلیل مضر بودن Mercury oxide برای سلامتی تولید نمی‌شود . . .
Zinc–air	۱٫۳۵–۱٫۶۵	۱٫۵۹	قیمت بالا، قابلیت پیاده‌سازی در ابعاد بسیار کوچک - قابل استفاده در دستگاه‌های کوچک نظیر ساعت مچی و سمعک.
Silver-oxide (silver–zinc)	۱٫۵۵	۰٫۴۷	قیمت بسیار بالا، این باتری از پایداری بالای برخودار است و از آن در دستگاه‌های تجاری و نظامی برای تغذیهٔ پشتیبان میکروکنترلرها و cpuها استفاده می‌شود . .

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 شارژشدنی

توجه داشته باشید که برای اطلاعات بیشتر می‌توانید به بخش باتری قابل شارژ مراجعه کنید.

از این باتری‌ها برای مقاصد زیر استفاده می‌شود:

1. باتری‌های نیروگاهی (GROE-OGI-OPZS-FNC)
2. باتری‌های آنتن‌های مخابراتی باتری‌های مخابراتی NET Power-power
3. باتری‌های مورد استفاده در سامانه‌های ریلی و مترو
4. باتری‌های مورد استفاده در پروژه‌های نفت، گاز و پتروشیمی (FNC)
5. باتری‌های خورشیدی (Solar.bloc)
6. باتری‌های مورد استفاده در ups
7. باتری‌های منابع تغذیه (SLA - VRLA)
8. باتری‌های اتومبیل، لیفتراک و موتورسیکلت
9. 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

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 نشت 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 البته 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 بقیه‌ی 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 نمود 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 دکتر 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 دکتر 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."

منابع

باتری اشکانی، اولین باتری ساخت بشر در ایران

ویکی‌پدیای انگلیسی

پیوند به بیرون

باتری موبایل چیست