باتری

باطری چیست :

چند نوع باتری

باتری یا پیل الکتریکی (ولتائیک) منبعی از انرژی پتانسیل الکتریکی است که در درون آن با انجام واکنش های شیمیایی ، انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل می شود ، این انرژی در قطب‌های باتری قابل دریافت است. انرژی قابل دریافت در قطب‌های باتری به ازای واحد بار الکتریکی را نیروی محرکه الکتریکی (Electromotive force یا emf) باتری می‌گویند و آن را با یکای ولت اندازه گیری می‌کنند. قطب مثبت باتری آند و قطب منفی آن کاتد نام دارد. ( در فرهنگ عامیانه به قطب ها ، سر مثبت و سر منفی نیز گفته میشود . )

نحوه عملکرد باتری

معمولا هر باطری از یک یاچند سلول کوچک داخلی تشکیل شده است ، در باطری ها ممکن است سلول ها 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 ماده ای الکترولیت -شامل یون های مثبت و یون های منفی - که رسانای الکتریکی میباشد به هم متصل اند. با اتصال باطری به مصرف کننده یون های منفی از طریق سیم هادی به مصرف کننده 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 یون های مثبت حرکت میکنند و به تدریج یون های مثبت ( که در اینجا حفره ها هستند ) را خنثی میکنند . با گذشت زمان یون های مثبت بیشتری خنثی شده و به تدریج انرژی باطری کم شده و مقاومت داخلی آن افزایش میباشد در این حالت بعد از گذشت مدت زمانی که معمولا با آمپر ساعت باطری مشخص میشود باطری به صورت کامل تخلیه میشود . مثلا یک باطری 60 آمپر ساعت میتواند 60 آمپر را تا یک ساعت تامین کند ، این باطری بعد از گذشت یک ساعت و با کشیدن جریان 60 امپر از ان به صورت کامل تخلیه میشود . با کاهش جریان دریافتی از باطری میتوان مدت زمان کارایی آن را افزایش داد ، در این حالت باید پارامتر های مانند دما ، لزرش و مقدار تنش موجود در جریان را نیز در زمان نهایی لحاظ کرد . به عنوان مثال باطری 60 آمپر ساعتی در حالت تئوری باید جریان 20 آمپر را برای مدت زمان 3 ساعت تامین کند در حالی که با توجه به ساختار باطری و همچنین دمای محیط ممکن است این زمان تا نیم ساعت نیز کاهش یابد .

تقسیم بندی باطریها :

از بالا به پایین : یک باطری 4.5 ولتی و D Cellو یک C cellو یک AA cellو یک AAA cellو یک AAAA AAAA cellو یک A23 battery و یک 9-volt PP3 batteryو یک جفت باطری CR2032 and LR44.

بر اساس شرایط محیطی و شرایط الکتریکی مورد استفاده بایستی از باطریهای متفاوت استفاده نمود که دارای مشخصات گوناگون تحت شرایط دشارژ می باشند انواع باتری‌ از نظر کاربرد عبارت است از:

• باتری‌های خورشیدی که شارژ آنها تابع قوانین خاص است .
• باتری‌های مورد استفاده در ups و لب تاب و موبایل که توانایی تامین 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 تامین کنند .
• باتری‌های سامانه‌های حفاظتی، روشنایی، امنیتی و سامانه‌های کنترل که باید دارای عمر و پایداری بالایی باشند .
• باطری های قلمی و نیم قلمی و...( باطری که برای مصارف عمومی ساخته شده اند ) این باطری ها باید ارزان باشند .
• باطری ها سکه ای و باطری های پشتیبان که میتوانند جریان کمی را برای مدت زمان خیلی طولانی تامین کنند .
• و...

بطور کلی باطریها به دو دسته قابل شارژ و غیر قابل شارژ تقسیم بندی می شوند .

باطریهای غیر قابل شارژ ( یک بار مصرف )

این باطریها قادر به شارژ الکتریکی نبوده و یکبار استفاده و دشارژ می شوند . باطریهای غیر قابل شارژ ، سلولهای خشک ( باطری خشک ) نیز نامیده می شوند . در باتری خشک معمولی، بر اثر واکنش ماده آند (قطب مثبت) (عنصر Zinc یا Alkaline یا ithium 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 در بر گرفته است ، انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. اساس نام گذاری باطری با نام های همچون باطری Lithium یا باطری Alkaline یا ... به دلیل عناصر استفاده در ساخت آنها میباشد . در جدول زیر توضیحات بیشتر ی اورده شده است :

'

ساختار شیمیایی	ولتاژ نامی هر سل	انرژی ویژه [MJ/kg]	نمونه کاربرد و ویژگی
Zinc–carbon	1.5	0.13	کاربرد های عمومی ( باطری ارزان).
Zinc–chloride	1.5		کاربرد عمومی با عمر بیشتر نسبت به Zinc–carbon.
Alkaline (zinc–manganese dioxide)	1.5	0.4-0.59	کاربرد عمومی . قیمت و عمر بالا تر ازZinc–chloride .
Nickel oxyhydroxide (zinc–manganese dioxide/nickel oxyhydroxide)	1.7		ظرفیت انرژی متوسط ، مناسب برای مقاصد تمیز ( باطری نشتی ندارد ).
Lithium (lithium–copper oxide) Li–CuO	1.7		دیگر تولید نمیشود. با باطری silver oxide (IEC-type "SR") جایگزین شده است.
Lithium (lithium–iron disulfide) LiFeS2	1.5		قیمت زیاد، مناسب برای سیستم های گران قیمت و حساس ، نظیر ریموت های کنترل ، دوربین و ... . .
Lithium (lithium–manganese dioxide) LiMnO2	3.0	0.83-1.01	قیمت زیاد ، عمر طولانی ، مناسب برای تغذیه ی سیستم های پشتیبان ، این باطری جریان نشتی داخلی کمی دارد و میتواند جریان کمی را برای مدت زمان طولانی تامین کند .
Mercury oxide	1.35		قابلیت تامین ولتاژ و جریان ثابت ، این باطری به دلیل مضر بودن Mercury oxide برای سلامتی تولید نمیشود . . .
Zinc–air	1.35–1.65	1.59	قیمت بالا ، قابلیت پیاده سازی در ابعاد بسیار کوچک - قابل استفاده در دستگاه های کوچک نظیر ساعت مچی و سمعک .
Silver-oxide (silver–zinc)	1.55	0.47	قیمت بسیار بالا ، این باطری از پایداری بالای برخودار است و از آن در ستگاه های تجاری و نظامی برای تغذیه ی پشتیبان میکروکنترلر ها و cpu ها 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 انجا پیش میرود که نیروی محرکه دیگر توانایی قبله بر آن را ندارد . افزایش مقاومت الکتریکی در باطری به دلیل نفوذ ماده ی کاتد ( منفی ) به داخل ماده ی آند رخ میدهد . در برخی از مواقع میتوان با گرم و سرد کردن باطری ( انداختن در آب جوش و منقبض و منبسط کردن باطری ) یا زدن ضربه ، مسیر های 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 تامین انرژی الکتریکی مفید را ندارد.

باطری های قابل شارژ

از این باطری ها برای مقاصد زیر استفاده میشود :

۱- باتری‌های نیروگاهی (GROE-OGI-OPZS-FNC)

۲- باتری‌های آنتن‌های مخابراتی باتری‌های مخابراتی NET Power-power

۳-باتری‌های مورد استفاده در سامانه‌های ریلی و مترو

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

۵-باتری‌های خورشیدی (Solar.bloc)

۶-باتری‌های مورد استفاده در ups

۷- باتری‌های منابع تغذیه (SLA - VRLA)

۸-باتری‌های اتومبیل، لیفتراک و موتورسیکلت

۹-باتری‌های سامانه‌های حفاظتی، روشنایی، امنیتی و سامانه‌های کنترل

این باطریها پس از دشارژ ، با عبور جریان در جهت مخالف جریان دشارژ ، بصورت الکتریکی قابل شارژ می باشند و با نام باطریهای ذخیره یا باطری شارژی نیز شناخته میشوند ، عمر این باطری بیشتر از 5 سال است و بار ها میتوان آنها را شارژ و دشارژ کرد .

کاربردهای باطری های قابل شارژ  :

١ – کاربردهایی که بدلیل صرفه اقتصادی و نیاز به توان بالاتر از توان باتری غیر قابل شارژ ، باطریهای شارژی مورد استفاده قرار می گیرند. در این موارد هر چند امکان استفاده از باطریهای غیر قابل شارژ نیز وجود دارد ولی هزینه زیاد ، کارائی کم و آلودگی محیط زیست را در پی خواهد داشت.

٢ – کاربردهایی که در آنها از باطری های قابل شارژ بعنوان وسیله ذخیره انرژی استفاده می شود و باطریها توسط یک منبع انرژی اولیه شارژ و در هنگام نیاز انرژی ذخیره شده را به بار تحویل می دهند . در این حالت باطری همیشه توسط یک شارژر در زیر شارژر قرار گرفته و در مواقع قطع برق انرژی مورد نیاز مصرف کننده را تامین میکند ،باطری منبع تغذیه بدون وقفه و باطری اتومبیل، لیفتراک و موتورسیکلت نمونه ای از این کاربرد میباشد .

باطریهای قابل شارژ را می توان به دو دسته کلی اسیدی و بازی تقسیم بندی نمود که هر کدام براساس جنس الکترودهای مثبت و منفی به انواع گوناگون تقسیم بندی می شوند . برای کاربردهای صنعتی ساکن در اکثر موارد از باطریهای نیکل–کادمیوم ( بازی )و برای کاربرد های که در آن لرزش وجود دارد معمولا از باطری سرب – اسید استفاده می گردد . از ویژگیهای باطریهای قابل شارژ علاوه بر قابلیت شارژ مجدد ، توان بالا ، نرخ دشارژ سریع و مشخصه عملکرد بهتر دمای پائین می باشد. باطری نیکل - کادمیوم را معمولا در Battery_room یا باطری خانه نگهداری میکنند .

توان الکتریکی باتری

توانی که هر باتری بر حسب وات فراهم می کند، برابر حاصل‌ضرب ولتاژ آن (بر حسب ولت) در حداکثر جریان مجاز آن (برحسب آمپر) می‌باشد. در کاربردهایی با توان بالااز جمله راه اندازه موتور خودرو، میزان توان‌های تامین شده در فواصل زمانی کوتاه به بیش از ۱۰۰۰ وات می‌رسد. در کاربرد کم توان در وسایل الکترونیکی ظریف، مانندسمعک‌ها و ساعت‌های رایانه ای، اندازه توان‌های فراهم شده نزدیک چند میلی وات است.

خطرات و نقایص باتری

خطرات و نقایص مربوط به باتری عبارتند از:

• انفجار
• نشتی
• ملاحظات زیست محیطی

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 غیر قابل شارژ^[۱]، اتصال کوتاه نمودن دو قطب مثبت و منفی باطری ^[۲] می تواند باعث انفجار این منبع انرژی الکتریکی شود.

نشتی

در بعضی از باتری‌ها از مقوا، فلز روی و مواد شیمیایی استفاده می شود. 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 می نماید.

ملاحظات زیستگاهی

افزایش بهره گیری از باتری‌ها و کاربردهای گسترده آن افزایش زباله‌های صنعتی و دشواری های زیستگاهی تازه این کالا را به همراه داشته است. آفرینندگان باتری از مواد شیمیایی هراس ناک برای پیدایش کارایی بهتر باتری‌های ساخته شده خود سود می جویند. پسمان های انباره مایه بالا رفتن آلودگی زیستگاهی به زهرهای کشنده فلزی باتری‌ها شده است البته امروزه انسان های زیادی در تلاش بوده تا این خطرات را (برای مثال با ساخت باتری های چندبار مصرف که باعث کاهش زباله هایی از این قبیل میشود)کاهش دهند. ^[۳].

باتری تیسفون (باتری بغداد) اولین باطری ایرانی

پیل الکتریکی در ایران باستان در فاصله سالهای ۲۵۰ ق.م تا ۲۲۴ پ.م در تیسفون ساخته شد. این باتریها به باتری‌های بغداد مشهورند. شرکت جنرال الکتریک این باتریها را با روش تعیین عمر کربنی (به انگلیسی: Radiocarbon dating)‏ شبیه سازی کرده است. معلوم شده است 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 شده است. 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 جواهر به کار می‌رفته است.

در سال ۱۳۳۰ خورشیدی برابر با 1938 میلادی، باستان شناس 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 و 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 و انتقال لایه‌ای از طلا یا نقره از سطحی به سطح دیگر به کار می‌رفته است.^[۴]

این اکتشاف مربوط به دوره تاریخی سلسله اشکانیان، تاحدی موجب شگفتی است. حتی برخی از دانشمندان اروپایی و امریکایی این باتری را به موجودات فضایی افسانه ای و احتمالاً ساکنان فراهوشمند سیارات دیگر که تصور می شود بابشقاب‌های 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.^[۴]

به احتمال زیاد، ساکنان بین النهرین از این پیل‌های الکتریکی جریان برق تولید می‌کردند و از آن برای آبکاری اشیا 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.^[۴]

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، مصر شناس 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 فلزها، تئوری‌های دیگری مبنی بر استفادهٔ پزشکی یا موارد دیگر داده شده" (برای اطلاعات بیشترمی توانید به اصل کتاب مراجعه کنید.)