انواع باتری

انواع باتری و کاربردهای آن

باتری به مجموعه‌ای از یک یا چند سلول گفته می‌شود که برای تولید جریان الکتریکی در یک مدار با یکدیگر واکنش شیمیایی می‌دهند. از باتری‌ها برای ذخیره انرژی تولید شده استفاده می‌شود. به همان اندازه که تولید انرژی مهم است، ذخیره سازی آن نیز مهم است. بنابراین وقتی ژنراتور قطع شد یا وقتی نمی‌توان به برق شبکه متصل شد، از باتری‌ها استفاده می‌شود. لازم به ذکر است که انرژی فقط به صورت DC قابل ذخیره‌سازی است و نمی‌توان انرژی AC را ذخیره کرد.

سلول‌های باتری معمولا از سه جز اصلی ساخته شده‌اند:

  • آند (الکترود منفی)
  • کاتد (الکترود مثبت)
  • الکترولیت

معمولا باتری‌ها به انواع مختلفی تقسیم‌بندی می‌شوند، اما دو دسته‌بندی اصلی که برای باتری‌ها وجود دارد عبارتند از:

  • باتری‌های اولیه
  • باتری‌های ثانویه

باتری‌های اولیه

باتری‌های اولیه باتری‌هایی هستند که بعد از تخلیه شارژ نمی‌شوند. باتری‌های اولیه از سلول‌های الکترو شیمیایی ساخته شده‌اند که واکنش الکتروشیمیایی‌شان غیر قابل بازگشت است.

باتری‌های اولیه در شکل های مختلفی، از باتری سکه‌ای گرفته تا باتری‌های قلمی (AA) موجود است. معمولا در کاربردهایی که تغذیه مستقل داشته و امکان شارژ کردن وجود ندارد، از این نوع باتری‌ها استفاده می‌شود. باتری‌های اولیه همیشه خواص انرژی بالایی دارند و در سیستم‌هایی استفاده می‌شوند که مصرف انرژی پایینی داشته و باعث می‌شوند عمر باتری زیاد باشد.

مشهورترین مدل باتری‌های اولیه، باتری‌های آلکالین هستند. این باتری‌ها انرژی زیادی ذخیره می‌کنند، زیست دوست هستند، مقرون به صرفه‌اند و حتی تا زمانی که تخلیه کامل نشده‌اند نشتی ندارند. باتری‌های آلکالین را برای چندین سال می‌توان در انبار نگهداری‌ کرد، سابقه ایمنی خوبی داشته و می‌توان با خطوط هوایی آن‌ها را انتقال داد. تنها نقطه ضعف آن جریان دهی پایینشان است که کاربردشان به دستگاه‌های کم مصرف محدود شده‌است.

باتری‌های ثانویه

باتری‌های ثانویه باتری‌هایی هستند که واکنش الکتروشیمیایی‌شان با اعمال ولتاژ مشخصی به باتری در جهت عکس، برعکس می‌شود. باتری‌های ثانویه به عنوان باتری‌های قابل شارژ نیز شناخته می‌شوند و بر خلاف باتری‌های اولیه، وقتی انرژی ذخیره شده‌یشان مورد استفاده قرار گرفت، می‌توانند دوباره شارژ شوند.

معمولا در کاربردهایی که مصرف توان زیادی دارند یا مواردی که استفاده از باتری‌های غیرقابل شارژ هزینه‌بر و غیر ممکن است، از این نوع باتری‌ها استفاده می‌شود. باتری‌های ثانویه با ظرفیت کم، معمولا برای تغذیه ادوات الکترونیکی مانند تلفن‌های همراه و باتری‌های ظرفیت بالا در ادوات پرمصرف مانند خودروهای الکتریکی استفاده می‌شود. هزینه اولیه باتری‌های ثانویه بالاست اما در دراز مدت به صرف هستند.

باتری‌های ثانویه بر اساس الکترولیت‌شان به انواع مختلفی تقسیم می‌شوند. ویژگی‌های شیمیایی بسیار مهم است زیرا برخی خواص از جمله انرژی، چرخه عمر، عمر مفید و قیمت باتری را مشخص می‌کند.

اساسا چهار نوع ترکیب شیمیایی در باتری‌های قابل شارژ وجود دارد:

  • لیتیوم-یون[۱]
  • نیکل-کادمیوم[۲]
  • نیکل-هیدرید فلز[۳]
  • اسید-سرب[۴]
باتری‌های نیکل کادمیوم

باتری نیکل کادمیوم نوعی باتری شارژی است که از نیکل اکسید هیدروکسید و کادمیوم به عنوان الکترود استفاده شده‌است. باتری‌های Ni-Cd در نگهداری شارژ هنگامی که استفاده نمی‌شوند، فوق‌العاده‌اند. با این حال، این باتری‌ها به راحتی قربانی اثر حافظه شده و به مرور زمان ظرفیت خود را از دست می‌دهند.


در مقایسه با دیگر باتری‌های شارژی، باتری‌های نیکل کادمیوم چرخه عمر و کارایی بهتری در دماهای پایین دارند. اما مهمترین مزیت‌شان توانایی دشارژشان با نرخ ظرفیت حداکثر است. باتری‌های نیکل کادمیوم در شکل و اندازه‌های مختلفی همانند باتری‌های آلکالین از AAA تا سایز D موجود است. این باتری‌ها به صورت تکی یا پک‌های چندتایی عرضه می‌گردد. پک‌های کوچک‌شان در دستگاه‌های قابل حمل و بزرگ‌ترهای‌شان در هواپیماها و خودروهای برقی استفاده می‌شود.

برخی از ویژگی‌های باتری‌های نیکل کادمیوم عبارتند از:

  • انرژی ویژه[۵]: ۴۰-۶۰ W-h/kg
  • چگالی انرژی: ۵۰-۱۵۰ W-h/L
  • توان ویژه: ۱۵۰ W/kg
  • رادمان شارژ و دشارژ: ۷۰-۹۰%
  • نرخ خود دشارژی: ۱۰%/month
  • چرخه عمر: ۲۰۰۰ cycles
باتری‌های نیکل هیدرید فلز

نیکل هیدرید فلز نوع دیگری از ترکیباب شیمیایی مورد استفاده در باتری‌های شارژی است. واکنش شیمیایی در الکترود مثبت این باتری‌ها مشابه باتری‌های نیکل کادمیوم است ( هر دو باتری از نیکل اکسید هیدروکسید استفاده می‌کنند). اما الکترود منفی این باتری‌ها، از آلیاژ هیدروژنی[۶] استفاده
شده‌است.

 

باتری‌های نیکل هیدرید فلز، در مواردی که مصرف انرژی بالاست استفاده می‌شوند. ظرفیت باتری‌های نیکل هیدرید فلز نسبت به باتری‌های هم سایز نیکل کادمیومی، دو تا سه برابر است و چگالی انرژی آن نزدیک به باتری‌های لیتیوم یونی است. برخلاف باتری‌های نیکل کادمیوم، این باتری‌ها در معرض خطر اثر حافظه نیستند.

برخی از ویژگی‌های این باتری‌ها عبارتند از:

  • انرژی ویژه: ۶۰-۱۲۰ h/kg
  • چگالی انرژی: ۱۴۰-۳۰۰ Wh/L
  • توان ویژه: ۲۵۰-۱۰۰۰ W/kg
  • راندمان شارژ و دشارژ: ۶۶-۹۲%
  • نرخ خود دشارژی: ۳-۲٫۹%/month at 20 oC
  • چرخه عمر: ۱۸۰-۲۰۰۰
باتری‌های لیتیوم یون


باتری‌های لیتیوم یون یکی از معروف‌ترین نوع باتری‌های شارژی است. این باتری‌ها در موارد مختلفی همچون تلفن‌های همراه، دستگاه‌های هوشمند و … استفاده می‌شود. همچنین به خاطر وزن سبکشان در کاربردهای نظامی و فضایی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

باتری‌های لیتیوم یون، باتری‌هایی شارژی هستند که هنگام دشارژ الکترون‌ها از الکترود منفی به سمت الکترود مثبت می‌روند و در هنگام شارژ به الکترود منفی بر می‌گردند.

باتری‌های لیتیومی معمولا چگالی انرژی بالایی داشته، اثر حافظه کمی دارند یا اصلا ندارند و خود دشارژی بسیار کمتری نسبت به بقیه باتری‌ها دارند. قیمت و عملکرد باتری‌های لیتیومی بستگی به ترکیبات شیمیایی آن دارد؛ به عنوان مثال باتری‌های لیتیوم اکسید کبالت، چگالی انرژی بالا و امنیت پایین دارند، در حالی‌که باتری‌های لیتیوم آهن فسفات، چگالی انرژی پایین ولی امنیت بالای دارند. باتری‌های لیتیوم یون نسبت به وزن‌شان عملکرد بهتری دارند و باتری‌های لیتیوم سولفور بالاترین نسبت را دارند.

برخی از ویژگی‌های باتری‌های لیتیومی به صورت زیر است:

  • انرژی ویژه: ۱۰۰-۲۶۵ Wh/kg
  • چگالی انرژی: ۲۵۰-۶۹۳ Wh/L
  • توان ویژه: ۲۵۰-۳۴۰ W/kg
  • راندمان شارژ و دشارژ: ۸۰-۹۰%
  • چرخه عمر: ۴۰۰-۱۲۰۰ cycles
  • ولتاژ نامی هر سلول: ۶-۳٫۸۵ V
باتری‌های لیتیوم یون پلیمر

این باتری‌ها همانند باتری‌های لیتیوم یونی بوده ولی در آن‌ها به جای استفاده از الکترولیت مایع از الکترولیت پلیمری استفاده می‌شود. این باتری‌ها انرژی ویژه بالاتری نسبت به بقیه باتری‌های لیتیومی دارند و در مواردی که وزن فاکتور مهمی است مورد استفاده قرار می‌گیرند.

باتری‌های اسید سرب

باتری‌های اسید سرب یکی از ارزان‌ترین و قابل اطمینان‌ترین باتری‌ها در کاربردهای سنگین است. این باتری‌ها خیلی بزرگ و سنگین هستند و به خاطر وزنشان، در کاربردهای غیر قابل حمل مانند ذخیره‌سازی انرژی سلول خورشیدی، استارت و روشنایی خودروها، باتری‌های پشتیبان و … مورد استفاده قرار می‌گیرند. باتری‌های اسید سرب نسبت انرژی به حجم پایین داشته اما نسبت توان به وزن بالایی دارند و می‌توانند در صورت نیاز جریان زیادی را در اختیار مصرف دهنده قرار دهند. این ویژگی‌ها در کنار قیمت پایین، باعث شده است از این باتری‌ها در کاربردهای جریان بالا نظیر استارت خودروها استفاده شود.

 

باتری‌های خشک[۷]


این باتری‌ها نوعی از باتری‌های اسید سربی هستند که نیازی به افزودن اسید و آب مقطر ندارند. باتری‌های خشک برای عرضه قابلیت اطمینان، سازگاری و عدم نیاز به تعمیر و نگهداری، طراحی شده‌اند. این باتری‌ها در کاربردهایی که نیاز به دشارژکامل است و در مناطق و روستاهایی که دسترسی به شبکه توزیع سخت است مورد استفاده قرار می‌گیرند.

 

در جدول زیر مقایسه‌ای بین باتری‌های مختلف صورت گرفته‌است:

  • مقاومت داخلی باتری‌ها با توجه به نرخ سلول‌ها، نوع مدار حفاظتی و تعداد سلول‌ها متغیر است. مدار حفاظتی باتری‌های لیتیوم یون و لیتیوم پلیمر، حدود ۱۰۰ میلی اهم به مقاومت داخلی اضافه می‌کند.
  • چرخه عمر یک باتری بستگی به نگهداری‌های منظم دارد. عدم دشارژ کامل و منظم باتری می‌تواند عمر باتری را تا سه برابر کاهش دهدو
  • چرخه عمر بستگی به نوع استفاده از باتری دارد. اگر بخشی از توان باتری مصرف شود و سپس دوباره شارژ شود، چرخه عمر باتری بیشتر از وقتی است که باتری به طور کامل دشارژ شده و سپس شارژ شود. به حالت اول، دشارژ سطحی[۸] و به حالت دوم دشارژ عمیق[۹] می‌گویند.
  • خود دشارژی در لحظات اولیه جدا شدن از شارژر سریع‌تر است و با گذشت زمان کاهش می‌یابد. به عنوان مثال در باتری‌های نیکل کادمیوم، ظرفیت در ۲۴ ساعت اول حدود ۱۰ درصد کاهش یافته و پس از آن هر ۳۰ روز ۱۰ درصد افت می‌کند. خود دشارژی با افزایش دما افزایش می‌یابد.
  • مدارات حفاظتی داخلی حدود ۳ درصد انرژی ذخیره شده را در هر ماه مصرف می‌کنند.
  • عبارت است از قیمت باتری تقسیم بر چرخه عمر آن.

چگونه یک باتری مناسب برای محصولمان انتخاب کنیم؟!

یکی از مشکلات عمده که مانع تحول تکنولوژی شده‌است، توان است. عمر باتری بر میزان موفقیت یک محصول اثر می‌گذارد و به همین خاطر علاوه بر به کارگیری تکنیک‌های متعدد مدیریت توان، باید باتری مناسبی برای محصول انتخاب شود.

فاکتورهای مهمی که در انتخاب یک باتری موثر هستند عبارتند از:

  • چگالی انرژی: چگالی انرژی به تمام انرژی که در واحد جرم یا حجم می‌تواند ذخیره شود می‌گویند. این فاکتور مشخص کننده این است که تا چه مدت دستگاهتان روشن می‌ماند قبل از اینکه نیاز به شارژ مجدد پیدا کند.
  • چگالی توان: حداکثر نرخ دشارژ انرژی به ازای واحد جرم یا حجم. کم توان: لب‌تاب و آی‌پد، پر توان: ابزارهای قدرت
  • امنیت: در نظر گرفتن دمایی که دستگاه در آن قرار می‌گیرد بسیار مهم است. در دماهای بالا برخی اجزای باتری از بین خواهند رفت و ممکن است باتری منفجر شود. دمای بالا عملکرد اکثر باتری‌ها را کاهش می‌دهد.
  • دوام چرخه عمر[۱۰]: پایداری چگالی انرژی و چگالی توان باتری با تکرار چرخه شارژ و دشارژ، برای دوام عمر باتری اکثر کاربردها لازم است.
  • قیمت: مهم‌ترین بخش یک تصمیم مهندسی، قیمت طرح است. قیمت باتری انتخابی باید طوری باشد که هزینه نهایی طرح را افزایش چشمگیری ندهد.

منبع:

 

[۱] Lithium-ion (Li-ion)[2] Nickel cadmium (Ni-Cd)

[۳] Nickel- \metal hydride[4] Lead-acid

[۵] Specific energy[6] Hydrogen-absorbing alloy

[۷] Sealed maintenance free battery (SMF)[8] Shallow discharge

[۹] Deep discharge[10] Life cycle durability

اشتراک گذاری:

یک دیدگاه بگذارید

آدرس ایمیل شما منتشر نمیشود.

4 × دو =

0

بالا