همه چیز درباره باتری ها
صفر تا صد باتری

باتری یا پیل الکتریکی :

باتری ها به عنوان منبع تولید انرژی الکتریکی از واکنش های شیمیایی استفاده می‌کنند و می‌توانند توان لازم برای دستگاه‌های قابل حرکت با به اصطلاح پرتابل یا دستگاه‌هایی را که نیاز دارند بعد از قطعی برق شهری همچنان روشن بمانند، تامین کنند.

 

در ابتدا با کلمات و اصطلاحات مخصوص باتری ها  آشنا می‌شویم :

 

مقاومت داخلی  باتری (IR) :

با گذشتن جریان از باتری، مقاومت کوچکی در باتری شکل می‌گیرد که مقدار جریان را محدود می‌کند و  تلفات جریان را به صورت گرما از باتری دفع می‌کند که این اتفاق باعث گرم شدن باتری می‌شود. استفاده‌ی بیشتر از باتری و انجام واکنش های شیمیایی درونی باعث می‌شود مقدار این مقاومت بیشتر شود تا جایی که جریان باتری تا حد زیادی کاهش پیدا می‌کند، در این حالت باتری کاملا دشارژ شده است.

 

ضریب تخلیه باتری (C) :

ضریب تخلیه باتری حداکثر میزان جریانی که به صورت مداوم می‌توانیم از باتری بکشیم را نشان می‌دهد .هر چه میزان این ضریب بالاتر باشد باتری بزرگ تر و سنگین تر خواهد شد. در بعضی باتری ها میزان ضریب شارژ را هم به صورت جداگانه با ضریب  (C) نشان می‌دهند.

برای محاسبه این جریان باید از عبارت زیر استفاده کنیم :

 

حداکثر جریان مداوم مجاز = ظرفیت باتری (Ah×  C

برای بالاتر بردن عمر باتری همیشه از ضریب تخلیه کمتری از مقدار نوشته شده بر روی باتری استفاده می‌کنند و به طور متوسط همیشه اندازه نیمی از این مقدار، از باتری جریان می‌کشند.

 

ظرفیت باتری :

یکی از مهم ترین ویژگی باتری ها ظرفیت باتری است که میزان جریان در طول زمان را نشان می‌دهد. ظرفیت باتری، برای باتری های متوسط و کوچکتر بر اساس میلی آمپر ساعت (mAh) و برای باتری های بزرگتر بر اساس  آمپرساعت  (Ah) نشان داده می‌شود. برای مثال یک باتری با ظرفیت ۱۰۰۰میلی آمپر ساعت می‌تواند به مدت ۵ ساعت جریان ۲۰۰ میلی آمپری را تامین کند.

 

انرژی باتری :

میزان انرژی باتری را با واحد وات ساعت نمایش می‌دهند و در روی باتری آن را درج می‌کنند که مقدار آن به صورت زیر محاسبه می‌شود :

ظرفیت باتری (mAh ) /۱۰۰۰ ×ولتاژ باتری (V) = انرژی قابل ذخیره در باتری (w)

 

 

خود دشارژی ( self discharge ) :

باتری ها با توجه به ساختار خود و واکنش های شیمایی، به صورت خود به خودی بدون اینکه از آنها استفاده کنیم بعد از مدتی شارژ خود را از دست می دهند ، به این اتفاق خود دشارژی می گویند.  باتری های قابل شارژ دارای خود دشارژی بالاتری هستند و بعد از مدت کوتاه تری به صورت خود بخودی دشارژ می شوند. این زمان را در انواع باتری ها مختلف به صورت جدول نشان می دهند.

 

اثر حافظه (Memory Effect):

در باتری های نیکل هیدرید فلز (NiMH)و باتری نیکل کادمیو (NiCd) پدیده ای به نام اثر حافظه وجود دارد که به این صورت است: اگر این باتری ها را در حالی که دشارژ کامل نشده اند شارژ کنیم، ظرفیت آنها به مقداری که شارژ داشته اند دچار افت ظرفیت می شوند . برای مثال یک باتری نیکل کادمیوم را در نظر بگیرید که ۱۰% شارژ دارد اگر این باتری را در این حالت در  شارژر قرار دهیم مقدار ۱۰%  ظرفیت خود را از دست خواهد داد .

بعضی از شارژر های هوشمند با دشارژ کامل باتری و دوباره شارژ کردن آن از ابتدا این اثر مخرب را از بین می برند.

 

توان وزنی و توان حجمی باتری  :

مقدار انرژی ذخیره شده در باتری در مقدار حجم باتری را اصطلاحا توان حجمی باتری  می گویند و واحد آن به صورت وات ساعت بر لیتر  (Wh/L)  نشان داده می شود که برای باتری های مختلف مقدار متفاوتی دارد.

توان وزنی باتری هم  مقدار انرژی ذخیره شده بر مقدار وزن به صورت وات ساعت بر کیلوگرم  (Wh/Kg) نشان داده می شود که هر دو آنها یعنی توان وزنی و توان حجمی را برای چند نوع باتری در نمودار زیر آورده ایم که می توانید برای انتخاب باتری مناسب از آن استفاده کنید.

 

 

 

باتری ها را به طور کلی به دو دسته تقسیم می کنیم :

 

۱- باتری های غیر قابل  شارژ  :

این باتری ها در اندازه  ، ساختار و استاندارد های مختلفی تولید می شوند و یکبار مصرف هستند و قابلیت شارژ مجدد ندارند. انواع مختلفی از ساختار این نوع باتری های در ادامه آورده شده است .

باتری روی کربن (Zinc–carbon) :

در این باتری از روی (Zinc) به شکل قوطی به عنوان کاتد و از کربن (carbon)  به عنوان آند استفاده می شود . این باتری ها قیمت پایینی دارند و برای استفاده های عمومی مورد استفاده قرار می گیرند.

 

باتری قلیایی یا آلکالاین (Alkaline) :

این باتری ها بر خلاف باتری های  روی کربن  بجای اسید از مواد قلیایی یا بازی استفاده می کنند .  از عناصری مثل دی اکسید منگنز (Manganese dioxide) و روی (Zinc)  در ساختار آنها استفاده شده است و می توانند بسیار بهتر از باتری های کربن روی عمل کنند. برای مثال نسبت به باتری های کربن روی ظرفیت بالاتری تولید می کنند و همینطور خود دشارژی (self-discharge) بسیار کمتری دارند.

 

باتری روی هوا  (Zinc–air) :

این باتری ها از واکنش شیمایی فلز روی (Zinc)  و هوا، تولید الکتریسیته می کنند و برای باتری های کوچک مثل باتری های ساعت و سمعک ها استفاده می شوند . ولتاژ تولیدی این باتری ها از نظر تئوری ۱.۶۵ است ، اما عملا ولتاژ این باتری ها به ۱.۴  ولت  می رسد.

 

 

باتری های لیتیوم دی اکسید منگنز (lithium–manganese dioxide) :

این باتری ها که بیشتر به صورت باتری های سکه ای در بازار موجود هستند با توجه به ساختار خود می توانند اختلاف پتانسیل ۳V  را تولید کنند.  اما از مشخصات جالب توجهی که دارند می توان به مقاومت داخلی  و خود دشارژی پایین و توان وزنی بالا اشاره کرد که برای استفاده ی جریان پایین در مدت زمان طولانی در حجم کوچک، گزینه بسیار خوبی هستند. برای مثال به عنوان نگهدارنده زمان یا به اصلاح (Backup)  استفاده ی زیادی از آنها می شود .

 

۲- باتری های قابل شارژ(Rechargeable battery):

باتری های قابل شارژ برای این طراحی شده اند که بتوان آنها را بعد از دشارژ شدن دوباره شارژ کرد .  این باتری ها به خاطر اینکه قابلیت شارژ دارند از نظر اقتصادی و همینطور از نظر محیط زیستی مناسب هستند که انواع آن را مورد بررسی قرار می دهیم .

 

باتری های لیتیوم یون (Li-ion) :

باتری های لیتیوم یون نسبت به دیگر باتری های مرسوم مانند نیکل کادمیوم، توان وزنی و توان حجمی بالاتری دارند. این باتری ها  از حرکت یون های لیتیوم که در مواقع دشارژ شدن از کاتد به آند  و در زمان شارژ از آند به کاتد در حرکت هستند بهره می برند و می توانند نسبت به دیگر باتری ها توان و جریان بالایی تولید کنند . کاربرد این نوع باتری در دستگاه های قابل حمل مانند گوشی های تلفن همراه و… است.

 

 

در شکل بالا به نوع  شماره گذاری باتری بر اساس سایز باتری توجه کنید .

باتری های لیتیوم پلیمر (LiPo):

این باتری ها مشابه باتری های لیتیوم یون بوده با این تفاوت که از الکترولیت پلمیر جامد  مانند اکسید پلی اتیلن (PEO)   و پلی آکریلونایتریل (PAN)  و متیل متاکریلات (PMMA)  استفاده می کنند.

ساختار سبک تر از نوع لیتیوم یون دارند و  انعطاف بالایی دارند  و همینطور نسبت به نوع لیتیوم یون ۲۰ درصد وزن کمتری دارند. میزان خود دشارژی این باتری ها نسبت به انواع  لیتیوم یون پایین تر است اما مانند انواع لیتیوم یون نیاز به مدار جانبی برای حفاظت از خود دارد.

 

باتری های نیکل کادمیوم (NiCd) :

این باتری ها که از اکسید نیکل و کادمیوم بهره می برند و ولتاژ ۱.۲ V   تولید می کنند، می توانند جریان بالایی را در خروجی داشته باشد .  اما به خاطر وجود فلز سنگین کادمیوم و ملاحظات محیط زیستی دیگر تولید نمی شوند و با باتری ها نیکل هیدرید فلز جایگزین شده اند ، البته باید این مورد را در نظر گرفت که در این باتری ها اثر حافظه وجود دارد و همینطور نکات دیگری که در مورد آن ها می توان نوشت این است که این باتری ها خود دشارژی (self-discharge) بالاتری نسبت به دیگر باتری ها دارند اما  از سرعت شارژ و توان وزنی و توان حجمی خوبی بهره می برند .

 

باتری های نیکل هیدرید فلز ( NiMH) :

باتری های نیکل هیدرید فلز شباهت زیادی به باتری های نیکل کادمیوم دارند با این تفاوت که در ساختار این باتری ها از فلز سمی کادمیوم استفاده نمی شود. ولتاژ کاری آنها و همینطور جریان دهی بالایی دارند و می توان آن ها را با جریان بالایی شارژ کرد . همینطور توان وزنی و توان حجمی بالایی که دارند این باتری ها را  بهترین گزینه برای دستگاه هایی که به جریان بالا نیاز دارند تبدیل کرده است برای مثال در برخی خودرو های هیبریدی از این نوع باتری ها برای ذخیر انرژی استفاده می شود .

باتری خشک (sealed acid) :

 این باتری ها  که از جمله اولین باتری های ساخته شده می باشند از صفحات سربی و  ماده الکترولیت تشکیل شده است . به صورت پک های چند سلولی  وجود دارند که ولتاژ هر سلول آن ۲V  است . این باتری ها در مقایسه با باتری های دیگر قیمت پایین تری دارند اما توان وزنی و توان حجمی کمتری هم  تولید می کنند  و نسبت به تغیرات دما حساسیت بیشتری دارند .

 

 

 

 

درشکل های زیر مقادیری که در بالا توضیح داده شد بر روی تصاویر باتری توضیح داده شده است .

 

 

 

تعداد سلول های باتری :

در بعضی موارد از باتری ها به صورت پک های چند عددی استفاده می شود (مانند شکل بالا) در اینجا تعداد باتری ها به صورت ضریبی از S  یا به صورت ضریبی از واژه cell آورده می شود برای مثال در شکل  بالا  به صورت ۲S بر روی باتری درج شده است . نکته ی دیگری در این مورد این است که می توانیم از روی ولتاژ باتری های پک شده تعداد سلول ها را بدست آوریم ، برای مثال در شکل بالا می بینیم که بر روی پک باتری ولتاژ آن ۷.۴ V   آورده شده است با توجه به نوع باتری  که لیتیوم پلیمر و ولتاژ هر  سلول آن ۳.۷V  است  و یک تقسیم ساده به تعداد ۲ سلول که در بالا ذکر شده است خواهیم رسید .

سلول بندی و نحوه سیم کشی باتری هایی مانند شکل بالا را هم بررسی می کنیم. برای مثال باتری مشاهده می کنیم که از دو کابل و کانکتور مجزا برای شارژ و دشارژ باتری استفاده شده است که به صورت زیر در این کانکتورها سیم کشی شده است .

 

باتری ها عموما به صورت اندازه های استاندارد تولید شده و مورد استفاده قرار می گیرند. این استانداردها بیشتر موارد مربوط به باتری های غیر قابل شارژ و باتری هایی است که برای شارژ باید از دستگاه جدا شده و در شارژر ثانویه قرار بگیرند . این استاندارد ها در سال ۱۹۰۷  توسط موییه ملی استاندارد آمریکا (ASNI) ایجاد شده و تا به امروز مورد استفاده قرار می گیرند که در زیر برخی از  آنها آورده شده است .

نام استاندارد ولتاژ اندازه( mm)
باتری کتابی ۹ ۴۸.۵*۲۶.۵*۱۷.۵
D  (سایز بزرگ) ۱.۵ ۶۱.۵*۳۴.۲
C (متوسط ) ۱.۵ ۵۰*۲۶.۲
AA (قلمی) ۱.۵ ۵۰.۵*۱۴.۵
AAA (نیمه قلم) ۱.۵ ۴۴.۵*۱۰.۵

 

ولتاژ استاندارد ساخت باتری برای این اندازه ابعاد باتری نام  باتری
۱.۵V LR20, R20, R20MA, R20P, MN1300, MX1300, PC1300, UM1, UM-1, SUM-1, AM1, 13AC, 13A, E95, EN95, 813, AL-D, 1250, 7520, HP2, HR20, Mono, Goliath استوانه ای

L 58 mm, D 33 mm

 

باتری سایز بزرگ

D

۱.۵V LR14, R14, UM2, UM-2, MN1400, MX1400, PC1400, 14AC, 14A, E93, EN93, 814, ALC, AL-C, 7522, AM2, HP11, Baby, Mignon استوانه ای  L 46 mm, D 26 mm باتری سایز متوسط

C

۱.۵V R6, R06, MN1500, MX1500, PC1500, AM3, UM3, UM-3, HP7, 15AC, 15A, E91, EN91, 815, AL-AA, ALAA, 7524, HR6, HR06, LR06, LR6, X91, PC1501, Mignon, Penlight, Double A, 2AA استوانه ای  L 50 mm, D 14.2 mm

 

باتری قلمی

AA

۱.۵V LR03, LR3, LR03X, R03, R3, MN2400, MX2400, PC2400, AM4, UM4, UM-4, HP16, 24AC, 24A, 24G, EN92, E92, 824, ALAAA, AL-AAA, 7526, 4003, K3A, Micro, Microlight, Potlood , Penlight, Triple A, 3AAA استوانه ای  L 44.5 mm, D 10.5 mm

 

باتری نیمه قلمی

AAA

 

 

۱.۵V LR61, 25A , MN2500, MX2500, E96, EN96, GP25A, LR8D425, 4061, K4A, Quadruple A, Quad A, 4AAAA استوانه ای  L 42 mm, D 8 mm

 

 

AAAA

 

۹V PP3, 1604AC, 1604A, 1604AC, 522, EN22, A1604, AL9V, AL-9V, 9-Volt, Radio Battery, 6AM6, 6UM6, 006P, 6LR61, PC1604, PL1604, L522, 1604LC, U9VL-FP, K9V, S006, S-006, 6F22, E-Block, Transistor مکعبی شکل  H 48.5 mm, L 26.5 mm, W 17.5mm

 

 

 

۹V

باتری کتابی

۳V CR17354, 5018LC, Camera Battery, CR123, LR123, VL123, 123A, CR123A, EL123A, EL123AP, EL123AP-2, RL123, RL123A-1, RL123A-2, DL123A-1, DL123A-2, SF123A, SF12-BB, K123A, RCR-123A, 23-155, CR-123APA Cylinder L 34.5 mm, D 17 mm

 

۱۲۳

 

 

 

 

 

 

۳V             DLCR2, DLCR2B, RLCR2, KCR2, EL1CR2, RLCR2-L, CR-2, 5046LC Cylinder L 27.5 mm, D 16 mm CR2
۱.۵V  

LR1, LR01, 910A , MN9100, 4001, E90, KN, 810, 23-023, AM5, UM5, UM-5, SUM5, Lady Battery

Cylinder L 30.2 mm, D 12 mm N
۶V ۴LR61, 7K67, 4018, 539, KJ, 4AM6, 4UM6, 4UM-6, 1412A, 1412AP, 867 Square with missing corner H 48.5 mm, L 35.6 mm, W 9.18 mm

 

J

 

در شکل بالا به نحوه شماره گذاری باتری لیتیوم یون بر اساس اندازه باتری دقت کنید . در جدول بالا برای هر اندازه باتری با چندین استاندارد مختلف باتری تولید شده است که می تواند اطلاعات مفیدی در اختیار بگذارد. برای مثال در سایز باتری کتابی و سرچ استاندارد ۶f22  اطلاعات مفیدی از جمله ظرفیت باتری ۴۰۰mAh  و ساختار باتری که از نوع کربن روی  است را به دست می آوریم .

باتری های سکه ای :

در این نوع باتری ها اطلاعات را به سادگی از روی حروف و اعدادی که روی آن ذکر شده است می توانیم بدست بیاوریم . برای مثال بر روی باتری  CR2032   اعدادی نوشته شده است .  عدد ۲۰  که در ابتدا آورده شده است قطر  باتری بر حسب میلی متر است و عدد  ۳۲ نمایش دهنده ی ضخامت باری است که ۳.۲ میلی متر را نشان می دهد .

 

اما برای حروف CR  باید به جدول زیر مراجعه کنیم که می تواند مواد شیمیایی و ساختار باتری را به ما نشان دهد:

 

CR BR SG SR AG LR M یا N G B C P S L
Lithium Lithium Silver Oxide Silver Oxide Alkaline Alkaline Mercury Silver Oxide Lithium Lithium Zinc-air Silver Alkaline

 

شارژ  و ایمنی در باتری ها :

  باید در مورد تمام باتری های قابل شارژ موارد مهم زیر را در نظر گرفت :

  1. همیشه باید باتری را در برابر شارژ معکوس حفاظت کنیم به این معنی که نباید به صورت برعکس در شارژر قرار گیرند.
  2. جریان شارژ در انواع باتری ها با توجه به نوع آن کنترل شود و نباید از حد مجاز بالا تر برود ، در مورد جریان تخلیه هم باید این مورد را در نظر داشت.
  3. برای عمر طولانی تر باتری ها و همینطور ایمنی بیشتر بهتر است از شارژ های مخصوص هر باتری استفاده شود.

موارد زیر را در مورد باتری های مختلف در نظر بگیرید :

  • در باتری های حافظه دار مثل نیکل کادمیوم و نیکل هیدرید فلز برای اینکه ظرفیت باتری کاهش پیدا نکند باید از شارژ باتری های نیمه پر اجتناب کرد .
  • در باتری های  خشک یا همان سیلد اسید باید ولتاژ هنگام شارژ، همیشه در محدوده مناسب قرار داشته باشد تا عمر باتری کاهش پیدا نکند. برای این کار ولتاژ هر سلول آنها نباید از ۲.۲۸V  تجاوز کند چرا که باعث تخریب صفحات باتری می شود. ولتاژ مناسب برای هر باتری بستگی مستقیم به تعداد سلول های باتری دارد، برای  مثال ولتاژ یک باتری ۶ سلولی با حساب حداکثر ولتاژ  ۲.۲۸   ولتاژ باتری نباید از  ۱۳.۷  ولت تجاوز کند. برای شارژ این باتری ها می توانیم از منابع تغذیه با تنظیم دقیق ولتاژ و محدود کردن جریان استفاده کنیم، اما ترجیح داده می شود برای این باتری ها از شارژ اتوماتیک مناسب بهره گرفت چرا که تمام موارد بالا را به درستی در شارژ باتری در نظر می گیرد .
  • برای شارژ باتری های لیتیوم یون و لیتیوم پلیمر جریان شارژ پایین توصیه می شود. معمولاً به اندازه  ۰.۵ × C  محدود می شود. اما با رسیدن ولتاژ به ۴.۲V، شارژ باتری وارد مرحله دوم می شود و جریان شارژ به یک دهم کاهش پیدا می کند. نکاتی که در مورد باتری های لیتیوم یون به صورت جدی باید در نظر داشت این است که نباید ولتاژ این باتری ها بیشتر از  ۴.۳ V  و کمتر از ۲.۳ V  شود . باید دمای زمان شارژ کنترل شود، این باتری ها نباید در زمان شارژ دمایی کمتر از صفر درجه و بیشتر از ۴۵ درجه داشته باشند. جریان دشارژ نباید از مقداری که کارخانه ارائه می دهد بیشتر شود؛ چرا که ممکن است باعث تخریب یا انفجار باتری شود.
  • باتری های لیتیومی نباید در معرض آفتاب یا دمای بالا قرار بگیرند و همین طور در برابر ضربه  باید از آنها محفاظت شود. اگر باتری های لیتیومی دچار تغییرات فیزیکی مثل سوراخ شدن یا ضربه  قرار بگیرند احتمال آتش سوزی در آنها بالاست در این صورت دیگر قابل استفاده نبوده و باید آنها را معدوم کنیم.
  • این باتری ها نباید دچار over charge یا شارژ بیش از حد قرار بگیرند چرا که ممکن است دچار آتش سوزی شود. بیشترین موارد آتش سوزی در این باتری ها درحال شارژ اتفاق می افتند.
  • در این باتری ها معمولاً از مدار های محافظ باتری بهره می برند تا باتری را در برابر اتصال کوتاه و افزایش جریان و دما محافظت و کنترل کند. ضمناً در مواردی که از چند سلول استفاده می کنیم ولتاژ سلول ها متوازن نگه داشته شود که این مدار این کار را برام ما انجام می دهد.
  • در پایان دوباره به این نکته باید اشاره کرد که باتری ها را باید با شارژر مخصوص همان نوع باتری شارژ کرد و از اعمال ولتاژ  و جریان بالا جدا خودداری کرد.