اتصال کوتاه

.

.
باتری وسیله‌ای است که با تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی، بین دو نقطه اختلاف پتانسیل الکتریکی به وجود آورده و سبب برقراری جریان الکتریکی می‌شود.

عملکرد کلیه‌ باتری‌ها تقریباً مشابه یکدیگر است. پس با فهم آنچه درون یکی از آن‌ها رخ می‌دهد، می‌توان به درک مناسبی از شیوه کار کلیه باتری‌ها دست یافت. ما طرز کار باتری روی – کربن را توضیح می‌دهیم. این باتری یکی از ساده‌ترین باتری‌هایی است که می‌توان ساخت و گاهی آن را  ”باتری استاندارد کربنی”  نیز می‌نامند.
فرض کنید ظرفی حاوی اسید سولفوریک داریم .اگر میله ای از جنس روی را در این محلول قرار دهید، اسید شروع به خوردن روی می‌کند. حباب‌های هیدروژن روی میله ظاهر می‌شود و محلول در اثر حرارت حاصل از واکنش شیمیایی، گرم خواهد شد. آن چه روی می‌دهد، تقریباً به ترتیب زیر است:

• مولکول های اسید به سه یون تفکیک می شوند: دو یون +H و یک یونSO₄2- .
• اتم های روی دو الکترون از دست می دهند و به یون های +Zn₂ تبدیل می شوند.
• یون های +Zn₂ با یون های SO₄2- ترکیب شده و به صورت ZnSO₄ درمی آیند، که در اسید حل می شوند.
• یون های هیدروژن الکترون هایی را که اتم های روی از دست داده اند، جذب می کنند و به صورت مولکول (H₂) گاز هیدروژن  در می آیند. این همان حباب هایی است که روی میله ظاهر می شود.

حال اگر میله ای از جنس کربن نیز در محلول قرار دهید (اسید روی این میله اثری ندارد) و آن را با سیم به میله اول متصل کنید، شرایط تغییر می‌کند و به صورت زیر درمی‌آید:

الکترون‌ها از طریق سیم به سمت میله کربنی می‌روند و در آن‌جا جذب یون‌های هیدروژن می‌شوند. این بار حباب‌های گاز هیدروژن روی میله کربنی تشکیل می‌شود.

در این حالت گرمای کمتری آزاد می‌شود، زیرا بخشی از انرژی شیمیایی حاصل از واکنش صرف جریان الکترون‌ها شده است؛ یعنی در حالت اول انرژی شیمیایی فقط به انرژی گرمایی تبدیل می‌شود، ولی در حالت دوم بخشی از آن به انرژی الکتریکی و بخشی دیگر به انرژی گرمایی تبدیل می‌شود.

با گذشت زمان، میله روی کم کم در اسید حل می‌شود و یون‌های هیدروژن موجود در محلول نیز به تدریج مصرف می‌شوند، تا این که سرانجام باتری تمام می‌شود.

به دو میله به کار رفته در باتری، اصطلاحاً «الکترود» می‌گویند.

محلول حاوی یون ( در مثال بالا اسید سولفوریک ) نیز «الکترولیت» نامیده می‌شود.

انواع باتری‌ها

باتری‌ها را به روش‌های مختلف دسته بندی می‌کنند در ادامه مهم ترین روش‌های دسته بندی آمده است.

از نظر حالت الکترولیت 

باتری خشک (dry)

الکترولیت این نوع باتری ها جامد می باشند. این نوع باتری ها قابل شارژ نیستند. یکی از پرکاربردترین نوع باتری ها هستند و انواع گوناگونی دارند. باتری‌های قلیایی از انواع باتری خشک محسوب می شوند. باتری قلمی معروف ترین نوع این باتری‌ها است که در اکثر وسایل الکترونیکی از قبیل ساعت دیواری، کنترل تلویزیون و… بکار می‌رود. باتری‌های خشک معمولاً برای مدارهایی که جریان کمی مصرف می‌کنند و ایده آل هستند.
اگر جریان زیادی از باتری خشک کشیده شود، به سرعت دشارژ می‌شود و ولتاژ باتری شروع به کم شدن می‌کند در این صورت عمر مفید باتری کاهش می‌یابد.

نکته: علت این کاهش ولتاژ این است که در درون باتری و در اطراف کاتد (قطب مثبت) و آند (قطب منفی) گازهایی مانند هیدروژن (H₂) و آمونیاک (NH₃) تولید می‌شود که لایه‌ای عایق در داخل باتری ایجاد می‌کنند و مانع از عبور جریان می‌شوند.

در باتری‌های قلیایی هیچ واکنش نا خواسته‌ای در داخل باتری رخ نمی‌دهد به همین دلیل می‌توان از این باتری‌ها برای مدت بیشتری استفاده کرد. قطب مثبت در این باتری‌ها مخلوطی از گرافیت (C) و اکسید منگنز (MnO₂) است که در اطراف باتری و زیر پوششی شامل یک لایه پلاستیکی و یک لایه حلبی قرار دارد. قطب منفی این نوع باتری یک میله برنجی در وسط باتری است که با خورده شدن آن باتری از کار می‌افتد.
نکته: در همه باتری‌ها، تا هنگامی که قطب منفی باتری خورده نشود، باتری کار می‌کند.

 
باتری تَر (wet)

دارای الکترولیت مایع می‌باشد (مثل باتری‌های مورد استفاده در خودرو‌ها).

توجه: امروزه نوعی باتری‌ها به بازار ارائه شده که الکترولیت آن نه کاملا جامد مانند باتری قلمی و نه مایع مانند باتری‌های متداول خودروها، الکترولیت این باتری‌ها مانند ژل می‌باشند . این باتری‌ها ، باتری‌های با مراقبت کم (free-maintenance) یا (low-maintenance) نامیده می شوند . البته شاید بتوان آنها را در دسته باتری‌های خشک قرار داد.

از نظر جنس الکترولیت و صفحات

باتری سرب-اسیدی  (lead acid) باتری نیکل-کادمیوم (Nickel-cadmium)، باتری هوا-روی(zinc-air) ، باتری آلکالاین (alkaline) و …

معمولاً باتری‌های خودرو‌ها از نوع باتری‌های سربی- اسیدی می‌باشند و دلایلش این است که اولاً هزینه ساخت آن کمتر از انواع دیگر است و ثانیاً محدوده دمایی مناسب برای بهترین کارایی آن نسبت به سایر باتری‌ها گسترده‌تر است، آمپر و ولتاژ آن نیز در محدوده دمایی مناسب می‌باشد.

از نظر قابلیت شارژ به غیرقابل شارژ و قابل شارژ:

باطری‌های غیرقابل شارژ خود به دو دسته کلی: لیتیوم (Lithium) و الکالاین یا قلیایی (Alkaline) تقسیم می‌شوند.

باتری‌های شارژ شدنی نیز شامل: باتری‌های (نیکل-کادمیوم)، باتری های (هیبرید نیکل-فلز)، باتری های (لیتیوم-یون) و (پولیمر لیتیوم-یون) می‌شوند.

باتری‌ها غیرقابل شارژ استاندارد

الکالاین یا قلیایی (Alkaline)

کارآمدی باتری‌های قلیایی معمولاً ۱۰ برابر کارآمدی باتری‌های قدیمی روی-کربن است. آنها طول عمر بیشتری دارند و می‌توانند ۸۵ درصد از ظرفیت خود را پس از پنج سال ذخیره حفظ کنند، باتری‌های قلیایی کمتر نشت می‌کنند و در محدوده گسترده‌ای از دمای محیط می‌توانند کار کنند.

لیتیوم (Lithium)

باتری‌های لیتیوم از لیتیوم در حالت فلزی آن استفاده می‌کنند تا به یک چگالی انرژی بسیار بالا دست پیدا کنند، در نتیجه مدت عمل طولانی و طول عمر نگهداری (در قفسه) زیادی دارند. باتری‌های لیتیوم می‌توانند پس از پنج سال عدم استفاده تا ۹۷ درصد از ظرفیت اسمی خود را حفظ کنند. باتری‌های لیتیوم بهترین جایگزین برای باتری‌های قلیایی استاندارد دوربین‌های دیجیتال، دستگاهای پخش MP3  و سایر وسایل الکترونیکی هستند. همچنین از آن در ساعت مچی، باتری ماشین حساب و وسایل مشابه استفاده می‌کنند.  باتری لیتیوم نمونه‌ای از باتری‌های قلیایی است. اگر بر روی یک باتری کلمه Li درج شده باشد به این معناست که آن باتری، باتری لیتیوم خشک (غیر قابل شارژ) می باشد.

باتری‌های شارژ شو

نیکل-کادمیوم (Ni-Cd)

باتری‌های نیکل-کادمیوم سرعت شارژ شدن بالایی را فراهم می‌سازند و می‌توانند طول عمر خوبی داشته باشند با بیش از هزار چرخه شارژ/ دشارژ. اگر پیش از آن که باتری‌های نیکل-کادمیوم کاملا دشارژ (خالی ) نشده باشند، آنها را شارژ کنید، کارآیی آنها پایین می‌آید . بعضی از شارژرهای باتری‌های نیکل-کادمیوم دارای مداری برای دشارژ کردن باتری، پیش از شارژ کردن آنها هستند. باتری‌های نیکل-کادمیوم به یک دوره break-in نیاز دارند. بسیاری از سازندگان این نوع باتری‌ها سه بار چرخه شارژ/ دشارژ را پیش از آن که باتری به حالت بهینه خود برسد توصیه می‌کنند. این نوع باتری‌ها در وسایلی کاربرد دارند که دائماً استفاده می‌شوند زیرا این باتری‌ها باید حداقل هفته‌ای یک بار شارژ کامل و دشارژ کامل شوند زیرا در غیر این صورت روزانه ۱% از توان آنها کم می‌شود و در صورتی که این باتری‌ها برای چند روز در حالت شارژ بمانند، آسیب می‌بینند. نوع قلمی این باتری ولتاژ 1.25 ولت تولید می کند.

جریان دهی باتری‌های نیکل کادمیوم را با میلی آمپر ساعت (mAh) مشخص می کنند. جریان دهی بیشتر باتری‌های نیکل-کادمیوم بین ۵۰۰mAhتا ۱۰۰۰mAhمی باشد. "آمپر ساعت" به این معنا است که یک باتری در یک ساعت چقدر جریان می تواند به مدار بدهد؛ مثلاً اگر جریان دهی یک باتری ۵۰۰mAhباشد، به این معناست که آن باتری می تواند در یک ساعت mA۵۰۰ جریان به مدار بدهد و اگر در یک ساعت از این مقدار جریان بیشتری از باتری کشیده شود، در این صورت ولتاژ باتری رو به کاهش می گذارد و در یک دقیقه می توان جریان mA8/34= 60 ÷ mAh500 از این باتری کشید که جریان بسیار کمی است ولی بعضی از باتری‌های نیکل-کادمیوم بزرگ می توانند تا Ah14/4جریان تولید کنند (در هر دقیقه mA۲۴۰)

هشدار خیلی مهم: «کادمیوم» یک فلز بسیار سمّی است. باتری های کادمیوم دارِ خراب را نباید در زباله ی معمولی انداخت یا در طبیعت رها کرد. این باتری ها حتماً باید بازیابی شوند.

باتری‌های Ni-MH و Ni-CD

هیبرید نیکل-فلز (Ni-MH)

باتری‌های Ni-MH سی تا چهل درصد ظرفیت انبارش بیشتری را نسبت به معادل‌های نیکل-کادمیوم دارند، اما تعداد چرخه شارژ/دشارژ مجدد کمتری را پشتیبانی می‌کنند و تعداد بین ۳۰۰ تا ۵۰۰ چرخه معمول است. باتری‌های Ni-MH  پیش از شارژ به دشارژ کامل نیاز ندارند، در نتیجه می‌توانید پیش از یک استفاده طولانی برنامه ریزی شده، آن را کاملا شارژ کنید. اگر باتری Ni-MH تعداد دفعات زیادی بطور کامل دشارژ (خالی) شود طول عمر آن کم می‌شود، هر چند اگر گاهی اجازه دهید که کاملا تخلیه شود به گونه‌ای بهینه کار خواهد کرد. شارژ کردن باتری‌های Ni-MH نسبت به معادل باتری‌های نیکل-کادمیوم طولانی‌تر است و اگر بیش از حد شارژ شوند یا در زمانی که باتری داغ است شارژ ادامه یابد، احتمال دارد که خراب شوند. شارژرهای Ni-MH خوب می‌توانند جلوی شارژ بیش از حد باتری را بگیرند یا اگر دمای داخلی باتری زیاد باشد عمل شارژ را متوقف کنند.

باتری‌های لیتیوم-یون (Lithium-Ion)

باتری های لیتیوم-یون بالاترین چگالی انرژی را فراهم می سازند یعنی تقریبا دو برابر انرژی قابل دسترسی از باتری‌های نیکل-کادمیوم. آنها به دشارژ کامل نیاز ندارند ، به دوره break-in نیاز ندارند و از مساله حافظه باتری خبر ندارند. می توانید در هر زمانی یک باتری لیتیوم-یون را بی آن که روی کارآیی باتری اثر بگذارد شارژ کنید، اما چون باتری های لیتیوم-یون معمولا دارای طول عمر شارژ/دشارژ ۳۰۰ تا ۵۰۰ چرخه هستند اگر زود به زود و قبل از تخلیه، این باتری را شارژ کنید طول عمر باتری را پایین می‌آورید. با آن که بسیاری از سازندگان باتری‌های لیتیوم-یون طول عمر باتری را تا سه سال ذکر می کنند، بعضی از مصرف کنندگان طول عمر تا ۱۸ ماه را گزارش کرده اند.

باتری‌های پولیمر لیتیوم ـ یون (Li-Ion polymer)

باتری‌های پولیمر لیتیوم-یون که گاهی به Li-Poly یا Lipo نیز مشهورند، اساسا شبیه به باتری‌های لیتیوم- یون هستند. اختلاف اصلی در آن است که پولیمرهای لیتیوم-یون بسیار نازک تر هستند، با اندازه هایی به کوچکی یک میلی متر. باتری‌های پولیمر لیتیوم-یون بسیار سبک نیز هستند و در برابر شارژ بیش از حد و نشت مواد شیمیایی نیز مقاوم‌ترند. اما تولید آنها گران‌تر از باتری‌های لیتیوم-یون تمام می‌شود و چگالی انرژی پایین‌تری دارند. باتری‌های پولیمر لیتیوم-یون بیشتر در وسایل الکترونیکی سبک وزن و گران قیمت مانند گوشی‌های موبایل به کار می‌روند

باتری‌های اسیدی

همان طور که از نام این باتری‌ها پیداست، این باتری‌ها از صفحات فلزی و اکسید فلزی ساخته شده‌اند که این صفحات در محلولی از اسید ضعیف و آب قرار دارند. باتری خودرو و باتری موتوسیکلت نمونه‌هایی از این باتری‌ها هستند. باتری‌های اسیدی قابل شارژ می‌باشند و می‌توان آنها را شارژ کرد.

باتری خودرو

دو نوع از رایج‌ترین انواع باتری خودرویی عبارتند از : باتری‌هایی که به مراقبت کم (LM=Low Maintanace) نیاز دارند یا "غیر سیلد" و باتری‌های بدون نیاز به مراقبت (FM=Free Maintanace) یا "سیلد".
باتری‌های با مراقبت کمتر (LM) دارای صفحه سرب-آنتیموان/ کلسیم (دو آلیاژی یا هیبرید) می‌باشند. در حالی که باتری‌های بدون نیاز به مراقبت دارای صفحه سرب-کلسیم/کلسیم هستند.

باتری های بدون نیاز به مراقبت (MF) به مراقبت های پیش‌گیرانه ی کمتری نیازمندند، دارای عمری طولانی‌تر، شارژ سریع‌تر، مقاومت بیشتر در برابر شارژ بیش از حد (over charge)، کاهش خوردگی ترمینال ها و زمان مجاز نگهدارى کالای (Shelf Life) طولانی تر هستند، اما در برابر عیوب ناشی از دشارژ عمیق (Deep Discharge)  به دلیل افزایش ریزش مواد فعال صفحات، سریع‌تر از کار می‌افتند.

«باتریِ بدون نیاز به مراقبت و نگهداری»، به گونه ای طراحی شده تا مصرف کننده را از الزامات عادی مربوط به مراقبت و نگهداری باتری همچون اضافه کردن آب در خلال دوران عمر باتری بی نیاز می کند.

اغلب انواع باتری های بدون مراقبت و نگهداری، مقادیر خیلی کمی گاز در ولتاژهای معمول و نرمال فرآیند شارژ کردن از خود تولید می کنند و در نتیجه میزان کاهش آب در این نوع از باتری ها خیلی کم و پایین است. برخی از انواع باتری های بدون نیاز به مراقبت و نگهداری دارای سیستم های تهویه هستند که کاملا درزبندی شده اند (بغیر از هواکش های کوچک اینگونه باتری ها) به همین دلیل آب را نمی توان به این باتری ها اضافه کرد.

ویژگی اصلی این باتری ها این است که کاهش آب در آنها بسیار کم است و این ویژگی عمدتا بواسطه حصول پیشرفت هایی در زمینه آلیاژهای مورد استفاده در شبکه ها و صفحات اینگونه باتری ها ایجاد شده است. در شبکه های مورد استفاده در باطری های معمولی از آنتیموان به عنوان یک عنصر برای افزایش قابلیت ریخته گری و سختی و استحکام استفاده می شود اما به هر حال، استفاده از مقادیر زیاد و عمده آنتیموان به نحو قابل ملاحظه و زیادی می تواند سرعت و روال کاهش آب در باتری و همچنین میزان دشارژ خودبخود را افزایش دهد. به همین دلیل است که شبکه های باتری های بدون مراقبت و نگهداری حاوی مقدار خیلی کمی از آنتیموان هستند و یا اصلا فاقد این فلز می باشند.

سایر فلزات همچون کلسیم، کادمیوم و استرونسیوم اغلب برای ایجاد و حصول دوام و استحکام مکانیکی که امری ضروری بشمار می رود، جایگزین آنتیموان می شوند و این در حالی است که استفاده از این فلزات سبب کاهش ایجاد گاز در باتری و همچنین کاستن از میزان دشارژ خودبخود می گردد. ساختار داخلی باتری های بدون نیاز به مراقبت و نگهداری ممکن است کاملا شبیه به ساختمان باتری های معمولی بنظر برد. به هر حال تفاوت های قابل توجه و عمده ای بین این باتری ها و باتری های معمولی وجود دارد که از آن جمله می توان به استفاده از سپراتورهای پاکتی (که از سه طرف درزبندی شده اند و قسمت فوقانی آنها باز است)، شبکه توری شکل و فضای بیشتر بخش ذخیره الکترولیت در بالای صفحات باتری و وجود سیستم های پیچیده تر تهویه باتری اشاره کرد.

.

مزیت های اضافی باتری های بدون مراقبت و نگهداری

·       حذف مراحل فعال کردن باتری و شارژ با سرعت زیاد (Boost Charging) که قبل از نصب باتری انجام می شود،

·       مقاومت بیشتر باتری های بدون مراقبت و نگهداری در برابر شارژ شدن بیش از حد ظرفیت (Over Charging) پس از آنکه باتری مزبور به صد درصد شارژ برسد،

·       میزان کمترِ خوردگی قطب های باتری در مقایسه با باتری های معمولی،

·       برخورداری از عمر مفید بیشتر نسبت به باتری های معمولی شارژ شده ی تر با الکترولیت مایع (Wet Batteries)،

·       حذف احتمال بیش از اندازه پرشدن باتری (Over Filling) و همچنین ازبین رفتن احتمال آلودگی های مضر مربوطه.

.

در آب و هوای گرم پیشنهاد می‌شود که باتری غیر سیلد خریداری شود. به دلیل این که در یک باتری سیلد هنگامی که به آب نیاز است، نمی‌توان آب اضافه کرد و نمی‌توان غلظت ویژه آن را با هیدرومتر اندازه گرفت.
برخی سازندگان، نوع سوم باتری را به نام dual تولید کرده اند که از یک باتری استاندارد با سل های پشتیبان تشکیل شده است که در مواقع ضروری قابل سوئیچ کردن هست، تشکیل شده است. پیشنهاد می شود با هزینه مشابه بهتر است که دو باتری را خریداری کنید و سپس آنها را از هم جدا کنید. در آینده این انتظار می رود که باتری های گران تر دارای دریچه های تنظیم کننده (valve regulated)، سلول های ژلی، و جاذب های پشم شیشه ای به کار برده شوند. به دلیل این که کارخانه های تولید کننده اتومبیل خواهان افزایش مدت زمان ضمانت خود می باشند، قصد دارند مکان باتری‌ها را از زیر کاپوت خودرو (به دلیل محافظت از گرمای زیاد) به محل دیگری تغییر دهند.

برخی تولید کنندگان باتری‌هایی با استحکام بالا در مقابل لرزش زیاد یا باتری‌های از نوع RV را طراحی کرده اند تا اثرات لرزش طبیعی را کاهش دهند. اما برای لرزش های بیش از اندازه بهتر این است که از باتری های تجاری (Commercial battery) و مخصوص استفاده کنیم.

باتری‌های خودرویی به منظور ایجاد جریان استارت اولیه با آمپر بالا (معمولاً برای ۵ تا ۱۵ ثانیه) برای روشن کردن موتور به صورتی خاص طراحی شده اند. در حالی که باتری های با سیکل زیاد (deep cycle) یا باتری شناورهای دریایی (marine) برای دشارژ طولانی مدت با آمپراژ کم طراحی شده اند. باتری ״dual marine״ یک باتری با خصوصیات مابین باتری خودرویی و باتری با سیکل زیاد است. به هر حال باتری خودرویی بهترین کاربرد را در خودرو دارا می باشد. برای RV ها، یک باتری خودرویی جهت روشن کردن موتور و یک باتری با سیکل زیاد جهت ایجاد توان لازم برای وسایل جانبی به کار برده می شود. باتری‌ها به یک دیود ایزوله کننده متصل شده‌اند و هر دو به صورت خودکار به وسیله سامانه ی شارژ RV زمانی که موتور کار می کند شارژ می‌شوند.

.

.

مطالب مرتبط:

آزمایش دینام و باتری خودرو

طرز ساختن ساده‌ترین شارژر خودکار باتری در جهان!

نگهبانی برای حفاظت از باتری خودرو

وقتی که دست ها یکدیگر را می شویند یا یک مدار خوب شارژر باتری خودرو

.

.

منابع:

سایت انجمن صنعت باتری و ذخیره سازهای ایران

شرکت عماد باتری

.

.

آخرین به روز رسانی:

اسفند 1394

.

.