batteries آشنایی با باطری ها

هر باتری از یک یاچند سلول کوچک داخلی تشکیل شده است، در باتری‌ها ممکن است سلول‌ها برای افزایش جریان با هم موازی شده یا برای افزایش ولتاژ با هم سری شوند

صفحه نخست »  الکترونیک »  باطری

batteries-آشنایی با باطری ها

باتری یا پیل الکتریکی (ولتائیک) 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 واحد بار الکتریکی را نیروی محرکه الکتریکی (Electromotive force یا emf) باتری می‌گویند و آن را با یکای ولت اندازه‌گیری می‌کنند. قطب مثبت باتری را کاتد و قطب منفی آن را آند می‌نامند. (در فرهنگ عامیانه به قطب‌ها، سر مثبت و سر منفی نیز گفته می‌شود).
معمولاً هر باتری از یک یاچند سلول کوچک داخلی تشکیل شده است، 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 متصل اند. با اتصال باتری به مصرف کننده یون‌های 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 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 می‌باشد 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.
تقسیم‌بندی باتریها:
بر اساس شرایط محیطی و شرایط الکتریکی مورد استفاده بایستی از باتریهای متفاوت استفاده نمود که دارای مشخصات گوناگون تحت شرایط دشارژ می‌باشند انواع باتری از نظر کاربرد عبارت است از:
باتری‌های خورشیدی که شارژ آنها تابع قوانین خاص است. باتری‌های مورد استفاده در ups و لپ تاپ 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... بطور کلی باتریها به دو دسته قابل شارژ و غیرقابل شارژ تقسیم‌بندی می‌شوند:

باتریهای غیرقابل شارژ (یک بار مصرف ):
این باتریها قادر به شارژ الکتریکی نبوده و یکبار استفاده و دشارژ 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 در بر گرفته است، انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. اساس نام گذاری باتری با نام‌های همچون باتری Lithium یا باتری Alkaline یا ... به دلیل عناصر استفاده در ساخت آنها می‌باشد.
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 قابل شارژ:
از این باتری‌ها 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 باتریها پس از دشارژ، با عبور جریان در جهت مخالف جریان دشارژ، بصورت 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.

کاربردهای باتری‌های قابل شارژ:
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، کارائی کم و آلودگی محیط زیست را در پی خواهد داشت.
۲ – کاربردهایی که در آنها از باتری‌های قابل شارژ بعنوان 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 مصرف کننده 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 بالااز 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، مانندسمعک‌ها و ساعت‌های رایانه‌ای، 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 غیرقابل شارژ، اتصال کوتاه نمودن دو قطب مثبت و منفی باتری 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 دشواری‌های 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 می‌جویند. پسمان‌های انباره مایه بالا رفتن آلودگی زیستگاهی به زهرهای کشنده فلزی باتری‌ها شده است 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. باتری تیسفون اختراع ایرانیان اولین باتری جهان: 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) شبیه‌سازی 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 ۱۳۱۷ خورشیدی برابر با ۱۹۳۸ 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.
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 فراهوشمند سیارات دیگر که تصور می‌شود 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.
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، 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".