چرا از باتری استفاده میکنیم؟
تاکنون این سوال برایتان پیش نیامده که چرا نمیتوانیم یک تلفن همراه را به صورت مستقیم به جریان برق متناوب (برق شهری) وصل کنیم؟ یا اینکه چرا برای استفاده از یک ماوس، حتما به یک باتری نیاز داریم؟ برای پاسخ دادن به این سوالات، باید با برخی از مفاهیم مهم و پایه، بیشتر آشنا شویم:
موارد استفاده از باتری
سلول: یک منبع انرژی بسیار کوچک که تنها توانایی ذخیره و تحویل انرژی مستقیم برق (DC) را دارد. اندازه این سلولها بسیار کوچک است؛ به عنوان مثال، تمام سلولهای موجود در یک ساعت مچی یا کنترل تلویزیون، در نهایت توانایی ذخیره ۱.۵ تا ۳ ولت از جریان برق را دارند!
باتری: عملکرد باتری، دقیقا شبیه به سلول است؛ با این تفاوت که یک باطری، از تعداد بسیار زیادی سلول تشکیل شده که به صورت سری/موازی، در کنار همدیگر، قرار گرفتهاند.
دستگاههای الکترونیکی قابل حمل، با جریان برق مستقیم (DC) کار میکنند؛ زیرا تلفات ناشی از آن، به مراتب، کمتر از جریان برق شهری است! اینجاست که باتریها به عنوان یک منبع برق DC، نقشی حیاتی و مهم را ایفا میکنند.
فاکتورهای مهم در تعریف یک باطری
برای آشنایی بیشتر با باتریها، تنها دانستن نحوه عملکرد و نوع جریان ذخیره شده در آنها، کافی نیست. در حقیقت، ما به بررسی فاکتورهای دیگری نیز نیاز داریم تا به خوبی، با این وسیله پرکاربرد، آشنا شویم.
برای تعریف ماهیت یک باطری، نیاز به آشنایی با اصطلاحات و مفاهیم زیر دارید:
ظرفیت (میلی آمپر) درجه C
ولتاژ اسمی ولتاژ شارژ
شارژ جریان جریان تخلیه
ولتاژ قطع ماندگاری
در ادامه، شما را با این اصطلاحات، بیشتر آشنا میکنیم:
ظرفیت باتری
انرژی ذخیره شده در باتری است که به صورت وات ساعت (Watt-hour) اندازهگیری میشود. ظرفیت یک باتری، بر اساس سه فاکتور مهم ولتاژ (V)، جریان (I) و ساعت (مدت زمان ثابت ماندن ولتاژ) تعریف میشود.
ظرفیت باتری
نکته: ظرفیت یک باتری را بر حسب Ah (آمپر) یا mAh (میلی آمپر) اندازه گیری میکنند. به عنوان مثال، یک باتری با ظرفیت ۲۵۰۰ میلی آمپر، میتواند ۲۵۰۰ میلی آمپر جریان را به مدت یک ساعت، انتقال دهد. به عبارتی دیگر، این باتری میتواند ۲۵ میلی آمپر را به مدت ۱۰۰ ساعت، تامین کند.
توجه: مواردی مانند دما، مدت زمان استفاده و… میتوانند در دراز مدت، ظرفیت باتری را کاهش دهند.
درجه C یا جریان باتری
این فاکتور، میزان جریان برق موجود در باتری را اندازهگیری میکند. در برخی از منابع، از آن به عنوان درجه C یا C-rating نیز، نام برده میشود. از نظر علمی، جریان یک باتری، از تقسیم ظرفیت آن بر عدد ۱۰۰۰ به دست میآید.
به عنوان مثال، جریان یک باتری با ظرفیت ۱۰۰۰۰ میلی آمپر، برابر با ۱۰ خواهد بود. به عبارتی دیگر، این باتری، توانایی انتقال ۱۰ آمپر جریان را در یک ولتاژ ثابت دارد.
ولتاژ اسمی
از آنجایی که ولتاژ باتری، ثابت بوده و در طول زمان تغییر نمیکند، به آن، ولتاژ اسمی یا nominal voltage گفته میشود. از آنجایی که ولتاژ ثابت است، برای محاسبه ظرفیت باتری، فقط از پارامترهای جریان و مدت زمان، استفاده میشود.
سایر پارامترهای باتری
علاوه بر موارد بالا، مفاهیم زیر نیز میتوانند در تعریف یک باتری، تاثیرگذار باشند:
جریان شارژ: حداکثر جریانی است که میتوانید برای شارژ باتری، از آن استفاده کنید.
ولتاژ شارژ: حداکثر ولتاژی است که برای شارژ بهینه، باید به آن اعمال شود. (بهترین ولتاژ برای شارژ یک باتری، ۴.۲ ولت است.)
جریان تخلیه: مقدار جریانی است که میتواند از باتری گرفته شده و به مدار، تحویل داده شود.
انواع باتری
به صورت کلی، باتریها را میتوان به دو دسته زیر، تقسیمبندی کرد:
باتریهای غیر قابل شارژ
باتریهای قابل شارژ
باتری غیر قابل شارژ
این دسته از باتریها را به عنوان مدلهای اصلی نیز میشناسیم؛ زیرا تنها یکبار قابل استفاده بوده و به هیچ عنوان، دوباره شارژ نمیشوند. انواع زیادی از باتریهای قابل شارژ را به صورت روزانه و در اطرافمان، مشاهده میکنیم:
باتریهای قلیایی
این باتریها با ترکیب روی (Zn) و دی اکسید منگنز (MnO2) ساخته میشوند. از آنجایی که الکترولیت به کار رفته در این باتریها، هیدروکسید پتاسیم (potassium hydroxide) است، به آنها باطریهای قلیایی، گفته میشود.
مهمترین مزایای باتریهای قلیایی، عبارتند از:
سازگار با انواع دستگاههای قابل حمل
عمر و ماندگاری بیشتر اندازه کوچک
مقاومت داخلی کم نشت کم
از این باطریها در انواع وسایل قابل حمل از قبیل کنترلهای تلویزیون، ساعتهای دیواری، اسباب بازیها و … استفاده میشود.
باتریهای سکهای
ترکیب اصلی این باتریها نیز قلیایی محسوب میشود؛ اما در ساخت آنها، از اکسید نقره و لیتیوم هم استفاده شده است. باطریهای سکهای، در تولید ولتاژ ثابت در مقیاسهای کوچک، فوقالعاده کارآمد هستند.
مهمترین مزایای باتریهای سکهای عبارتند از:
وزن کم اندازه کوچک
تراکم بالا قیمت مناسب
ولتاژ اسمی بالا ماندگاری طولانی
از این باتریها در ساعتهای مچی، ساعتهای دیواری، وسایل الکترونیکی مینیاتوری و … استفاده میشود.
باتریهای قابل شارژ
این مدلها، به باتریهای ثانویه نیز مشهور هستند؛ زیرا قابلیت شارژ دوباره و استفاده مجدد را دارند. اگرچه قیمت باتریهای قابل شارژ، از نوع غیر قابل شارژ، بسیار بیشتر است؛ اما در عوض، میتوانید بارها و بارها، از آنها استفاده نمایید.
باتری اسید- سرب (Lead-acid)
این باتری همانطور که از اسمش نیز مشخص است، از ترکیب اسید و سرب ساخته شده است. از مدلهای اسید-سرب، بیشتر در وسایل نقلیه موتوری استفاده میشود. در مواردی که اندازه، فضا و وزن باتری مهم نیست؛ اسید-سرب، یک گزینه ایده آل محسوب میشود.
باتری اسید سرب
باتریهای اسید-سرب را معمولا در ولتاژهای ۲، ۶، ۱۲ و ۲۴ ولت تولید کرده و به بازار، عرضه میکنند. از مزایای این محصولات، میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
قیمت مناسب
شارژ آسان
توان خروجی بالا
از باتریهای اسید-سرب معمولا در وسایل نقلیه، ماشینآلات سنگین، رباتیک و … استفاده میشود.
باتریهای نیکل-کادمیوم (Ni-Cd)
این باتریها، همانطور که از اسمشان نیز مشخص است، با استفاده از ترکیب نیکل و کادمیوم، ساخته میشوند. این روزها، استفاده از باطری نیکل-کادمیوم، به شدت کاهش یافته است؛ اما بهرحال، کماکان با توجه به قیمت مناسبی که دارند، کاربرد خود را حفظ کردهاند.
باتری نیکل کادمیوم
این باتریها، دارای ولتاژ اسمی ۱.۲ ولت هستند و معمولا، به صورت سری (سه الی چهار عدد) به هم متصل میشوندو. مهمترین مزایای باتریهای نیکل کادمیوم، عبارتند از:
قیمت مناسب
شارژ آسان
قابل استفاده در تمام محیطها
این باتریها، در تلفنهای بیسیم، اسباب بازیهای RC، چراغهای خورشیدی و … مورد استفاده قرار میگیرند.
باتری نیکل متال هیدرید (Ni-Mh)
این باتریها، به دلیل تاثیرات محیطی کمتر، نسبت به باتریهای نیکل کادمیوم، ترجیح داده میشوند. ولتاژ نامی این باتریهای نیکل متال هیدرید، ۱.۲۵ ولت بوده و به توجه به اینکه برای محیط زیست از خطر کمتری برخوردار هستند، به عنوان جانشینی برای باتریهای قلیایی، مطرح هستند.
باتری نیکل متال هیدرید
از جمله مهمترین مزایای باطری نیکل متال هیدرید، میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
در همه اندازههای استاندارد،موجود هستند.
چگالی بالا
شارژ آسان
از مدل نیکل متال هیدرید، میتوان در تمامی دستگاههایی که باتریهای قلیایی و نیکل کادمیوم کار میکنند، استفاده کرد.
باتریهای لیتیوم یونی (Li-ion)
این مدل، جدیدترین فناوری برای ساخت باطری، محسوب شده و ماده اصلی سازنده آن، لیتیوم است. از مدل لیتیوم یون، به عنوان بهترین باتری قابل شارژ حال حاضر نام برده میشود. ولتاژ اسمی آنها، ۳.۷ ولت است و در ظرفیتهای ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ میلی آمپر، در بازار موجود هستند.
مهمترین مزایای باتریهای لیتیوم-یونی عبارتند از:
وزن بسیار کم
میزان جریان بالا
چگالی زیاد
امروزه، بیشتر باتریهایی که در بازار مشاهده میکنید (به استثنای باتریهای اتومبیل) به عنوان “خشک” شناخته میشوند؛ به این معنی که آنها از یک الکترولیت خمیر استفاده میکنند که احتمال نشت آن، کمتر است. رایجترین نوع باتری، مدل قابل شارژ روی/کربن است که تقریبا، در همه جا، یافت میشود. (ساخت آنها بسیار ساده بود و طبیعتا از قیمت ارزانتری نیز برخوردار هستند.) انواع مدلهای نیکل (نیکل کادمیوم یا نیکل هیدرید) هم، از محبوبترین باتریهای قابل شارژ در سراسر جهان محسوب میشوند. باتریهای لیتیوم یون نیز در تلفنهای همراه مورد استفاده قرار میگیرند. این باتریهای (Lithium Ion) به نسبت سایر مدلها، از قیمت گرانتری برخوردار هستند.