باتری چیست؟ معرفی انواع باتری و کاربرد آن ها

باتری ها انواع مختلفی دارند که هر کدام برای کاربردهای خاصی طراحی شده اند. باتری وسیله ای است که انرژی شیمیایی را ذخیره می کند و آن را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند تا برق دستگاه ها و سیستم های الکترونیکی مختلف را تامین کند. باتری ها از یک یا چند سلول الکتروشیمیایی تشکیل شده اند که هر کدام شامل دو الکترود (یک آند و یک کاتد) و یک الکترولیت است. هنگامی که یک باتری به یک مدار متصل می شود، یک واکنش شیمیایی بین الکترودها و الکترولیت رخ می دهد و جریان الکتریکی ایجاد می کند.

باتری چیست؟

باتری مجموعه ای از یک یا چند سلول است که با واکنش های شیمیایی جریان الکترون ها را در مدار ایجاد می کنند. تحقیقات زیادی در زمینه پیشرفت باتری ها تا کنون انجام شده است برای اینکه آن ها بهترین عملکرد را داشته باشند. دلیل استفاده از باتری ها ذخیره انرژی الکتریکی است. در گذشته انرژی به مقدار خوبی تولید می شد، اما نیاز بود تا در هنگام کم شدن تولید برق یا برای دستگاه های مستقل از برق شهری، منبعی جداگانه درنظر گرفته شود. لازم به ذکر است که فقط جریان DC را می توان در باتری ها ذخیره کرد (جریان AC را نمی توان ذخیره کرد).

سلول های باتری معمولاً از سه جزء اصلی تشکیل می شوند:

1. آند (الکترود منفی)
2. کاتد (الکترود مثبت)
3. الکترولیت ها

آند یک الکترود منفی است که الکترون ها را به مدار خارجی که باتری به آن متصل است می فرستد. هنگامی که باتری ها متصل می شوند، الکترون ها به طور طبیعی سعی میکنند دوباره توزیع شوند اما الکترولیت از این کار جلوگیری می کند. بنابراین هنگامی که یک باتری به مدار الکتریکی متصل میشود، مسیر مشخصی برای حرکت الکترون ها از آند به کاتد فراهم میکند و از این طریق اتصال باتری به مدار صورت می گیرد.

با تغییر آرایش و مواد مورد استفاده برای ساخت آند، کاتد و الکترولیت می توانیم به انواع مختلف ساختار شیمیایی باتری دست یابیم که ما را قادر می سازد انواع مختلف باتری ها را طراحی کنیم. در این مقاله شما با انواع مختلف باتری ها و کاربرد های آن ها آشنا خواهید شد.

انواع باتری ها

باتری ها را می توان به طور کلی در دسته ها و انواع مختلفی با توجه به ترکیب شیمیایی، اندازه، شکل و کاربرد ها طبقه بندی کرد. اما در کل همه این ها در دو نوع اصلی باتری وجود دارند.

1. باتری های اولیه (یکبار مصرف)
2. باتری های ثانویه (قابل شارژ)

بیایید نگاه عمیق تری بیندازیم تا تفاوت های عمده بین باتری اولیه و باتری ثانویه را درک کنیم.

باتری های یکبار مصرف

باتری های اولیه باتری هایی هستند که پس از تخلیه نمی توان آن ها را دوباره شارژ کرد. باتری های اولیه از سلول های الکتروشیمیایی ساخته شده اند که واکنش الکتروشیمیایی آن ها قابل برگشت نیست.

باتری های اولیه به اشکال مختلفی از باتری های سکه ای تا باتری های AA وجود دارند. آن ها معمولاً در کاربرد های مستقل که عمل شارژ کردن غیرممکن است استفاده می شوند. نمونه خوبی از آن در تجهیزات نظامی و تجهیزات برقی مجهز به باتری است. باتری های اولیه همیشه انرژی ویژه بالایی دارند و سیستم هایی که در آن ها استفاده می شوند همیشه به گونه ای طراحی شده اند که انرژی کمتری مصرف می کنند تا باتری تا حد ممکن دوام بیاورد.

برخی دیگر از نمونه های دستگاه هایی که از باتری های اولیه استفاده می کنند عبارتند از: ردیاب حیوانات، ساعت مچی، ریموت های کنترلی و چند مورد از اسباب بازی های کودکان.

محبوب ترین نوع باتری های اولیه، باتری های قلیایی هستند. آن ها انرژی ویژه بالایی دارند و سازگار با محیط زیست هستند، مقرون به صرفه هستند و حتی در صورت تخلیه کامل نیز نشت نمی کنند. آن ها می توانند برای چندین سال شارژ ذخیره داشته باشند، دارای سابقه ایمنی خوبی هستند و می توانند در هواپیما حمل شوند بدون اینکه تحت حمل و نقل سازمان ملل و سایر مقررات قرار بگیرند. تنها نقطه ضعف باتری های قلیایی جریان بار پایین است که استفاده از آن را به دستگاه هایی با جریان پایین مانند ریموت، چراغ قوه و دستگاه های سرگرمی قابل حمل محدود می کند.

باتری های قابل شارژ

باتری های ثانویه باتری هایی با سلول های الکتروشیمیایی هستند که با اعمال ولتاژ مشخصی به باتری در جهت معکوس، می توان واکنش های شیمیایی آن ها را معکوس کرد. همچنین به عنوان باتری های قابل شارژ، باتری های ثانویه بر خلاف باتری های اولیه می توانند پس از مصرف انرژی باتری، دوباره شارژ شوند.

آن ها معمولاً در کاربرد های تخلیه زیاد و سایر دستگاه هایی استفاده می شوند که استفاده از باتری هایی که یکبار شارژ می شوند بسیار گران خواهد بود یا غیرممکن است. باتری های ثانویه با ظرفیت کم برای تأمین انرژی دستگاه های الکترونیکی قابل حمل مانند تلفن های همراه و سایر ابزار ها و لوازم خانگی استفاده می شوند. در حالی که باتری هایی که برای کار سنگین هستند. برای تأمین انرژی وسایل نقلیه الکتریکی متنوع و سایر کاربرد های تخلیه زیاد مانند ترازیابی بار در تولید برق استفاده می شوند.

آن ها همچنین به عنوان منبع تغذیه مستقل در کنار اینورتر ها برای تأمین برق استفاده می شوند. اگرچه هزینه اولیه به دست آوردن باتری های قابل شارژ همیشه بسیار بیشتر از باتری های اولیه است اما در طولانی مدت هزینه زیادی ندارند.

باتری های ثانویه را می توان بر اساس ساختار شیمیایی آن ها به چندین نوع دیگر طبقه بندی کرد. این موضوع بسیار مهم است زیرا ساختار شیمیایی برخی از خصوصیات باتری از جمله انرژی ویژه آن، چرخه عمر، ماندگاری و قیمت ذکر شده را تعیین می کند.

موارد زیر انواع مختلف باتری های قابل شارژ است که معمولاً مورد استفاده قرار می گیرند.

1. یون لیتیوم (Li-ion)
2. نیکل کادمیوم (Ni-Cd)
3. هیدرید فلز نیکل (Ni-MH)
4. سرب اسید

باتری نیکل کادمیوم

باتری نیکل-کادمیوم (باتری NiCd یا باتری NiCad) نوعی باتری قابل شارژ است که با استفاده از هیدروکسید اکسید نیکل و کادمیوم فلزی به عنوان الکترود تولید می شود. باتری های Ni-Cd در حفظ ولتاژ و نگه داشتن شارژ هنگامی که استفاده ای از آن نمی شود بسیار عالی عمل می کنند. با این حال، باتری های NI-Cd، به راحتی قربانی اثر “حافظه” خواهند شد. وقتی یک باتری نیمه شارژ، شارژ می شود و ظرفیت آینده باتری را کاهش می دهد.

در مقایسه با انواع دیگر باتری های قابل شارژ، باتری های Ni-Cd چرخه عمر و عملکرد مناسبی را در دمای پایین با ظرفیت مناسب ارائه می دهند اما مهمترین مزیت آن ها توانایی ارائه ظرفیت کامل نامی خود با سرعت تخلیه بالا است. آن ها در اندازه های مختلف از جمله اندازه های مورد استفاده برای باتری های قلیایی در دسترس هستند، باتری های AAA تا Ni-Cd به صورت تکی یا در بسته های دو یا چندتایی وجود دارند. بسته های کوچک در دستگاه های قابل حمل، وسایل الکترونیکی و اسباب بازی ها مورد استفاده قرار می گیرند. در حالی که بزرگتر ها در باتری های هواپیما، وسایل نقلیه الکتریکی و منبع تغذیه آماده به کار کاربرد دارند.

برخی از خصوصیات باتری های نیکل-کادمیوم در زیر ذکر شده است.

• انرژی ویژه: 40-60W-h / kg
• چگالی انرژی: 50-150 W-h / L
• توان ویژه: 150 وات بر کیلوگرم
• راندمان شارژ / تخلیه: 70-90٪
• سرعت تخلیه از خود: 10٪ در ماه
• دوام یا چرخه عمر: 2000 سیکل

باتری نیکل هیدریدفلز

باتری نیکل هیدرید فلز (Ni-MH) نوع دیگری از ساختار شیمیایی است که برای باتری های قابل شارژ استفاده می شود. واکنش شیمیایی در الکترود مثبت این باتری مانند باتری نیکل کادمیوم (NiCd) است. هر دو نوع باتری از همان هیدروکسید اکسید نیکل (NiOOH) استفاده می کنند. با این حال، الکترود های منفی موجود در نیکل- هیدرید فلز از آلیاژ جذب کننده هیدروژن به جای کادمیوم در باتری های نیکل کادمیوم استفاده می کنند.

باتری های NiMH به دلیل ظرفیت بالا و چگالی انرژی، در دستگاه های تخلیه زیاد کاربرد دارند. یک باتری NiMH دو تا سه برابر ظرفیت یک باتری نیکل کادمیوم دارد و چگالی انرژی آن همانند یک باتری لیتیوم یون است. برخلاف ساختار شیمیایی نیکل کادمیوم، باتری هایی که دارای ساختار شیمیایی NiMH هستند در برابر اثر “حافظه”حساس نیستند.

در زیر برخی از خصوصیات باتری های ساخته شده بر اساس ساختار شیمیایی نیکل هیدرید فلز وجود دارد.

• انرژی ویژه: 60-120 وات ساعت بر کیلوگرم
• چگالی انرژی: 140-300 Wh / L
• توان ویژه: 250-1000 وات بر کیلوگرم
• راندمان شارژ / تخلیه: 66٪ – 92٪
• سرعت تخلیه از خود: 1.3-2.9٪ / در دمای 20 درجه سانتیگراد
• دوام یا چرخه عمر : 180 -2000

باتری های لیتیوم یون

باتری های لیتیوم یون یکی از محبوب ترین انواع باتری های قابل شارژ هستند. انواع مختلفی از باتری های لیتیوم وجود دارد، اما در میان آن ها باتری های لیتیوم یونی بیشترین استفاده را دارند. این باتری های لیتیومی را می توانید در شکل های مختلف در بین وسایل نقلیه الکتریکی و دیگر ابزار های قابل حمل، مشاهده کنید. آن ها در وسایل قابل حمل مختلفی از جمله تلفن های همراه، دستگاه های هوشمند و چندین وسیله دیگر که در خانه استفاده می شوند وجود دارند. آن ها همچنین به دلیل سبک بودن دارای کاربرد هایی در کاربرد های هوافضا و سربازی هستند.

باتری های لیتیوم یون نوعی باتری قابل شارژ هستند که در آن یون های لیتیوم از الکترود منفی در هنگام تخلیه به الکترود مثبت انتقال می یابند و هنگام شارژ شدن باتری دوباره به سمت الکترود منفی حرکت می کنند. در باتری های لیتیوم یون، در مقایسه با لیتیوم فلزی که جزو باتری های لیتیوم غیر قابل شارژ هستند، از ترکیب لیتیوم محلول به عنوان یک ماده الکترود استفاده می شود.

باتری های لیتیوم یونی به طور کلی دارای چگالی انرژی بالا، اثر حافظه کم یا بدون اثر و تخلیه کم در مقایسه با سایر انواع باتری هستند. اساس شیمیایی آنها با توجه عملکرد و هزینه، در موارد استفاده متفاوت تغییر می کند. به عنوان مثال، باتری های لیتیوم یون مورد استفاده در دستگاه های الکترونیکی دستی معمولاً بر پایه اکسید کبالت لیتیوم (LiCoO2) هستند که در هنگام خسارت، چگالی انرژی بالا و ایمنی کم را ایجاد می کنند. در حالی که باتری های لیتیوم یون بر پایه فسفات آهن لیتیوم که چگالی انرژی کمتری ارائه می دهند. بخاطر کاهش احتمال وقوع حوادث ناگوار، ایمن تر هستند و به طور گسترده ای در تأمین انرژی ابزار های الکتریکی و تجهیزات پزشکی استفاده می شود. باتری های لیتیوم یون در برابر باتری های لیتیوم گوگرد، عملکرد بهتری را نسبت به وزن ارائه میدهند.

برخی از مشخصات باتری های لیتیوم یون در زیر ذکر شده است.

• انرژی ویژه: 100:256 وات ساعت بر کیلوگرم
• چگالی انرژی: 250: 693 W-h / L
• توان ویژه: 250: 340 وات بر کیلوگرم
• درصد شارژ / تخلیه: 80-90٪
• دوام یا چرخه عمر: 400: 1200 سیکل
• ولتاژ نامی باتری: NMC 3.6 / 3.85V

باتری های اسید سرب

باتری های اسید سرب کم هزینه هستند و برای کاربرد های سنگین میتوانند بسیار با اطمینان عمل کنند. آن ها معمولاً بسیار بزرگ هستند. به دلیل وزنشان، همیشه در کاربرد های غیر قابل حمل مانند ذخیره انرژی پنل خورشیدی، احتراق خودرو و چراغ های آن، توان برقی پشتیبان و ترازیابی بار در تولید یا توزیع برق استفاده می شوند.

اسید سرب قدیمی ترین نوع باتری قابل شارژ است و هنوز هم در دنیای امروز بسیار مهم و کاربردی است. باتری های اسید سرب نسبت انرژی به حجم و انرژی به وزن بسیار کمی دارند اما نسبت وزن به وزن زیادی دارند و در نتیجه در صورت لزوم می توانند جریان های موجی زیادی را تأمین کنند. این ویژگی ها در کنار هزینه کم آن، باتری ها را برای استفاده در کاربرد های با جریان بالا مانند برق رسانی به موتورهای استارتر اتومبیل و ذخیره سازی در منابع تغذیه برق پشتیبان قابل استفاده می کند. اگر می خواهید در مورد انواع مختلف باتری های اسید سرب، ساخت و کاربرد های آن بیشتر بدانید، می توانید مقاله مربوط به باتری اسید سرب را بررسی کنید.

هر یک از این باتری ها دارای یک بهترین حالت برای خود است و تصویر زیر برای کمک به انتخاب بین آن هاست.

انتخاب باتری مناسب

یكی از مشكلات اصلی مانع از انقلاب های فناوری مانند اینترنت اشیاء، توان باتری است. عمر باتری در موفقیت دستگاه هایی كه به عمر طولانی باتری نیاز دارند تأثیر می گذارد و حتی اگر چندین روش مدیریت انرژی برای طولانی تر شدن عمر باتری در نظر گرفته شود. برای رسیدن به نتیجه مطلوب باید باتری سازگار انتخاب شود.

در زیر برخی از فاکتور ها وجود دارد که باید هنگام انتخاب نوع مناسب باتری برای پروژه خود در نظر بگیرید.

1. چگالی انرژی: چگالی انرژی کل مقدار انرژی است که می تواند در واحد جرم یا حجم ذخیره شود. این مشخص می کند که دستگاه شما تا قبل از اینکه به شارژ مجدد نیاز داشته باشد، چه مدت روشن می ماند.
2. چگالی توان: حداکثر سرعت تخلیه انرژی در واحد جرم یا حجم می باشد. توان پایین: لپ تاپ، آی پد و توان بالا: ابزار قدرت.
3. ایمنی: دمایی که دستگاه شما در آن کار می کند مهم است. در دماهای بالا، برخی از اجزای باتری خراب شده و می توانند تحت واکنش گرمازا قرار بگیرند. دمای بالا به طور کلی عملکرد اکثر باتری ها را کاهش می دهد.
4. دوام چرخه عمر: پایداری چگالی انرژی و چگالی توان باتری با چرخه تکرارشونده (شارژ و تخلیه) برای عمر طولانی باتری اکثر کاربرد ها مورد نیاز است.
5. قیمت: هزینه بخش مهمی از هرگونه تصمیم گیری مهندسی است. مهم است که هزینه انتخاب باتری شما متناسب با عملکرد آن باشد و هزینه کلی پروژه را به طور غیر عادی افزایش ندهد.

باتری چیست؟

باتری ها اجزای ضروری در بسیاری از دستگاه ها و سیستم های الکترونیکی هستند که نیروی لازم را برای کار با آنها فراهم می کنند.

انواع باتری کدام است؟

باتری ها انواع مختلفی دارند، از جمله: آلکالاین، لیتیوم یون، نیکل کادمیوم، سرب اسید و خورشیدی