باتری و انواع آن

باتری وسیله‌ای است که با تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی، بین دو نقطه اختلاف پتانسیل الکتریکی به وجود آورده و سبب شارش بارهای الکتریکی می‌شود.
عملکرد کلیه‌ باتری‌ها تقریباً مشابه یکدیگر است. پس با فهم آن چه 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 میلهای 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:
•    مولکولهای اسید به سه یون تفکیک میشوند: دو یون +H و یک یون -SO42 .
•    اتمهای روی دو الکترون از دست میدهند و به یونهای Zn2+ تبدیل میشوند.
•    یونهای +Zn2 با یونهای -SO42 ترکیب شده و به صورت ZnSO4 درمیآید، که در اسید حل میشود.
• یونهای هیدروژن الکترونهایی را که اتمهای روی از دست دادهاند، جذب میکنند و به صورت مولکول ( H2) گاز هیدروژن  در میآیند. این همان حبابهایی است که روی میله ظاهر میشود.
حال اگر میلهای 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.
در باتری‌ای که شما ساخته‌اید، اتفاقاتی که روی می‌دهد بسیار شبیه مراحل بالاست. این مراحل در شکل‌های زیر نشان داده شده است.

انواع باتری‌ها

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

از نظر حالت الکترولیت 

باتری خشک (dry)

الکترولیت این نوع باتریها جامد میباشند. این نوع باتریها قابل شارژ نیستند. یکی از پر کاربردترین نوع باتریها 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 یک لایه پلاستیکی و یک لایه حلبی قرار دارد و 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 می‌باشند 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 سربی- 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 ـ کادمیوم) باتریهای (هیبرید نیکل ـ فلز( باتریهای (لیتیوم ـ یون) (پولیمر لیتیوم ـ یون) می‌شوند.

باتری‌های غیرقابل شارژ استاندارد

الکالاین یا قلیایی (Alkaline )
کارآمدی باتری‌های قلیایی معمولاً۱۰ برابر کارآمدی باتری‌های قدیمی روی ـ 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 شدنی

نیکل ـ کادمیوم (Ni-cd)
باتری‌های نیکل ـ 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 آنکه باتری‌های نیکل ـ کادمیوم کاملا دشارژ (خالی ) نشوند آنها را شارژ کنید کارآیی آنها پایین می‌آید . بعضی از شارژرهای باتری‌های نیکل ـ کادمیوم دارای مداری برای دشارژ کردن باتری، پیش از شارژ کردن آنها هستند. باتری‌های نیکل ـ کادمیوم به یک دوره break-in نیاز دارند. بسیاری از سازندگان این نوع باتری‌ها سه بار چرخه شارژ/ دشارژ را پیش از آنکه 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 ۱٫۲۵v تولید می کند.
جریان دهی باتری‌های نیکل کادمیوم را با میلی آمپر ساعت (mAh) مشخص می کنند و جریان دهی بیشتر باتری‌های نیکل کادمیوم بین ۵۰۰mAh تا ۱۰۰۰mAh می 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 ۵۰۰mAh باشد، به این معناست که آن باتری می تواند در یک ساعت ۵۰۰mA 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 ثانیه می توان جریان ۵۰۰mAh÷۶۰min=8/34mA از این باتری کشید که جریان بسیار کمی است ولی بعضی از باتری‌های نیکل کادمیوم بزرگ می توانند تا ۱۴/۴Ah جریان تولید کنند (در هر ثانیه ۲۴۰mA).
هشدار خیلی مهم: کادمیوم یک فلز بسیار سمّی است.

باتری‌های Ni-MH & Ni-CD

هیبرید نیکل ـ فلز (Ni-MH)
باتری‌های NIMH سی تا چهل درصد ظرفیت انبارش بیشتری را نسبت به معادل‌های نیکل ـ کادمیوم دارند، اما تعداد چرخه شارژ/دشارژ مجدد کمتری را پشتیبانی می‌کنند بین ۳۰۰ تا ۵۰۰ چرخه معمول است. باتری‌های NIMH 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 NIMH 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 NIMH نسبت به معادل باتری‌های نیکل ـ 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 NIMH خوب می‌توانند جلوی شارژ بیش از حد باتری را بگیرند یا اگر دمای داخلی باتری زیاد باشد عمل شارژ را متوقف کنند.

لیتیوم ـ یون (Lithium-Ion)
باتریهای لیتیوم ـ یون بالاترین چگالی انرژی را فراهم می سازند تقریبا دو برابر انرژی قابل دسترسی از باتری‌های نیکل ـ کادمیوم آنها به دشارژ کامل نیاز ندارند ، به دوره break-in نیاز ندارند و از مسئله حافظه باتری خبر ندارند. می توانید در هر زمانی یک باتری لیتیوم ـ یون را بی آنکه روی کارآیی باتری اثر بگذارد شارژ کنید، اما چون باتریهای لیتیوم ـ 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 آنکه بسیاری از سازندگان باتری‌های لیتیوم ـ یون طول عمر باتری را تا سه سال ذکر میکنند، بعضی از مصرف کنندگان طول عمر تا ۱۸ ماه را گزارش کردهاند.

پولیمر لیتیوم ـ یون (Li-Ion polymer)
باتری‌های پولیمر لیتیوم ـ یون که گاهی به Li-Poly یا Lipo نیز مشهورند، اساسا شبیه به باتری‌های لیتیوم ـ یون هستند. اختلاف اصلی در آن است که پولیمرهای لیتیوم ـ یون بسیار نازکتر هستند، با اندازههایی به کوچکی یک میلیمتر. باتری‌های پولیمر لیتیوم ـ 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 ـ یون تمام می‌شود و چگالی انرژی پایین‌تری دارند. باتری‌های پولیمر لیتیوم ـ یون بیشتر در وسایل الکترونیکی سبک وزن و گران قیمت مانند گوشی‌های موبایل به کار می‌روند .

باتری‌های اسیدی
همانطور 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 اتومبیل و باتری موتور نمونه‌هایی از این باتری‌ها هستند. باتری‌های اسیدی قابل شارژ می‌باشند و می‌توان آنها را شارژ کرد.

باتری خودرو
دو نوع از رایج‌ترین انواع باتری اتومبیل 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.
باتریهای بدون نیاز به مراقبت (MF) به مراقبتهای پیش‌گیرانه کمتری نیازمندند، دارای عمری طولانی‌تر، شارژ سریع‌تر، مقاومت بیشتر در برابر شارژ بیش از حد (over charge)، کاهش خوردگی ترمینالها و زمان مجاز جهت نگهدارى کالای (Shelf Life) طولانیتر هستند اما در برابر عیوب ناشی از دشارژ عمیق (Deep Discharge) به دلیل افزایش ریزش مواد فعال صفحات، سریع‌تر از کار می‌افتند.
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 که در مواقع ضروری قابل سوئیچ کردن است، تشکیل شده است. پیشنهاد می شود با هزینه مشابه بهتر است که دو باتری را خریداری کنید و سپس آنهارا از هم جدا کنید. در آینده این انتظار می رود که باتریهای گرانتر دارای دریچه های تنظیم کننده (valve regulated) (سلول های ژلی و جاذب های پشم شیشه ای) به کار برده شود. به دلیل این که کارخانه های تولید کننده اتومبیل خواهان افزایش مدت زمان وارانتی خود می باشند و همچنین مکان باتری‌ها را از زیر کاپوت اتومبیل (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 باتریهای تجاری (Commercial battery) و مخصوص استفاده کنیم.
باتری‌های اتومبیل به منظور ایجاد جریان استارت اولیه با آمپر بالا (high initial cranking amp) (معمولاً برای ۵ تا ۱۵ ثانیه) برای روشن کردن موتور به صورتی خاص طراحی شده اند. در حالی که باتریهای 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 اتومبیل و باتری با سیکل زیاد است. به هر حال باتری اتومبیل بهترین کاربرد را در اتومبیل دارا می باشد. برای RV ها، یک باتری اتومبیل جهت روشن کردن موتور ویک 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 اتوماتیک به وسیله سیستم شارژ RV زمانی که موتور کار می کند شارژ می‌شوند.