باتری

باتری دستگاهی است که انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند و این انرژی را به صورت قابل استفاده برای دستگاه‌های الکترونیکی و الکتریکی ذخیره و آزاد می‌کند. این فرآیند از طریق واکنش‌های الکتروشیمیایی بین مواد مختلف درون باتری صورت می‌گیرد. باتری‌ها از اجزای ضروری در زندگی روزمره ما (تلفن همراه، لپ‌تاپ، خودرو، اسباب‌بازی) و در صنایع مختلف (سیستم‌های ذخیره انرژی، وسایل نقلیه الکتریکی، پشتیبان‌گیری اضطراری) هستند.

انواع باتری

•باتری‌ها را می‌توان به دسته‌های اصلی زیر تقسیم کرد:

•باتری‌های اولیه (Primary Batteries): این باتری‌ها یک‌بار مصرف هستند، یعنی پس از تخلیه، نمی‌توان آن‌ها را مجدداً شارژ کرد. واکنش‌های شیمیایی در آن‌ها برگشت‌ناپذیر است.

•باتری آلکالاین (Alkaline Battery): رایج‌ترین نوع باتری خانگی (قلمی، نیم‌قلمی و …). مقرون‌به‌صرفه، با طول عمر خوب.

•باتری روی-کربن (Zinc-Carbon Battery): قدیمی‌ترین و ارزان‌ترین نوع، با طول عمر کوتاه‌تر.

•باتری لیتیوم (Lithium Primary Battery): چگالی انرژی بالا، طول عمر طولانی، عملکرد خوب در دماهای مختلف. برای کاربردهای خاص مانند ساعت‌ها، دستگاه‌های پزشکی و سنسورها.

•باتری دکمه‌ای (Button/Coin Cell Batteries): برای دستگاه‌های کوچک مانند ساعت، ماشین حساب، سمعک. (شامل انواع آلکالاین، نقره اکسید، لیتیوم)

•باتری‌های ثانویه (Secondary Batteries / Rechargeable Batteries): این باتری‌ها قابلیت شارژ مجدد را دارند، یعنی می‌توان واکنش‌های شیمیایی درون آن‌ها را با اعمال جریان الکتریکی معکوس کرد.

•باتری سرب-اسید (Lead-Acid Battery): قدیمی‌ترین و ارزان‌ترین باتری قابل شارژ، عمدتاً برای خودروها (باتری استارت) و سیستم‌های پشتیبان (UPS) استفاده می‌شود.

•باتری نیکل-کادمیوم (NiCd – Nickel-Cadmium Battery): مقاوم و با طول عمر بالا، اما دارای “اثر حافظه” و کادمیوم (سمی). کاربرد آن رو به کاهش است.

•باتری نیکل-فلز هیدرید (NiMH – Nickel-Metal Hydride Battery): جایگزین NiCd، با چگالی انرژی بالاتر و بدون اثر حافظه.

•باتری یون‌لیتیوم (Li-ion – Lithium-ion Battery): رایج‌ترین نوع باتری قابل شارژ در دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل (موبایل، لپ‌تاپ) و خودروهای الکتریکی. چگالی انرژی و توان بالا، بدون اثر حافظه و نرخ خود تخلیه پایین.

•باتری لیتیوم-پلیمر (Li-Po – Lithium-Polymer Battery): نوعی از Li-ion با الکترولیت پلیمری، که امکان ساخت باتری در اشکال و اندازه‌های مختلف را فراهم می‌کند. عمدتاً در دستگاه‌های قابل حمل و پهپادها.

•باتری حالت جامد (Solid-State Battery): نسل جدیدی از باتری‌های لیتیوم-یون با الکترولیت جامد، که ایمنی بالاتر و چگالی انرژی بالاتری را وعده می‌دهد (در حال توسعه).

قطعات اصلی و جنس آن‌ها

•صرف نظر از نوع شیمیایی، تمام باتری‌ها دارای اجزای اصلی زیر هستند:

•کاتد (Cathode): الکترود مثبت باتری که در طول دشارژ، الکترون‌ها را جذب می‌کند.

•جنس:

•سرب-اسید: دی‌اکسید سرب (PbO2​)

•لیتیوم-یون: اکسیدهای فلزات لیتیوم (مانند LiCoO2​, LiFePO4​, LiNiMnCoO2​ – NMC)

•آلکالاین: دی‌اکسید منگنز (MnO2​)

•نیکل-کادمیوم/نیکل-فلز هیدرید: نیکل اکسی‌هیدروکسید (NiOOH)

•آند (Anode): الکترود منفی باتری که در طول دشارژ، الکترون‌ها را آزاد می‌کند.

•جنس:

•سرب-اسید: سرب متخلخل (Pb)

•لیتیوم-یون: گرافیت (برای آندهای رایج)، یا سیلیکون/لیتیوم فلزی (برای آندهای جدیدتر)

•آلکالاین: روی (Zn)

•نیکل-کادمیوم: کادمیوم (Cd)

•نیکل-فلز هیدرید: آلیاژهای فلز هیدرید

•الکترولیت (Electrolyte): ماده‌ای که یون‌ها را بین کاتد و آند منتقل می‌کند و اجازه عبور الکترون‌ها را از طریق خود نمی‌دهد. می‌تواند مایع، ژل یا جامد باشد.

•جنس:

•سرب-اسید: محلول رقیق اسید سولفوریک (H2​SO4​) در آب

•لیتیوم-یون: نمک‌های لیتیوم (مانند LiPF6​) حل شده در حلال‌های آلی (مانند اتیلن کربنات)

•آلکالاین: پتاسیم هیدروکسید (KOH)

•نیکل-کادمیوم/نیکل-فلز هیدرید: پتاسیم هیدروکسید (KOH)

•جداکننده (Separator): یک لایه متخلخل غیررسانا که آند و کاتد را از هم جدا می‌کند تا از اتصال کوتاه جلوگیری شود، اما اجازه عبور یون‌ها را از طریق الکترولیت می‌دهد.

•جنس: پلی‌پروپیلن (PP)، پلی‌اتیلن (PE)، یا مواد سرامیکی برای باتری‌های لیتیوم-یون.

•پوشش خارجی/محفظه (Casing/Enclosure): محافظی برای اجزای داخلی باتری.

•جنس:

•سرب-اسید: پلی‌پروپیلن یا سخت‌لاستیک.

•لیتیوم-یون: آلومینیوم، فولاد، یا بسته‌بندی‌های نرم (Pouch Cells) از آلومینیوم-پلاستیک لمینت.

•باتری‌های قلمی: فولاد نیکل‌اندود.

•ترمینال‌ها (Terminals): پایانه‌های مثبت و منفی برای اتصال باتری به مدار خارجی.

•جنس: معمولاً از مس، نیکل، سرب یا آلیاژهای آن‌ها.

اصول طراحی باتری

•طراحی باتری‌ها یک حوزه پیچیده از الکتروشیمی و مهندسی مواد است که هدف آن بهینه‌سازی پارامترهای زیر است:

•چگالی انرژی (Energy Density): مقدار انرژی ذخیره شده در واحد حجم (Wh/L) یا واحد وزن (Wh/kg). هدف، ذخیره بیشترین انرژی در کمترین فضا و وزن است.

•چگالی توان (Power Density): توانایی باتری برای ارائه جریان بالا در مدت زمان کوتاه (W/kg). مهم برای کاربردهایی مانند خودروهای الکتریکی.

•طول عمر (Cycle Life): تعداد چرخه‌های شارژ و دشارژ که باتری می‌تواند قبل از کاهش قابل توجه ظرفیت، تحمل کند.

•ایمنی (Safety): جلوگیری از حوادث مانند آتش‌سوزی، انفجار یا نشت. شامل طراحی شیمیایی سلول، سیستم مدیریت باتری (BMS) و مکانیسم‌های محافظتی.

•راندمان (Efficiency): نسبت انرژی خروجی به انرژی ورودی در یک چرخه شارژ/دشارژ.

•محدوده دمای عملیاتی (Operating Temperature Range): توانایی باتری برای عملکرد در دماهای مختلف.

•هزینه (Cost): تعادل بین عملکرد، عمر و هزینه تولید.

•نرخ خود تخلیه (Self-Discharge Rate): نرخی که باتری بدون استفاده، شارژ خود را از دست می‌دهد.

•سازگاری با محیط زیست (Environmental Friendliness): استفاده از مواد قابل بازیافت و کاهش استفاده از مواد سمی.

ملاحظات تعمیرات و نگهداری

•نگهداری صحیح باتری‌ها (به خصوص باتری‌های قابل شارژ) برای افزایش طول عمر و ایمنی آن‌ها ضروری است:

•شارژ و دشارژ مناسب:

•پیروی از دستورالعمل سازنده: استفاده از شارژر مناسب و رعایت ولتاژ و جریان شارژ.

•اجتناب از شارژ بیش از حد (Overcharging): می‌تواند به باتری آسیب رسانده و خطر آتش‌سوزی را افزایش دهد.

•اجتناب از دشارژ عمیق (Deep Discharging): به خصوص برای باتری‌های سرب-اسید و برخی لیتیوم-یون‌ها، می‌تواند عمر باتری را کوتاه کند.

•کنترل دما:

•اجتناب از دماهای شدید: دماهای بسیار بالا یا پایین به باتری آسیب می‌رسانند و راندمان آن را کاهش می‌دهند.

•سیستم خنک‌کننده/گرم‌کننده: در بسته‌های باتری بزرگ (مانند خودروهای الکتریکی) از سیستم‌های مدیریت حرارتی استفاده می‌شود.

•تمیزکاری ترمینال‌ها:

•بررسی ترمینال‌ها برای خوردگی (سولفاته شدن در باتری‌های سرب-اسید). تمیز کردن آن‌ها با برس سیمی و محلول جوش شیرین (برای سرب-اسید) یا آب و صابون.

•بررسی سطح الکترولیت (در باتری‌های سرب-اسید):

•در باتری‌های سرب-اسید تر (Flooded Lead-Acid)، سطح الکترولیت باید به طور منظم بررسی و با آب مقطر پر شود تا صفحات باتری خشک نشوند.

•انبارداری صحیح:

•نگهداری باتری در حالت شارژ جزئی (معمولاً ۵۰% برای لیتیوم-یون) و در دمای خنک و خشک در صورت عدم استفاده طولانی‌مدت.

•سیستم مدیریت باتری (BMS):

•در باتری‌های لیتیوم-یون پیچیده، BMS ولتاژ، جریان، دما و سلامت سلول‌ها را نظارت می‌کند و از شارژ و دشارژ بیش از حد، اتصال کوتاه و گرمای بیش از حد جلوگیری می‌کند. اطمینان از عملکرد صحیح BMS حیاتی است.

•جلوگیری از آسیب فیزیکی:

•محافظت باتری از ضربه، سوراخ شدن یا فشار.

•بازیافت:

•دور انداختن صحیح باتری‌های فرسوده از طریق مراکز بازیافت تخصصی برای جلوگیری از آلودگی محیط زیست، به خصوص برای باتری‌های حاوی فلزات سنگین.

•رعایت این نکات نگهداری به افزایش ایمنی و کارایی و همچنین طول عمر مفید باتری‌ها کمک می‌کند.