طراحی باتری و ساختار شیمیایی - بخش اول

طراحی باتری و ساختار شیمیایی 1
اغراق نیست اگر بگوییم دنیای مدرن به باتری بستگی دارد. چه در خانه، در محل کار یا در جاده باشید، به احتمال زیاد در هر لحظه از یک یا چند باتری استفاده می کنید. باتری ها در طیف وسیعی از انواع و اندازه ها – و اغلب گیج کننده – عرضه می شوند. انتخاب مناسب برای یک برنامه کاربردی می تواند چالش برانگیز باشد، اما اطمینان از اینکه دستگاه های الکتریکی شما در زمان نیاز به درستی کار می کنند بسیار مهم است.
این مقاله اولین مقاله از یک سری سه قسمتی است که بررسی سریع چند مفهوم کلیدی باتری را ارائه می دهد. در قسمت 1، با توضیح مختصری در مورد نحوه عملکرد باتری شروع می کنیم. سپس تفاوت بین باتری های یکبار مصرف و قابل شارژ و طرح های مختلف استفاده شده برای هر کدام را توضیح می دهیم.
در قسمت های آینده، ما در مورد مشخصات باتری و نحوه تفسیر آنها برای قضاوت در مورد ویژگی هایی مانند ظرفیت باتری، عملکرد و عمر بحث خواهیم کرد و با بررسی شارژ مجدد، ذخیره سازی، تمیز کردن و دفع باتری موضوع به پایان خواهد رسید.
تا پایان این مجموعه، باید درک اولیه خوبی از نحوه انتخاب باتری ایده آلی که نیازهای شما را برآورده می کند، داشته باشید.

طراحی پایه
اکثر مردم احتمالاً می دانند که باتری انرژی شیمیایی را به الکتریسیته تبدیل می کند. برای انجام این کار، یک باتری یک یا چند سلول ولتایی متشکل از مواد الکترولیت محصور در یک ظرف با دو پایانه خارجی را در خود جای می دهد. ترکیب مواد به عنوان شیمی باتری شناخته می شود. واکنش‌های الکتروشیمیایی درون سلول، الکترون‌هایی تولید می‌کنند که در پایانه منفی که آند نامیده می‌شود، تجمع می‌یابند.
هنگامی که به یک مدار رسانا متصل می شود، الکترون ها از آند در مدار جریان می یابند و به پایانه مثبت، معروف به کاتد، باز می گردند. این جریان مستقیم را برای مجموعه وسیعی از دستگاه های الکترونیکی فراهم می کند.
این طرح اولیه در انواع مختلفی ارائه می شود که طیفی از شیمی ها، اشکال، ظرفیت ها و سایر متغیرها را در بر می گیرد.
هر باتری محدودیتی برای میزان برقی که می تواند در طول عمر خود تولید کند دارد. بسیاری از آنها زمانی که شارژ اولیه آنها به زیر سطح مفید می رسد دور انداخته می شوند، در حالی که برخی دیگر برای شارژ مجدد و استفاده مکرر طراحی شده اند. این تفاوت - یکبار مصرف در مقابل قابل شارژ - یکی از تقسیم بندی های اساسی بین انواع باتری ها را تشکیل می دهد.

یکبار مصرف در مقابل شارژی
باتری‌های یکبار مصرف در مقابل باتری‌های قابل شارژ، که به عنوان باتری‌های اولیه نیز شناخته می‌شوند، بر اساس واکنش‌هایی هستند که به‌طور برگشت‌ناپذیری ترکیب شیمیایی آن‌ها تغییر می یابد و بنابراین نمی‌توان دوباره به آنها انرژی داد. از سوی دیگر، باتری‌های قابل شارژ، از مواد شیمیایی استفاده می‌کنند که می‌توانند چندین بار با استفاده از جریان الکتریکی اعمال شده، تخلیه و شارژ شوند. ترکیب اصلی الکترودها را می توان با جریان معکوس بازیابی کرد. برخی از انواع باتری های قابل شارژ در همان اندازه ها و تقریباً ولتاژهای مشابه با باتری های یکبار مصرف موجود هستند و می توان آنها را به جای هم استفاده کرد.
اکثر باتری هایی که امروزه استفاده می شوند یکبار مصرف هستند. آنها قیمت خرید پایین تری نسبت به شارژی دارند و همچنین مزایای عملکردی متعددی را ارائه می دهند. به عنوان مثال، باتری های یکبار مصرف در زمان عدم استفاده به طور قابل توجهی در حفظ شارژ خود بهتر عمل می کنند. باتری های قابل شارژ مستعد تخلیه خود به خود هستند - به عبارت دیگر، حتی زمانی که در قفسه هستند و استفاده نمیشوند، قدرت خود را از دست می دهند. این امر باعث می‌شود که باتری های یکبار مصرف برای دستگاه‌هایی که پس از فواصل طولانی مدت عدم فعالیت در آن‌ها نیاز است تا برق کامل در دسترس باشد، مانند تجهیزات اضطراری، بهترین گزینه باشند. آنها همچنین برای هشدارهای دود و سایر ابزارهایی که مقادیر کمی انرژی را به طور مداوم در مدت زمان طولانی مصرف می کنند ایده آل هستند.
یک عیب آشکار باتری های دور ریختنی هزینه طولانی مدت آنها است. باتری های قابل شارژ را می توان تا 1000 بار مجدداً استفاده کرد و قیمت اولیه بالاتر آنها را در مدت زمان طولانی تری پخش کرد و در نتیجه هزینه استفاده کمتری را به همراه داشت. محصولاتی مانند دستگاه‌های بی‌سیم و ابزارهای بی‌سیم نیاز به انرژی بالایی دارند که با باتری‌های یکبار مصرف نمی‌توان آن‌ها را از نظر اقتصادی تامین کرد. با تکثیر این محصولات پیشرفته، باتری های قابل شارژ به طور پیوسته رایج تر می شوند.
نگرانی دیگر محیط زیست است. سالانه میلیاردها باتری در محل های دفن زباله قرار می گیرند. اکثر آنها حاوی فلزات سنگین سمی، اسیدهای قوی و سایر آلاینده های خطرناک هستند. بسیاری از شهرداری ها قوانینی را برای کنترل دفع باتری ها وضع کرده اند. بنابراین باتری‌هایی که می‌توانند مجدداً استفاده شوند، عموماً انتخاب‌های آگاهانه‌تری نسبت به محیط زیست در نظر گرفته می‌شوند.

ساختار شیمیایی
یکی از جنبه‌های پیچیده‌تر و گیج‌کننده‌تر در مورد باتری‌ها، تنوع مواد و واکنش‌های شیمیایی است که آنها برای تولید برق استفاده می‌کنند. هر یک از این مواد شیمیایی دارای مزایا و معایبی هستند که شامل متغیرهایی مانند انرژی خروجی، ظرفیت، اندازه و وزن، ایمنی و هزینه است. انتخاب شیمی مناسب برای کاربرد خاص شما می تواند یکی از انتخاب های دشوارتر در الکترونیک باشد.

قلیایی یا آلکالاین
برای شروع این موضوع، بیایید ساختار آلکالاین یا قلیایی، رایج ترین نوع شیمی باتری را در نظر بگیریم. این ساختار بر اساس واکنش الکتروشیمیایی بین روی و دی اکسید منگنز است. این باتری ها 80 درصد از واحدهای تولید شده در ایالات متحده را تشکیل می دهند که بیش از 10 میلیارد آن در سراسر جهان تولید می شود و در بسیاری از اقلام خانگی و مصرفی استفاده می شود. باتری‌های قلیایی معمولاً یکبار مصرف هستند، اگرچه تحقیقات اخیر به تولید محصولات قابل شارژ بر اساس این ساختار شیمیایی اختصاص یافته است.
ولتاژ نامی یک سلول قلیایی استفاده نشده 1.5 ولت است، اگرچه این ولتاژ معمولاً زمانی که باتری تحت بار است تا حدودی کمتر است و در صورت عدم بارگیری بیشتر است. ولتاژهای بالاتر را می توان با اتصال چند سلول به صورت سری به دست آورد. به عنوان مثال، یک باتری معمولی 9 ولتی قلیایی دارای 6 عدد سلول است
سلول های مجزا که هر کدام معادل یک باتری تک سلولی AAAA است. توجه داشته باشید که ولتاژ باتری در حین استفاده به طور پیوسته کاهش می یابد، بنابراین ظرفیت کل قابل استفاده باتری به ولتاژ قطع برنامه بستگی دارد.
به طور کلی، ظرفیت باتری قلیایی تقریباً متناسب با اندازه فیزیکی آن است. سلول های بزرگتر، مانند سلول های C و D، معمولا می توانند جریان بیشتری نسبت به سلول های AAA یا AA ارائه دهند.

لیتیوم
یکی دیگر از مواد شیمیایی مورد استفاده برای باتری های یکبار مصرف لیتیوم است. این را نباید با لیتیوم یون اشتباه گرفت، شیمی متفاوتی که برای باتری های قابل شارژ استفاده می شود که به زودی در مورد آن صحبت خواهیم کرد. لیتیوم در اکثر باتری‌های به اصطلاح دکمه‌ای یا سکه‌ای استفاده می‌شود (تصویر سمت راست را ببینید)، و می‌تواند برای تامین انرژی برای مدت طولانی تا 10 سال طراحی شود.
بنابراین این باتری‌ها گزینه‌ای برای لوازم الکترونیکی با عمر طولانی و حیاتی مانند ضربان‌ساز و سایر دستگاه‌های پزشکی الکترونیکی قابل کاشت هستند. از اکسید نقره برای برخی از باتری های دکمه ای نیز استفاده می شود.

لیتیوم یون
مواد شیمیایی دیگر برای باتری های قابل شارژ از جمله سرب اسید، نیکل-هیدرید فلز و لیتیوم یون استفاده می شود. یکی از محبوب ترین باتری ها برای وسایل الکترونیکی قابل حمل لیتیوم یون است که در آن یون های لیتیوم در حین استفاده از آند به کاتد حرکت می کنند و در هنگام شارژ مجدد به عقب برمی گردند. باتری‌های لیتیوم یون دارای چگالی انرژی بالا و تخلیه ذاتی کم هستند.
نوع دیگری از این باتری لیتیوم پلیمری است که اغلب به اختصار LiPo نامیده می شود. این شیمی از پلیمرهای ژل با رسانایی بالا برای ارائه انرژی ویژه بالاتر نسبت به سایر انواع باتری لیتیومی استفاده می کند. این باعث می شود آنها برای برنامه هایی که وزن یک ویژگی حیاتی است، مانند دستگاه های تلفن همراه و هواپیماهای رادیویی، مناسب باشند. باتری های LiPo به طور اسمی حدود 3.6 ولت در هر سلول تولید می کنند.
نقطه ضعف باتری های لیتیوم یون قیمت بالا است. آنها همچنین چندین خطر ایمنی بالقوه را ارائه می دهند که با انواع باتری های دیگر مرتبط نیستند. سلول های یون لیتیوم در معرض خرابی فاجعه بار، از جمله آتش سوزی و انفجار، زمانی که در معرض شارژ بیش از حد، تخلیه بیش از حد یا گرمای زیاد قرار می گیرند، هستند. آنها همچنین در معرض لایه لایه شدن هستند که منجر به آسیب داخلی و کاهش قابلیت اطمینان در سلول می شود. این امر به ویژه در باتری های LiPo قابل توجه است، که می توانند به وضوح دچار باد کردگی شوند. و باتری‌های LiPo وقتی سوراخ می‌شوند با هوا واکنش می‌دهند و گرما و دود تولید می‌کنند.

هیدرید نیکل-فلز
یکی دیگر از مواد شیمیایی قابل شارژ محبوب، باتری نیکل هیدرید فلزی است که به اختصار NiMH نامیده می شود.. از برخی جهات، این را می توان جانشین سلول های نیکل-کادمیم، که معمولاً NiCd نامیده می شود، در نظر گرفت، که قبلاً یک انتخاب محبوب برای دستگاه های قابل حمل بود.
هر دو از اکسید نیکل هیدروکسید استفاده می کنند. تفاوت این است که هیدرید نیکل-فلز از آلیاژ جذب کننده هیدروژن برای کاتد به جای کادمیوم استفاده می کند. این ظرفیت دو تا سه برابر ظرفیت نیکل کادمیوم با اندازه معادل، با چگالی انرژی نزدیک به لیتیوم یون با قیمت بسیار پایین‌تری را فراهم می‌کند. در نتیجه، باتری‌های هیدرید نیکل-فلز به شارژ مجدد کمتری نسبت به باتری‌های NiCd معادل در یک کاربرد مشابه نیاز دارند. هیدرید نیکل فلز نیز کمتر مستعد اثر حافظه است، که باعث می شود باتری های نیکل-کادمیم به تدریج حداکثر ظرفیت انرژی خود را از دست بدهند، اگر مکرراً پس از تخلیه جزئی شارژ شوند.
واحدهای هیدرید نیکل-فلز به دلیل مقاومت داخلی کمتر برای کاربردهای با جریان بالا مانند دوربین های دیجیتال مناسب هستند. آنها معمولا در اندازه AA موجود هستند. باتری های NiMH به طور اسمی با ولتاژ 1.2 ولت در هر سلول کار می کنند که کمتر از قلیایی است. با این حال، آنها هنوز هم می توانند بسیاری از دستگاه های طراحی شده برای 1.5 ولت را تغذیه کنند و افت ولتاژ کمتری را در حین استفاده نسبت به قلیایی نشان دهند.

اسید سرب
قدیمی ترین نوع شیمیایی باتری های قابل شارژ سرب-اسید است. در مقایسه با انواع مدرن تر، باتری های سرب اسیدی نسبت انرژی به وزن و انرژی به حجم پایینی دارند. با این حال، توانایی آن‌ها در ارائه جریان‌های موج بالا، آن‌ها را در کاربردهایی که قابل حمل بودن الزامی نیست، جذاب می‌کند. آنها همچنین در مقایسه با انواع دیگر باتری ها دوام بیشتری دارند و کمتر تحت تأثیر دمای شدید قرار می گیرند.
باتری های وسایل نقلیه موتوری معمولاً سرب اسیدی هستند. از دیگر کاربردها می توان به تامین برق پشتیبان برای دکل های تلفن همراه، بیمارستان ها و سیستم های برق مستقل اشاره کرد. آنها همچنین نسبتاً ایمن و ارزان هستند.

مقایسه شیمی باتری های قابل شارژ
برای خلاصه کردن بررسی ما از مواد شیمیایی باتری های قابل شارژ، در اینجا یک مقایسه سریع از مزایا و معایب هر کدام آورده شده است:

• باتری های لیتیوم یون، از جمله لیتیوم پلیمر، چگالی انرژی برتر و اندازه کوچک را ارائه می دهند. این باعث می شود آنها برای برنامه هایی که اندازه و وزن آنها حیاتی است ایده آل باشد. معایب اولیه این باتری ها هزینه و ایمنی است. شارژ بیش از حد، تخلیه بیش از حد، دمای شدید و سایر شرایط می تواند باعث از کار افتادن ناگهانی آنها و در نتیجه انفجار و آتش سوزی شود.
• باتری های نیکل-فلز هیدرید ایمن هستند، نسبت وزن به توان بالایی دارند و در مقایسه با لیتیوم-یون نسبتاً ارزان هستند. نقطه ضعف اصلی آنها چگالی انرژی کمتر آنهاست. این باتری ها یک انتخاب محبوب و اقتصادی برای دستگاه های تلفن همراه هستند.
• باتری های سرب اسیدی بادوام، ایمن، ارزان هستند و می توانند جریان های موج بزرگ را تحمل کنند. از معایب آنها می توان به اندازه و وزن آنها در هر توان خروجی اشاره کرد. موارد استفاده شامل خودروها، ذخیره انرژی و سایر کاربردهایی است که در آن فضا بسیار مهم نیست.

توجه داشته باشید که علاوه بر ساختارهای شیمیایی‌های رایجی که در این مقاله به آن پرداخته‌ایم، چندین نوع دیگر، هم یکبار مصرف و هم قابل شارژ، وجود دارد که در دستگاه‌ها و برنامه‌های مختلف در سراسر جهان استفاده می‌شوند. هنگام در نظر گرفتن باتری ای که از ترکیب شیمیایی استفاده می کند که ممکن است با آن آشنا نباشید، حتماً مشخصات سازنده را بررسی کنید.
این قسمت 1 مجموعه ما در مورد اصول باتری را به پایان می رساند. در قسمت 2، ما نگاهی به نحوه تفسیر مشخصات باتری (مانند ظرفیت، عملکرد و عمر) و نحوه تطبیق آنها با برنامه خاص خود می اندازیم تا اطمینان حاصل کنیم که مناسب ترین باتری را برای نیازهای خود انتخاب می کنید.