باتری :

یک ابزار الکتروشیمیایی که انرژی شیمیایی ای که می تواند به انرژی الکتریکی تبدیل شود را در خود ذخیره می کند و در نتیجه یک منبع ولتاژ جریان مستقیم (DC) را فراهم می سازد . اگر چه درست تر آن است که واژه باتری را برای 2 یا چند سلول الکتروشیمیایی که به صورت الکتریکی به یکدیگر متصل شده اند به کار ببریم، هم ابزارهای تک سلولی و هم چند سلولی را باتری می نامیم . ( electrochemistry, electromotive force (cells)) .

دسته بندی کلی:

باتری ها به طور کلی به دو دسته تقسیم می شوند : باتری های اولیه (primary) و باتری های ثانویه (secondary) . باتری ها اولیه جریان الکتریکی را در نتیجه یک واکنشی شیمیایی تولید می کنند که این واکنش شیمیایی به طور موثری برگشت پذیر نیست . در عمل این برگشت ناپذیری موجب می شود که باتری های اولیه غیر قابل شارژ باشند.  فقط یک دشارژ پیوسته یا نوبه ای می تواند به دست آید پیش از آنکه ماده شیمیایی که در طول فرایند ساخت و تولید در باتری نهاده شده، مصرف شود . سپس باتری اولیه دشارژ شده باید تعویض شود . باتری ثانویه یا ذخیره ساز (storage) قابل شارژ است، زیرا تولید جریان الکتریکی در آن ناشی از یک واکنش شیمیایی است که به سادگی برگشت پذیر است . وقتی که یک جریان شارژ کننده از طریق ترمینال های باتری – در جهت مخالف فلوی جریان در طول دشارژ – به آن اعمال می شود، مواد فعال در باتری ثانویه تقریباً  به وضعیت شارژ شده اولیه باز می گردند .

در ادامه مقاله واژگان اولیه و غیر قابل شارژ ؛ و ثانویه و قابل شارژ به یک معنا استفاده شده اند .

اجزاء اصلی :

سلول (cell) واحد الکتروشیمیایی پایه و اصلی است که 3 بخش اساسی دارد :

• الکترود منفی یا آند
• الکترود مثبت یا کاتد
• محلول الکترولیت

آند و کاتد در تماس با الکترولیت هستند . الکترودها میله ، ورقه ها یا صفحات فلزی هستند که برای دریافت انرژی الکتریکی ( در سلول های ثانویه ) ، ذخیره سازی انرژی الکتریکی به صورت شیمیایی و تحویل انرژی الکتریکی در نتیجه واکنشی که در سطوح محلول-الکترود رخ می دهد، استفاده می شود . پلیمرهای جامد یا مواد فعال پلاستیکی ای توسعه داده شده اند که می توانند به عنوان کاتد در باتری های قابل شارژ استفاده شوند . الکترولیت یک ترکیب شیمیایی ( نمک، اسید یا باز ) است که وقتی در یک حلال حل می شود، محلولی را تشکیل می دهد که تبدیل به یک رسانای الکتریکی یونی می شود، اما ذاتاً نسبت به الکترون ها نارساناست – ویژگی هایی که پیش نیازها برای هر الکترولیتی هستند. در سلول یا باتری، این محلول الکترولیت یک واسط رساناست که در آن فلوی جریان الکتریکی بین الکترود ها با جابجایی یون ها رخ می دهد . زمانی که آب ماده حل کننده است، محلول آبی (aqueous) تشکیل می شود . برخی از سلول ها الکترولیت غیر آبی دارند ، به عنوان نمونه، زمانی که از الکل به عنوان ماده حل کننده استفاده می شود. دیگر سلول ها یک الکترولیت جامد دارند که وقتی با الکترود های جامد استفاده می شود، می تواند یک سلول یا باتری یا سلول حالت جامد بدون نشتی ایجاد کنند .

در طول شارژ یک سلول ثانویه، الکترود منفی،کاتد و الکترود مثبت، آند می شود .تعیین و  تخصیص الکترود به عنوان مثبت یا منفی تحت تاثیر مد کاری سلول یا باتری قرار نمی گیرد . دو یا چند سلولی که به صورت داخلی به یکدیگر به شکل الکتریکی ، سری یا موازی ، متصل شده اند یک باتری با یک ولتاژ معین را ایجاد می کنند . به عنوان نمونه، باتری اولیه 9 ولت کتابی که دارای 6 سلول خشک(dry)  آلکالاین یا زینک-کربن 1.5 ولتی مسطح با اتصال سری است و باتری ثانویه یا خودرویی 12 ولت که متشکل است از 6 سلول تر (wet) لید-اسید 2.1 ولتی با اتصال سری است .

ابعاد :

سلول های اولیه و ثانویه در شکل ها، اندازه ها و آرایش ترمینالی گوناگونی ساخته می شوند ؛ از باتری های مینیاتوری دکمه ای شکل یا سکه ای ( با قطری که از ارتفاع آنها بزرگتر است) و باتری پنلایت استوانه ای کوچک تا باتری های بزرگ زیردریایی، که یک سلول مستطیلی حدوداً یک تنی است . برای بازدهی بهینه، باتری باید برای کاربرد خاص آن؛ سازگار با قیمت، وزن ، فضا و ملزومات عملیاتی ساخته شود . باتری های اتوموبیل و هواپیما از نوع باتری های ثانویه هستندکه دارای صفحه های مثبت و منفی نسبتاً باریکی با جداکنند های پوششی نازک روزنه دار هستند. این ساختار برای کاهش وزن و فضا و فراهم آوردن نرخ های بالای دشارژ جریان در دماهای پایین است .  باتری های استندبای از نوع باتری های ثانویه هستند که از صفحات و جداکننده های ضخیم برای ایجاد عمر بالا استفاده می کنند . باتری های حات جامد (solid-state) می توانند با ویژگی های غیر معمول و در اندازه ها و وزن های غیرمتداول ساخته شوند . کاهش  اندازه و وزن در همه انواع باتری ها با استفاده از مواد و روش های ساخت و تولید جدید به صورت پیوسته ادامه دارد .

انتخاب و کاربردها :

احتمالاً باتری های قابل اعتمادترین منابع توان شناخته شده هستند . اغلب مدارهای الکتریکی حساس به نوعی توسط توان باتری محافظت می شوند . از آنجایی که باتری هیچ بخش متحرکی ندارد، تست ها، محاسبات یا مقایسه هایی برای پیش بینی شرایط سلول ها در برخی باتری ها انجام می شود . استفاده رو به رشد از باتری ها بازتاباننده تقاضای رو به افزایش برای کامپیوترهای پرتابل، ارتباطات ویدیویی و صوتی و انتقال دیتا توسط موبایل و محصولات بازطراحی شده/بازتوان شده یا جدید در بخش های حمل و نقل، صنعت و مصرف کننده است . رشد بیشتر می تواند ناشی از افزایش قابل توجه در ولتاژ کاری سیستم DC – از جمله از 12 ولت به 24 یا 48 ولت – باشد که می تواند توان بسیار بالاتر و عمدتاً با وزن کمتر فراهم سازد ، که تا حد زیادی دامنه بالقوه کاربردهای باتری را گسترش داده است .

برای اغلب کاربردها، گزینه اصلی در انتخاب میان استفاده از سلول یا باتری اولیه ( غیر قابل شارژ ) و یا ثانویه (قابل شارژ ) است .مشخصات الکتریکی تاثیر گذار بر انتخاب شامل کمترین و بیشترین ولتاژ، کشیدن جریان، جریان پالس ( در صورت وجود ) ، استمرار و فراوانی وقوع آن است . فاکتورهای دیگری نظیر بازدهی در کاربرد خاص، محیط کاری و بسته بندی نهایی سلول یا باتری نیز باید در نظر گرفته شوند .

کاربرد باتری غیر قابل شارژ (اولیه) :

این نوع باتری به عنوان یک منبع توان DC در شرایطی که الزامات زیر دارای اهمیت هستند، استفاده می شوند :

1. تجهیزات یا توان جهت شارژ الکتریکی به آسانی در دسترس نیست
2. آسودگی و راحتی بیشترین اهمیت را دارد، مانند استفاده در یک چراغ قوه جیبی یا دستی
3. آنچه که در استفاده از باتری ها برای تامین توان استندبای تجهیزات مطلوب است، عدم زوال و تخریب سلول در دوره های بی استفاده بودن باتری است که ممکن است که ممکن است برای روزها و حتی سالها باشد . ممکن است طراحی های رزرو-الکترولیت (Reserve-electrolyte) لازم باشد، مانند استفاده در اژدرها، موشک های هدایت شونده، برخی از چراغ های اضطراری و باتری های پاور.
4. هزینه های یک دشارژ دارای اهمیت عمده ای نیست.

کاربرد باتری قابل شارژ ( ثانویه ) :

باتری های قابل شارژ به عنوان یک منبع توان DC در جایی که الزامات زیر مهم باشند، استفاده می شوند :

1. باتری منبع اصلی توان است و سیکل های شارژ-دشارژ زیادی لازم است ، مانند صندلی های چرخ دار و کارتهای گلف، بازوهای صنعتی و کامیون های جرثقیل، کامیون ها وخودروهای برقی، قایق ها و زیر دریایی ها.
2. برای تامین نیازمندی های توان در دستگاه هایی که نیاز به مصرف مکرر توان با مقدار زیاد و در بازه زمانی کوتاه دارند ( و یا توان های نسبتاً کم با بازه های زمانی طولانی تر ) ، مانند باتری های خودرو و هواپیما که توان لازم برای موتورهای احتراق داخلی را تامین می کنند .
3. توان استندبای مورد نیاز است و باتری به صورت پیوسته به یک مدار DC کنترل شده با ولتاژ متصل شده است . در اصطلاح می گویند باتری ” شناور می شود ” ، با کشیدن صرفاً مقدار جریان کافی از منبع DC برای جبران سازی خودکار خود-دشارژ داخلی آن . شبکه های مخابراتی و کامپیوتری، چراغ اضطراری و باتری های توان در این دسته قرار می گیرند .
4. نیاز به دوره های طولانی دشارژ با نرخ جریان پایین و سپس شارژ دوباره ، مانند شناورهای دریایی و برج فانوس دریایی، و تجهیزات برای مانیتورینگ شرایطی مانن زلزله و دیگر اختلالات وابسته به زمین لرزه .

درجه بندی یا سنجه (raring) :

دو سنجه کلیدی سلول، ولتاژ و ظرفیت آمپر-ساعت (Ah) است . ولتاژ با سیستم شیمیایی ای که توسط مواد فعال مورد استفاده برای االکترودهای مثبت و منفی ( آند و کاتد ) ایجاد شده، تعیین می شود . ظرفیت آمپر-ساعت با مقدار مواد فعال موجود در سلول تعیین می شود .حاصل ضرب این دو ، خروجی انرژی با ظرفیت وات ساعت است . در تجربه واقعی، تنها می توان به یک سوم تا یک دوم ظرفیت واقعی دست یافت . عملکرد و بازدهی با دما، جریان کشی، ولتاژ کات-آف ، زمانبندی کاری، شرایط نگهداری قبل از استفاده و نیز طراحی خاص آن تغییر می کند .

بسیاری از باتری های غیر قابل شارژ با معیار ظرفیت سرویس میانگین بر حسب میلی آمپر ساعت (mAh) سنجیده می شوند. این معیار تعداد ساعت های دشارژی است که می تواند به دست آید در زمان دشارژ در یک دمای معین و از طریق یک مقاومت ثابت مشخص و در یک ولتاژ کات آف یا نهایی تعیین شده،  که یا در نقطه افت ولتاژ سریع است و یا در کمترین ولتاژ قابل استفاده .

باتری های قابل شارژ ، مانند باتری اتوموبیل، با ظرفیت آمپر-ساعت سنجیده شده اند که عموماً مقدار جریانی است که باتری می تواند برای مدت 20 ساعت تحویل دهد بدون آنکه ولتاژهای سلول تصحیح شده با دما به کمتر از 1.75 ولت به ازای هر سلول کاهش یابد . باتری ای که قادر به تامین جریان 2.5 آمپر برای مدت 20 ساعت باشد، به عنوان 50 آمپر ساعت در نرخ 20 ساعت درجه بندی می شود . همین باتری می تواند یک جریان 150 آمپری راه اندازی موتور را فقط برای 8 دقیقه در 27 درجه سانتی گراد و یا برای 4 دقیقه در 18- درجه سانتی گراد تامین کند ، یعنی یک سرویس دهی به ترتیب 20 و 10 آمپر ساعتی. با ضرب آمپر-ساعت در ولتاژ میانگین در طول دشارژ، یک سنجه عملی تر ، یعنی وات-ساعت، به دست می آید . باتری های اتوموبیل نیز با ظرفیت ذخیره سازی RC (reserve capacity)  و جریان راه اندازی سردamps)  cold-cranking CCA ( درجه بندی و سنجیده می شوند .  ظرفیت ذخیره سازی ، مدت زمانی است که یک باتری با شارژ کامل در 27 درجه سانتی گراد می تواند جریان 25 آمپر را تا پیش از افت ولتاژ آن به کمتر از 5/10 آمپر ، تولید کند . یک اندازه گیری نمونه ، 125 دقیقه است، که مدت زمانی است که باتری می تواند جریان مورد نیاز یک بار الکتریکی مینیمم را پس از بروز نقص در سیستم شارژ کننده وسیله نقلیه، تامین کند . CCA سنجش توانایی یک باتری برای راه اندازی موتور در زمان سرد بودن باتری است و با مقدار جریانی که یک باتری 12 ولتی می تواند برای 30 ثانیه در دمای 18- درجه سانتی گراد و بدون افت ولتاژ آن به کمتر از 7.2 ولت تحویل دهد ، اندازه گیری می شود . یک سنجش CCA نمونه برای یک باتری با RC برابر 125 دقیقه، 430 آمپر است . سنجه CCA برای اغلب باتری های خودرو بین 300 تا 600 آمپر است .

طول عمر :

میانگین عمر یک سلول یا باتری وابسته به مواد ، طراحی و نیز کاربرد و شرایط کاری آن است .میانگین عمر با دو پارامتر طول عمر در شرایط عدم استفاده (shelf life) و طول عمر سرویس دهی یا طول عمر کاریlife)  (service  اندازه گیری می شود. پارامتر اول ، زمان مورد انتظاری است که طی می شود پیش از آنکه یک باتری انباشته یا دارای شارژ در اثر اتمام عمر مفید و یا زوال آن، غیر عملیاتی و یا در اثر خود-دشارژی داخلی اش، ناپایدار شود . طول عمر سرویس دهی به معنای مدت زمان مورد انتظار یا تعداد سیکل های شارژ/دشارژ است که در طول آن یک باتری همچنان قادر به تحویل درصد معینی از ظرفیت خود – در دوران بهره برداری از آن- می باشد . این معیار می تواند از یک شات یا یک دشارژ واحد در سلول های غیر قابل شارژ ( اولیه ) تا 10000 ( یا بیشتر ) سیکل شارژ/دشارژ در برخی از باتری های قابل شارژ ( ثانویه ) متغیر باشد . طول عمر باتری های خودرو می تواند از 18 ماه در اقلیم های گرم تا 12-10 سال در اقلیم های سرو تغییر کند ، اما به طور معمول میانگین عمر آنها 3 سال و برای 6000 سیکل شارژ/دشارژ می باشد . باتری های صنعتی طول عمر سرویس دهی 20-10 سال دارند .   مقدار این عدد برای باتری های استندبای در کل یک باس DC ( ساختاری ترکیبی از باتری ها که از طریق یک کانال ارتباطی مشترک به یکدیگر متصل شده و به صورت یک سیستم واحد عمل می کنند ) بین 8 تا 30 سال شناور است . به طور کلی ، گرانترین، بزرگترین و سنگین ترین سلول ها، طولانی ترین طول عمرسرویس دهی را دارند .

بسیاری از باتری ها زمانی که مواد فعال درون آنها مصرف می شود، به طور ناگهانی و بدون علامت یا هشدار قبلی، ولتاژ خود را از دست می دهند . اگرچه، در برخی باتری ها ، ولتاژ مدار باز به عنوان یک  نشانگر وضعیت شارژ عمل می کند، به آرامی ان به صورت پیوسته با افت ظرفیت، کاهش می یابد . در حال حاضر بسیاری از تجهیزات الکترونیکی مجهز با باتری هایی هستند که طول عمر به اندازه طول عمر دستگاه است . این موضوع موجب می شود که نیاز به تعویض باتری برای کاربر یا مصرف کننده خطر آسیب رسیدن به دستگاه  یا باتری در اثر اتصال کوتاه شدن ناخواسته ترمینال ها، برعکس شدن پولاریته و یا قرار دادن یک باتری با ابعاد یکسان و ساختار شیمیایی متفاوت، منتفی شود .

برای رسیدن به عمر بیشینه و اطمینان از پایایی باتری، پیشنهادهای سازنده برای انبار و نگهداری باید دنبال شوند. طول باتری نباید بیش از طول عمر دوره عدم استفاده آن نگهداری شده و دمای سلول های اولیه نیابد از محدوده تعیین شده فراتر رود . برای سلول های اولیه ذخیره-الکترولیت (reserve-electrolyte) و سلول های ثانویه با ساختار خشک و پلیت های شارژ شده، از محفظه باتری یا سلول باید در مقابل رطوبت محافظت شده و انبارداری باید در محدوده دمای تعیین شده انجام شود . باتری های ثانویه شارژ شده تر ممکن است- مطابق دستورالعمل محصول – نیاز به شارژ دوره ای و اضافه کردن آب داشته باشند .