باتری‌ها یکی از پرکاربردترین ابزارها در زندگی روزمره ما هستند. از گوشی همراه و لپ‌تاپ گرفته تا اسباب‌بازی‌ها و خودروها، بسیاری از وسایل اطراف ما برای کار کردن به باتری نیاز دارند. اما باتری دقیقاً چگونه کار می‌کند؟
به زبان ساده، باتری مانند یک مخزن کوچک انرژی است. داخل باتری مواد شیمیایی خاصی وجود دارد که طی یک واکنش شیمیایی، انرژی ذخیره شده را به شکل برق آزاد می‌کنند. این فرآیند باعث می‌شود تا وسیله الکترونیکی شما روشن شود و به کار خود ادامه دهد.
هر باتری دو سر یا قطب دارد: مثبت و منفی. وقتی باتری در وسیله‌ای قرار می‌گیرد، جریان الکتریکی از داخل آن عبور کرده و از قطب منفی به قطب مثبت می‌رود و در نتیجه، انرژی لازم برای روشن شدن دستگاه فراهم می‌شود.
باتری‌ها انواع مختلفی دارند؛ بعضی از آنها یک‌بارمصرف هستند و پس از اتمام انرژی، دیگر قابل استفاده نیستند. برخی دیگر، مثل باتریهای گوشی، قابل شارژ هستند و می‌توان با اتصال به برق، دوباره آنها را پر از انرژی کرد.
به طور کلی، باتری‌ها نقش بسیار مهمی در دنیای فناوری دارند و زندگی بدون آنها بسیار دشوار خواهد بود.
آشنایی با باتری ها و انواع آنها
باتری که با نام پیل الکتریکی هم شناخته می‌شود، در واقع یک منبع ذخیره‌ی انرژی است. درون باتری، با انجام یک سری واکنش‌های شیمیایی، انرژیِ موجود در مواد شیمیایی به انرژی برق تبدیل می‌شود. این انرژی الکتریکی سپس از طریق دو سر مثبت و منفی باتری در اختیار ما قرار می‌گیرد.
به مقدار انرژی‌ای که باتری به ازای هر واحد بار الکتریکی می‌دهد، «نیروی محرکه الکتریکی» می‌گویند و واحد اندازه‌گیری آن ولت است. به قطب مثبت باتری «کاتد» و به قطب منفی آن «آند» گفته می‌شود.
باتری در اصل یک دستگاه ذخیره‌سازی برق است. همزمان با تغییرات شیمیایی درون آن، انرژی، ذخیره و سپس آزاد می‌شود. در باتریهای قابل شارژ، این چرخهی ذخیره و آزادسازی بارها و بارها تکرار می‌شود.
باتری‌ها کاملاً کارآمد نیستند و بخشی از انرژی آنها به شکل گرما یا در اثر سایر واکنش‌های شیمیایی در حین شارژ و دشارژ تلف می‌شود. برای مثال، اگر شما ۱۰۰۰ وات انرژی از باتری دریافت کنید، ممکن است در واقع بیش از ۱۲۰۰ وات از انرژی ذخیره‌شدهی آن مصرف شده باشد.
تاریخچه باتری
در ایران باستان و در فاصله‌ی سال‌های ۲۵۰ قبل از میلاد تا ۲۲۴ پس از میلاد، وسیله‌ای شبیه به باتری در شهر تیسفون ساخته شد. این باتریهای قدیمی که امروزه به نام باتری بغداد یا پیل الکتریکی معروف هستند، توسط شرکت جنرال الکتریک با روش تاریخ‌گذاری رادیوکربن بازسازی شده‌اند.
بررسی‌ها نشان می‌دهد که این پیل‌ها حدود ۲۰۰ سال قبل از میلاد ساخته شده‌اند. ساختار آنها شامل یک بدنه‌ی سفالی است که یک میله آهنی درون یک استوانه مسی قرار گرفته و از هم جدا شده‌اند. وقتی درون این محفظه را با یک مایع اسیدی مثل آبلیمو پر می‌کردند، این وسیله می‌توانسته جریان برق بسیار کمی تولید کند. گمان می‌رود که از این اختراع برای آبکاری طلا و نقره روی زیورآلات استفاده می‌شده است.
در سال ۱۳۱۷ خورشیدی (۱۹۳۸ میلادی)، باستان‌شناس آلمانی به نام ویلهلم کونیک و تیمش، در نزدیکی تیسفون – پایتخت ایران در زمان اشکانیان – چند شیء باستانی پیدا کردند. پس از تحقیق متوجه شدند که این اشیاء در واقع پیل‌های الکتریکی هستند که در دوره اشکانیان ساخته و استفاده می‌شده‌اند.
کونیک نام این پیل‌ها را “باتری پارتی” گذاشت که امروزه با نام‌های باتری پارتیان یا پیل اشکانی نیز شناخته می‌شوند. او در مقاله‌ای از این وسیله به عنوان یک باتری باستانی یاد کرد که برای آبکاری طلا و نقره روی وسایل دیگر به کار می‌رفته است.
این کشف در مورد تمدن اشکانی، بسیار تعجب‌برانگیز بود. برخی از دانشمندان اروپایی و آمریکایی حتی تصور کردند که این فناوری نمی‌توانسته کار بشر آن زمان باشد و آن را به موجودات فرازمینی نسبت دادند! برای آنان پذیرفتنی نبود که ایرانیان حدود ۱۵۰۰ سال پیش از کسی مانند گالوانی ایتالیایی (که در سال ۱۷۸۶ میلادی پیل الکتریکی را اختراع کرد) چنین دانش پیشرفته‌ای داشته باشند.
به نظر می‌رسد مردمان بین‌النهرین از این پیل‌ها برای تولید برق استفاده می‌کردند و از آن برای آبکاری اشیای تزئینی بهره می‌بردند. همچنین ممکن است در کشتی‌سازی و برای جلوگیری از زنگ‌زدن ابزارهای آهنی در کشتی‌ها نیز از این فناوری استفاده شده باشد.
این نظریه بعدها توسط دانشمندان دیگر آزمایش شد. ویلارد گری، مهندس برق شرکت جنرال الکتریک، پس از خواندن مقاله کونیک، نمونه‌ای از باتری بغداد را ساخت. او درون کوزه را با آب انگور، سرکه یا سولفات مس پر کرد و توانست ولتاژی بین ۱٫۵ تا ۲ ولت تولید کند.
سال‌ها بعد در ۱۹۷۸، دکتر اگبرشت، مصرشناس مشهور، نیز نمونه‌ای از این باتری‌ها را بازسازی کرد و با پر کردن آن با آب انگور، حدود ۰٫۸۷ ولت برق تولید نمود. او از این برق برای طلاکاری یک مجسمه نقره استفاده کرد.
در سال ۱۹۹۹ نیز گروهی از دانشجویان تحت نظر دکتر مارجوری سنشال، استاد ریاضی و تاریخ علم، نمونه‌های دیگری ساختند و با استفاده از سرکه توانستند ولتاژ ۱٫۱ ولت تولید کنند.
علاوه بر کاربرد آبکاری فلزات، نظریه‌های دیگری نیز درباره استفاده‌های پزشکی یا موارد دیگر از این باتریهای باستانی مطرح شده است.
انواع باتری
باتری‌ها را می‌توان به شکل‌های گوناگونی دسته‌بندی کرد. برای نمونه، برخی باتری‌ها را بر پایه‌ی حالت الکترولیت (خشک یا مایع)، برخی بر اساس جنس مواد به کار رفته در الکترولیت و صفحات داخلی، و برخی دیگر بر مبنای قابلیت شارژ دوباره، گروه‌بندی می‌کنند.
در دسته‌بندی بر پایه‌ی قابلیت شارژ، باتری‌ها به دو گروه اصلی بخش می‌شوند:
– باتریهای اولیه: که یک‌بارمصرف هستند و نمی‌توان آنها را دوباره شارژ کرد.
– باتریهای ثانویه: که قابلیت شارژ مجدد دارند و می‌توان از آنها بارها استفاده نمود.
● باتریهای غیرقابل شارژ استاندارد
▪ قلیایی (Alkaline)
باتریهای قلیایی تقریباً ده برابر بهتر از باتریهای قدیمی روی-کربن عمل می‌کنند. این باتری‌ها عمر طولانی‌تری دارند و حتی بعد از پنج سال ذخیره‌سازی، حدود ۸۵ درصد از ظرفیت اولیه خود را حفظ می‌کنند. همچنین احتمال نشت کردن در آنها کمتر است و در دماهای مختلف به خوبی کار می‌کنند.
▪ لیتیم (Lithium)
باتریهای لیتیمی از فلز لیتیم استفاده می‌کنند و به همین دلیل انرژی بسیار متراکم و بالایی ارائه می‌دهند. در نتیجه، مدت زمان کارکرد آنها طولانی است و ماندگاری زیادی روی قفسه دارند. این باتری‌ها بعد از پنج سال بدون استفاده، حدود ۹۷ درصد از ظرفیت اسمی خود را حفظ می‌کنند. باتریهای لیتیمی بهترین گزینه برای جایگزینی باتریهای قلیایی معمولی در دوربین‌های دیجیتال، پخش‌کننده‌های MP3 و سایر دستگاه‌های الکترونیکی هستند.
● باتریهای شارژ شدنی
باتریهای نیکل-کادمیم (Ni-Cd)
این باتری‌ها خیلی سریع شارژ می‌شوند و عمر طولانی دارند؛ به طوری که می‌توانند بیش از هزار بار شارژ و خالی‌شدن را تحمل کنند. اما اگر قبل از اینکه کاملاً خالی شوند، دوباره شارژشان کنید، از کارایی آنها کاسته می‌شود. بعضی از شارژرهای مخصوص این باتری‌ها، قبل از شارژ کردن، باتری را به طور کامل تخلیه می‌کنند. همچنین این باتری‌ها نیاز به یک دوره راه‌اندازی اولیه دارند. بیشتر شرکت‌های سازنده پیشنهاد می‌کنند که سه بار باتری را کاملاً شارژ و سپس تخلیه کنید تا به بهترین حالت خود برسد.
باتریهای نیکل-متال هیدرید (NiMH)
این باتری‌ها حدود ۳۰ تا ۴۰ درصد بیشتر از نوع نیکل-کادمیم انرژی ذخیره می‌کنند، اما تعداد دفعات شارژ و دشارژ آنها کمتر است و معمولاً بین ۳۰۰ تا ۵۰۰ بار قابل استفاده هستند. برخلاف نوع نیکل-کادمیم، لازم نیست حتماً این باتری‌ها را کاملاً خالی کنید تا دوباره شارژشان کنید. بنابراین می‌توانید قبل از یک استفاده طولانی، آنها را به طور کامل شارژ نمایید. با این حال، اگر زیاد آنها را کاملاً تخلیه کنید، عمرشان کم می‌شود. البته اگر گاهی اجازه دهید کاملاً خالی شوند، عملکرد بهتری خواهند داشت. شارژ شدن این باتری‌ها زمان بیشتری می‌برد و اگر بیش از حد شارژ شوند یا وقتی داغ هستند شارژ ادامه یابد، ممکن است آسیب ببینند. شارژرهای خوب می‌توانند از شارژ بیش از حد جلوگیری کنند یا وقتی دمای باتری بالا رفت، شارژ را قطع کنند.
باتریهای لیتیوم-یون (Lithium-Ion)
این باتری‌ها بیشترین انرژی را در خود ذخیره می‌کنند؛ تقریباً دو برابر باتریهای نیکل-کادمیم. لازم نیست حتماً آنها را کاملاً خالی کنید تا دوباره شارژشان کنید، به دوره راه‌اندازی نیاز ندارند و مشکل حافظه باتری نیز در آنها وجود ندارد. شما می‌توانید در هر زمانی این باتری‌ها را شارژ کنید بدون اینکه به کارایی آنها لطمه بخورد، اما چون معمولاً بین ۳۰۰ تا ۵۰۰ بار می‌توانند شارژ و تخلیه شوند، اگر خیلی زود و قبل از خالی شدن، شارژشان کنید، عمر باتری کم می‌شود. با اینکه بعضی سازندگان عمر این باتری‌ها را تا سه سال اعلام می‌کنند، برخی کاربران گزارش داده‌اند که بعد از حدود ۱۸ ماه باتری کارایی خود را از دست داده است.
باتریهای لیتیوم-یون پلیمر (Li-ion Polymer)
این باتری‌ها که گاهی به نام‌های Li-Poly یا Lipo هم شناخته می‌شوند، در اصل شبیه باتریهای لیتیوم-یون هستند. تفاوت اصلی در این است که این نوع باتری‌ها بسیار نازک‌ترند و حتی ضخامت برخی از آنها به یک میلی‌متر هم می‌رسد. علاوه بر این، بسیار سبک هستند و در برابر شارژ بیش از حد و نشت مواد شیمیایی مقاومت بیشتری دارند. اما تولید آنها گران‌تر است و انرژی کمتری نسبت به باتریهای لیتیوم-یون معمولی در خود ذخیره می‌کنند. از این باتری‌ها معمولاً در دستگاه‌های الکترونیکی سبک و گران‌قیمت مثل تلفن همراه استفاده می‌شود.
نکته مهم در استفاده از باتری‌ها
همه باتری‌ها مثل هم نیستند و نمی‌توان آنها را به جای یکدیگر استفاده کرد. هرگز از باتری لیتیوم-یون در دستگاهی که برای آن طراحی نشده است، استفاده نکنید. معمولاً می‌توانید به جای باتریهای قلیایی معمولی، از باتریهای قابل شارژ نیکل-بنیاد با همان اندازه استفاده کنید و مشکلی پیش نیاید. اگر می‌خواهید به جای باتریهای یک‌بارمصرف از باتریهای قابل شارژ نیکل-بنیاد استفاده کنید، یک شارژر با کیفیت خوب بخرید. شارژرهای خوب می‌توانند عمر باتریهای شما را افزایش دهند.
انواع باتری از نظر کاربرد عبارت اند از:
باتریهای مختلفی برای کاربردهای گوناگون ساخته شده‌اند:
• باتریهای خورشیدی که روش شارژ شدن آنها از قاعده‌های مشخصی پیروی می‌کند.
• باتریهای به کار رفته در دستگاه‌هایی مثل یوپی‌اس، لپ‌تاپ و تلفن همراه که می‌توانند برای مدت طولانی جریان برق ثابتی تولید کنند.
• باتریهای خودرو، لیفتراک و موتورسیکلت که قادرند در زمان کوتاه، جریان بسیار قوی برای روشن کردن موتور فراهم کنند.
• باتریهای مورد استفاده در سامانه‌های امنیتی، نورپردازی، حفاظتی و کنترل که باید طول عمر زیاد و پایداری بالایی داشته باشند.
• باتریهای قلمی و نیم‌قلمی و مشابه آنها که برای مصارف عمومی و روزمره تولید شده‌اند و قیمت مناسبی دارند.
• باتریهای سکه‌ای و باتریهای پشتیبان که می‌توانند جریان کمی را برای سال‌های طولانی تأمین کنند.
کارکرد باتری
یک باتری معمولاً از یک یا چند سلول کوچک درون خود تشکیل شده است. این سلول‌ها ممکن است به دو صورت به هم وصل شوند: اگر به صورت موازی به هم متصل شوند، جریان خروجی باتری بیشتر می‌شود و اگر به صورت سری به هم وصل شوند، ولتاژ باتری افزایش می‌یابد.
هر سلول خود از دو نیم‌سلول تشکیل شده که توسط یک ماده به نام الکترولیت به هم متصل هستند. الکترولیت حاوی ذرات باردار مثبت و منفی است و می‌تواند جریان برق را از خود عبور دهد.
وقتی شما باتری را به یک وسیله متصل می‌کنید، ذرات با بار منفی از طریق سیم‌ها به سمت وسیله حرکت می‌کنند. هنگامی که از وسیله عبور می‌کنند، انرژی مورد نیاز آن را تأمین می‌کنند (مثلاً برای تولید گرما، حرکت یا نور). سپس این ذرات به سمت ذرات با بار مثبت می‌روند و آنها را خنثی می‌کنند.
به مرور زمان، تعداد بیشتری از ذرات مثبت خنثی می‌شوند. در نتیجه، انرژی باتری کاهش یافته و مقاومت داخلی آن افزایش می‌یابد. پس از مدتی، باتری کاملاً خالی می‌شود. مدت زمانی که یک باتری می‌تواند انرژی دهد، معمولاً با واحدی به نام «آمپر-ساعت» مشخص می‌شود.
برای مثال، یک باتری ۶۰ آمپر-ساعت می‌تواند در تئوری، جریان ۶۰ آمپر را برای مدت یک ساعت تأمین کند. اگر جریان کمتری از باتری بکشید، مثلاً ۲۰ آمپر، در حالت ایده‌آل باید حدود سه ساعت کار کند. اما در دنیای واقعی، عوامل دیگری مانند دمای محیط، لرزش و فشار روی باتری باعث می‌شوند این زمان کمتر شود و ممکن است همین باتری در عمل فقط نیم ساعت کارایی داشته باشد.
بیشتر بخوانید: همه چیز در مورد پردازنده یا همان CPU