دنیایی را تصور کنید که در آن هر چیزی که با برق کار می‌کند، باید به پریز وصل شود. در آن دنیا چراغ قوه‌ها، سمعک‌ها، تلفن‌های همراه و سایر وسایل قابل حمل به پریزهای برق متصل می‌شدند و آنها را دست و پا گیر و ناخوشایند می‌کردند. خودروها نمی‌توانستند با چرخاندن ساده یک کلید روشن شوند؛ یک هندل زدن طاقت‌فرسا برای به حرکت درآوردن پیستون‌ها مورد نیاز بود. سیم‌ها همه جا آویزان می‌شدند و یک خطر ایمنی و یک آشفتگی ناخوشایند ایجاد می‌کردند. خوشبختانه، باتری‌ها منبع سیار نیرویی را برای ما فراهم می‌کنند که بسیاری از امکانات رفاهی مدرن را ممکن می‌سازد.
در حالی که انواع مختلفی از باتری‌ها وجود دارد، مفهوم اساسی عملکرد آنها یکسان است. هنگامی که دستگاهی به باتری متصل می‌شود، واکنشی رخ می‌دهد که انرژی الکتریکی تولید می‌کند. این واکنش به عنوان واکنش الکتروشیمیایی (Electrochemical reaction) شناخته می‌شود. فیزیکدان ایتالیایی کنت الساندرو ولتا (Count Alessandro Volta) اولین بار این فرآیند را در سال ۱۷۹۹ کشف کرد، زمانی که یک باتری ساده از صفحات فلزی و مقوا یا کاغذ خیس‌شده در آب نمک ساخت. از آن زمان تاکنون، دانشمندان طراحی اصلی ولتا را بسیار بهبود بخشیده‌اند تا باتری‌هایی بسازند که از مواد متنوعی ساخته شده و در اندازه‌های گوناگونی عرضه می‌شوند.
امروزه، باتری‌ها در همه جای اطراف ما هستند. آنها ساعت‌های مچی ما را برای ماه‌ها روشن نگه می‌دارند. آنها ساعت‌های زنگ‌دار و تلفن‌های ما را حتی اگر برق قطع شود، روشن نگه می‌دارند. آنها آشکارسازهای دود، ریش‌تراش‌های برقی، دریل‌های برقی، پخش‌کننده‌های موسیقی، ترموستات‌ها را به کار می‌اندازند – و البته این فهرست ادامه دارد. اگر در حال خواندن این مقاله روی لپ‌تاپ یا تلفن هوشمند خود هستید، حتی ممکن است همین الان هم از باتری استفاده کنید! با این حال، از آنجایی که این بسته‌های نیروی قابل حمل، بسیار رایج هستند، بسیار آسان است که آنها را بدیهی بپنداریم. این مقاله با بررسی تاریخچه باتری‌ها، و همچنین قطعات اساسی، واکنش‌ها و فرآیندهایی که باعث کارکرد آنها می‌شوند، درک بهتری از باتری‌ها به شما می‌دهد. پس سیم برق را قطع کنید و روی راهنمای آموزنده ما کلیک کنید تا دانش خود را در مورد باتری‌ها شارژ کنید.
تاریخچه باتری‌ها
باتری‌ها قدمتی طولانی‌تر از آنچه تصور می‌کنید دارند. در سال 1938، ویلهلم کونیگ (Wilhelm Konig)، باستان‌شناس، در حین حفاری در خوجوت رابو (Khujut Rabu)، در حوالی بغداد امروزی در عراق، چند کوزه گِلی عجیب را کشف کرد. این کوزه‌ها، که تقریباً 5 اینچ (12.7 سانتی‌متر) طول دارند، حاوی یک میله آهنی بودند که در مس محصور شده بود و قدمت آنها به حدود 200 سال قبل از میلاد مسیح بازمی‌گشت. آزمایش‌ها نشان داد که این ظروف زمانی با یک ماده اسیدی مانند سرکه یا شراب پر شده بودند، و این امر باعث شد کونیگ معتقد شود که این ظروف باتری‌های باستانی بوده‌اند. از زمان این کشف، محققان نمونه‌هایی از این کوزه‌ها را تولید کرده‌اند که در واقع قادر به تولید بار الکتریکی هستند. این “باتری‌های بغدادی” ممکن است برای مراسم مذهبی، اهداف دارویی یا حتی آبکاری الکتریکی مورد استفاده قرار گرفته باشند.
در سال 1799، الساندرو ولتا، فیزیکدان ایتالیایی، با چیدن لایه‌های متناوب روی (zinc)، مقوا یا پارچه آغشته به آب نمک و نقره، اولین باتری را ساخت. این آرایش، که پیل ولتایی (Voltaic pile) نامیده می‌شد، اولین وسیله برای تولید الکتریسیته نبود، اما اولین وسیله‌ای بود که جریان ثابت و پایدار از خود آزاد می‌کرد. با این حال، اختراع ولتا دارای برخی معایب بود. ارتفاعی که لایه‌ها می‌توانستند روی هم چیده شوند محدود بود، چرا که وزن پیل آنقدر زیاد می‌شد که آب نمک را از مقوا یا پارچه خارج می‌کرد. صفحات فلزی نیز به سرعت خورده می‌شدند و عمر باتری را کوتاه می‌کردند. علی‌رغم این کاستی‌ها، واحد SI نیروی الکتروموتور اکنون به افتخار دستاورد ولتا، ولت (Volt) نامیده می‌شود.
پیشرفت بعدی در فناوری باتری در سال ۱۸۳۶ با اختراع سلول دانیل (Daniell cell) توسط جان فردریک دانیل (John Frederick Daniell)، شیمیدان انگلیسی، حاصل شد. در این باتری اولیه، یک صفحه مسی در کف یک شیشه قرار داده می‌شد و محلول سولفات مس روی صفحه ریخته می‌شد تا نیمی از شیشه پر شود. سپس صفحه روی در شیشه آویزان می‌شد و محلول سولفات روی به آن اضافه می‌شد. از آنجایی که سولفات مس چگال‌تر از سولفات روی است، محلول روی بر روی محلول مس شناور می‌شد و صفحه روی را احاطه می‌کرد. سیمی که به صفحه روی متصل بود، ترمینال منفی و سیمی که از صفحه مس خارج می‌شد، ترمینال مثبت را نشان می‌داد. واضح است که این چیدمان در یک چراغ قوه به خوبی کار نمی‌کرد، اما برای کاربردهای ثابت به خوبی عمل می‌کرد. در واقع، سلول دانیل یک روش رایج برای تامین برق زنگ درها و تلفن‌ها قبل از تکامل تولید برق بود.
در سال ۱۸۹۸، سلول خشک کلمبیا (Colombia Dry Cell) به اولین باتری تجاری موجود در ایالات متحده تبدیل شد. شرکت سازنده، شرکت ملی کربن (National Carbon Company)، بعدها به شرکت باتری Eveready تبدیل شد که برند Energizer را تولید می‌کند.
ساختمان یک باتری
اگر نگاهی به هر باتری بیندازید، متوجه خواهید شد که دو ترمینال دارد. یکی از ترمینال‌ها با علامت (+) یا مثبت، و دیگری با علامت (-) یا منفی مشخص شده است. در باتری‌های معمولی چراغ قوه، مانند باتری‌های قلمی (AA)، متوسط (C) یا بزرگ (D)، ترمینال‌ها در دو سر باتری قرار دارند. با این حال، در باتری‌های 9 ولتی یا باتری‌های خودرو، ترمینال‌ها در کنار هم در بالای دستگاه قرار گرفته‌اند. اگر سیمی را بین دو ترمینال وصل کنید، الکترون‌ها با حداکثر سرعت از انتهای منفی به انتهای مثبت جریان می‌یابند. این کار به سرعت باعث فرسودگی باتری می‌شود و همچنین می‌تواند خطرناک باشد، به خصوص در باتری‌های بزرگتر. برای استفاده صحیح از بار الکتریکی تولید شده توسط باتری، باید آن را به یک بار یا مصرف‌کننده (Load) متصل کنید. این بار می‌تواند چیزی مانند یک لامپ، یک موتور یا یک مدار الکترونیکی مثلاً یک رادیو باشد.
اجزای داخلی یک باتری معمولاً درون یک محفظه فلزی یا پلاستیکی قرار دارد. در داخل این محفظه، یک کاتد (Cathode) وجود دارد که به ترمینال مثبت متصل می‌شود، و یک آند (Anode) که به ترمینال منفی متصل می‌شود. این اجزا که به طور کلی به عنوان الکترود (Electrode) شناخته می‌شوند، بیشتر فضای باتری را اشغال می‌کنند و محل وقوع واکنش‌های شیمیایی هستند. یک جداکننده (Separator) مانعی بین کاتد و آند ایجاد می‌کند و از تماس الکترودها با یکدیگر جلوگیری می‌کند، در حالی که به بار الکتریکی اجازه می‌دهد آزادانه بین آنها جریان یابد. محیطی که به بار الکتریکی اجازه می‌دهد بین کاتد و آند جریان یابد، به عنوان الکترولیت (Electrolyte) شناخته می‌شود. در نهایت، جمع کننده (Collector)، بار را به خارج از باتری و به میان بار (Load) هدایت می‌کند.
آیا می‌دانستید؟
بر اساس برآورد EPA، آمریکایی‌ها سالانه نزدیک به 3 میلیارد باتری خشک (Dry Cell) خریداری می‌کنند (منبع: EPA).
شیمی و واکنش‌های باتری
بسیاری از اتفاقات درون یک باتری وقتی آن را در چراغ‌قوه، کنترل از راه دور یا سایر دستگاه‌های بی‌سیم خود قرار می‌دهید رخ می‌دهد. در حالی که فرآیندهای تولید برق در باتری‌های مختلف کمی متفاوت است، ایده اصلی یکسان است.
هنگامی که یک بار، مدار بین دو ترمینال را کامل می‌کند، باتری از طریق یک سری واکنش‌های الکتروشیمیایی بین آند، کاتد و الکترولیت، برق تولید می‌کند. آند یک واکنش اکسیداسیون را تجربه می‌کند که در آن دو یا چند یون (اتم‌ها یا مولکول‌های دارای بار الکتریکی) از الکترولیت با آند ترکیب می‌شوند و یک ترکیب تولید کرده و یک یا چند الکترون آزاد می‌کنند. در همان زمان، کاتد یک واکنش احیا را طی می‌کند که در آن ماده کاتد، یون‌ها و الکترون‌های آزاد نیز برای تشکیل ترکیبات با هم ترکیب می‌شوند. در حالی که این عمل ممکن است پیچیده به نظر برسد، در واقع بسیار ساده است: واکنش در آند الکترون ایجاد می‌کند و واکنش در کاتد آنها را جذب می‌کند. محصول خالص، برق است. تا زمانی که یک یا هر دو الکترود، ماده لازم برای وقوع واکنش‌ها را تمام کنند، باتری به تولید برق ادامه می‌دهد.
باتری‌های مدرن از مواد شیمیایی مختلفی برای تامین انرژی واکنش‌های خود استفاده می‌کنند. مواد شیمیایی رایج در باتری‌ها عبارتند از:
- باتری روی-کربن: شیمی روی-کربن در بسیاری از باتری‌های قلمی، نیم‌قلمی، متوسط و بزرگ ارزان قیمت یافت می‌شود. آند از جنس روی، کاتد از جنس دی‌اکسید منگنز و الکترولیت از جنس کلرید آمونیوم یا کلرید روی است.
- باتری آلکالن یا قلیایی (Alkaline battery): این شیمی نیز در باتری‌های قلمی، متوسط و بزرگ یافت می‌شود. کاتد از مخلوط دی‌اکسید منگنز و آند از پودر روی تشکیل شده است. نام این نوع باتری از الکترولیت هیدروکسید پتاسیم گرفته شده است که یک ماده قلیایی است.
- باتری لیتیوم-یون (قابل شارژ): شیمی لیتیوم اغلب در دستگاه‌های با کارایی بالا مانند تلفن‌های همراه، دوربین‌های دیجیتال و حتی خودروهای برقی استفاده می‌شود. مواد مختلفی در باتری‌های لیتیومی استفاده می‌شود، اما یک ترکیب رایج، کاتد اکسید کبالت لیتیوم و آند کربنی است.
- باتری اسید-سرب (قابل شارژ): این شیمی در یک باتری معمولی خودرو استفاده می‌شود. الکترودها معمولاً از دی‌اکسید سرب و سرب فلزی ساخته می‌شوند، در حالی که الکترولیت یک محلول اسید سولفوریک است.
تامین انرژی با هوا؟
محققان در حال حاضر در حال توسعه نوعی باتری هستند که در آن الکترودها از لیتیوم و به طور شگفت‌انگیزی، اکسیژن هوا خواهند بود. چنین پیشرفتی به طور چشمگیری وزن باتری را کاهش می‌دهد و می‌تواند پنج تا ۱۰ برابر، انرژی باتری‌های لیتیوم-یون سنتی داشته باشد. در حالی که این فناوری هنوز موانع متعددی برای غلبه بر آنها دارد، می‌تواند روزی صنعت خودروهای برقی را متحول کند (منبع: Rahim).
تشریح پیل ولتایی
یک پیل ولتایی، شکل اولیه‌ای از باتری الکتریکی است. الساندرو ولتا، فیزیکدان ایتالیایی، دسته‌هایی از پیل‌های فلزی مسی و روی را به‌صورت متناوب بر روی هم قرار می‌داد (پیل یا پایل در زبان انگلیسی به معنی توده، انباشته یا کُپه است-م)، در حالی که بین هر لایه با تکه‌های پارچه یا مقوای آغشته به محلول الکترولیت، جداسازی انجام می‌شد. زمانی که فلزات و الکترولیت با یکدیگر در تماس قرار می‌گیرند، یک واکنش شیمیایی رخ می‌دهد که منجر به ایجاد اختلاف پتانسیل الکتریکی بین لایه‌های فلزی می‌شود.
این اختلاف پتانسیل امکان جریان الکتریسیته را به میان یک مدار خارجی متصل به پیل فراهم می‌کند. پیل‌های ولتا پیشرویی برای باتری‌های الکتریکی مدرن بودند و نقش مهمی در شکل‌دهی به توسعه فناوری الکتریکی و درک ما از الکتریسیته ایفا کردند.
تاثیر لوئیجی گالوانی بر الساندرو ولتا
در زمانی که لوئیجی گالوانی (Luigi Galvani) آزمایش‌های الکتریکی خود را آغاز کرد، دانشمندان و مخترعان دیگری قبلاً به این حوزه وارد شده بودند. گالوانی، یک پزشک ایتالیایی، آزمایش‌هایی را انجام داد که منجر به مطالعه بیشتر او در زمینه الکتریسیته جانوری شد. او مشاهده کرد:
هنگامی که حیوان را به یک اتاق بسته بردم، آن را روی یک صفحه آهنی قرار دادم و شروع کردم به فشار دادن قلابی که در نخاع ثابت شده بود به صفحه؛ همان انقباضات و حرکات مانند قبل رخ داد. بلافاصله این آزمایش را در مکان‌های مختلف با فلزات مختلف و در ساعات مختلف روز تکرار کردم. نتایج یکسان بود، با این تفاوت که انقباضات با فلزات مورد استفاده متفاوت بود. به این معنی که با برخی از فلزات انقباضات شدیدتر و با برخی دیگر ضعیف‌تر بودند. سپس به ذهنم رسید که با مواد دیگری که یا نارسانا یا رسانای بسیار ضعیف الکتریسیته هستند، مانند شیشه، صمغ، رزین، سنگ و چوب خشک، آزمایش کنم. هیچ اتفاقی نیفتاد و هیچ انقباض یا حرکت دایره‌ای آشکاری مشاهده نشد. نتایج ما را بسیار شگفت‌زده کرد و باعث شد گمان کنیم که الکتریسیته ذاتاً در خود حیوان وجود دارد.
ولتا نیز مانند دیگران نظریه گالوانی را باور داشت. با این حال، او همچنین می‌خواست درباره ارتباط بین صفحات فلزی و قدرت انقباضات بیشتر بیاموزد.
در سال 1792، حدود یک سال پس از اظهارات گالوانی، ولتا با گالوانی مخالفت کرد و در نشریات و نامه‌ها در مورد الکتریسیته فلزی بحث کرد. او بعداً آزمایش‌های بیشتری با الکتریسیته حیوانی انجام داد. و تا سال 1800، پیل ولتایی را معرفی کرد.
معرفی پیل‌های ولتا
در زمانی که او علیه نظریه گالوانی صحبت می‌کرد و در سال 1800، بحث‌های زیادی در مورد اعتبار الکتریسیته جانوری وجود داشت. او در نامه‌ای به آقای جوزف بنکس (Joseph Banks) از انجمن سلطنتی لندن، پیل ولتایی را معرفی و در مورد الکتریسیته تولید شده بحث کرد.
او نوشت: «دستگاهی که به آن اشاره می‌کنم، و بدون شک شما را شگفت‌زده خواهد کرد، تنها مجموعه‌ای از تعدادی رسانای خوب از انواع مختلف است که به روش خاصی چیده شده‌اند.» «سی، چهل، شصت یا تعداد بیشتری قطعه مس، یا حتی نقره، که هر کدام به یک قطعه قلع، یا روی، که بسیار بهتر است، متصل می‌شوند، و همین تعداد لایه آب، یا هر مایع دیگری که ممکن است رسانای بهتری باشد، مانند آب نمک، قلیاب و غیره، یا قطعات مقوایی، پوست و غیره، که به خوبی در این مایعات خیس شده باشند؛ چنین لایه‌هایی که بین هر جفت یا ترکیبی از دو فلز مختلف به صورت متناوب قرار داده شده‌اند، و همیشه به همان ترتیب از این سه نوع رسانا، تمام چیزی است که برای تشکیل ابزار جدید من لازم است…»
تاثیر ولتا
کار ولتا به درک جریان الکتریکی و نیروی محرکه الکتریکی کمک کرد.
او ارتباط بین واکنش‌های شیمیایی و الکتریسیته را نشان داد و دریچه‌های جدیدی را برای اکتشافات علمی باز کرد. برای مثال، ویلیام نیکلسون (William Nicholson)، شیمیدان انگلیسی، چیزی شبیه به پیل‌های ولتایی ایجاد کرد و شروع به انجام آزمایشاتی کرد.
نیکلسون به همراه آنتونی کارلایل (Anthony Carlisle) دریافتند که فرو بردن قطب‌های باتری در آب منجر به یک تبدیل شیمیایی ناشی از انرژی الکتریکی (الکترولیز-م) می‌شود. کشف الکترولیز آب، مکمل اکتشافات ولتا بود.
آزمایش‌های باتری خانگی
اگر می‌خواهید درباره واکنش‌های الکتروشیمیایی که در باتری‌ها رخ می‌دهند بیشتر بدانید، می‌توانید در واقع یک باتری را خودتان با استفاده از مواد ساده خانگی بسازید.
اولین کاری که باید قبل از شروع انجام دهید خرید یک ولت‌اهم‌متر (مولتی‌متر) ارزان قیمت (10 تا 20 دلار) از فروشگاه لوازم الکترونیکی یا سخت‌افزاری محلی خود است. اطمینان حاصل کنید که این دستگاه می‌تواند ولتاژهای پایین (در محدوده یک ولت) و جریان‌های پایین (در محدوده پنج تا 10 میلی آمپر) را بخواند. با داشتن این تجهیزات در دسترس، دقیقاً خواهید دید که باتری شما چقدر خوب کار می‌کند.
شما می‌توانید پیل ولتایی خود را با استفاده از سکه‌های 25 سنتی (سکه فلزی مسی)، فویل آلومینیومی، کاغذ خشک‌کن، سرکه سیب و نمک بسازید.
- فویل و کاغذ خشک‌کن را به شکل دایره برش دهید.
- کاغذ خشک‌کن را در مخلوطی از سرکه سیب و نمک خیس کنید.
- با استفاده از نوار چسب، یک سیم مسی را به یکی از دیسک‌های فویل وصل کنید.
- اکنون مواد را به این ترتیب روی هم قرار دهید: فویل، کاغذ، سکه، فویل، کاغذ، سکه و غیره تا زمانی که این الگو را 10 بار تکرار کنید.
- هنگامی که آخرین سکه روی پیل قرار گرفت، یک سیم را با نوار چسب به آن وصل کنید.
- در نهایت، انتهای آزاد دو سیم را به یک LED وصل کنید، که باید روشن شود.
در این آزمایش، مس موجود در سکه کاتد، فویل آلومینیومی آند، محلول سرکه سیب-نمک الکترولیت و کاغذ خشک‌کن جداکننده است.
همچنین می توان یک باتری خانگی را با استفاده از سیم مسی، یک گیره کاغذ و یک لیمو ساخت.
- ابتدا یک تکه سیم مسی کوتاه ببرید و گیره کاغذ را صاف کنید.
- از کاغذ سنباده برای صاف کردن قسمت‌های زبر انتهای هر یک از قطعات فلزی استفاده کنید.
- بعد، به آرامی لیمو را با چرخاندن آن روی یک میز فشار دهید، اما مراقب باشید که پوست آن پاره نشود.
- سیم مسی و گیره کاغذ را به آرامی داخل لیمو فشار دهید، و مطمئن شوید که تا حد امکان نزدیک به هم هستند، بدون اینکه واقعاً با هم تماس داشته باشند.
- در نهایت، ولت‌اهم‌متر خود را به انتهای گیره کاغذ و سیم مسی وصل کنید، و ببینید که باتری شما چه نوع ولتاژ و جریانی تولید می‌کند.
بنزین در برابر برق
با وجود تمام معایبش، بنزین همچنان سوخت غالب برای خودروها است. چرا باتری‌ها جایگاه خود را پیدا نکرده‌اند؟ یکی از بزرگترین مشکلات مربوط به چگالی انرژی است: مقدار انرژی‌ای که یک سوخت می‌تواند نسبت به وزن خود ذخیره کند، که با وات‌ساعت بر کیلوگرم اندازه‌گیری می‌شود. بنزین دارای چگالی انرژی حدود ۱۳۰۰۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم است، در حالی که بهترین باتری‌های لیتیوم یونی موجود در حال حاضر تنها می‌توانند ۲۰۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم را در خود نگه دارند (منبع: Manjoo).
باتری‌های قابل شارژ
با افزایش روزافزون دستگاه‌های قابل حملی مانند لپ‌تاپ‌ها، تلفن‌های همراه، دستگاه‌های پخش موسیقی و ابزارهای برقی بی‌سیم، نیاز به باتری‌های قابل شارژ در سال‌های اخیر به طور چشمگیری افزایش یافته است. باتری‌های قابل شارژ از سال ۱۸۵۹، زمانی که فیزیکدان فرانسوی، گاستون پلانته (Gaston Plante)، سلول اسید-سرب را اختراع کرد، وجود داشته‌اند. باتری پلانته با آند سربی، کاتد دی‌اکسید سرب و الکترولیت اسید سولفوریک، پیشرویی برای باتری‌های خودروی امروزی بود.
باتری‌های غیرقابل شارژ یا سلول‌های اولیه (primary cells) و باتری‌های قابل شارژ یا سلول‌های ثانویه (secondary cells)، جریان را دقیقاً به یک روش تولید می‌کنند: از طریق یک واکنش الکتروشیمیایی شامل یک آند، کاتد و الکترولیت. با این حال، در یک باتری قابل شارژ، این واکنش برگشت‌پذیر است. هنگامی که انرژی الکتریکی از یک منبع خارجی به یک سلول ثانویه اعمال می‌شود، جریان الکترونی منفی به مثبت که در طول تخلیه رخ می‌دهد، معکوس می‌شود و شارژ سلول بازیابی می‌شود. رایج‌ترین باتری‌های قابل شارژ موجود در بازار امروز، لیتیوم-یون (Lion) هستند، اگرچه باتری‌های نیکل-متال هیدرید (NiMH) و نیکل-کادمیم (NiCd) نیز زمانی بسیار رایج بودند.
در مورد باتری‌های قابل شارژ، همه باتری‌ها یکسان ساخته نمی‌شوند. باتری‌های NiCd از اولین سلول‌های ثانویه بودند که به طور گسترده در دسترس قرار گرفتند، اما از یک مشکل نامطلوب به نام اثر حافظه (memory effect) رنج می‌بردند. اساساً، اگر این باتری‌ها هر بار به طور کامل تخلیه نمی‌شدند، به سرعت ظرفیت خود را از دست می‌دادند. باتری‌های NiCd تا حد زیادی به نفع باتری‌های NiMH از رده خارج شدند. این سلول‌های ثانویه از ظرفیت بالاتری برخوردار بوده و فقط به میزان کمی تحت تأثیر اثر حافظه قرار می‌گیرند، اما عمر مفید بسیار خوبی ندارند. باتری‌های Lion، مانند باتری‌های NiMH، عمر طولانی دارند، اما شارژ را بهتر نگه می‌دارند، در ولتاژهای بالاتر کار می‌کنند و در بسته‌بندی بسیار کوچکتر و سبک‌تر عرضه می‌شوند. اساساً تمام فناوری‌های قابل حمل با کیفیت بالا که امروزه تولید می‌شوند از این فناوری بهره می‌برند. با این حال، باتری‌های Lion در حال حاضر در اندازه‌های استاندارد مانند AAA، AA، C یا D موجود نیستند و به طور قابل توجهی گران‌تر از همتایان قدیمی‌تر خود هستند.
با باتری‌های NiCd و NiMH، شارژ کردن می‌تواند مشکل باشد. باید مراقب باشید که آنها را بیش از حد شارژ نکنید، زیرا این امر می‌تواند منجر به کاهش ظرفیت شود. برای جلوگیری از این اتفاق، برخی از شارژرها پس از اتمام شارژ، به شارژ قطره‌ای تغییر حالت می‌دهند یا به سادگی خاموش می‌شوند. باتری‌های NiCd و NiMH نیز باید مجدداً احیا شوند، به این معنی که باید هر از گاهی آنها را کاملاً تخلیه و دوباره شارژ کنید تا از هرگونه کاهش ظرفیت جلوگیری شود. از طرف دیگر، باتری‌های Lion دارای شارژرهای پیشرفته‌ای هستند که از شارژ بیش از حد جلوگیری می‌کنند و هرگز نیازی به احیا ندارند.
حتی باتری‌های قابل شارژ نیز در نهایت از کار می‌افتند، اگرچه ممکن است صدها بار شارژ طول بکشد تا این اتفاق بیفتد. وقتی بالاخره از کار افتادند، حتماً آنها را در یک مرکز بازیافت دور بیندازید.
توان و چیدمان باتری
در بسیاری از دستگاه‌هایی که از باتری استفاده می‌کنند – مانند رادیوهای قابل حمل و چراغ‌قوه‌ها – شما فقط از یک سلول به طور همزمان استفاده نمی‌کنید. معمولاً آنها را به صورت گروهی در یک آرایش سری (serial arrangement) برای افزایش ولتاژ یا در یک آرایش موازی (parallel arrangement) برای افزایش جریان، کنار هم قرار می‌دهید. شکل زیر، این دو آرایش را نشان می‌دهد.
نمودار بالایی یک آرایش موازی را نشان می‌دهد. چهار باتری در آرایش موازی، مجموعاً ولتاژ یک سلول را تولید می‌کنند، اما جریانی که تأمین می‌کنند چهار برابر جریان یک سلول منفرد خواهد بود. جریان، نرخی است که در آن بار الکتریکی از طریق یک مدار عبور می‌کند و بر حسب آمپر اندازه‌گیری می‌شود. باتری‌ها بر حسب آمپر-ساعت یا در مورد باتری‌های خانگی کوچکتر، میلی‌آمپر-ساعت (mAh) رتبه‌بندی می‌شوند. یک سلول خانگی معمولی که با 500 میلی‌آمپر-ساعت رتبه‌بندی شده است، باید بتواند 500 میلی‌آمپر جریان را به مدت یک ساعت به بار (مصرف‌کننده) تحویل دهد. شما می‌توانید رتبه‌بندی میلی‌آمپر-ساعت را به روش‌های مختلف برش و تقسیم کنید. یک باتری 500 میلی‌آمپر-ساعت می‌تواند 5 میلی‌آمپر را به مدت 100 ساعت، 10 میلی‌آمپر را به مدت 50 ساعت یا به‌طور نظری، 1000 میلی‌آمپر را به مدت 30 دقیقه تولید کند. به طور کلی، باتری‌هایی با رتبه‌بندی آمپر-ساعت بالاتر، ظرفیت بیشتری دارند.
نمودار پایینی یک آرایش سری را نشان می‌دهد. چهار باتری در آرایش سری، مجموعاً جریان یک سلول را تولید می‌کنند، اما ولتاژی که تأمین می‌کنند چهار برابر ولتاژ یک سلول منفرد خواهد بود. ولتاژ، معیاری از انرژی در واحد بار است و بر حسب ولت اندازه‌گیری می‌شود. در یک باتری، ولتاژ تعیین می‌کند که الکترون‌ها با چه شدتی در یک مدار هل داده می‌شوند، درست مانند اینکه فشار تعیین می‌کند که آب با چه شدتی در یک شلنگ هل داده می‌شود. اکثر باتری‌های AAA، AA، C و D حدود 1.5 ولت هستند.
تصور کنید باتری‌های نشان داده شده در نمودار، با 1.5 ولت و 500 میلی‌آمپر-ساعت رتبه‌بندی شده‌اند. چهار باتری در آرایش موازی، 1.5 ولت با 2000 میلی‌آمپر-ساعت تولید می‌کنند. چهار باتری در آرایش سری، 6 ولت با 500 میلی‌آمپر-ساعت تولید می‌کنند.
فناوری باتری از زمان اختراع پیل ولتایی پیشرفت چشمگیری داشته است. این پیشرفت‌ها به وضوح در دنیای پر سرعت و قابل حمل ما منعکس شده است، که بیش از هر زمان دیگری به منبع تغذیه قابل حمل که باتری‌ها فراهم می‌کنند، وابسته است. فقط می‌توان تصور کرد که نسل بعدی باتری‌های کوچکتر، قوی‌تر و بادوام‌تر چه چیزی به ارمغان خواهند آورد.
سوالات متداول باتری
انرژی باتری چیست؟
انرژی در یک باتری بر حسب وات-ساعت (علامت Wh) بیان می‌شود، که ولتاژ (V) ارائه شده توسط باتری ضربدر میزان جریانی (آمپر) است که می‌تواند برای یک دوره زمانی مشخص (معمولاً بر حسب ساعت) ارائه دهد.
انواع مختلف باتری‌ها کدامند؟
شیمی‌های (یا انواع) رایج باتری عبارتند از: روی-کربن، قلیایی، لیتیوم-یون (که قابل شارژ هستند) و اسید-سرب (همچنین قابل شارژ). محققان همچنین در حال حاضر در حال توسعه یک باتری “هوا” هستند که در آن الکترودها لیتیوم و اکسیژن موجود در هوا خواهند بود.
قیمت یک باتری ماشین چقدر است؟
انتظار داشته باشید که برای یک باتری ماشین معمولی بین 50 تا 120 دلار و برای باتری با گارانتی طولانی‌تر، عملکرد بهتر در هوای سرد یا برای استفاده در یک وسیله نقلیه لوکس، 90 تا 200 دلار یا بیشتر بپردازید.
منبع انرژی یک باتری چیست؟
باتری‌ها از طریق یک واکنش الکتروشیمیایی انرژی تولید می‌کنند. به عبارت ساده، واکنش در آند الکترون ایجاد می‌کند و واکنش در کاتد آنها را جذب می‌کند. محصول خالص، الکتریسیته است.
باتری‌های قابل شارژ از چه نوعی هستند؟
رایج‌ترین باتری‌های قابل شارژ موجود در بازار، لیتیوم-یون (LiOn) هستند، اگرچه باتری‌های نیکل-متال هیدرید (NiMH) و نیکل-کادمیوم (NiCd) نیز قبلاً بسیار رایج بودند.
نویسندگان: Marshall Brain, Charles W. Bryant, Clint Pumphrey & Yara Simón
مترجم: فؤاد پورفائز
منبع: howstuffworks.com
