مطالبی در مورد انواع و عملکرد باتری های قابل شارژ

مطالبی در مورد انواع و عملکرد باتری های قابل شارژ

امروزه با پیشرفت تکنولوژی و دانش، منابع انرژی همواره محدودتر می شود و میل به ذخیره و قابل بازیافت بودن این روند کاملا محسوس و مورد نیاز است از این رو ادوات شارژی وسایل مورد استفاده روزمره با توجه به اینکه پرتابل و قابل حمل و نقل  میشوند ،لذا تامین منابع آن یکی از ضروریات روزمره زندگی است وچون حفظ محیط زیست برای نسل بشر به امری حیاتی مبدل شده، حفظ منابع تجدیدپذیر و قابل بازیافت نیز  یکی از نشانه های مهم جوامع پیشرفته و متمدن است.

باتریهای فابل شارژ از اصطلاحا سلولهای الکتروشیمیایی تشکیل شده اند که بنا به مصارف مورد نیاز و هزینه ، از مواد مختلفی تشکیل شده اند که به طور کلی عبارنتد از:

باتریهای سرب-اسید (Lead- acid) :

  • این نوع باتریها همان باتریهای استفاده شده در اتومبیل ها هستند فلزسرب در محلول اسید با عث واکنش شیمیایی شده وتولید جریان الکتریکی می کند که دیگر مصارف آن در استارت ماشین، دستگاه های قابل حمل، وسایل نقلیه سبک (مانند ویلچرهای چرخ دار برقی، کارت های گلف، دوچرخه برقی، و جرثقیل های سیار)، ابزارها و نیز دستگاه های تغذیه UPS، استفاده می شود

باتری های نیکل-کادمیوم(NiCd):

  • این باتری ها در ابتدا انرژی مورد نیاز وسایل همراه مانند دوربین، لب تاپ و تلفن های همراه را تامین می کردند.
  • تا سال ۱۹۹۲ استاندارد صنعت برای کامپیوتر های همراه بود.
  • باتری های نیکل- کادمیم به صورت مجازی با باتری های NiMH و Li-ion جایگزین شدند.
  • باتری های نیکل- کادمیم دارای حافظه هستند که باعث می شود بهره آنها به بالاترین حد ممکن نرسد.
  • باتری های نیکل- کادمیم در صورتی که به درستی از بین نروند باعث آلودگی محیط زیست می شوند.
  • قیمت پایین و قابلیت توان بالای این باتری ها آنها را به بهترین گزینه برای وسایل همراه دارای موتور مانند ابزار های قدرتی تبدیل کرده است.
  • از هیدرواکسید نیکل و کادمیم برای الکترود و هیدرواکسید پتاسیم به عنوان الکترولیت استفاده می کنند.

باتری های های نیکل- ترکیب فلز(NiMH):

 ابتدا در سال ۱۹۹۰ معرفی شدند.

  • هیدرواکسید فلز به عنوان محصول فرآیند شارژ تولید شده است.
  • چگالی انرژی در حدود ۵۰ درصد بیشتر از باتری های NiCad است.
  • به سرعت از باتریهای نیکل- کادمیم در صنعت محاسبه سیار (پرتابل) پیشی گرفتند.
  • تنها تفاوت آنها با باتری های NiCd در جنس الکترود منفی است، که در آن از آلیاژ
  • آهن با قابلیت ذخیره مقدار زیادی الکترون استفاده شده است.

باتری های لیتیوم- یون (Li-ion):

  • در مقایسه با وزن آنها توان بسیار بالایی دارند.
  • در لب تاپ ها و تلفن های همراه مدرن به کار برده شده است.
  • هم اکنون بازار را از دست باتری های NiMH ربوده است.
  • از لایه های ورق آلومینیوم که با اکسید کبالت پوشیده شده است و به عنوان کاتد عمل می کند، ساخته شده است و از لایه های مس پوشیده شده با مواد کربنی به عنوان آند استفاده می کند.
  • غشای کاتد و آند با لایه ای از پلاستیک از همدیگر مجزا شده اند و در حالی که به همدیگر پیچیده شده اند در الکترولیت مایع که محیطی از لیتیوم است، غوطه ور شده اند.
  • این باتری های به همان میزان باتری های NiMH انرژی تولید می کنند  ولی با این تفاوت که  ۴۰ درصد از آنها کوچکتر هستند، نصف آنها وزن دارند، و برای محیط زیست سالم تر هستند زیرا آنها شامل مواد  سمی مانند کادمیوم و جیوه نیستند.
  • این باتری ها در حال حاظر از باتری های NiMH گران تر هستند.
  • در رابطه با شارژ باتری های  Li-ion نکات ایمنی باید رعایت شود به این صورت که تنها باید با از شارژهای مخصوص هر باتری از این نوع برای شارژ ان استفاده کرد.

باتری های زینک- هوا(Zinc-air)؛یک الکترود از هوا است:

  • این باتری ها از مرحله تحقیق و توسعه (R&D) گذشته و و هم اکنون در مراحل اولیه تجاری شدن قرار دارند. تفاوت باتری های زینک- هوا با سایر باتری های قابل شارژ به این دلیل است که این باتری ها اکسیژن مورد نیاز برای فرآیند های شیمیایی که منجر به تولید الکتریسیته می شود را مستقیما از هوا استخراج می کنند. الکترود هوا در این باتری ها،در طی فرایند دشارژ(مصرف) اکسیژن را برای تولید جریان الکتریکی جذب می کند و طی فرآیند شارژ باتری اکسیژن را پس می دهد. از آنجایی که در هنگام تخلیه باتری از راه مصرف آن اکسیژن به داخل سلول آورده می شود نیازی به استفاده از اکسید کننده های سنگین فلزی نیست. زمان مفید استفاده در این باتری های نسبت به سایر انواع باتری ها بسیار بهبود یافته است و دارای چگالی انرژی بالا، توان خروجی بالا، و کمترین زمان شارژ در بین همه باتری ها هستند. توسط باتری زینک –هوا می توان انرژی مورد نیاز یک لب تاپ را برای مدت ۸ ساعت تامین کرد.

 فرایند شارژ و دشارژ شدن

در پروسه شارژ باتری قطب مثبت باتری اکسیده می شود و در این فرایند الکترون (حامل بار الکتریکی) تولید می شود و قطب منفی باتری به عنوان مصرف کننده که الکترون ها را جذب می کند عمل می کند. این انتقال الکترون باعث تولید جریان الکتریکی در مدار الکتریکی خارجی باتری می شود. الکترولیت می تواند به عنوان بافر برای یون در حال جریان بین الکترودها(همانند آنچه در باتری های لیتیوم-یون و نیکل-کادمیم اتفاق می افتد) عمل کند. الکترولیت همچنین می تواند در واکنش الکتروشیمیایی نقشی فعال داشته باشد (همانند آنچه در سلول های سرب-اسید دیده می شود).

انرژی که برای شارژ باتری استفاده می شود معمولا از شارژر باتری که به برق متناوب (AC)  پریز متصل است; تامین می شود.

شارژ باتری توسط شارژر می تواند از چند دقیقه در شارژرهای سریع تا چند ساعت طول بکشد.

بیشتر باتری ها این قابلیت را دارند که بسیار سریعتر از زمانی که شارژر برای شارژ نیاز دارد، شارژ شوند. شارژهایی وجود دارند که می توانند باتری ها ی NiMH را در ۱۵ دقیقه شارژ کنند. شارژهای سریع باید از چند شیوه مختلف برای تشخیص شارژ کامل استفاده کنند(مانند تشخیص از طریق ولتاژ، دما و … .  ); تا بتوانند قبل از اینکه به باتری به دلیل شارژ بیش از حد صدمه برسد; فرآیند شارژ را متوقف کنند.

باتری های  چند سلولی قابل شارژ در صورتی که به صورت کامل دشارژ شوند در معرض آسیب به سلول های خود خواهند بود.

در حال حاضر شارژرهایی که میزان جریان شارژکننده را تنظیم می کنند وجود دارند. باید توجه داشت که تلاش برای شارژ باتری های غیر قابل شارژ می تواند باعث انفجار این باتری ها شود. باتری های مایع که در ماشین استفاده می شوند نیز از نوع باتری قابل شارژ محسوب می شوند و با تعویض مایع الکترولیتی موجود در آنها شارژ می شوند.

یادداشت های تکنیکی تولید کنندگان باتری معمولا دارای اصطلاح VPC هستند که به معنی مقدار ولت هر سلول تشکیل دهنده باتری می باشد. به عنوان مثال برای شارژ یک باتری ۱۲ ولتی ( که از ۶ سلول ۲ ولتی تشکیل شده است) با VPC 2.3  به مقدار ولتاژ ۱۳٫۸ (۲٫۳*۶) در ترمینال های شارژ نیاز دارید. باتری های غیر قابل شارژ قلیایی و سلول های زینک- کربن زمانی که نو باشند ولتاژ ۱٫۵ ولت دارند ولی ولتاژ به تدریج شروع به افت می کند. بیشتر باتری های NiMH AAو AAA سلول های ۱٫۲ ولتی دارند و می توانند به جای باتری های قلیایی در وسایل استفاده شوند.

مطالبی در مورد نحوه استفاده ازباتری های قابل شارژ

شارژ معکوس:

قرار دادن باتری دشارژ شده در معرض جریانی در جهت دشارژ (مصرف انرژی باتری) بیشتر باتری; را فرایند شارژ معکوس می نامند که باعث آسیب رساندن به باتری می شود.

شارژ معکوس در شرایطی می تواند پیش بیاید که دو مورد از معمول ترین آنها عبارت اند از:

  •  زمانی که باتری به صورت برعکس به مدار شارژکننده متصل شود.
  •  زمانی که باتری تشکیل شده از سلول های سری با یکدیگر، در حد بالایی دشارژ شده باشد.

زمانی که یک سلول به صورت کامل دشارژ شده است; سلول های دیگر که هنوز شارژ دارند به این سلول کاملا د شارژ شده جریانی در جهت معکوس وارد می کنند (فرآیند وارونه شدن سلول). این اتفاق ممکن است حتی برای سلولی هم که کاملا دشارژ نشده ولی تا حد زیادی ضعیف شده است، پیش بیاید.

اگر جریان نشتی باتری به اندازه کافی بزرگ باشد، مقاومت داخلی سلول ضعیف شده ولتاژ معکوسی را تجربه می کند که بیش از ولتاژ مستقیم باقی مانده در سلول است:

این اتفاق باعث می شود که پلاریته(قطبیت) سلول ضعیف شده برعکس شود(محل قطب های مثبت و منفی عوض می شود) و این در حالی است که جریان از داخل آن در حال عبور است. این فرایند می تواند به طور اساسی سبب کاهش طول عمر سلول ضعیف شده شود و در نتیجه کاهش طول عمر کل باتری را به همراه داشته باشد. هر چه نرخ دشارژ بالاتری مورد نیاز باشد، باید سلول ها بیشتر با یکدیگر هماهنگ باشند; هم از جهت نوع سلول و هم از نظر وضعیت شارژ.

در برخی موارد حاد وارونه شدن سلول باعث انتشار دود و آتش گرفتن باتری می شود; در کاربرد های حیاتی که از باتری های Ni-Cad استفاده می شود، مانند استفاده از آنها در هواپیما; بار(مصرف کننده) به صورت جداگانه به ترمینال هر سلول متصل می شود و به این ترتیب هر سلول به صورت جداگانه دشارژ می شود، این کار مانع وارونه شدن سلول می شود. برای شارژ این باتری ها، مجددا سلول ها به صورت سری در مدار شارژر با یکدیگر قرار داده می شوند.

عمق دشارژ:

DOD یا عمق دشارژ معمولا به صورت درصد ظرفیت نامی آمپر-ساعت بیان می شود؛ DOD 0 درصد به معنی عدم دشارژ است. از آنجایی که ظرفیت قابل استفاده باتری به نرخ دشارژ (یا مصرف) آن و نیز ولتاژ قابل استفاده در پایان مرحله دشارژبستگی دارد، عمق دشارژ باید برای نشان دادن نحوه اندازه گیری آن، تعیین شود.  به دلیل تفاوت های موجود هنگام تولید،  معیار عمق دشارژ برای تخلیه کامل باتری در طول زمان و یا در طول دوره های تخلیه; می تواند تغییر کند.

به طور کلی هرچه عمق دشارژ در دوره های مختلف شارژ/دشارژ کمتر باشد; سیستم باتری قابل شارژ در مقابل این دوره ها تحمل و مقاومت بیشتری خواهد داشت.

اجزای فعال:

اجزای فعال در سلول ثانویه; مواد شیمیایی هستند که ماده فعال دارای بار مثبت و منفی را در الکترولیت تولید می کنند.

بار مثبت و منفی از مواد مختلفی شاخته شده اند که در آن بارمثبت نشان دهنده کاهش پتانسیل و بار منفی دارای پتانسیل اکسایشی هستند. مجموع این پتانسیل ها همان پتانسیل استاندارد یا ولتاژ سلول باتری است.

در سلول های اولیه الکترودهای مثبت و منفی به ترتیب به عنوان کاتد و آند شناخته می شدند. اگرچه این قرارداد گاهی به سیستم های قابل شارژ مخصوصا سلول های  لیتیوم- یون که بر اساس سلول های لیتیوم اولیه هستند; اعمال می شود; ولی این کار می تواند موجب سردرگمی شود.

زیرا; در سلول های قابل شارژ الکترود مثبت در زمان دشارژ کاتد است و در زمان شارژ آند; این مساله به صورت معکوس برای الکترود منفی نیز وجود دارد.

  باتری لپ تاپ:

باتری مورد استفاده در لپ تاپ ها امروزه پیشرفت های بسیار خوبی داشته است; معمولترین نوع باتری مورد استفاده در لب تاپ ها امروزه باتری های Li-ion هستند.

دلیل این امر نیز بهبود انجام شده در این باتری ها در زمینه رفع مشکل اثر حافظه است; باتری های NiMH دارای اثر حافظه بودند که به مرور زمان باعث کاهش کارایی باتری می شد ولی در باتری های Li-ion این مشکل تا حدود زیادی رفع شده است و. بعلاوه; هنگام مقایسه باتری های با ظرفیت مشابه باتری های Li-ion سبک تر هستند.

از آنجا که باتری های Li-ion این مزیت ها را نسبت به سایر باتری ها دارند; معمولا قیمت آنها در بازار گران تر است.

چند توصیه در رابطه با استفاده و شارژ اولیه لب تاپ به صورت زیر ارائه می شود:

 

هنگام خریدباتری لپ تاپ توجه داشته باشید که باتری لپ تاپ مقداری شارژ اولیه دارد; همچنین باید توجه داشت که فروشنده هنگام فروش برای تست دستگاه آن را برای شما روشن خواهد کرد.

با توجه به نکات گفته شده بالا تنها کاری که شما باید انجام دهید این است که پس از رفتن به خانه به همراه لپ تاپ جدیدتان آن را روشن کنید و اجازه دهید شارژ اولیه کاملا خالی شود. در واقع این مهمترین کار است و انچه در ادامه می آید توصیه هایی هستند که برای بالا بردن طول عمر باتری همیشه وجود دارند.

اما برای ادامه; یادآوری می کنیم که در باتری های Li-ion اثر حافظه تا حدود زیادی حل شده است ولی برای اطمینان توصیه می شود پس از وصل کردن باتری به شارژ(دقیقا بعد از خالی شدن شارژ اولیه)، اجازه دهید کاملا شارژ شود و سپس آن را از برق جدا کرده و تا زمانی که خالی نشده آن را به برق نزنید; در این جا توصیه های مربوط به اولین استفاده از باتری لب تاپ تمام می شود.

 

یک مورد بسیار مهم در مورد باتری لپ تاپ رعایت نکته ای ظریف هنگام اتصال دوشاخه به برق است. حتما همیشه باید زدن دوشاخه به پریز برق آخرین کاری باشد که انجام می دهید به این معنی که ابتدا فیش خروجی آداپتور را به پشت (یا کنار) لب تاپ وصل کنید و سپس دو شاخه را به برق وصل کنید. متاسفانه بسیاری این نکته را رعایت نمی کنند که همین باعث آسیب به باتری لب تاپ می شود.

 

باتریهای قابل شارژ در طول فرایند شارژ جریان نسبتا بالایی را ازآداپتور ها می کشند; لذا آداپتورها نیز این قابلیت را دارند که جریان بالا را تولید ودر این فرایند داغ می شوند; لذا داغ شدن آداپتورها در دستگاههای پرتابل از جمله نوت بوک امری عادی است و مشکلی محسوب نمی شود.

 

آداپتورهای اورجینال نوت بوک این قابلیت را دارند که بنا به هماهنگی بین مدار شارژ مادربرد نوت بوک و خود; در هنگام شارژ کامل ،جریان خروجی مدار شارژ را قطع نمایند.

این نکته در مورد خرید آداپتورهای اورجینال و قابل اطمینان بسیار مهم است; زیرا در غیر اینصورت جریان خروجی آداپتور قابلیت قطع کردن مدار شارژ را نداشته و باعث آسیب دیدن دستگاه وانفجار باطری خواهد شد که ممکن است صدمات جدی در پی داشته باشند.

 

اگر قصد جدا کردن باتری را از دستگاه خود دارید; حتما آنرا کامل شارژ نمایید و در مکانی خنک و دور از رطوبت قرار دهید. بدیهی است که استفاده نکردن طولانی مدت از باتری میتواند باعث از بین رفتن مواد شیمیایی و اصطلاحا فاسد شدن آن شود لذا اگر قصد جدا کردن آنرا دارید متناوبا آنرا مورد استفاده قرار دهید.

 

نوت بوکها این قابلیت را دارندکه اعلام زمان درصد دشارژ شدن باتریها را اعلام کنند; همانطورکه قبلا توضیح داده شد آنرا طوری نتظیم کنید که موقع ۱۰ درصد شدن مقدار باتری آنرا اعلام کند و دشارژ کامل نشود لذا در غیر اینصورت باعث جریان کشی زیاد از آداپتور شده که این موضوع نیز آداپتور دستگاه را بسیار داغ و همچنین خود باتری نیز گرم می شود که یکی از عوامل کاهش عمر باتری داغ شدن آن است.

 

 – برای بالا بردن طول عمر لپ تاپ توصیه می شود که زمانی که باتری کاملا شارژ شده; برای مدت زمان طولانی دوشاخه به برق نباشد و گاها موقع استفاده یا خاموش بودن از نوت بوک; همچنان به برق متصل نباشد.

 

معمولا موقع استفاده نکردن از نوت بوک ،مشاهده می شود که مقداری از شارژ آن کم شده است; این امر کاملا طبیعی بوده زیرا سلولهای شیمیایی در فرایند مرور زمان دالکترولیته شده و کم کم مقدار جریان ذخیره شده در آنان کاهش می یابد. از اینرو موارد بالا که باتری جدا شده از دستگاه باید متناوبا مورد استفاده قرار گیرد، توضیح داده می شود.

 

اگر باتری را از نوت بوک خود جدا کرده اید به هیچ عنوان موقع وصل بودن آداپتور به دستگاه (چه دستگاه روشن باشد چه خاموش) باتری را به نوت بوک وصل نکنید زیرا معمولا باتری نوت بوکها در بایوس نوت بوکها شناخته میشوند ودر صورت روشن بودن دستگاه اطلاعات بایوس تحت تاثیر قرار گرفته که خاموش شدن کامل دستگاه به علت پاک شده بایوس امکان دارد.

 

زمان کلی استفاده از باتری ارتباط مستقیم با سخت افزار نوت بوک; نحوه استفاده(اجرا کردن نرم افزارهای سنگین) وشرایط محیطی دارد; لذا مقایسه کردن زمان استفاده باتری در نوت بوکهای مختلف امری کاملا غیر علمی است و مبنای صحت عملکرد باتری نمی باشد.

این نوشته در آموزشی, انگیزشی منتشر شده است، اگر می خواهید این نوشته را به حافظه مرورگر بسپارید اینجا کلیک کنید.

by negar behroozifar