انواع باتری ها و کاربرد آنها
امروزه باتریها همه جا هستند، تقریباً میتوانید آنها را در تمام وسایل الکترونیکی مدرن پیدا کنید. از ساعت تا کامپیوتر و خودروهای برقی گرفته تا ماهواره. این طیف وسیع از کاربردها به طیف گسترده ای از انواع اندازهها و انواع باتری ها نیاز دارد. بحث در مورد انواع باتریهای موجود کار بسیار بزرگی است و موضوع این پست نیست. در عوض ما رایج ترین انواع باتری هایی که در زندگی روزمره خود استفاده میکنیم را مورد بحث قرار خواهیم داد.
باتری مجموعه ای از یک یا چند سلول است که تحت واکنشهای شیمیایی قرار میگیرند تا جریان الکترونها را در یک مدار ایجاد کنند. تحقیقات و پیشرفتهای زیادی در زمینه فناوری باتری در حال انجام است و در نتیجه فناوریهای نوآورانه در حال حاضر در سراسر جهان تجربه و استفاده میشوند. باتریها به دلیل نیاز به ذخیره انرژی الکتریکی تولید شده وارد عمل شدند. به همان اندازه که مقدار خوبی انرژی تولید میشد، ذخیره انرژی مهم بود تا بتوان از آن در زمانی که تولید قطع میشود یا نیاز به برق انداختن دستگاههای مستقلی که نمیتوان آنها را به منبع تغذیه از شبکه برق متصل کرد، استفاده کرد. در اینجا باید توجه داشت که فقط DC را میتوان در باتریها ذخیره کرد، AC را نمی توان ذخیره کرد. باتریها نه تنها به دلیل نیاز به ذخیره انرژی الکتریکی تولید شده و برای اهداف قابل حمل وارد بازی شدند.
سلولهای باتری معمولا از سه جزء اصلی تشکیل شدهاند.
- آند (الکترود منفی)
- کاتد (الکترود مثبت)
- الکترولیت ها
آند یک الکترود منفی است که به مدار خارجی که باتری به آن متصل است، الکترون تولید میکند. هنگامی که باتریها متصل میشوند، تجمع الکترون در آند آغاز میشود که باعث ایجاد اختلاف پتانسیل بین دو الکترود میشود. سپس الکترونها به طور طبیعی سعی میکنند خودشان را دوباره توزیع کنند، الکترولیت از این کار جلوگیری میکند، بنابراین وقتی یک مدار الکتریکی متصل میشود، مسیر روشنی را برای حرکت الکترونها از آند به کاتد فراهم میکند و در نتیجه مداری که به آن متصل است را تغذیه میکند. با تغییر آرایش و مواد مورد استفاده برای ساخت آند، کاتد و الکترولیت، میتوانیم به انواع مختلفی از شیمی باتری دست یابیم که ما را قادر میسازد انواع مختلفی از سلولهای باتری را طراحی کنیم. در این مقاله انواع مختلف باتریها و کاربردهای آنها را بررسی میکنیم، پس بیایید شروع کنیم.
انواع باتری
به طور کلی باتریها را میتوان به دستهها و انواع مختلفی طبقه بندی کرد، از ترکیب شیمیایی، اندازه، فاکتور شکل و موارد استفاده، اما در همه اینها دو نوع باتری اصلی وجود دارد.
- باتریهای اولیه
- باتریهای ثانویه
بیایید نگاهی عمیقتر بیندازیم تا تفاوتهای اصلی بین سلول Primacy و سلول ثانویه را درک کنیم.
1. باتریهای اولیه
باتریهای اولیه به باتری هایی گفته میشود که پس از اتمام شارژ مجدد نمی توان آنها را شارژ کرد باتریهای اولیه از سلولهای الکتروشیمیایی ساخته شده اند که واکنش الکتروشیمیایی آنها قابل برگشت نیست.
باتریهای اولیه به اشکال مختلف از سلولهای سکه ای گرفته تا باتریهای AA وجود دارند . آنها معمولاً در برنامههای مستقل استفاده میشوند که در آن شارژ غیرعملی یا غیرممکن است. نمونه خوبی از آن در دستگاههای درجه نظامی و تجهیزات باتری دار است. استفاده از باتریهای قابل شارژ غیرعملی خواهد بود زیرا شارژ مجدد باتری آخرین چیزی است که در ذهن سربازان وجود دارد. باتریهای اولیه همیشه انرژی ویژه بالایی دارند و سیستمهایی که در آنها استفاده میشوند همیشه به گونهای طراحی شدهاند که انرژی کم مصرف میکنند تا باتری تا حد ممکن دوام بیاورد.
برخی از نمونههای دیگر دستگاههایی که از باتریهای اولیه استفاده میکنند عبارتند از: سرعت سازها، ردیاب حیوانات، ساعت مچی، کنترل از راه دور و اسباب بازیهای کودکان و…
محبوب ترین نوع باتریهای اولیه، باتریهای قلیایی هستند. آنها انرژی ویژه بالایی دارند و سازگار با محیط زیست، مقرون به صرفه هستند و حتی در صورت تخلیه کامل نشت نمی کنند. آنها را میتوان برای چندین سال ذخیره کرد، سابقه ایمنی خوبی دارند و میتوان آنها را بدون اینکه تابع مقررات حمل و نقل سازمان ملل متحد و سایر مقررات باشد، در هواپیما حمل کرد. تنها نقطه ضعف باتریهای قلیایی جریان بار کم است که استفاده از آن را محدود به دستگاه هایی با نیاز جریان کم مانند کنترل از راه دور، چراغ قوه و دستگاههای سرگرمی قابل حمل میکند. انواع دیگر باتریهای اولیه معمولی عبارتند از: باتریهای روی کربن، باتریهای لیتیومی، باتریهای جیوه، باتریهای اکسید نقره، باتریهای روی هوا و باتریهای روی کلرید
2. باتریهای ثانویه
باتریهای ثانویه باتریهایی با سلولهای الکتروشیمیایی هستند که واکنشهای شیمیایی آنها را میتوان با اعمال ولتاژ خاصی به باتری در جهت معکوس معکوس کرد. باتریهای قابل شارژ نیز نامیده میشوند، سلولهای ثانویه برخلاف سلولهای اولیه میتوانند پس از مصرف انرژی باتری، دوباره شارژ شوند.
آنها معمولاً در کاربردهای با تخلیه زیاد و سایر حالات استفاده میشوند که در آن استفاده از باتریهای تک شارژ بسیار گران یا غیر عملی خواهد بود. باتریهای ثانویه با ظرفیت کم برای تأمین انرژی دستگاههای الکترونیکی قابل حمل مانند تلفنهای همراه و سایر ابزارها و لوازم خانگی مورد استفاده قرار میگیرند در حالی که باتریهای سنگین برای تأمین انرژی خودروهای الکتریکی مختلف و سایر برنامههای با تخلیه بالا مانند تسطیح بار در تولید برق استفاده میشوند. آنها همچنین به عنوان منبع تغذیه مستقل در کنار اینورترها برای تامین برق استفاده میشوند. اگرچه هزینه اولیه خرید باتریهای قابل شارژ همیشه بسیار بیشتر از باتریهای اولیه است، اما در دراز مدت مقرون به صرفه ترین هستند.
باتریهای ثانویه را میتوان بر اساس ترکیب شیمیایی آنها به چندین نوع دیگر طبقهبندی کرد . این بسیار مهم است زیرا شیمی برخی از ویژگیهای باتری از جمله انرژی خاص، عمر چرخه، ماندگاری و قیمت را تعیین میکند.
در زیر انواع مختلف باتریهای قابل شارژ که معمولا مورد استفاده قرار میگیرند آورده شده است.
- نیکل کادمیوم (Ni-Cd)
- نیکل-هیدرید فلز (Ni-MH)
- اسید سرب
- لیتیوم یون (Li-ion)
-
- فسفات آهن لیتیوم (LiFePO4)
- لیتیوم نیکل منگنز اکسید کبالت (NMC)
- اکسید آلومینیوم لیتیوم نیکل کبالت (NCA)
- اکسید لیتیوم کبالت (LCO)
- اکسید لیتیوم منگنز (LMO)
- لیتیوم تیتانات (LTO)
1. باتریهای نیکل کادمیوم
باتری نیکل کادمیوم (باتری NiCd یا باتری NiCad) نوعی باتری قابل شارژ است که با استفاده از هیدروکسید نیکل اکسید و کادمیوم فلزی به عنوان الکترود ساخته میشود. باتریهای Ni-Cd در حفظ ولتاژ و نگه داشتن شارژ در زمان عدم استفاده عالی هستند. با این حال، باتریهای NI-Cd به راحتی قربانی اثر وحشتناک «حافظه» میشوند که یک باتری نیمه شارژ شده مجدداً شارژ میشود و ظرفیت باتری در آینده کاهش مییابد.
در مقایسه با سایر انواع سلولهای قابل شارژ، باتریهای Ni-Cd چرخه عمر و عملکرد خوبی را در دماهای پایین با ظرفیت مناسب ارائه میدهند، اما مهمترین مزیت آنها توانایی آنها در ارائه ظرفیت کامل نامی خود با نرخهای دشارژ بالا است. آنها در اندازههای مختلف از جمله اندازههای مورد استفاده برای باتریهای قلیایی، AAA تا D موجود هستند. سلولهای Ni-Cd به صورت جداگانه یا مونتاژ شده در بستههای دو یا چند سلولی استفاده میشوند. بستههای کوچک در دستگاههای قابل حمل، وسایل الکترونیکی و اسباب بازیها استفاده میشوند، در حالی که بستههای بزرگتر در باتریهای راه اندازی هواپیما، وسایل نقلیه الکتریکی و منبع تغذیه آماده به کار کاربرد دارند.
برخی از خواص باتریهای نیکل کادمیوم در زیر ذکر شده است.
- انرژی ویژه: 40-60W-h/kg
- چگالی انرژی: 50-150 Wh/L
- توان ویژه: 150 وات بر کیلوگرم
- راندمان شارژ/دشارژ: 70-90%
- نرخ خود تخلیه: 10٪ در ماه
- دوام / عمر چرخه: 2000 چرخه
2. باتریهای نیکل متال هیدرید
هیدرید فلز نیکل (Ni-MH) نوع دیگری از پیکربندی شیمیایی است که برای باتریهای قابل شارژ استفاده میشود. واکنش شیمیایی در الکترود مثبت باتریها مشابه واکنش سلول نیکل-کادمیم (NiCd) است که هر دو نوع باتری از هیدروکسید اکسید نیکل یکسان (NiOOH) استفاده میکنند. با این حال، الکترودهای منفی موجود در نیکل-فلز هیدرید از آلیاژ جذب کننده هیدروژن به جای کادمیوم استفاده میکنند که در باتریهای NiCd استفاده میشود.
باتریهای NiMH به دلیل ظرفیت و چگالی انرژی بالا در دستگاههای با تخلیه بالا کاربرد پیدا میکنند. یک باتری NiMH میتواند دو تا سه برابر ظرفیت باتری NiCd با همان اندازه داشته باشد و چگالی انرژی آن میتواند به یک باتری لیتیوم یون نزدیک شود. برخلاف شیمی NiCd، باتریهای مبتنی بر شیمی NiMH نسبت به اثر «حافظه» که NiCads تجربه میکنند، حساس نیستند .
در زیر برخی از خواص باتریها بر اساس شیمی هیدرید نیکل-فلز آورده شده است.
- انرژی ویژه: 60-120 ساعت بر کیلوگرم
- چگالی انرژی: 140-300 Wh/L
- توان ویژه: 250-1000 وات بر کیلوگرم
- راندمان شارژ/دشارژ: 66٪ – 92٪
- میزان خود تخلیه: 1.3-2.9٪ در ماه در دمای 20 درجه سانتیگراد
- چرخه دوام/عمر: 180 -2000
3. باتریهای سرب اسید
باتریهای سرب اسیدی یک نیروی کار قابل اعتماد کم هزینه هستند که در کاربردهای سنگین مورد استفاده قرار میگیرند. آنها معمولاً بسیار بزرگ هستند و به دلیل وزنشان، همیشه در کاربردهای غیرقابل حمل مانند ذخیره انرژی پنلهای خورشیدی، احتراق و چراغهای خودرو، توان پشتیبان و تسطیح بار در تولید/توزیع برق استفاده میشوند. سرب اسید قدیمی ترین نوع باتری قابل شارژ است و هنوز هم در دنیای امروز بسیار مرتبط و مهم است. باتریهای سرب اسید نسبت انرژی به حجم و انرژی به وزن بسیار پایینی دارند، اما نسبت توان به وزن نسبتاً زیادی دارند و در نتیجه میتوانند جریانهای موج عظیمی را در صورت نیاز تامین کنند. این ویژگیها در کنار هزینه کم آن، این باتریها را برای استفاده در چندین کاربرد با جریان بالا مانند تغذیه موتورهای استارت خودرو و برای ذخیرهسازی در منابع تغذیه پشتیبان جذاب میکند.
4. باتریهای لیتیوم یون
باتریهای لیتیوم یونی یکی از محبوب ترین انواع باتریهای قابل شارژ هستند. انواع مختلفی از باتریهای لیتیومی وجود دارد، اما در میان تمام باتریهای لیتیوم یونی بیشترین استفاده را دارند. شما میتوانید این باتریهای لیتیومی را در اشکال مختلف در میان وسایل نقلیه الکتریکی و سایر وسایل قابل حمل استفاده کنید .آنها در وسایل قابل حمل مختلف از جمله تلفنهای همراه، دستگاههای هوشمند و چندین وسیله باتری دیگر که در خانه استفاده میشوند، یافت میشوند. آنها همچنین به دلیل ماهیت سبک وزن خود در کاربردهای هوافضا و نظامی کاربرد دارند.
باتریهای لیتیوم یونی نوعی باتری قابل شارژ هستند که در آن یونهای لیتیوم از الکترود منفی در هنگام تخلیه به الکترود مثبت رفته و زمانی که باتری در حال شارژ شدن است دوباره به الکترود منفی میروند. باتریهای لیتیوم یون از ترکیب لیتیومی به عنوان یک ماده الکترود استفاده میکنند، در مقایسه با لیتیوم فلزی مورد استفاده در باتریهای لیتیومی غیرقابل شارژ.
باتریهای لیتیوم یونی معمولاً دارای چگالی انرژی بالا، اثر حافظه کم یا بدون اثر حافظه و تخلیه خود کم در مقایسه با سایر انواع باتریها هستند. شیمی آنها در کنار کارایی و هزینه در موارد استفاده مختلف متفاوت است، به عنوان مثال، باتریهای لیتیوم یونی که در دستگاههای الکترونیکی دستی استفاده میشوند، معمولاً مبتنی بر اکسید لیتیوم کبالت (LiCoO 2 ) هستند که در هنگام آسیب دیدگی لیتیوم یون، چگالی انرژی بالا و خطرات ایمنی پایینی را فراهم میکند. باتریهای مبتنی بر فسفات آهن لیتیوم که چگالی انرژی کمتری ارائه میدهند، به دلیل کاهش احتمال وقوع رویدادهای ناگوار، ایمنتر هستند، به طور گسترده در تأمین انرژی ابزارهای الکتریکی و تجهیزات پزشکی استفاده میشوند. باتریهای لیتیوم یون بهترین عملکرد نسبت به وزن را با باتریهای لیتیوم گوگردی بالاترین نسبت را ارائه میدهند.
برخی از ویژگیهای باتریهای لیتیوم یونی در زیر ذکر شده است.
- انرژی ویژه: 100: 265W-h/kg
- چگالی انرژی: 250: 693 Wh/L
- توان ویژه: 250: 340 وات بر کیلوگرم
- درصد شارژ/دشارژ: 80-90%
- دوام چرخه: 400: 1200 چرخه
- ولتاژ اسمی سلول: NMC 3.6/3.85V
در باتریهای لیتیوم یونی، بسته به نوع باتری مورد استفاده، انواع مختلفی وجود دارد. در اینجا برخی از محبوب ترین انواع باتری لیتیوم یونی آورده شده است.
آ. باتریهای لیتیوم فسفات آهن
به دلیل استفاده از آهن و فسفات در تولید، ساخت باتریهای LiFePO4 ارزانتر از انواع معمولی Li-Ion است. با این حال، آنها انرژی ویژه کمتری نسبتاً ارائه میدهند. علاوه بر این، باتریهای LiFePO4 یکی از ایمن ترین انواع باتریهای لیتیومی قابل شارژ محسوب میشوند و طول عمر بالایی دارند. امروزه به دلیل قیمت پایین و ایمنی آنها برای استفاده با سیستمهای پشتیبان برق بسیار محبوب هستند.
ب لیتیوم نیکل منگنز اکسید کبالت (NMC)
در باتری NMC کاتدها معمولاً حاوی مقادیر زیادی نیکل هستند که چگالی انرژی باتری را افزایش میدهد. با این حال، این میزان بالای نیکل باتری را بسیار ناپایدار و خطرناک میکند. برای اینکه باتریهای NMC از نظر حرارتی پایدارتر و ایمن تر شوند، منگنز و کبالت اضافه میشوند. بسته به ترکیب شیمیایی دقیق، چندین نوع فرعی در باتریهای NMC وجود دارد، مانند NMC811، NMC532 و NMC622 و غیره.
ج اکسید آلومینیوم لیتیوم نیکل کبالت (NCA)
NCA باتری مشابهی با نوع NMC دارد. اما به جای منگنز از آلومینیوم به عنوان عامل پایداری استفاده میشود. در مقایسه با سایر باتریهای لیتیوم یون، باتریهای NCA و معمولاً گرانتر و ایمنتر هستند.
د اکسید لیتیوم کبالت (LCO)
در مقایسه با سایر باتریهای لیتیوم یون، باتریهای LCO چگالی انرژی بالایی دارند. اما دارای معایبی مانند عمر باتری نسبتاً کوتاه تر، پایداری حرارتی کم، توان ویژه محدود و غیره است. مقدار قدرت برای مدت زمان بیشتری مورد نیاز است.
ه. اکسید لیتیوم منگنز (LMO)
اکسید منگنز لیتیوم (LMO) قابلیت شارژ و تخلیه سریعتر همراه با پایداری بالاتر را ارائه میدهد. آنها میتوانند جریان بسیار بالاتری را برای مدت زمان کوتاه تری نسبت به انواع دیگر باتریها ارائه دهند. آنها حتی در ترکیب با شیمی NMC در خودروهای برقی استفاده میشوند، زیرا قابلیت جریان بالاتری دارند.
ه. لیتیوم تیتانات (LTO)
برخلاف دیگر شیمیهای بالا، که ترکیب کاتد تفاوت را ایجاد میکند، باتریهای LTO از سطح آند منحصر به فرد ساخته شده از اکسیدهای لیتیوم و تیتانیوم استفاده میکنند. این باتریها ایمنی و عملکرد عالی را در دماهای شدید نشان میدهند، اما ظرفیت پایینی دارند و نسبتاً گران هستند و استفاده از آنها را در مقیاس محدود میکند.
هر یک از این باتریها دارای بهترین قسمت مناسب هستند و تصویر زیر به شما کمک میکند بین آنها انتخاب کنید.
اندازههای مختلف باتری
همانطور که در مورد باتریهای مختلف بر اساس ترکیب شیمیایی آنها میدانیم، اکنون بیایید به اندازه یا بسته بندی باتریهای مختلف نگاه کنیم. از آنجایی که پوشاندن تمام بستههای موجود دشوار و غیر ضروری است، ما به بررسی رایجترین انواع باتری میپردازیم. برای شروع بیایید به انواع مختلف باتریهای اولیه ای که استفاده میکنیم نگاهی بیندازیم. تصویر زیر انواع مختلف باتریهای غیر قابل شارژی را که ما هر روز استفاده میکنیم نشان میدهد. باتریهای برادر بزرگتر نوع D و C معمولاً در دستگاه هایی مانند رادیو، پخش کاست، اسباب بازیها و چراغ قوه استفاده میشوند. AA، AAA و AAAA معمولاً در دستگاه هایی مانند ساعت زنگ دار، لوازم الکترونیکی قابل حمل، کنترل از راه دور و … استفاده میشدند. باتریهای PP3 یا 6F22 بیشتر در تجهیزات تست صنعتی مانند مولتی متر، تستر کابل و … استفاده میشوند.
نوع دیگری از باتری که ما استفاده میکنیم، باتری سکه ای است. اندازه کوچکی دارند و شبیه سکه یا دکمه هستند. آنها بیشتر در دستگاه هایی با مصرف برق بسیار کم مانند ساعت، ماشین حساب و کلید ماشین استفاده میشوند. شما همچنین میتوانید آنها را در اکثر دستگاههای دارای RTC در آن پیدا کنید. آنها در چنین دستگاه هایی فقط برای تامین انرژی پشتیبان به تراشههای RTC برای زمان سنجی استفاده میشوند. در اینجا برخی از رایج ترین باتریهای سکه ای مورد استفاده قرار میگیرند.
اکنون اگر به باتریهای قابل شارژ نگاه کنیم، آنها در انواع مختلف بسته بندی موجود هستند. در اینجا قصد داریم بستههای مختلف باتری قابل شارژ استوانه ای را بررسی کنیم. باتریهای NiMH و NiCd در بستههای معمولی AAA یا AA موجود هستند، در حالی که باتریهای لیتیوم یون در انواع بستهبندی خاص خود عرضه میشوند. رایج ترین نوع باتری 18650 است. که در بسیاری از گجتهای شارژی موجود در بازار یافت میشود. اکثر بستههای استوانهای لیتیوم یون در چنین طرح عددی نامگذاری میشوند، که در آن دو عدد اول قطر را نشان میدهند در حالی که عدد دوم و سوم طول را نشان میدهند. برای مثال باتری 18650 65 میلی متر طول و 18 میلی متر قطر خواهد داشت. تصویر زیر محبوب ترین بستههای باتری لیتیوم آهن را نشان میدهد.
انتخاب باتری مناسب برای برنامه شما
یکی از مشکلات اصلی که مانع انقلابهای فناوری مانند اینترنت اشیا میشود، برق است، عمر باتری بر استقرار موفقیتآمیز دستگاههایی که به عمر باتری طولانی نیاز دارند تأثیر میگذارد و حتی با وجود اینکه چندین تکنیک مدیریت انرژی برای دوام بیشتر باتری به کار گرفته میشود، همچنان برای رسیدن به نتیجه مطلوب باید یک باتری سازگار انتخاب شود.
در زیر برخی از عواملی که هنگام انتخاب نوع باتری مناسب برای پروژه خود باید در نظر بگیرید آورده شده است.
1. چگالی انرژی: چگالی انرژی کل مقدار انرژی است که میتوان در واحد جرم یا حجم ذخیره کرد. این تعیین میکند که دستگاه شما چه مدت قبل از نیاز به شارژ مجدد روشن بماند.
2. تراکم توان: حداکثر نرخ تخلیه انرژی در واحد جرم یا حجم. کم مصرف: لپ تاپ، آی پاد. قدرت بالا: ابزار برقی.
3. ایمنی : در نظر گرفتن دمایی که دستگاهی که میسازید در آن کار میکند مهم است. در دماهای بالا، برخی از اجزای باتری خراب میشوند و میتوانند تحت واکنشهای گرمازا قرار گیرند. دمای بالا به طور کلی عملکرد اکثر باتریها را کاهش میدهد.
4. دوام چرخه عمر: پایداری چگالی انرژی و چگالی توان باتری با چرخه مکرر (شارژ و دشارژ) برای عمر طولانی باتری مورد نیاز اکثر برنامهها مورد نیاز است.
5. هزینه: هزینه بخش مهمی از هر تصمیم مهندسی است که میگیرید. مهم است که هزینه انتخاب باتری شما متناسب با عملکرد آن باشد و هزینه کلی پروژه را به طور غیر عادی افزایش ندهد.