جشنواره عیدانه آیفون

تحقیق درباره باتری و شیوه کارکرد آنها

همه چیز درباره باتری ها و کارکردشان

باتری چیست

آشنایی با باتری ها و انواع آنها

باتری یا پیل الکتریکی منبعی از انرژی پتانسیل الکتریکی است که در درون آن با انجام واکنش‌های شیمیایی، انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود، این انرژی در قطب‌های باتری قابل دریافت است. انرژی قابل دریافت در قطب‌های باتری به ازای یکای بار الکتریکی را نیروی محرکه الکتریکی (Electromotive force یا emf) باتری می‌گویند و آن را با یکای ولت اندازه‌گیری می‌کنند. قطب مثبت باتری را کاتد و قطب منفی آن را آند می‌نامند.

باتری یک قطعه ذخیره سازی الکتریکی هست. همانطور که تغییرات شیمیایی در باتری انجام می شود، انرژی الکتریکی ذخیره و آزاد می شد. در باتری های قابل شارژ این فرایند می تواند چندین بار تکرار شود. باتری ها صد در صد کارایی ندارند. مقداری از انرژی باتری در اثر گرما و فعالیت های شیمیایی که در زمان شارژ و دشارژ انجام می دهد هدر می رود. اگر شما ۱۰۰۰ وات از باتری استفاده کنید، ممکن است ۱۲۰۰ وات یا بیشتر از باتری تخلیه شود.

تاریخچه باتری

پیل الکتریکی یا باتری در ایران باستان در فاصله سال‌های ۲۵۰ ق. م تا ۲۲۴ پ. م در تیسفون ساخته شد. این باتری‌ها به باتری‌های بغداد و پیل الکتریکی مشهورند. شرکت جنرال الکتریک این باتری‌ها را با روش تاریخ‌گذاری رادیوکربن (به انگلیسی: Radiocarbon dating) شبیه‌سازی کرده‌است.

معلوم شده‌است که قدمت این پیل‌ها به ۲۰۰ سال پیش از میلاد می‌رسد. این پیل‌ها دارای بدنهٔ بیرونی از جنس ارتن ور بوده که حاوی میله‌ای آهنی است و به وسیلهٔ بخشی از بدنهٔ مسی (میلهٔ آهنی درون استوانهٔ مسی) ایزوله شده‌است. زمانی که درون محفظه با محلولی الکترولیت مانند آبلیمو پر شود، این وسیله جریان الکتریکی خفیفی تولید می‌کند. این احتمال وجود دارد که این وسیله برای آبکاری الکتریکی جواهر به کار می‌رفته‌است.

در سال ۱۳۱۷ خورشیدی برابر با ۱۹۳۸ میلادی، باستان‌شناس آلمانی ویلهلم کونیک و همکارانش ابزارهایی را در نزدیکی تیسفون پایتخت ایران در دوران اشکانیان یافتند. پس از بررسی معلوم شد که این ابزارها پیل‌های الکتریکی هستند که در دوره تاریخی ایران اشکانی ساخته شده و به کار برده می‌شده‌اند.

او این پیل‌های تیسفون را باتری پارتی نامید که امروزه با نام‌های دیگر همچون باتری پارتیان یا پیل اشکانی هم مشهورند. او در مقاله‌ای این مطلب را منتشر کرد و از این وسیله با عنوان باتری باستانی یاد کرد که برای آبکاری الکتریکی و انتقال لایه‌ای از طلا یا نقره از سطحی به سطح دیگر به کار می‌رفته‌است.

این اکتشاف مربوط به دوره تاریخی سلسله اشکانیان، تاحدی موجب شگفتی است. حتی برخی از دانشمندان اروپایی و آمریکایی این باتری را به موجودات فضایی افسانه‌ای و احتمالاً ساکنان فراهوشمند سیارات دیگر که تصور می‌شود با بشقاب‌های پرنده و کشتی‌های فضایی به زمین آمده بودند، نسبت دادند، و آن را فراتر از دانش اندیشمندان و پژوهشگران آن دوران دانستند. برای ایشان پذیرفتنی نبود که دانش ایرانیان در ۱۵۰۰ سال پیش از گالوای ایتالیایی(۱۷۸۶ میلادی) که پیل الکتریکی را اختراع نمود تا به این حد بالا باشد.

به احتمال زیاد، ساکنان بین‌النهرین از این پیل‌های الکتریکی جریان برق تولید می‌کردند و از آن برای آبکاری اشیاء زینتی سود می‌جستند. اما در پهنه دریانوردی منطقه خاورمیانه از این اختراع جهت آبکاری ابزارهای آهنی در کشتی و جلوگیری از زنگ زدن و تخریب آن‌ها استفاده می‌کردند.

این تئوری بعدها توسط دانشمندان دیگری به بوته آزمایش سپرده شد. ویلارد گری، مهندس برق شرکت جنرال الکتریک در ایالت ماساچوست، پس از مطالعهٔ مقالهٔ کونیگ تصمیم گرفت باتری بغداد را بازسازی کند. وی درون کوزهٔ سفالین را با آب انگور، سرکه یا محلول سولفات مس پر کرد و موفق به تولید ولتاژ حدود ۱٫۵ تا ۲ ولت شد.

بعدها دکتر اگبرشت، مصرشناس مشهور در سال ۱۹۷۸ نمونه‌ای از باتریهای بغداد را بازسازی کرد و آن را با آب انگور پر نمود و توانست ولتاژ ۰٫۸۷ ولت تولید کند. وی از این پیلها برای طلاکاری یک پیکرهٔ نقره‌ای استفاده کرد. نمونه‌های بیشتری از این باتری‌های باستانی در سال ۱۹۹۹ توسط دانشجویان دکتر Marjorie Senechal، استاد ریاضیات و تاریخ علم در Smith College ماساچوست، ساخته شد. آن‌ها با پر کردن کوزهٔ آن با سرکه قادر به تولید ولتاژ ۱٫۱ ولت بودند. علاوه بر تئوری استفاده از این باتری ها برای آبکاری الکتریکی فلزها، تئوری‌های دیگری مبنی بر استفادهٔ پزشکی یا موارد دیگر داده شده اند.”

انواع باتری

باتری ها رو به روش های مختلفی دسته بندی میکنند مثلا بر اساس حالت الکترولیت (خشک و تر)، بر اساس جنس الکترولیت و صفحات و بر اساس قابلیت شارژ. بر اساس دسته بندی قابلیت شارژ به دو دسته باتری های اولیه (غیر قابل شارژ) و باتری های ثانویه (قابل شارژ) تقسیم میشوند:

● باتریهای غیرقابل شارژ استاندارد

▪ الکالاین یا قلیایی (Alkaline )

کارآمدی باتریهای قلیایی معمولا ۱۰ برابر کارآمدی باتریهای قدیمی روی ـ کربن است . آنها طول عمر بیشتری دارند و می توانند ۸۵ درصد از ظرفیت خود را پس از پنج سال ذخیره حفظ کنند . باتریهای قلیایی کمتر نشت می کنند و در محدوده گسترده ای از دمای محیط می توانند کار کنند .

▪ لیتیم (Lithium )

باتریهای لیتیم از لیتیم در حالت فلزی آن استفاده می کنند تا به یک چگالی انرژی بسیار بالا دست پیدا کنند ، در نتیجه مدت عمل طولانی و طول عمر نگهداری (در قفسه ) زیادی دارند . باتریهای لیتیم می توانند پس از پنج سال عدم استفاده تا ۹۷ درصد از ظرفیت اسمی خود را حفظ کنند. باتریهای لیتیم بهترین جایگزین برای باتریهای قلیایی استاندارد دوربینهای دیجیتال ، دستگاهای پخش MP۳ و سایر وسایل الکترونیکی هستند .

● باتریهای شارژ شدنی

▪ نیکل ـ کادمیم (Ni cd یا nickel cadmium )

باتریهای نیکل ـ کادمیم سرعت شارژ شدن بالایی را فراهم می سازند و می توانند طول عمر خوبی داشته باشند با بیش از هزار چرخه شارژ/دشارژ . اگر پیش از آنکه باتریهای نیکل ـ کادمیم کاملا دشارژ (خالی ) نشوند آنها را شارژ کنید کارآیی آنها پایین می آید . بعضی از شارژرهای باتریهای نیکل ـ کادمیم دارای مداری برای دشارژ کردن باتری ، پیش از شارژ کردن آنها هستند. باتریهای نیکل ـ کادمیم به یک دوره break in نیاز دارند . بسیاری از سازندگان این نوع باتریها سه بار چرخه شارژ/دشارژ را پیش از آنکه باتری به حالت بهینه خود برسد توصیه می کنند.

▪ باتری های هیبرید نیکل ـ فلز (NّiMH یا nickel metal hybride )

باتریهای NIMH سی تا چهل درصد ظرفیت انبارش بیشتری را نسبت به معادلهای نیکل ـ کادمیم دارند، اما تعداد چرخه شارژ/دشارژ مجدد کمتری را پشتیبانی میکنند بین ۳۰۰ تا ۵۰۰ چرخه معمول است . باتریهای NIMH پیش از شارژ به دشارژ کامل نیاز ندارند ، در نتیجه می توانید پیش از یک استفاده طولانی برنامه ریزی شده ، آن را کاملا شارژ کنید.

اگر باتری NIMH تعداد دفعات زیادی بطور کامل دشارژ (خالی) شود طول عمر آن کم می شود . هر چند اگر گاهی اجازه دهید که کاملا تخلیه شود به گونه ای بهینه کار خواهد کرد .شارژ کردن باتریهای NIMH نسبت به معادل باتریهای نیکل ـ کادمیم طولانی تر است و اگر بیش از حد شارژ شوند یا در زمانی که باتری داغ است شارژ ادامه یابد احتمال دارد که خراب شوند . شارژرهای NIMH خوب می توانند جلوی شارژ بیش از حد باتری را بگیرند یا اگر دمای داخلی باتری زیاد باشد عمل شارژ را متوقف کنند .

▪ باتری های لیتیم ـ یون (Lithium Ion )

باتریهای لیتیم ـ یون بالاترین چگالی انرژی را فراهم می سازند .تقریبا دو برابر انرژی قابل دسترسی از باتریهای نیکل ـ کادمیم . آنها به دشارژ کامل نیاز ندارند ، به دوره break in نیاز ندارند و از مسئله حافظه باتری خبر ندارند . می توانید در هر زمانی یک باتری لیتیم ـ یون را بی آنکه روی کارآیی باتری اثر بگذارد شارژ کنید، اما چون باتریهای لیتیم ـ یون معمولا دارای طول عمر شارژ/دشارژ ۳۰۰ تا ۵۰۰ چرخه هستند اگر زود به زود و قبل از تخلیه ، این باتری را شارژ کنید طول عمر باتری را پایین می آورید . با آنکه بسیاری از سازندگان باتریهای لیتیم ـ یون طول عمر باتری را تا سه سال ذکر می کنند ، بعضی از مصرف کنندگان طول عمر تا ۱۸ ماه را گزارش کرده اند.

▪ پولیمر لیتیم ـ یون (Li Ion polymer )

باتریهای پولیمر لیتیم ـ یون که گاهی به Li Poly یا Lipo نیز مشهورند ، اساسا شبیه به باتریهای لیتیم ـ یون هستند . اختلاف اصلی در آن است که پولیمرهای لیتیم ـ یون بسیار نازکتر هستند ، با اندازه هایی به کوچکی یک میلیمتر . باتریهای پولیمر لیتیم ـ یون بسیار سبک نیز هستند و در برابر شارژ بیش از حد و نشت مواد شیمیایی نیز مقاومترند. اما تولید آنها گرانتر از باتریهای لیتیم ـ یون تمام می شود و چگالی انرژی پایین تری دارند . باتریهای پولیمر لیتیم ـ یون بیشتر در وسایل الکترونیکی سبک وزن و گران قیمت مانند گوشیهای موبایل به کار می روند.

● دقت در جابجایی

همه انواع باتری ها جایگزین پذیر نیستند . هرگز از باتری لیتیم ـ یون روی وسیله ای که برای استفاده از این نوع باتری طراحی نشده است بهره نگیرید . معمولا می توانید از باتریهای نیکل ـ بنیاد قابل شارژ به جای باتریهای الکالاین هم اندازه بهره بگیرید و مسئله ای پیش نیاید . اگر به جای باتری های غیر قابل شارژ استاندارد می خواهید از باتریهای قابل شارژ نیکل ـ بنیاد بهره بگیرید ، یک شارژر با کیفیت خوب بخرید . شارژرهای باتری خوب می توانند طول عمر باتری را زیاد کنند.

انواع باتری از نظر کاربرد عبارت اند از:

⭕ باتری‌های خورشیدی که شارژ آن‌ها تابع قوانین خاص است.

⭕ باتری‌های مورد استفاده در. ups و لپ‌تاپ و موبایل که توانایی تأمین یک جریان ثابت برای مدت زمان طولانی را دارند.

⭕ باتری‌های اتومبیل، لیفتراک و موتورسیکلت که می‌توانند جریان زیادی را در مدت زمان کوتاه جهت استارت تأمین کنند.

⭕ باتری‌های سامانه‌های حفاظتی، روشنایی، امنیتی و سامانه‌های کنترل که باید دارای عمر و پایداری بالایی باشند.

⭕ باتری‌های قلمی و نیم قلمی و…(باتری که برای مصارف عمومی ساخته شده‌اند) این باتری‌ها باید ارزان باشند.

⭕ باتری‌ ها سکه‌ای و باتری‌های پشتیبان که می‌توانند جریان کمی را برای مدت زمان خیلی طولانی تأمین کنند.
و…

کارکرد باتری

معمولاً هر باتری از یک یاچند سلول کوچک داخلی تشکیل شده‌است، در باتری‌ها ممکن است سلول‌ها برای افزایش جریان با هم موازی شده یا برای افزایش ولتاژ با هم سری شوند، هر سلول شامل دو نیم سلول است که به صورت سری توسط ماده‌ای الکترولیت -شامل یون‌های مثبت و یون‌های منفی – که رسانای الکتریکی می‌باشد به هم متصل‌اند.

با اتصال باتری به مصرف‌کننده یون‌های منفی از طریق سیم هادی به مصرف‌کننده وارد شده و بعد از ایجاد انرژی در آن (انرژی گرمایی بر اثر عبور از یک مقاومت یا انرژی جنبشی بر اثر القا یا انرژی نور بر اثر پرتاب و…) به سمت یون‌های مثبت حرکت می‌کنند و به تدریج یون‌های مثبت (که در اینجا حفره‌ها هستند) را خنثی می‌کنند.

با گذشت زمان یون‌های مثبت بیشتری خنثی شده و به تدریج انرژی باتری کم شده و مقاومت داخلی آن افزایش می‌باشد در این حالت بعد از گذشت مدت زمانی که معمولاً با آمپر ساعت باتری مشخص می‌شود باتری به صورت کامل تخلیه می‌شود.

مثلاً یک باتری ۶۰ آمپر ساعت می‌تواند ۶۰ آمپر را تا یک ساعت تأمین کند، این باتری بعد از گذشت یک ساعت و با کشیدن جریان ۶۰ آمپر از ان به صورت کامل تخلیه می‌شود. با کاهش جریان دریافتی از باتری می‌توان مدت زمان کارایی آن را افزایش داد، در این حالت باید پارامترهای مانند دما، لزرش و مقدار تنش موجود در جریان را نیز در زمان نهایی لحاظ کرد.

به عنوان مثال باتری ۶۰ آمپر ساعتی در حالت تئوری باید جریان ۲۰ آمپر را برای مدت زمان ۳ ساعت تأمین کند در حالی که با توجه به ساختار باتری و همچنین دمای محیط ممکن است این زمان تا نیم ساعت نیز کاهش یابد.

هرگونه سوال و دریافت مشاوره تحصیلی (از ابتدایی تا دکتری) مدارس و دانشگاه ها ( تیزهوشان، نمونه دولتی، سراسری، دانشگاه آزاد، علمی کاربردی و پیام نور ) با شماره های زیر تماس بگیرید.

تماس از تلفن ثابت 9099071375 (سراسر کشور) - تماس از تلفن ثابت 9092305784 (در تهران) - تماس از طریق موبایل همراه اول : 99221106

online پاسخگویی بصورت 24 ساعته


اشتراک گذاری

جوابی بنویسید

ایمیل شما نشر نخواهد شدخانه های ضروری نشانه گذاری شده است. *

*