باتری های قابل شارژ

باتری های قابل شارژ از گروه سلول های الکتروشیمیایی ذخیره کننده انرژی الکتریکی هستند. به این نوع سلول ها، سلول های ثانویه گفته می شود زیرا واکنش های الکتروشیمیایی به صورت برگشت پذیر در آنها اتفاق می افتد. باتری های قابل شارژ در اندازه ها و انواع مختلف (برای استفاده در کاربرد ها و دستگاه های مختلف) وجود دارند و شامل باتری های دکمه ای کوچک تا باتری های مگاواتی در شبکه توزیع می شوند.
چند ترکیب شیمیایی معمول در باتری های قابل شارژ استفاده می شوند که عبارت اند از: ترکیب سرب-اسید(lead-acid)، نیکل-کادمیم(NiCd)، نیکل-ترکیب فلز(NiMH)، لیتیوم-یون (Li-ion)، و لیتیوم-یون-پلیمر(Li-ion polymer).
باتری های قابل شارژ نسبت به سایر باتری ها که برای یک بار استفاده می شوند، هزینه کمتری دارند و تاثیرات زیست محیطی کمتری برجا می گذارند. برخی از باتری های قابل شارژ در اندازه های مشابه سایر باتری ها تولید و عرضه می شوند با این تفاوت که امکان شارژ و استفاده مجدد از آنها وجود دارد.

موارد استفاده:
از باتری های قابل شارژ در استارت ماشین، دستگاه های قابل حمل، وسایل نقلیه سبک (مانند ویرچرهای چرخ دار برقی، کارت های گلف، دوچرخه برقی، و جرثقیل های سیار)، ابزارها و نیز دستگاه های تغذیه UPS، استفاده می شود.
به طور معمول باتری های قابل شارژ جدید باید قبل از استفاده شارژ شوند، باتری های جدید می توانند تا چند ماه انرژی را در خود ذخیره کنند و در حدود 70 درصد از ظرفیت نامی خود را در دسترس بگذارند.
در کاربردهای ذخیره انرژی شبکه، زمانی که بخواهند انرژی الکتریکی را برای استفاده در زمان اوج مصرف به شبکه تزریق کنند، از باتری های قابل شارژ برای هم سطح کردن بار شبکه استفاده می کنند. همچنین در شبکه های تولید برق جدید مانند تولید برق ازانرژی خورشیدی، برای ذخیره انرژی در طول روز و مصرف آن در شب از باتری های قابل شارژ استفاده می شود.

شارژ و دشارژ(خالی شدن باتری بر اثر مصرف):
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 15 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 12 ولتی ( که از 6 سلول 2 ولتی تشکیل شده است) با VPC 2.3 به مقدار ولتاژ 13.8 (2.3*6) در ترمینال های شارژ نیاز دارید. باتری های غیر قابل شارژ قلیایی و سلول های زینک- کربن زمانی که نو باشند ولتاژ 1.5 ولت دارند ولی ولتاژ به تدریج شروع به افت می کند. بیشتر باتری های NiMH AAو AAA سلول های 1.2 ولتی دارند و می توانند به جای باتری های قلیایی در وسایل استفاده شوند.

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، و این مساله به صورت معکوس برای الکترود منفی نیز وجود دارد.

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.
به ازای هر سلول 3 ولت خروجی دارد بنابراین به صورت مستقسم قابل تعوض با باتری های معمول 1.5 ولتی نیست(در واحد هایی که به جای دو باتری 1.5 ولتی به کار می رود فروخته می شوند)
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 40 درصد از آنها کوچکتر هستند، نصف آنها وزن دارند، و برای محیط زیست سالم تر هستند زیرا آنها شامل مواد سمی مانند کادیوم 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 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 1992 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 نیکل- ترکیب فلز(NiMH):
ابتدا در سال 1990 معرفی شدند.
هیدرواکسید فلز به عنوان محصول فرآیند شارژ تولید شده است.
چگالی انرژی در حدود 50 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 NIMH
باتری های قلمی قابل شارژ:
این باتری ها دقیقا مانند باتری های دیگر عمل می کنند با این تفاوت که می توان آنها را شارژ کرد.
مانند باتری های اولیه باتری قلمی قابل شارژ دارای 4 قسمت اصلی می باشد- الکترود مثبت(کاتد)، الکترود منفی (آند)ف جداکننده والکترولیت. تفاوت در این است که مواد شیمیایی داخل آنها فرایند برگشت را نیز می توانند دنبال کنند و باتری خالی را شارژ کنند.
باتری های قابل شارژ با کارایی بالا را می توان تا 1000 بار شارژ/دشارژ استفاده کرد. این بدان معنی است که شما می توانید بودجه زیادی را در این قسمت صرفه جویی کنید. و نیز تاثیرات زیست محیطی بسیار کمتری نسبت به باتری های غیر قابل شارژ دارند.

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 8 ساعت تامین کرد.

نوع باتری های قابل شارژ:
باتری لب تاپ:
باتری مورد استفاده در لب 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 استو. 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 خرید لب تاپ توجه داشته باشید که باتری لب تاپ مقداری شارژ اولیه دارد و 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 لب 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. و 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 کاملا 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 لب 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.
برای بالا بردن طول عمر لب تاپ توصیه می شود که زمانی که باتری کاملا شارژ شده دوشاخه را ازبرق بکشید و اجازه ندهید باتری دربا شارژ کامل همچنان به برق متصل باشد.

باتری دوربین فیلم برداری:
باتری دوربین فیلم برداری باید بتواند ولتاژ مورد نیاز قسمت های مختلف آن را برای انجان فیلم برداری در هر شرایطی فراهم کند. باتری باید جریان مناسب برای به کار انداختن موتور نوارفیلم را برای دوربین تامین کند و همین امر موجب شده است که باتری این دوربین ها اندازه بزرگی داشته باشد.

باتری دوربین فیلم برداری
در حال حاظر سه نسل از باتری های دوربین های عکاسی موجود هستند که از آنها استفاده می شود:
باتری NiCd معمولترین، ارزانترین تکنولوژی و بهترین مورد از نظرنصب کردن است.
باتری NiMH توسعه مهمی از باتری های NiCd است که در آن زمان شارژ کمتر شده است و بهره آن برای تعداد دوره های شارژ/دشارژ بسیار بیشتری همچنان خوب باقی می ماند. یک مجموعه باتری NiMH معمولا دارای ظرفیت 30 تا 50 درصد بیشتر از باتری NiCd با اندازه مشابه است. اثر حافظه باتری NiCd که موجب کاهش بهره باتری با هر دوره شارژ/دشارژ می شود، در باتری های دوربین فیلم برداری از نوع NiMH رفع شده است. زمانی که باتری بلااستفاده می شود، باتری NiMH در رابطه با محیط زیست بسیار مناسب تر است زیرا در آن کادمیم که در باتری NiCd وجود داشت، دیگر وجود ندارد.
تکنولوژی Li-ion جدیدترین تکنولوژی باتری های دوربین فیلم برداری محسوب می شود. این باتری بهره را نسبت به سایر انواع باتری ها افزایش داده است ولی به طور مشابه قیمت بالاتری نیز دارد. باتری های Li—ion مورد استفاده در دوربین های فیلم برداری هوشمند نیز هستند، به این صورت که آنها دارای اجزای الکترونیکی بر روی وسیله هستند که اطلاعات را ذخیره می کنند و به باتری اجازه می دهند که با استفاده از این اطلاعات بهره بالاتری داشته باشند.
اگر تا بحال برای خرید باتری برای دوربینتان اقدام کرده باشید متوجه شده اید که قیمت باتری های اصلی هر مارک دوربین خاص بسیار گران است. متاسفانه تولیدکنندگان دوربین هر کدام باتری های مخصوص دوربین ها ی خود را دارند که با باتری سایر دوربین ها مطابقت ندارد، بنابراین توان شما در خرید باتری محدود و تعیین شده خواهد بود.

باتری دوربین عکاسی:
دوربین های عکاسی معمولا در زمان کوتاهی مورد استفاده قرار میگیرند و سپس باید انرژی باتری تا استفاده بعدی همچنان باقی بماند. همین دلیل باعث شده است که باتری های لیتیوم بازار دوربین های عکاسی را در دست داشته باشند. باتری های لیتیوم می توانند توان نسبتا بالایی را در زمان کوتاه تولید کنند. این قابلیت زمانی که دوربین برای چرخش موتور فیلم، تامین توان قطعات الکترونیکی و زوم و فلاش در زمان یکسان به توان نیاز دارد مهم است. باتری های لیتیوم دارای عمر تا 10 سال یا بیشتر هستند که آنها را برای استفاده در دوربین عکاسی مناسب می کند.

باتری دوربین عکاسی
معمولترین باتری های دوربین های عکاسی عبارت اند از CR123، CR2، 2CR5 یا CRP2P. یک باتری جدید دیگر CR-V3 است. این باتری 6 ولتی است و در محل دو باتری AA می تواند جا بگیرد. از آنجا که این باتری فضای بین استوانه ها را هدر نمی دهد جای بیشتری برای مواد شیمیایی برای تولید الکتریسیته دارد و بنابراین از یک جفت باتری لیتیوم AA بادوام تر است.

باتری دوربین دیجیتال:
دوربین های دیجیتال بار سنگینی برای باتری ها محسوب می شوند زیرا هنگام استفاده به مقدار زیادی الکتریسیته درمدت زمان کم نیاز دارند. و از سوی دیگر باید باتری دوربین برای مدت زیادی بتواند انرژی را در خود نگاه دارد.
اگرچه تعدادی از باتری های قلیایی دارای نرخ ظرفیت های بسیار بالا (تا مقدار 2500mAh) هستند، اما روشی که باتری های قلیایی برای تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی به کار می برند به محدودیتی در مقدار توان تولیدی آنها تبدیل شده است. همین محدودیت باعث می شود که حتی بهترین باتری های AA قلیایی برای استفاده در دوربین دیجیتال کم بیاورند.

باتری دوربین دیجیتال
باتری های قابل شارژبرای استفاده در دوربین دیجیتال بسیار بهتر هستند. تکنولوژی حال حاضر مورد استفاده در باتری دوربین های دیجیتال از NiHM برای تبدیل انرژی شیمیایی ذخیره شده به انرژی الکتریکی استفاده می کنند. این فرایند شیمیایی می تواند بسیار سریعتر انرژی الکتریکی تولید کند و بنابراین می تواند به باتری2100mAh NiMH اجازه می دهد که کارایی باتری قلیایی 2500mAh را در دوربین دیجیتال داشته باشد.
تکنولوژی NiMH چند مزیت دیگر نیز نسبت به باتری های NiCd دارد. باتری های NiCd مشکل اثر حافظه دارند. این اثر باعث کاهش مقدار الکتریسیته می شود که باتری در دوره شارژ/دشارژ ذخیره می کند. در طول زمان این مشکل باعث می شود که شما متوجه شوید که تعداد بسیار کمتری عکس نسبت به قبلا می توانید با دوربین خود بندازید، قبل از اینکه مجبور شوید باتری آن را شارژ کنید.
مشکلی که باتری های قابل شارژ برای دوربین های دیجیتال نتوانسته اند حل کنند، از دست رفتن توان هنگام استفاده نکردن از دوربین است. باتری در هر روز که از آن استفاده نشود 1 تا 3 درصد از توان خود را از دست می دهد.
خوشبحتانه بیشتر دوربین های دیجیتال به صورتی طراحی می شوند که با باتری های لیتیوم نیز کار کنند. بنابراین می توانید علاوه بر باتری قابل شارژ دوربین، باتری لیتیمی نیز برای مواقع ضروری به همره داشته باشید.