توضیحات

باتری، پنل خورشیدی، ذخیره برق

اختراع باتری توسط ایرانیان برای اولین بار (باتری اشکانی)

البته استفاده از انرژی الکتریکی می تواند به سال های دور تری نیز برگردد. کارگران راه آهن بغداد در سال 1936 چیزی شبیه باتری پیدا کردند که آن را باتری ماقبل تاریخ نامیدند. قدمت این باتری به امپراتوری اشکانیان باز می گردد . یعنی چیزی حدود 2000 سال پیش! این باتری از یک کوزه سفالی تشکیل شده بود که درون آن با سرکه پر شده بود و یک میله آهنی داخل آن قرار گرفته بود. باتری اشکانی میزان برقی حدود 1.1 تا 2 ولت تولید می کرد. تصویر باتری گفته شده در زیر نمایش داده شده است. اکثر دانشمندان ، این باتری را به عنوان یک منبع انرژی نپذیرفتند. آن ها معتقد بودند که از این دستگاه برای آبکاری طلا یا نقره کاربرد داشته است. شواهد باستانی نشان می دهد که بابلی ها اولین کسانی بودند که با استفاده از الکترولیت تولید شده از سرکه برای جلا دادن به جواهرات خود استفاده می کردند. شواهد نشان می دهد که باتری اشکانی کشف شده در بغداد(حدود 250 سال قبل) برای آبکاری نقره کاربرد داشته است.

آلساندرو ولتا ( Alessandro Volta ) (1745- 1827) در سال 1800 کشف کرد که برخی از مایعات هنگام استفاده به عنوان هادی ، جریان برق تولید می کنند. این کشف منجر به اختراع اولین سلول ولتایی شد که امروزه به باتری معروف شده است. او همچنین آموخت که هرچه تعداد سلول های ولتایی بیشتر باشد ، ولتاژ افزایش می یابد. فرانسه اولین کشوری بود که اختراعات ولتا را به رسمیت شناخت. این در زمانی بود که این کشور به اوج پیشرفت های علمی رسیده بود. علت پیشرفت فرانسه در علم این بود که از ایده های نو با آغوش باز استقبال می کردند.

باتری وسیله ای است که انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند .داخل آن یک سری واکنش های شیمیایی رخ میدهد که باعث آزاد شدن الکترون ها می شود.

در سال 1836 جان اف دنیل (John F. Daniell ) شیمی دان انگلیسی ، نوعی باتری بهبود یافته تولید کرد که می توانست زمان بیشتری انرژی الکتریکی را در خود ذخیره نماید. در سال 1859 Gaston Planté پزشک فرانسوی توانست اولین باتری قابل شارژ مبتنی بر اسید سرب را اختراع کند. تا قبل از آن کلیه باتری ها یک بار مصرف بودند. در سال 1899 اولین باتری های نیکل کادمیوم قابل شارژ تولید شدند. هزینه بالای این باتری ، استفاده از آن را محدود می کرد. در سالهای طولانی ، این باتری ها به عنوان باتری های قابل شارژ برای دستگاه های الکتریکی قابل حمل مورد استفاده بود. امروزه معمولا باتری های لیتیوم یون بیشترین استفاده را برای وسیله های الکترونیکی دارند. این باتری ها برای اولین بار توسط شرکت سونی در سال 1991 استفاده شد. از باتری لیتیوم یون علاوه بر تأمین انرژی تلفن های همراه ، لپ تاپ ها ، دوربین های دیجیتال ، ابزارهای برقی و تجهیزات پزشکی ، از یون لیتیوم برای وسایل نقلیه الکتریکی و ماهواره ها نیز استفاده می شود. باتری مزایای زیادی دارد ، از جمله می توان به انرژی خاص بالا ، شارژ ساده ، تعمیر و نگهداری کم و بی خطر بودن محیط زیست اشاره کرد. باتری لپ تاپ یک نمونه از انواع باتری های لیتیوم یونی است.

تولید برق از طریق مغناطیس کمی دیرتر انجام شد. در سال 1820 دانشمندان در یافتند که سیم های فلزی دارای جریان الکتریکی ، گاهی اوقات به یکدیگر جذب شده و بعضی وقت ها یکدیگر را دفع می کنند. در سال 1831 فردی به نام مایکل فارادی نشان داد که چگونه یک دیسک مسی می تواند در یک میدان مغناطیسی قبلی ، جریان برق مداوم را تولید کند. این امر منجر به تولید موتورها و ژنراتورهای الکتریکی شد. اندکی بعد ترانسفورماتورهایی تولید شدند که جریان متناوب AC را به جریان دلخواه تبدیل می کنند. در سال 1833 فارادی علم الکترومغناطیس را پایه گذاری نمود . قانون فارادی نیز توسط این دانشمند نوشته شده است.این علم در تولید ژنراتورهای الکتریکی به کار رفته است. هنگامی که رابطه ی مغناطیس با الکترونیک شناخته شد ، ژينراتورهای بزرگی تولید شد که یک جریان ثابت برق را تولید می کردند.

این الکترون ها از طریق مدار خارجی به جریان می افتد و انرژی الکتریکی به ما میدهد.

باطری ها به دو دسته اصلی اولیه ( غیر قابل شارژ ) تقسیم میشوند :

باتری های اولیه مانند  قلمی قلیایی پس از یک بار مصرف دور ریخته میشوند ،

در حالی که باتریهای ثانویه مانند  لیتیوم -یون در تلفن همراه  قابلیت شارژ مجدد دارند  دفعات زیاد میشود استفاده کرد.

انواع باتری

باتری های دیگر شامل باتری های سیلد (اتمی) اسیدی برای خودروها باتری های صنعتی و باتری های جامد میباشد.

دسته بندی باتری ها

• باطری های اولیه غیر قابل شارژ:   پس از تخلیه کامل انرژی دیگر قابل شارژ نیستند و استفاده ای ندارند.
• باطری های قابل شارژ : با عبور برق در جهت مخالف تخلیه، دوباره میتوان چندین بار شارژ کرد .  باتریهای لیتیوم -یون – لیتیوم – پلیمر،  نیکل -کادمیوم و نیکل-فلز هیدرید.
• باتری 12 ولت

انواع باطری

باتری های اولیه  (یکبار مصرف) این مدل پس از تخلیه کامل قابل استفاده نیستند . مثل باطری ساعت ، ریموت کنترل و برخی چراغ قوه ها و  غیره

باطری های ثانویه ( قابل شارژ) این ها قابلیت ابن را دارند چندین بار شارژ شوند و خالی شوند یا به اصلاح دشارژ. گوشی ها، لپ تاپ ها و محصولاتی دیگر.

لیتیوم-یون (li-ion)  نوعی باتری قابل شارژ که انرژی را با جابه جایی یون های لیتیوم بین الکترودهای الکترودهای مثبت و منفی ذخیره و ازاد میکند در وسایل الکترونیکی قابل حمل رایج است باچگالی انرژی بالا و نیاز به شارژ و دشارژ کامل ندارند. خودروهای الکترونیکی لپ تاب ها و گوشیها ،ابزار های شارژی

باتری های قلیایی:

(Alkalinebattery)

. الکترود مثبت (کاتد) دیاکسید منگنز (MnO2)

. الکنود منفی (آند) روی (Zn)

. الکترولیت :محلول پتاسیم هیدروکسید (kOH)

. لیتیوم_یونی (Lithium-ion Battery)

. الکترود مثبت: ترکیبات لیتیوم

. لیتیوم کبالت اکسید

. لیتیوم منگنزاکسید

. لیتیوم آهن فسفات

. الکترود منفی: گرافیت (کربن)

. الکترولیت:محلول نمک لیتیوم مانند (Lipf6)درحلال های آلی مانند کربنات اتیلن

. باطری سرب-اسیدی (Lead-Acid battrery)

الکترود مثبت : دی اکسید سرب

الکترود :منفی سرب

الکترود الکترولیت:محلول پتاسیم هیدروکسید

باتری های نیکل کادمیم (Nicd):

.الکترود مثبت :هیدروکسید نیکل

.الکترود منفی کادمیم

.الکترولیت: محلول پتاسیمم هیدروکسید

نیکل – فلز هیدرید (NiMH)

.الکترود مثبت : نیکل اکسید هیدروکسید(NiooH)

.آلیاژ منفی : آلیاژهای فلزی جذب کننده هیدروژن

.الکترولیت : پتاسیم هیدروکسید (KOH)

باطری های سرب – اسید

سرب اسیدی بر اساس واکنش شیمیایی بین صفحات سربی (الکترودها) و محلول الکترواسید سولفوریک کار می کنند.

باطریهای سرب اسید دو دسته هستند:

باتری های تر (Wet/Flooded Lead Acid) : اینها حاوی الکترو مایع (محلول اسید سولفوریک و آب) است .

باتریهای سیلد اسید (Sealed Lead Acid-SLA) : این باطری ها نیازی به افزودن باتری ندارند بدون نیاز به نگهداری  یا (Maintenance-free) که اینها شامل دو نوع هستند :

1. (Absorbent glass Mat) AGM   جریان زیادی را به سرعت تبدیل کنند و در برابر لرزش مقاونند.
2. باطریهای ژل (Gel Cell) برای کاربردهای دشارژ عمیق و در برابر دمای بالا عملکرد بهتری دارد.

باطریهای 12 ولت

باتری  12 ولت 7 آمپر        – 2.6 آمپر        – 3.5 آمپر     – 5 آمپر   – 4.5 آمپر      – 12 آمپر      – 1.3 آمپر    – 9 آمپر    – 18 آمپر

– 28 آمپر     -42 آمپر

– 65 آمپر         – 100 آمپر   – 155 آمپر    – 120 آمپر    – 200 آمپر

باطری 12 ولت 7 آمپر

. انواع باطری خشک

باتری‌های سرب اسیدی سیلد (Sealed Lead Acid یا SLA) را می‌توان در شرایط مناسب تا 2 سال نگهداری کرد. البته از آنجا که تمام باتری‌ها به‌مرور زمان دچار خودتخلیه می‌شوند، لازم است در دوره‌های زمانی مشخص، ولتاژ مدار باز یا وزن مخصوص الکترولیت آن‌ها بررسی شود.

هر زمان که میزان شارژ باتری به حدود 70 درصد ظرفیت برسد، باید آن را مجدداً شارژ کنید. این مقدار برای یک سلول سرب اسیدی معادل 2.07 ولت در حالت مدار باز و برای یک باتری 12 ولتی برابر با 12.42 ولت است. همچنین وزن مخصوص الکترولیت در این سطح شارژ تقریباً 1.218 خواهد بود.

البته این مقادیر ممکن است بسته به طراحی و فناوری هر باتری کمی متفاوت باشند؛ بنابراین همواره توصیه می‌شود دستورالعمل سازنده باتری را نیز بررسی کنید. برخی تولیدکنندگان حتی اجازه می‌دهند شارژ باتری تا حدود 60 درصد کاهش پیدا کند و سپس عملیات شارژ انجام شود.

نگهداری باتری در وضعیت کم‌شارژ باعث ایجاد پدیده‌ای به نام سولفاته شدن می‌شود. در این حالت، لایه‌ای از کریستال‌های سولفات سرب روی صفحات منفی باتری تشکیل می‌شود که مقاومت داخلی را افزایش داده و عبور جریان الکتریکی را محدود می‌کند. در مراحل اولیه، با انجام یک شارژ تکمیلی یا چند چرخه کامل شارژ و دشارژ، می‌توان بخشی از ظرفیت از دست رفته را بازیابی کرد؛ اما اگر سولفاته شدن شدید شود، این آسیب ممکن است دائمی باشد.

باتری‌های نیکل-متال هیدرید را می‌توان در شرایط مناسب بین 3 تا 5 سال نگهداری کرد. هرچند طی این مدت مقداری از ظرفیت آن‌ها کاهش می‌یابد، اما بخش قابل توجهی از این افت ظرفیت معمولاً با انجام چند چرخه شارژ و دشارژ اولیه قابل بازیابی است.

باتری‌های نیکل-کادمیوم نیز از نظر ماندگاری عملکرد بسیار خوبی دارند. حتی گزارش‌هایی وجود دارد که نشان می‌دهد باتری‌های NiCd پس از 5 سال نگهداری، با انجام چند چرخه اولیه شارژ و دشارژ، بخش عمده ظرفیت خود را بازیابی کرده‌اند.

به طور کلی، اگر ولتاژ هر سلول به کمتر از 1 ولت برسد، انجام فرآیند اولیه برای بازگرداندن عملکرد باتری ضروری خواهد بود.

همچنین باتری‌های اولیه (غیرقابل شارژ) آلکالاین و لیتیومی در صورت نگهداری صحیح، می‌توانند تا 10 سال ذخیره شوند و در این مدت تنها کاهش ظرفیت نسبتاً

باتری‌های لیتیوم یونی (Li-ion) در مقایسه با بسیاری از فناوری‌های دیگر، نرخ خودتخلیه بسیار پایینی دارند. در دمای حدود 20 درجه سانتی‌گراد، زمانی که ولتاژ باتری بالاتر از 4 ولت باشد، عملاً خودتخلیه قابل توجهی رخ نمی‌دهد. با این حال، برای افزایش طول عمر باتری، بهترین روش این است که آن را با 40 تا 50 درصد شارژ نگهداری کنید. در این محدوده، ولتاژ مدار باز (OCV) اکثر سلول‌های لیتیوم یونی در دمای اتاق حدود 3.82 ولت به ازای هر سلول است.

نیازی نیست مقدار شارژ باتری دقیقاً روی 40 یا 50 درصد تنظیم شود. قرار گرفتن باتری در همین محدوده برای نگهداری طولانی‌مدت کاملاً مناسب است و تأثیر قابل توجهی بر افزایش عمر مفید آن خواهد داشت.

اگر قصد دارید میزان شارژ را از روی ولتاژ مدار باز تعیین کنید، باید توجه داشته باشید که بلافاصله پس از شارژ یا دشارژ، ولتاژ باتری معیار دقیقی برای تخمین میزان شارژ نیست. توصیه می‌شود پس از پایان شارژ یا دشارژ، حداقل 90 دقیقه به باتری فرصت دهید تا ولتاژ آن به حالت پایدار برسد و سپس اندازه‌گیری را انجام دهید.

در صورتی که امکان صبر کردن وجود نداشته باشد، می‌توانید این اختلاف را در اندازه‌گیری لحاظ کنید:

• هنگام دشارژ، ولتاژ را تا حدود 3.77 ولت به ازای هر سلول کاهش دهید.
• هنگام شارژ، ولتاژ را تا حدود 3.87 ولت به ازای هر سلول افزایش دهید.

این مقادیر بر اساس شارژ یا دشارژ با نرخ 1C یا کمتر در نظر گرفته شده‌اند. پس از استراحت باتری، ولتاژ به‌طور طبیعی در حدود 3.82 ولت تثبیت می‌شود.

به عنوان نمونه، در باتری‌های لیتیوم منگنز اکسید (LMO)، ولتاژ مدار باز حدود 3.82 ولت نشان‌دهنده 40 درصد شارژ و حدود 3.70 ولت نشان‌دهنده 30 درصد شارژ در دمای 25 درجه سانتی‌گراد است. البته دمای محیط و سابقه شارژ و دشارژ باتری می‌توانند بر مقدار ولتاژ اندازه‌گیری‌شده تأثیر بگذارند؛ به همین دلیل، استراحت 90 دقیقه‌ای پیش از اندازه‌گیری همواره توصیه می‌شود.

یکی از مهم‌ترین نکات در نگهداری باتری‌های لیتیومی این است که ولتاژ سلول نباید برای مدت طولانی به کمتر از 2 ولت برسد.

در چنین شرایطی، ممکن است در داخل سلول رشته‌های مسی (Copper Shunts) تشکیل شوند. این پدیده می‌تواند باعث افزایش خودتخلیه، ایجاد اتصال کوتاه داخلی جزئی و کاهش ایمنی باتری شود.

حتی اگر چنین باتری دوباره شارژ شود، احتمال دارد سلول از نظر شیمیایی ناپایدار شده و در زمان استفاده با مشکلاتی مانند افزایش غیرعادی دما، عملکرد غیرعادی یا سایر ناهنجاری‌ها مواجه شود.

نکته مهم این است که باتری‌هایی که بر اثر دشارژ عمیق یا نگهداری نامناسب تحت تنش قرار گرفته‌اند، ممکن است در ظاهر عملکرد طبیعی داشته باشند، اما مقاومت آن‌ها در برابر ضربه، فشار یا آسیب‌های مکانیکی به‌طور قابل توجهی کاهش یافته باشد. بنابراین، رعایت شرایط صحیح نگهداری و جلوگیری از تخلیه بیش از حد، نقش مهمی در حفظ ایمنی و افزایش طول عمر باتری‌های لیتیومی دارد.

باتری لیتیوم 18650:

یک باطری لیتیوم یونی است در اندازه قطر 18 میلی متر و 65 میلی متر ارتفاع است این باتری که بزرگتر از باتری AA هستند .باتری 18650 به دلیل ظرفیت بیشتر و نرخ تخلیه بهتر ،اغلب در چراغ قوه ، تاب و دستگاه هایی با مصرف بالا استفاده می شود و دردو نوع سرتخت یا فلت و دکمه ای عرضه می شود معمولا تا 500 بار شارژ میشوند و دارای محدوده ولتاژ بین 2.5 ولت تا 4.2 ولت هستند  اما ولتاژ اسمی آن 3.7 است و در آمپر های متفاوت موجود است.

باتری لیتیومی سافت(saft):

سافت یک شرکت جهانی در صنعت باتری است .این شرکت همراه بارویکرد صنعتی منحصر به فردی است و پاسخگوی همه نیاز های باطری صنعتی است. باتری s a f t تحت مالکیت غول صنعت انرژی دنیا یعنی توتال قرار دارد . این شرکت سرمایه گذاری زیادی بر روی سه ماده شیمیایی نیکل ،لیتیوم اولیه و لیتیوم قابل شارژ(لیتیوم یون) انجام داده است. سافت قوی ترین تولید کننده باتریهای نیکل کادمیوم مورد مصرف در صنایع مختلف و متحرک و ایستگاهی و روشناییهای حفاظتی و امنیتی و صنعتی،صنایع حمل و نقل هوایی ،زمینی،دریایی،صنایع الکترونیک و مخابرات و پزشکی را دارا بوده و برای هر یک از این کاربردها به طور خاص طراحی شده و در انواع محصولات مختلف وجود دارد.

باتریهای لیتیومی

باتریهای محبوبی هستند که در گوشیهای موبایل ،لپ تاب ، ابزارهای برقی بدون سیم و حتی خودروهای الکتریکی پیدا خواهید کرد .با این حال در تمام وسائل الکتریکی از چندین مدل باتری لیتیوم استفاده میشود.

. باتری لیتیوم- یون (Li-ion)

. باتری لیتیوم- پلیم (Li-Po)

. باتری لیتیوم آهن فسفات (LFP)

. باتری لیتیوم کبالت اکسید (LCO)

. باتری لیتیوم منگنز اکسید (LMO )

. اکسید نیکل منگنز کبالت لیتیوم (NMC)

. اکسید نیکل کبالت آلومینیوم لیتیوم  (NCA)

. لیتیوم تیتانات (LTO)

اتری‌های نیمه جامد، دسته‌ای از باتری‌های هیبریدی هستند که سعی در بهره‌گیری از مزایای هر دو نوع الکترولیت مایع (Liquid Electrolyte – LE) و الکترولیت جامد (Solid-State Electrolyte – SSE) دارند. در این رویکرد، یک الکترولیت جامد، مانند پلیمرهای رسانا یا سرامیک‌های نازک، در یک بستر مایع یا ژلی با ویسکوزیته پایین تثبیت می‌شود. این ترکیب، استحکام مکانیکی و ایمنی الکترولیت جامد را با قابلیت یون‌رسانی پویای الکترولیت مایع ترکیب می‌کند. هدف اصلی، ایجاد یک رابط پایدار بین الکترود و الکترولیت، کاهش تشکیل لایه‌های مقاوم (مانند SEI) و افزایش ایمنی کلی باتری با حذف یا کاهش قابل توجه مایع اشتعال‌پذیر است.

کاتد: در اینجا، مواد کاتدی همچنان بر پایه فسفات آهن لیتیوم (LiFePO₄) استوار هستند. برای غلبه بر هدایت یونی و الکترونی پایین LFP، این ذرات اغلب نانو مقیاس شده و با کربن با کیفیت بالا پوشش داده می‌شوند. تکنیک‌های اصلاح سطح و دوپینگ (مانند دوپینگ با منیزیم یا زیرکونیوم) نیز برای بهبود خواص الکتریکی و سینتیکی به کار می‌روند.
الکترولیت نیمه جامد: این بخش قلب نوآوری است. الکترولیت نیمه جامد معمولاً شامل یک شبکه یا دندریت‌های الکترولیت جامد (مانند پلیمرهای خاص مانند PEO، PVDF-HFP، یا سرامیک‌های هیبریدی) است که با محلول الکترولیت مایع (شامل نمک لیتیوم مانند LiPF₆ و حلال‌های آلی) در هم تنیده شده است.

ایمنی ارتقا یافته: مهمترین مزیت، کاهش چشمگیر خطر نشت الکترولیت و آتش‌سوزی است. این امر به ویژه برای کاربردهایی مانند خودروهای الکتریکی و سیستم‌های ذخیره انرژی در مقیاس بزرگ که ایمنی در اولویت بالاست، حیاتی است.
عمر چرخه‌ای طولانی‌تر: به دلیل پایداری بهتر رابط الکترود-الکترولیت و کاهش مشکلات مربوط به رشد دندریت‌ها (در صورت استفاده از الکترولیت‌های جامد مناسب)، این باتری‌ها می‌توانند تعداد سیکل‌های شارژ و دشارژ بیشتری را تحمل کنند.
توان ویژه بالاتر: با بهبود هدایت یونی و الکترونی، این باتری‌ها قادر به ارائه و دریافت جریان‌های بالاتر هستند که منجر به شارژ سریع‌تر و تخلیه توان بیشتر می‌شود. این امر چالش هدایت پایین LFP را تا حد زیادی مرتفع می‌سازد.
دامنه‌ دمایی وسیع‌تر: برخی از ساختارهای نیمه جامد نشان داده‌اند که عملکرد بهتری را در دماهای پایین یا بالا نسبت به باتری‌های سنتی لیتیوم-یون حفظ می‌کنند.
انعطاف‌پذیری طراحی: ساختار نیمه جامد امکان طراحی باتری‌های با اشکال و اندازه‌های انعطاف‌پذیرتر را فراهم می‌آورد.