باتری‌های قابل شارژ / تاریخچه، اطلاعات فنی و هرآنچه که باید درباره‌ی باتری شارژی بدانید!

باتری قابل شارژ یا باتری شارژی نوعی باتری الکتریکی است که می‌تواند شارژ شود، تخلیه شود، و مجددا بارها شارژ شود. در مقابل یک باتری یکبار مصرف یا اولیه، پس از استفاده به طور کامل شارژ و دور انداخته می‌شود. باتری قابل شارژ از یک یا چند سلول الکتروشیمیایی تشکیل شده است. اصطلاح «انباشتگر» به عنوان تجمع و ذخیره انرژی از طریق یک واکنش الکتروشیمیایی برگشت پذیر استفاده می‌شود. باتری‌های شارژی در بسیاری از اشکال و اندازه‌های مختلف تولید می شوند، از باتری‌های سکه‌ای (دکمه‌ای) گرفته تا سیستم‌های مگاواتی متصل برای تثبیت یک شبکه توزیع الکتریکی!
برای تولید این باتری‌های پرکاربرد، چندین ترکیب مختلف از مواد الکترود و الکترولیت‌ها استفاده می‌شود، از جمله سرب–اسید (Lead–acid)، روی-هوا (Zinc–air)، نیکل–کادمیوم (NiCd)، هیدرید نیکل–فلز (NiMH)، لیتیوم یون (Zinc–air)، فسفات آهن لیتیوم (LiFePO4)، و پلیمر لیتیوم یون (LiPo).

باتری‌های قابل شارژ به طور معمول در ابتدا بیش از باتری‌های یکبار مصرف هزینه دارند، اما هزینه کل و اثرات زیست محیطی بسیار پایین‌تری دارند، چرا که می‌توان آن‌ها را بارها قبل از نیاز به جایگزینی با هزینه اندک (صرفا مصرف برق!) شارژ کرد. برخی از انواع باتری قابل شارژ در اندازه‌ها و ولتاژهای مشابه انواع یکبار مصرف در دسترس هستند، و می‌توانند به طور تعویضی با آن‌ها مورد استفاده قرار گیرند.
میلیاردها دلار تحقیقات در سراسر جهان برای بهبود باتری‌ها در حال سرمایه‌گذاری است.

زمینه‌ی استفاده باتری‌های شارژی

دستگاه‌ها و وسایلی که از باتری‌های قابل شارژ استفاده می‌کنند شامل استارت‌های خودرو، دستگاه‌های مصرف کننده قابل حمل، خودروهای سبک (مانند صندلی چرخدار موتوری، چرخ دستی گلف، دوچرخه الکتریکی، و لیفتراک های الکتریکی)، ابزارها، منابع تغذیه بی‌وقفه، و ایستگاه‌های برق ذخیره سازی باتری است. در صنعت مدرن خودروسازی، تکنولوژی باتری‌های قابل شارژ را در جهت کاهش هزینه، وزن، و اندازه، و افزایش طول عمر به پیش می‌برند.
ایستگاه های برق ذخیره سازی باتری از باتری های قابل شارژ برای تسطیح بار (ذخیره انرژی الکتریکی در زمان تقاضای پایین برای استفاده در دوره های اوج) و برای استفاده های انرژی تجدیدپذیر (مانند ذخیره قدرت تولید شده از آرایه های فتوولتیک در طول روز برای استفاده در شب) استفاده می کنند. تسطیح بار، حداکثر قدرتی را که یک کارخانه باید بتواند تولید کند، کاهش می دهد و هزینه سرمایه و نیاز به اوج گرفتن نیروگاه ها را کاهش می دهد.
بر اساس گزارشی از تحقیقات و بازارها، تحلیلگران پیش بینی می‌کنند که بازار جهانی باتری قابل شارژ در نرخ رشد ترکیبی سالانه ۸٫۳۲٪ در طول دوره ۲۰۱۸–۲۰۲۲ افزایش یابد.
باتری‌های کوچک قابل شارژ می‌توانند دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل، ابزارهای شارژی، لوازم خانگی و… را قدرت بخشند. باتری‌های شارژی بزرگ، وسایل نقلیه الکتریکی، اعم از اسکوتر گرفته تا لوکوموتیوها و کشتی‌ها، توزیع برق و در سیستم های برق مستقل استفاده می‌شوند.

کمی در مورد شیمی باتری‌ها!

مانند همه چیز ، یک باتری از اتم‌ها تشکیل شده است. یک اتم از سه نوع ذره تشکیل شده است: پروتون (مثبت) الکترون (منفی) نوترون
در حالت ایده آل، این بار یکنواخت می شود: مقدار ذرات منفی و مثبت مساوی است. حذف یک الکترون (یعنی یک ذره منفی) باعث مثبت شدن اتم می شود و برعکس. از آنجایی که اتم‌ها ترجیح می‌دهند بی‌طرف بمانند، به دنبال اتم‌های دیگری برای تبادل الکترون برای بازگرداندن تعادل خود هستند. این فرآیند یا «جریان» الکترون‌ها جریان الکتریسیته ایجاد می‌ آند ، الکترولیت و کاتد
روند تبادل الکترون‌ها در باتری‌ها نیز اتفاق می‌افتد. هر باتری از سه قسمت آند، الکترولیت و کاتد تشکیل شده است. در انواع مختلف باتری، مواد شیمیایی متفاوتی برای ایجاد این قطعات استفاده می شود.
در باتری کامل، آند منفی است و کاتد مثبت است. چرا؟ آند حاوی بیش از حد (منفی) الکترون است، در حالی که کاتد فاقد الکترون است. به طور طبیعی آند می‌خواهد برخی از الکترون‌های خود را با انتقال الکترون‌های اضافی به کاتد از دست بدهد. با افزودن عنصر سوم، جدا کننده با الکترولیت، می‌توانید جریان را کنترل کرده و باتری ایجاد کنید. جدا کننده به عنوان یک مانع در داخل سلول بین آند و کاتد عمل می‌کند. این تنها اجازه می‌دهد تا یک جریان الکتریکی در هنگام اتصال باتری به یک دستگاه جریان یابد.

نحوه عملکرد باتری های قابل شارژ

همه باتری‌ها به این ترتیب کار می کنند: الکترون‌ها از آند به کاتد می روند تا زمانی که آند از الکترون خارج شود. در این صورت، باتری خالی یا “مُرده” تلقی می‌شود.
در باتری های اولیه، این مرحله پایان کار باتری است، اما در باتری‌های ثانویه یا قابل شارژ ، یک شارژر می تواند جریان الکترون را معکوس کرده و به این ترتیب الکترون‌ها در آند را بازیابی کند!
این که آیا می‌توان این واکنش را معکوس کرد یا نه بستگی به مواد شیمیایی مورد استفاده در باتری دارد. به عنوان مثال، باتری های آلکالاین یا قلیایی ساخته نشده‌اند تا جریان معکوس را امکان پذیر کنند. انجام این کار به طور بالقوه می‌تواند خطرناک باشد.
شیمی‌های مختلف باتری نیاز به زمان‌بندی شارژ متفاوتی دارند. به عنوان مثال، برخی از انواع باتری را می‌توان با خیال راحت از یک منبع ولتاژ ثابت شارژ کرد. انواع دیگر نیاز به شارژ با یک منبع جریان تنظیم شده‌است که هنگامی که باتری به ولتاژ شارژ کامل خود می‌رسد، کاهش می یابد. شارژ یک باتری به اشتباه می‌تواند به یک باتری آسیب وارد کند؛ در برخی موارد و در صورت استفاده از منبع شارژ اشتباه، باتری‌ها می‌توانند بیش از حد گرم شوند و آتش بگیرند یا محتویات خود را به صورت انفجاری بیرون کنند!
یک باتری NiMH (نیکل-فلز هیبرید) اجازه می‌دهد تا صدها و گاهی هزاران بار جریان معکوس اجباری داشته باشد. با این حال، این فرآیند با گذشت زمان به مواد شیمیایی آسیب می‌رساند. بنابراین شما نمی توانید این باتری‌ها را بی‌نهایت شارژ و تخلیه کنید! در انتهای عمر مفید باتری‌های شارژی، مواد شیمیایی موجود در آن خراب شده‌اند و دیگر قادر به انجام فرآیند نیستند.
نهایتا میزان عمر باتری قابل شارژ مجدد بستگی به سازنده، نوع باتری و شرایط استفاده از آن دارد.

نرخ تخلیه باتری‌ها یا عدد C

نرخ شارژ و تخلیه باتری اغلب با حرف “C” یا C-Rating نمایش می‌دهند. ضریب تخلیه عددی است که از نظر تئوری به طور کامل شارژ و یا تخلیه باتری در یک ساعت انجام شود .
ضریب تخلیه C در واقع نشانگر آهنگ تخلیه مداوم یک باتری است. شما به سادگی می‌توانید با استفاده از این ضریب حداکثر جریان ثابتی که می‌توانید از یک باتری لیتیوم پلیمری در امنیت کامل و بدون گرم کردن باتری بکشند را محاسبه کنید.

Max Current Draw = Capacity x C-Rating

بعنوان مثال، اگر یک باتری 3 سل 1000 میلی آمپر با ضریب تخلیه 20C داشته باشید، حداکثر جریانی که میتوانید به صورت امن از آن بکشید معادل 20 آمپر است که از رابطه زیر به دست می‌آید:

1000ma x 20C = 20A

ممکن است این سوال برای شما پیش بیاید که آیا میتوانم جریان بیشتری بر طبق نمودار بالا از باتری بکشم؟ بی تردید شما می‌توانید این کار را انجام بدهید، اما هرگز به شما توصیه نمی‌کنیم!
تخلیه سریع‌تر از حد توان یک باتری، برای سلامتی و طول عمر آن بسیار مضر است و مقاومت داخلی را افزایش می‌دهد!

انواع باتری قابل شارژ

باتری سرب–اسید (Lead–acid battery)

باتری‌های سرب‌اسید که در سال ۱۸۵۹ توسط فیزیکدان فرانسوی گاستون پلانته اختراع شد، قدیمی‌ترین نوع باتری قابل شارژ است. این باتری‌ها انرژی بالای دارند و توانایی در تأمین جریان‌های موج بالا، اما با اینحال وزن نسبتاً زیادی دارند. این ویژگی همراه با قیمت نسبتا ارزان، این باتری‌ها را برای استفاده در وسایل نقلیه موتوری جذاب می‌کند. از این باتری‌ها جهت تولید جریان بالای مورد نیاز استارت وسایل نقلیه موتوری استفاده می‌شود.

باتری نیکل–کادمیوم (NiCd)

باتری‌های نیکل–کادمیوم توسط والدمار جونگنر از سوئد در سال ۱۸۹۹ اختراع شد. در این باتری‌ها از هیدروکسید اکسید نیکل و کادمیوم فلزی به عنوان الکترود استفاده می‌کنند. کادمیوم یک عنصر سمی است، و به همین دلیل در سال ۲۰۰۴ در اتحادیه اروپا ممنوع شد. باتری های نیکل–کادمیوم توسط باتری های هیدرید نیکل–متال (NiMH) از دور خارج شدند.

باتری نیکل–آهن (NiFe)

باتری نیکل–آهن (NiFe) نیز توسط والدمار جونگنر در سال ۱۸۹۹ توسعه داده شد؛ و توسط توماس ادیسون در سال ۱۹۰۱ در ایالات متحده برای وسایل نقلیه الکتریکی و سیگنالینگ راه آهن تجاری شد. این ماده تنها از عناصر غیر سمی تشکیل شده است، بر خلاف بسیاری از انواع باتری‌هایی که حاوی جیوه سمی، کادمیوم، یا سرب هستند.

باتری هیدرید نیکل–متال (NiMH)

باتری هیدرید نیکل–متال (NiMH) در سال ۱۹۸۹ در دسترس عموم قرار گرفت. این باتری‌ها در حال حاضر یکی از انواع مصرفی و رایج است. باتری هیدرید نیکل–متال به جای کادمیوم دارای یک آلومینیوم جذب‌کننده هیدروژن برای الکترود منفی است.

باتری لیتیوم یون (Li-Ion)

باتری‌های لیتیوم یون (Lithium Ion) در سال ۱۹۹۱ در بازار معرفی شدند، این باتری‌ها یک خانواده از باتری‌های قابل شارژ هستندکه در آن در زمان تخلیه، یون‌های لیتیوم از الکترود منفی به سمت الکترود مثبت و در هنگام شارژ شدن درخلاف جهت حرکت می‌کنند. باتری‌های لیتیوم-یون معمولاً برای وسایل الکترونیکی قابل‌حمل و وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می شوندو استفاده از آنها در کاربردهای هوافضا و نظامی در حال افزایش است. بطور مثال، باتری‌های گوشی‌های آیفون از این تکنولوژی بهره می‌گیرند.

باتری لیتیوم پلیمر (LiPo)

باتری‌های لیتیوم پلیمری یا بطور صحیح‌تر باتری‌های لیتیوم-یون پلیمری از دیگر باتری‌های پرکاربرد امروزه هستند.
سابقه تولید و استفاده از سلول‌های لیتیوم-پلیمر (LiPo) به پژوهش‌های گسترده انجام‌شده در دهه ۱۹۸۰ میلادی بر روی سلول‌های لیتیوم- یون و لیتیوم- فلز برمی‌گردد. این پژوهش‌ها منجر به موفقیت بزرگی در این زمینه با تولید اولین سلول استوانه‌ای لیتیوم- یون توسط شرکت سونی در سال ۱۹۹۱ شد. پس‌ از آن سایر شکل‌های ساختاری و بسته‌بندی شامل قالب کیسه‌ای با نام لیتیوم- پلیمر نیز معرفی شدند. (باتری‌های موبایل و لپ‌تاپ امروزی)
این باتری‌ها از نظر وزن سبک هستند، چگالی انرژی کمی بالاتر از لیتیوم یون را با هزینه کمی بالاتر ارائه می‌دهند و می‌توانند به هر شکلی ساخته شوند. آن ها بسیار در دسترس هستند. استفاده اولیه برای باتری های LiPo در اتومبیل‌های کنترل از راه دور، قایق‌ها و هواپیماها است. باتری‌های لیتیوم- پلیمر به آسانی در بازار مصرف‌کننده در دسترس هستند و در پیکربندی‌های مختلف، برای استفاده در برخی وسایل از وسایل نقلیه و هلیکوپترها و یا هواپیماهای بدون سرنشین تا لوازم الکترونیکی، موبایل‌ها و کامپیوترها یافت می‌شوند.