محصول | تعداد | ||
---|---|---|---|
0 | (ریال)جمع کل |
مقایسه انواع باتریها-قسمت اول یکی از زمینههای جذاب و جالب برای مباحث مربوط به باتری، مقایسهی باتریها با یکدیگر است چرا که اگر یک شناخت کلی از انواع باتریها داشته باشیم، میتوانیم با استفاده از دانستههای خود، دلیل این ویژگی را با مقایسهی ساختار آنها و مواد شیمیایی به کار رفته در آنها بفهمیم و حتی قادر خواهیم بود که یک دستهبندی در ذهن خود ایجاد کنیم و برای کاربردهایی که نیاز به باتری دارند، بهترین گزینه را انتخاب کرده تا بهترین عملکرد به نمایش گذاشته شود. در این مقاله به مقایسه باتریهای معروف موجود در بازار میپردازیم و با نمایش نمودارهای مناسب، ابعاد مختلف باتریهای صنعتی را مشاهده میکنیم.
از مشهورترین باتریهای موجود در بازار، باتریهای سرب اسید، نیکل کادمیم(معروف به نیکاد Ni-Cd) نیکل متال هیدرید(Ni-MH) و باتریهای لیتیم یون هستند که باتریهای لیتیم یون نیز انواع مختلفی دارند که قرار است در این مقاله و مقاله¬ی بعد، آنها را از لحاظ انرژی، توان، ظرفیت، ولتاژ، قیمت و طول عمر با یکدیگر مقایسه کنیم. به دلیل اینکه امروزه کاربرد باتریهای بر پایهی لیتیم بسیار افزایش یافته، سعی میشود که یک مقایسهی جامع و جداگانه در مقاله¬ی بعدی در این خصوص انجام شود تا دیگر نیاز به رجوع به دیگر منابع وجود نداشته باشد تا موقع انتخاب یک باتری خوب، دچار سردرگمی نشویم . در ابتدا به مقایسهی کلی باتریها میپردازیم و سپس به صورت جداگانه، مزایا و معایب هرکدام از باتری¬ها بیان می¬شود و در مقاله¬ی بعدی، باتری¬های بر پایه¬ی لیتیم را به صورت کامل¬تر و جزئی¬تر بررسی می¬کنیم.
آشنایی مختصر با باتری سرب اسید
باتری اسیدی یا باتری سربی اسیدی گونهای از باتری قابل شارژ است که در سال 1859 توسط فیزیکدان فرانسوی، گاستون پلانته اختراع شد. علی رغم ذخیرهی کم انرژی نسبت به وزن و حجم آن، به دلیل هزینهی پایین و عرضهی زیاد، در وسایل نقلیه موتوری به تعداد بسیار زیاد مورد استفاده قرار گرفت. بهطور کلی اختلاف ولتاژ ایجاد شده به کمک یک سلول از الکترودهای مثبت و منفی در باتریهای سرب اسیدی حدود ۲ تا 2.1 ولت است؛ لذا ولتاژهای بالاتر مثل ۱۲ ولت از اتصال سری چندین سری از الکترودهای مثبت و منفی تشکیل میشود. قطر صفحات مثبت و منفی نقش اساسی در تعیین ظرفیت باتری بازی میکنند. اغلب برای کاربردهای با ظرفیت معمول همچون باتری¬های استارتر خودرو، قطر این صفحات کمتر از ۲ میلیمتر است. اما در کاربردهایی با قابلیت شارژدهی طولانی، قطر الکترودها به ۶ میلیمتر نیز خواهد رسید. برای اطلاعات کامل تر نیز میتوانید به مقالهی اختصاصی مربوط به باتری سرب اسید رجوع کنید.(ویکی پدیا)
در تصویر زیر شکل ظاهری باتریهای سرب اسید را مشاهده میکنید.
آشنایی مختصر با باتری نیکل کادمیم
باتریهای نیکل کادمیم گونهای از باتریهای قابل شارژ هستند که در آن از نیکل (III) اکسید و کادمیم به صورت فلز به عنوان الکترود استفاده شده است. این نوع از باتریها نخستین بار توسط مهندس سوئدی والدمار جانگنر در سال 1899 میلادی اختراع گردید. مصرف عمدهی این نوع از باتریها در لوازم الکترونیکی چون گوشیهای تلفن همراه است . در مقایسه با سایر باتری های قابل شارژ، باتری های نیکاد(نیکل کادمیم)، دارای چرخه کار بهتری هستند اما مهمترین مزیت آنها تحویل ظرفیت نامی حتی در نرخ دشارژ بالا است اگرچه، این باتری ها دارای قیمت بالاتری نسبت به باتری های سرب اسید هستند و نرخ خود دشارژی این باتریها بالاست.(ویکی پدیا و afraelec.ir)
تصویر زیر شکل ظاهری باتریهای نیکل کادمیم را نشان میدهد.
باتری نیکل متال هیدرید، نخستین بار در سال ۱۹۸۹ میلادی به صورت تجاری به بازار عرضه شدند. این باتریها شباهت زیادی به نوع نیکل کادمیوم دارند که در این باتری الکترود مثبت از جنس نیکل اکسید (مانند باتریهای نیکل-کادمیمی) و الکترود منفی از جنس آلیاژ جذب کننده هیدروژن (به جای کادمیم) است. باتریهای Ni-MH (یا همان باتری نیکل متال هیدرید) دارای سی تا چهل درصد قابلیت انبار بیشتر نسبت به معادل های نیکل کادمیم هستند، اما تعداد چرخه شارژ و دشارژ کمتری را پشتیبانی می کنند که به طور معمول بین ۳۰۰ تا ۵۰۰ چرخه است. این باتری دارای ظرفیت جریان دهی بیشتر، مقاومت داخلی کمتر و چگالی حجمی و جرمی بیشتری است و این مدل باتریها در دوربین های عکس برداری کابرد زیادی دارند.
تصویر زیر شکل ظاهری باتریهای نیکل متال هیدرید را نشان میدهد.
باتری لیتیم یون(LiB) خانوادهای از باتریهای قابل شارژ است که در زمان تخلیه، یونهای لیتیم از سمت الکترود منفی به سمت الکترود مثبت و در هنگام شارژ شدن از سمت از سمت الکترود مثبت به سمت الکترود منفی حرکت میکنند. باتریهای لیتیم یون بالاترین چگالی انرژی را فراهم میسازند که تقریباً دو برابر انرژی قابل دسترسی از باتریهای نیکل کادمیم است. باتریهای لیتیم یون معمولاً برای تأمین انرژی لازم در دستگاههای الکترونیکی قابل حمل مورد استفاده قرار میگیرند. در مقایسه با نسلهای قدیمیتر باتریها یعنی باتری نیکل کادمیم و باتری نیکل هیدرید فلز، باتریهای لیتیم یون وزن و حجم سبکتری در حدود ۳ تا ۵ برابر دارند و در هنگام دشارژ افت ولتاژ کمی از خود نشان میدهند.
باتری لیتیم یون انرژی زیادی تولید میکند اما در مقابله با باتریهای نیکل هیدرید، ایمنی آنها پایین است. برای نمونه، این نوع باتریها زود آتش میگیرند اما نسل جدید باتری لیتیم یون با حل مشکلات خود، هر نیازی را براورده میکنند. آنها به دشارژ کامل نیاز ندارند و میتوان از جریان الکتریکی بالاتر برای شارژ و دشارژ از آنها بدون آسیب به باتری استفاده کرد.
یک باتری لیتیم یون را میتوان در هر زمانی بدون آنکه روی کارایی باتری اثر گذارد، شارژ نمود. اما به دلیل این که باتریهای لیتیم یون دارای طول عمر معمول شارژ و دشارژ ۳۰۰ تا ۵۰۰ چرخه هستند، اگر زود به زود و قبل از تخلیه، شارژ شوند طول عمر باتری پایین میآید . همچنین در این باتریها در صورت ادامه شارژ پس از پر شدن، باتری آسیب دیده و از عمر آن کاسته میشود به همین دلیل برای شارژ آنها از مدارهای محافظ هوشمند استفاده میشود تا پس از کامل شدن فرایند شارژ، جریان قطع شده و باتری بیش از حد شارژ نگردد.(ویکی پدیا)
تصویر زیر شکل ظاهری باتری لیتیم یون را نشان میدهد.
باتری های لیتیم پلیمر که به Li Poly یا LiPo نیز مشهورند، شبیه به باتریهای لیتیم یون هستند. تفاوت اصلی باتریهای لیتوم پلیمر با لیتیم یون در نوع الکترولیت به کار رفته در آن است. در باتری لیتیم پلیمر، از پلیمرهای جامد به جای الکترولیت مایع باتریهای لیتیم یون استفاده شده است. باتری لیتیم پلیمر مشابه باتری لیتیم یون بر مبنای کاستن و افزودن یونهای لیتیمی به الکترودهای مثبت و منفی کار میکنند.
باتریهای لیتیم پلیمر بسیار سبک هستند و در برابر شارژ بیش از حد و نشت مواد شیمیایی نیز مقاومتر از باتریهای لیتیم یون هستند اما تولید آنها گرانتر از باتریهای لیتیم یون است و معمولا چگالی انرژی پایینتری دارند. باتریهای لیتیم پلیمر بیشتر در وسایل الکترونیکی سبک وزن و گران قیمت مانند گوشیهای موبایل به کار می روند.
باتری های لیتیم پلیمر به دلیل ساختاری (انواع ورقه های پلیمری) که دارند، دارای انعطافپذیری بیشتری هستند. این دسته از سلول ها با وزن کمتر، دارای ظرفیت نامی یکسان با معادل استوانهایی خود هستند که البته قیمت نهایی این نوع از باتری، بالا تر از نوع معمولی است. بصورت عامه و تجاری باتریهای لیتیم یون و لیتیم پلیمر، ویژگی های تقریبا یکسانی دارند ولی با بررسی دقیقتر می توان فهمید که به دلیل تنوع در ساختار پلیمرها، نوع پلیمری، تنوع بسیار بیشتر داررد. نوع تجاری باتریهای لیتیم پلیمر، معمولا به دلیل سبک تر بودن، جریان دهی بهتر و سیکل شارژ و دشارژ بیشتر نسبت به باتری لیتیم یون مورد استفاده قرار میگیرند و همچنین این باتری معمولا دارای جریان نشتی کمتری نسبت به نوع معادل لیتیم یون است.
تصویر زیر شکل ظاهری باتری لیتیم پلیمر را نشان میدهد.
تا به اینجا به صورت کاملا مختصر با باتریهای مشهور موجود در بازار آشنا شدیم و به صورت حدودی نیز به ویژگیهای آنها پی بردیم. برای آشنایی بیشتر در مورد انواع باتریها میتوانید به مقاله مربوط به هر باتری مراجعه کرده و به صورت کاملا اختصاصی با ویژگیها و عملکرد هر یک از باتریها آشنا شوید. در ادمه قصد داریم کمی منسجمتر، با ویژگی باتریها آشنا شویم و به صورت مقایسهای، عملکرد هر یک را بررسی کنیم.( rasdino.ir)
همانطور که در مقالهی مربوط به انرژی بیان شد، انرژی، یک پارامتر بسیار مهم در باتریهاست و هر چه این انرژی بیشتر باشد، در واقع، باتری میتواند مدار ما را بیشتر روشن نگه دارد. پس لازم است که یک مقایسهی خوب و جامعی از انرژی برای انواع مختلف باتری، انجام شود تا بهترین گزینه برای کاربرد مورد نظر انتخاب شود. شکل زیر، نمودار انرژی برای انواع مختلف باتری را نشان میدهد که در این نمودار، محور عمودی، چگالی انرژی را نشان میدهد و محور افقی، انرژی مخصوص(یا چگالی جرمی انرژی) را به نمایش میگذارد. در این شکل کاملا مشخص است که کمترین انرژی مربوط به باتریهای سرب اسید است که در بالا به طور مختصر با آن آشنا شدیم. این نمودار، بیشترین انرژی را نیز به باتریهای لیتیوم یون نسبت داده است که انتظار به جایی است. همچنین در این نمودار میبینیم که باتریهای نیکل کادمیم(نیکاد)، از باتریهای نیکل متال هیدرید، در جایگاه پایینتری قرار دارند ولی از باتریهای سرب اسید، انرژیشان بیشتر است. همچنین این نمودار، سبک ترین و کم حجم ترین باتری را باتری لیتیم یون معرفی کرده و در مقابل، باتریهای سرب اسید، سنگینترین باتری در بین باتریهاست. شکل زیر مقایسه باتریها با معیار انرژی را نشان میدهد.
از دیگر پارامترهای مهم در باتریها، توان یک باتری است که نشان دهندهی سرعت انتقال انرژی میباشد و باید هنگام انتخاب یک باتری، آن را مد نظر قرار داد البته این پارامتر، توسط دیگر پارامترهایی نظیر ضریب تخلیه و ظرفیت، قابل بیان است و مقایسهی توان برای باتریهایی که توان برای آنها مهم است، بیان میشود ولی در اینجا برای کامل بودن مقایسه، باتریهای مختلف را از لحاظ توان نیز بررسی میکنیم. در شکل زیر نموداری را مشاهده میکنیم که به نمودار راگون معروف است که در این نمودار، توان مخصوص(چگالی توان جرمی) و انرژی مخصوص(چگالی انرژی جرمی) دو محور این نمودار هستند و تکنولوژیهای مختلفی اعم از ابرخازنها، پیلهای سوختی و باتریها در آن مقایسه میشوند. لازم به ذکر است که محورهای این نمودار، در مقیاس لوگاریتمی است تا جزئیات بهتر به نمایش گذاشته شود.
در این نمودار مشاهده میکنیم که توان در باتریهای سرب اسید، بازهای در نزدیک باتریهای نیکل کادمیم دارند و همچنین، توان باتریهای نیکل متال هیدرید، در محودهی باتریهای نیکاد هستند اما نکتهی جالب این نمودار، باتریهای بسیار توان بالای لیتیم یوناند که توانی به اندازهی ابرخازن دارند و انرژی آنها نیز چند برابر یک ابرخازن است و این یک پیشرفت بسیار خوب در زمینهی باتری است. این نمودار توان باتریهای سرب اسید، نیکاد، نیکل متال هیدرید و لیتیم یون را در یک محدوده نشان میدهد و همان طور که ذکر شد، بررسی توان، برای باتریهای توان بالا حائز اهمیت است و در بقیه¬ی باتری¬ها، توان مقایسه نمی¬شود. در نمودار زیر، اطلاعات زیادی وجود دارد که برای پرهیز از طولانی شدن مطلب، از بیان آن خودداری میکنیم. تصویر زیر نمودار راگون و مقایسهی همزمان انرژی و توان انواع باتریها را نشان میدهد.
پارامتر بعدی در باتریها، ولتاژ آنهاست که یک پارامتر حیاتی و لازم برای طراحی مدارات الکتریکی و الکترونیکی است و باید به آن توجه شود. شکل زیر به صورت بسیار ساده، ولتاژ باتریهای مختلف را با یکدیگر مقایسه کرده و میتوان به راحتی اختلاف ولتاژ در باتریها را ببینیم. شکل زیر ولتاژ نامی انواع باتریها را نمایش میدهد.
یکی دیگر از پارامترهای باتری، میزان ثابت بودن ولتاژ است که در شکل زیر، یک نمای کلی از تغییر ولتاژ با گذشت زمان(تخلیه باتری) هر باتری ملاحظه میکنیم و میبینیم که پایداری ولتاژ در انواع باتری تقریبا شبیه به هم است ولی در بازههای معین، هر باتری ممکن است از لحاظ ثابت بودن ولتاژ، از دیگر باتریها بهتر باشد. به عنوان مثال، در 20 تا 60 در صد ظرفیت دشارژ(80 تا 40 درصد ظرفیت اولیه)، باتریهای سرب اسید تقریبا ولتاژ ثابتی را از خود نشان میدهند.
شکل زیر پایداری ولتاژ در انواع مختلف باتری را نشان میدهد.
در طراحیهای معمول شاید دما تاثیر آنچنانی در انتخاب ما نداشته باشد ولی برای تکمیل مقایسه، خوب است که در مورد دما هم باتریها را با یکدیگر بسنجیم. نمودار زیر، بسیار خوب و مفید، بازهی کاری باتریها را نشان میدهد و ملاحظه می¬کنیم که باتریهای بر پایهی نیکل، تا دماهای منفی چهل درجه توانایی کار کردن دارند و شاید در مناطق بسیار سرد، بهترین گزینه باشند.
شکل زیر محدوده دمایی انواع باتریها را نشان میدهد.
یک باتری بسته به این که چه مقدار میتواند کار کند، ممکن است تعیین کنندهی کاراییاش باشد. در بعضی از کاربردها، لازم است که باتری بتواند به تعداد بسیار زیادی سیکل کاری دوام آورد و اگر این طول عمر کم باشد، ممکن است هزینههای بالایی را بر ما تحمیل کند. باتریها، طول عمرهای گستردهای دارند و بسته به طراحی داخلی آنها و مواد به کار رفته در باتری، تعداد سیکل مشخصی را میتوانند سپری کنند. نمودار زیر، باتریها را بر اساس تعداد سیکل کاری دسته بندی کرده که باتریهای آهن فسفات، طول عمر بسیار خوبی را از خود به نمایش گذاشتهاند ولی به طور معمول، باتریهای لیتیم یون، طول عمر بین 500 تا 2000 سیکل کاری را از خود نشان میدهند.
شکل زیر طول عمر سیکلی برای انواع مختلف باتری را نشان میدهد.
بعضی از باتریها، بدون اینکه در مدار قرار بگیرند، انرژی خود را درون خودشان تخلیه میکنند و این پدیده، باعث میشود که ما مجبور شویم آنها را دوباره شارژ کنیم. به همین خاطر، نرخ دشارژ خود به خودی در باتریها حائز اهمیت است. جالب است بدانیم که باتریهای سرب اسید، نرخ دشارژ پایینی دارند ولی باتریهای نیکل کادمیم، نرخ دشارژ خود به خودی بالایی را دارا می¬باشند که برای این باتریها یک عیب بزرگ محسوب میشود. شکل زیر، نرخ دشارژ خود به خودی را برای انواع مختلف باتری مقایسه میکند و لازم به ذکر است که ممکن است بعضی از باتریها، از این نمودار پیروی نکنند و این نمودار، به صورت کلی آورده شده است. شکل زیر نرخ دشارژ خود به خودی در باتریهای مختلف را نشان میدهد.
شایداصلیترین فاکتور برای انتخاب باتری، قیمت آن باشد و همهی انتخابها، تحتالشعاع قیمت قرار میگیرند و در واقع، قیمت، تعیین کنندهی باتری برای ما است. اگر دقت کرده باشید، میبینیم که باتریهای سرب اسید تقریبا در همهی پارامترها از دیگر باتریها عقب است ولی باز میبینیم که این باتریهای سرب اسید، کاربرد تقریبا فراگیری در سرتاسر جهان دارند و شاید تنها دلیل آن، قیمت بسیار مناسب یک باتری سرب اسید، نسبت به سایر باتریها باشد که توانسته است در این رقابت شدید بین باتریها، باتری سرب اسید را در این رقابت نگه دارد. در مقایسهی زیر قیمت باتریها آمده است و ملاحظه میکنیم که باتریهای لیتیم یون، قیمت بالاتری نسبت به دیگر باتریها دارد و این قیمت زیاد، باعث شده که برتری بینظیر باتریهای لیتیم یون، به چشم نیاید. لازم به ذکر است که مقادیر این قیمتها به صورت حدودی است اما از لحاظ مقایسهای، مقایسهی قابل اطمینانی است. شکل زیر مقایسهی قیمت باتریها را نشان میدهد.
تا به این جا یک مقایسهی کلی از باتریهای مختلف انجام شد و یک حدودی از ویژگی هرکدام دستمان آمد. حال میخواهیم که این ویژگیها را به صورت خلاصه و دستهبندی، در این مقاله بیاوریم و شاید این دستهبندی، کمک بسیار زیادی برای شما باشد و در آخر هم، یک خلاصه از هر باتری را میآوریم و علاوه بر آن، مزایا و معایب هر کدام را بر میشماریم. در جدول زیر، این خلاصه را میبینیم و مشاهده میکنیم که هر باتری چه ویژگی دارد البته یک مقایسهی کوچک بین سه نوع مختلف باتری لیتیم یون نیز در این جدول آمده است چرا که در بعضی از خصوصیات، تفاوت زیادی وجود دارد البته مقایسهی کاملتر بین انواع مختلف لیتیمی، در قسمت بعدی این مقاله خواهد آمد. در جدول زیر مقایسه کلی باتریها را مشاهده میکنید.