باتری آلکالاین و نحوه عملکرد آن

باتری آلکالاین و نحوه عملکرد آن

باتری آلکالاین نوعی باتری اولیه است که جریان الکتریکی مستقیم را از واکنش الکتروشیمیایی بین روی و دی اکسید منگنز (MnO2) در حضور یک الکترولیت قلیایی فراهم می کند. الکترولیت در این نوع باتری (معمولاً هیدروکسید پتاسیم) دارای مقدار pH بالای 7 است. معمولاً این باتری ها انرژی را از واکنش بین فلز روی و دی اکسید منگنز، نیکل و کادمیوم دریافت می کنند. یا نیکل و هیدروژن.

باتری قلیایی نام خود را به این دلیل گرفته است که به جای الکترولیت کلرید آمونیوم اسیدی (NH4Cl) یا کلرید روی (ZnCl2) در باتری‌های روی کربن، یک الکترولیت قلیایی از هیدروکسید پتاسیم (KOH) دارد. سایر سیستم های باتری نیز از الکترولیت های قلیایی استفاده می کنند، اما از مواد فعال متفاوتی برای الکترودها استفاده می کنند.

باتری های قلیایی یا آلکالاین که به عنوان یک محصول در دسترس عموم در دهه 1960 معرفی شدند، اکنون به صورت انبوه تولیده شده و محبوب ترین باتری های خانگی در جهان هستند. باتری های قلیایی به معنای واقعی کلمه به بخشی ضروری از زندگی ما تبدیل شده اند. آنها در همه چیز از سمعک گرفته تا کنترل از راه دور، اسباب بازی و بازی های ویدئویی استفاده می شوند. در واقع، این صنعت از زمان شروع آن در دهه 1950 به یک صنعت چند میلیارد دلاری تبدیل شده است.

10  تکنولوژی پیشرو در تولید باتری

“قلیایی” نام توصیفی این نوع از باتری است، زیرا آنها از یک الکترولیت قلیایی متشکل از هیدروکسید پتاسیم استفاده می کنند.

باتری های قلیایی باتری های یکبار مصرف متشکل از روی و دی اکسید منگنز به عنوان الکترود هستند. الکترولیت قلیایی مورد استفاده پتاسیم یا هیدروکسید سدیم است. این باتری ها دارای ولتاژ ثابتی هستند که چگالی انرژی و مقاومت در برابر نشت بهتری نسبت به باتری های کربن روی دارند. این عمدتا به دلیل مواد آند دی اکسید منگنز است که خالص تر و متراکم تر است و در نتیجه فضای اشغال شده توسط اجزای داخلی را کاهش می دهد. اکثر فعالان بازار تمرکز خود را بر روی مواد شیمیایی قابل شارژ مانند هیدرید فلز نیکل و لیتیوم یون معطوف کرده اند.

ساختار اصلی باتری آلکالاین

ترکیبات باتری قلیایی طبیعتاً دوستدار محیط زیست هستند زیرا نیازهای دفع خاصی ندارند و زمانی که باتری های قلیایی در معرض استفاده مستقیم قرار می گیرند تأثیر نامطلوبی بر سلامت فرد ندارند. پیشرفت در تکنولوژی باتری منجر به استفاده از کربن در مخلوط کاتد شده است که باعث افزایش کارایی باتری های قلیایی می شود. تحقیق و توسعه در ارتقای فناوری موجود، قابلیت‌های قدرت را افزایش داده و در نتیجه بازار باتری‌های قلیایی را به میزان قابل توجهی تحت تأثیر قرار داده است.

عناصر تشکیل دهنده یک باتری آلکالاین به شرح زیر است:

• آند – ماده فعال در آند روی است. با پتانسیل الکترود استاندارد 0.76- SEP ولت، روی به عنوان ماده آند برای باتری ها استفاده می شود. (لیتیوم واکنش پذیرتر (SEP -3.04 V) برای آند در باتری های لیتیومی استفاده می شود).
• کاتد – ماده فعال کاتد دی اکسید منگنز است. کاربرد اصلی MnO2 برای باتری های سلول خشک مانند باتری قلیایی و باتری روی کربن است. یک جداکننده رسانای یونی که در الکترولیت قلیایی آغشته شده است.
• یک قاب فلزی و ترمینال مثبت.
• پین جداکننده – در قسمت وسطی باتری از یک جدا کننده رسانا از جنس یون استفاده شده است، محل قرار گیری این جدا کننده به گونه ای است که به صورت کامل در الکتورلیت قلیایی قرار گرفته است.
• واشر برای جدا کردن ترمینال منفی از کیس – که اغلب دارای یک دریچه برای آزاد کردن هرگونه فشار ناشی از سوء استفاده یا نقص است.
• الکترولیت – هیدروکسید پتاسیم آبی به عنوان الکترولیت در باتری های قلیایی استفاده می شود.

همانطور که در شکل نشان داده شده است، آند متخلخل و کاتد بزرگترین بخش باتری را تشکیل می دهند. هر دو الکترود از ذرات ساخته شده اند و الکترولیت نواحی خالی الکترود را پر می کند. قدرت الکتریکی باتری Zn-MnO2 از واکنش های الکتروشیمیایی مواد فعال کاتد و آند حاصل می شود. یک جداکننده متخلخل از تماس کاتد و آند با یکدیگر جلوگیری می کند. وظیفه دو کلکتور جریان ایجاد ارتباط بین باتری و مدار الکتریکی بیرونی است.

به عبارت ساده، هر باتری طوری طراحی شده است که کاتد و آند را از هم جدا نگه دارد تا از واکنش جلوگیری شود. الکترون های ذخیره شده تنها زمانی جریان می یابند که مدار بسته باشد. و زمانی اتفاق می افتد که باتری در دستگاه قرار می گیرد و دستگاه روشن می شود.

باتری های آلکالاین چگونه کار می کنند؟

باتری های قلیایی اساساً یک واکنش شیمیایی محدود هستند. هر سلول از یک آند، یک کاتد و یک ماده الکترولیت تشکیل شده است که انتقال الکترون ها را تسهیل می کند. در یک باتری قلیایی استاندارد، کاتد از دی اکسید منگنز ساخته شده است که لایه ای را در داخل بدنه باتری تشکیل می دهد. آند از پودر روی پراکنده در محلول الکترولیت تشکیل شده است. هیدروکسید پتاسیم محلول الکترولیت استاندارد برای باتری های قلیایی است. سایر اجزای باتری شامل جداکننده برای جدا نگه داشتن آند و کاتد به صورت الکتریکی و یک کلکتور جریان برای گرفتن الکترون است.

هنگامی که یک باتری قلیایی به یک مدار متصل می شود، واکنش شیمیایی انجام می شود. یک واکنش احیا در کاتد برای تولید یون هیدروکسیل انجام می شود. در همان زمان، آند روی با مصرف یون‌های هیدروکسیل که در طی آن الکترون‌ها آزاد می‌شوند، اکسید می‌شود. این الکترون ها هستند که دستگاه های الکتریکی را تغذیه می کنند.

یک باتری آلکالاین زمانی که منابع لازم برای تکمیل واکنش شیمیایی تمام می شود، خالی می شود. اولین ماده شیمیایی که تمام می شود دی اکسید منیزیم است، به این معنی که دیگر هیچ یون هیدروکسیل نمی تواند تشکیل شود و دیگر الکترون آزاد نمی شود.

انواع باتری آلکالاین

باتری‌های آلکالاین در اندازه‌های مختلف با توجه به دستگاه‌های کاربردی مانند AAA، AA، C، D، 9V و … در دسترس هستند. ماندگاری طولانی و تاریخ انقضای ارائه شده توسط این باتری‌ها (از سه تا چهار سال) آنها را برای ذخیره سازی مناسب می‌کند. باتری‌های آلکالاین یا باتری‌های قلیایی در اندازه های مختلف از قلمی (AA) و نیم‌قلمی (AAA) گرفته تا کتابی ۹ ولت (سایز E) متداول هستند. AAA و AA برای وسایل کاربردی کم‌مصرف (از جمله ریموت کنترل تلویزیون و سیستم‌های خانگی، ماوس و کی‌بورد بی‌سیم و … مناسب هستند. باتری‌ آلکالاین کتابی 9v برای وسایل کاربردی پرمصرف مناسب است. برخی دیگر شامل باتری‌های دکمه‌ای میکرو قلیایی، باتری‌های سکه‌ای، AAAA و مانند آن هستند. سایز AA یا قلمی پراستفاده‌ترین اندازه باتری آلکالاین (قلیایی) است و البته اندازه AAA با رشد سریعی در حال رسیدن به سایز قلمی است. سایز‌های دیگر مانند C، D و کتابی ۹ ولت، برای محصولات و وسايل کاربردی خاص و البته کم‌تقاضا استفاده می‌شوند. با این حال اندازه‌های دیگری مانند باتری‌های سکه‌ای میکرو قلیایی و باتری‌های دکمه ای در کاربردهای صنعتی و پزشکی کمی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

باتری قلمی یا AA

به عنوان “دو A” نیز شناخته می شود. این باتری دارای اندازه استانداردی است که در بیشتر دستگاه ها قابل استفاده است. ولتاژ آن ۱.۵ ولت است و در اکثر محصولات مانند اسباب بازی یا ساعت زنگ دار و بسیاری از دستگاه‌های مشابه استفاده می شود.

باتری نیم قلمی یا AAA

اندازه این باتری زیر استاندارد است. همچنین دارای ولتاژ ۱.۵ ولت است، اما قطر آن بسیار کوچک تر است. وسایل کنترل از راه دور و وسایل ترازبندی از این نوع باتری استفاده می کنند.

باتری استوانه ای یا A23

این مدل به دلیل تفاوت ولتاژ بالایی که دارد خود را متمایز می کند. در باتری های استوانه ای آلکالاین، تنها تفاوت قدرت آنها است که ۱۲ ولت است. این باتری معمولا در کنترل های گاراژ، ریموت کنترل،‌ لوازم پزشکی، دزدگیر، وسایل بازی، ریموت کنترل دوربین استفاده می شود.

باتری دکمه ای 

از این باتری معمولا برای محصولات کوچک مانند ساعت یا هدفون استفاده می شود. همه آنها دارای ولتاژ ۱.۵ ولت هستند و می توانید ابعاد مختلفی از قطر ۱۱.۶ تا ۱۵.۶ میلی متر را داشته باشند.

باتری مستطیلی شکل 

این باتری ها به اندازه مدل های استوانه ای رایج نیستند، اما هنوز دستگاه هایی هستند که از آنها استفاده می کنند. آنها دارای اندازه بزرگ تر و ولتاژهای مختلف هستند.

موارد استفاده باتری‌ آلکالاین

باتری‌های آلکالاین در لوازم کاربردی کم‌مصرف عملکرد قابل ستایشی را ارائه می‌دهند. لوازم کاربردی کم‌مصرف شامل چراغ قوه، رادیوهای قابل حمل، ساعت‌های زنگ دار، کنترل از راه دور تلویزیون و سیستم‌های صوتی و تصویری، ماوس و کی‌بوردهای بی‌سیم، اسباب‌بازی‌ها و …

• از دیگر موارد استفاده باتری‌های آلکالاین، می‌توان به پزشکی، صنعتی، دفاعی و نظامی اشاره کرد.
• در کاربردهای پزشکی از باتری های آلکالاین به عنوان منبع قدرت در انواع پمپ‌های تزریق، پالس اکسی‌متر (دستگاه اکسیژن خون) ، دستگاه‌های فشار خون، ترمومترهای الکترونیکی و … استفاده می‌کنند
• کاربردهای صنعتی باتری های آلکالاین شامل استفاده در سیستم‌های هشدار دود، فرستنده‌های قابل حمل، اسکنرهای همراه، ماوس و کی‌بوردهای بی‌سیم، ولت متر دیجیتال، قفل درب، کنترل از راه دور و اشاره گرهای لیزری است.
• کاربرد نظامی و دفاعی شامل استفاده از باتری‌های آلکالاین در رادیوهای بی‌سیم نظامی و همچنین در سیستم‌های جی‌پی‌اس است.

عوامل موثر بر عملکرد باتری های آلکاین

لازم به ذکر است که ولتاژ باتری در طول عمر آن کاهش می یابد. این قابل قبول است زیرا دستگاه های الکتریکی می توانند به طور معمول در محدوده 0.9 تا 1.5 ولت کار کنند.

سازندگان باتری عملکرد باتری های آلکالاین و عوامل موثر بر عملکرد آنها را به شرح زیر توصیف می کنند:

• هر چه دما سردتر باشد، باتری آلکالاین کارایی کمتری دارد. دمای سرد از حرکت یون ها جلوگیری می کند. کاهش سرعت در فعالیت شیمیایی ولتاژ باتری را کاهش می دهد در حالی که جریان کشیده شده ثابت می ماند.
• یکی دیگر از عوامل موثر بر عمر باتری قلیایی میزان جریان مصرفی است. هرچه بار روی باتری بیشتر باشد، مواد شیمیایی سریع‌تر تخلیه می‌شوند و باتری خالی می‌شود.

ضایعات و بازیافت باتری های قلیایی

باتری های آلکالاین برای محیط زیست مضر نیستند. این باتری ها مواد مضری مانند جیوه ندارند. به این ترتیب، آنها را می توان به عنوان زباله های غیر خطرناک دفع کرد. با این حال، بازیافت مواد همیشه بهتر از فرستادن آنها به محل های دفن زباله است که در آنجا به آرامی تجزیه می شوند. هر باتری آلکالاین حاوی مقادیر کمی روی، منگنز و فولاد است که در صورت بازیابی می توان از هر کدام مجددا استفاده کرد.

در مورد روش بازیافت انواع باتری های فرسوده می توانید مقاله لینک شده را مطالعه نمایید.

مزایا و معایب باتری های آلکالاین

مزایای باتری آلکالاین

• باتری های آلکالاین چگالی انرژیشان بسیار بالا است،
• باتری های آلکالاین طول عمر بسیار بالایی دارند.
• باتری های آلکالاین با محیط زیست سازگارند، زیرا در این نوع از باتری ها از جیوه و سرب استفاده نشده است.
• باتری های آلکالاین مقاومت بیشتری در برابر تخلیه مداوم و شیب مناسب تخلیه دارند.
• باتری های آلکالاین امکان ادامه کارکرد در دماهای پایین تا صفر درجه سانتی گراد را نیز دارند.
• باتری های آلکالاین ظرفیت ثابت در محدوده وسیعی از تخلیه جریان را دارا می باشند.
• قیمت باتری های آلکالاین بسیار مناسب است.

معایب باتری آلکالاین

• وزن بیشتر باتری های آلکالاین نسبت به باتری های لیتیومی
• احتمال وقوع نشتی وئ خوردگی در صورت استفاده از برندهای نامعتبر
• احتمال بروز نشت و از بین رفتن الکترون ها را در صورت مدام و طی زمان زیادی از این باتری استفاده کنید

آیا باتری آلکالاین قابل شارژ است؟

در پاسخ به این پرسش که آیا باتری آلکالاین قابل شارژ است؟ باید بگوییم خیر، باتری آلکالاین قابل شارژ نیست و به عنوان باتری اولیه شناخته می‌شود. باتری اولیه به این معنا است که پس از خالی شدن عمر آن به پایان رسیده و نمی توان آن را برای استفاده دوباره شارژ نمود. واکنش شیمیایی هسته باتری آلکالاین برگشت ناپذیر است و بنابراین هنگامی که تخلیه کامل صورت گرفت، امکان شارژ باتری Alkaline وجود نخواهد داشت. سلول خشک یا سلول اولیه نام دیگر این باتری ها است که سهم عمده ای در بازارهای جهانی دارند. یکی از این دلایل این است که باتری شارژ شده، از سیکل شارژ کمتری استفاده می کند که قابل مقایسه با شارژ واقعی آن نمی باشد. یعنی ظرفیت شارژ خود را در هر سیکل شارژ از دست می دهد. به این صورت که هر بار شما باتری را شارژ کنید، مدت زمان استفاده از آن نیز کاهش می یابد.

تفاوت باتری های آلکالاین و لیتیومی

شیمی، عملکرد، هزینه و ایمنی عوامل کلیدی هستند که باتری‌های لیتیومی و قلیایی را متمایز می‌کنند. موادی که برای توسعه باتری ها استفاده می شود و رویکردی که برای ساخت آنها استفاده می شود نیز به عنوان یک ویژگی متمایز کلیدی عمل می کند. باتری های آلکالاین دارای شیمی طراحی هستند که به ترتیب به روی (روی) و دی اکسید منگنز (MnO2) به عنوان کاتد و آند و یک الکترولیت قلیایی (هیدروکسید پتاسیم (KOH)) به جای اسیدی متکی است. آنها انرژی خود را از واکنش بین روی و MnO2 به دست می آورند.

از سوی دیگر، باتری های لیتیومی دارای شیمی طراحی هستند که بر لیتیوم فلزی متکی است. باتری ها ممکن است انواع مختلفی از کاتدها و الکترولیت ها داشته باشند، اما همه آنها از لیتیوم فلزی به عنوان آند استفاده می کنند. لیتیوم کبالت (LiCoO2)، لیتیوم تیتانات (Li2TiO3)، فسفات آهن لیتیوم (LiFePO4)، اکسید لیتیوم منگنز (LiMn2O4)، لیتیوم نیکل کبالت اکسید آلومینیوم (LiNixCoyAlzO2) و لیتیوم نیکل اکسید منگنز (LiNixMnyCozO2)، ترکیبات شیمیایی سلولی برخی از باتری های لیتیومی موجود است. Li2TiO3 و LiFePO4 ویژگی های قابل شارژ بسیار چشمگیری دارند. راندمان شارژ مجدد آنها حدود 90٪ است، در حالی که دوام چرخه آنها (100٪ عمق چرخه های تخلیه) به ترتیب حدود 10000 تا 90٪ ظرفیت و حدود 12000 تا 80٪ ظرفیت است.

همچنین توصیه میکنیم مقاله تفاوت باتری های لیتیومی و سرب اسیدی را نیز مطالعه نمایید.

باتری های لیتیومی بسیار سبک تر از باتری های قلیایی هستند. این ویژگی به آنها مزیتی را برای استفاده در دستگاه های قابل حمل مانند ابزارهای برقی بی سیم، گجت های قابل حمل و ابزارهای تشخیصی پزشکی بی سیم و … ارائه می دهد. آنها همچنین به گونه ای طراحی شده اند که دوام بیشتری داشته باشند، که باعث می شود کاربرد گسترده ای در دستگاه های هوشمند با فناوری پیشرفته و دستگاه های الکترونیکی پیدا کنند.

باتری های قلیایی باتری های اولیه هستند، به این معنی که یکبار مصرف هستند، پس از یک بار استفاده به راحتی قابل شارژ نیستند و پس از تخلیه کامل دور انداخته می شوند. بنابراین، پس از تخلیه کامل آنها باید تعویض شوند. این نیاز به تعویض باعث افزایش تقاضا برای باتری ها می شود. اما باتری های لیتیومی قابل شارژ می باشند و می توان از آن ها برای سال های بسیار طولانی استفاده کرد.

باتری های لیتیومی معمولاً ولتاژ بالاتری نسبت به باتری های قلیایی دارند. اکثر باتری های لیتیومی با ولتاژ 3.7 ولت یا بالاتر کار می کنند. باتری های لیتیومی ولتاژ نسبتاً پایداری را در طول چرخه تخلیه خود حفظ می کنند. این باعث می شود آنها برای دستگاه های با کارایی بالا که نیاز به منبع تغذیه ثابت دارند مناسب باشند. ولتاژ اسمی یک باتری لیتیومی اغلب حدود 3.7 ولت است، اما بسته به نوع خاص آن می تواند متفاوت باشد (به عنوان مثال، لیتیوم یون، لیتیوم پلیمر). باتری های قلیایی معمولاً ولتاژ کمتری نسبت به باتری های لیتیومی دارند. ولتاژ اسمی یک باتری قلیایی معمولاً 1.5 ولت است. با تخلیه باتری های قلیایی، ولتاژ آنها به تدریج کاهش می یابد. این بدان معنی است که ولتاژی که آنها ارائه می کنند در طول استفاده کاهش می یابد. باتری های قلیایی برای دستگاه های کم تخلیه مانند کنترل از راه دور، چراغ قوه و ساعت مناسب هستند، جایی که افت تدریجی ولتاژ کمتر مهم است. در مقایسه ولتاژ باتری های لیتیومی و قلیایی، باتری های لیتیومی در ارائه ولتاژ بالاتر و پایدارتر برتری دارند. این آنها را برای دستگاه هایی ایده آل می کند که به توان خروجی ثابت نیاز دارند و نیازهای انرژی بالاتری دارند.