باطری های قلمی

از ساعت‌های دیواری و کنترل‌های ریموت گرفته تا دسته‌ی بازی و دوربین‌های عکاسی، طیف وسیعی از وسایل الکترونیکی همچنان وابسته به باتری‌های قلمی هستند.

باتری‌های قلمی سال‌ها است نیروبخش طیف وسیعی از لوازم الکترونیکی خانگی هستند و هرچند در این مدت از لحاظ ظاهری تغییر چندانی نکرده‌اند، اما تکنولوژی‌های به‌کاررفته در آن‌ها کاملا دگرگون شده است. این باتری‌ها که در واقع نوعی پیل خشک سیلندری هستند، در ابعاد مختلف تولید و به بازار عرضه می‌شوند.

قصد داریم در این مجموعه مقالات اختصاصی با انواع باتری سیلندری، به‌خصوص دو سایز) AA دابل اِی) و AAA (تریپل اِی) که در ایران به‌ترتیب به «قلمی» و «نیم قلمی» مشهور هستند آشنا شویم. در این قسمت، پس از توضیحی مختصر درباره‌ی سایزهای استاندارد باتری قلمی و آشنا شدن با اصطلاحات تخصصی مرتبط با باتری، با انواع باتری‌های غیر شارژی آشنا خواهیم شد. توجه داشته باشید که در سرتاسر این نوشتار منظور از عبارت «باتری»، درواقع نوعِ خاصِ «باتری‌های سیلندری استاندارد» است.

ابعاد استاندارد

باتری‌های سیلندری، به شکل آشنایی که امروزه آن‌ها را می‌شناسیم، اوایل قرن بیستم میلادی معرفی و روانه‌ی بازار شدند. در ابتدا استاندارد خاصی برای این باتری‌ها وجود نداشت و شرکت‌های سازنده‌ی باتری، باتری‌های سیلندری خود را در اندازه‌ی دلخواه تولید می‌کردند؛ تا اینکه سازمان‌های استاندارد از جمله مؤسسه‌ی ملی استاندارد آمریکا (ANSI) ، در سال ۱۹۰۷ اولین استانداردها را برای ابعاد باتری‌های سیلندری وضع کردند. تعدادی از معروف‌ترین و متداول‌ترین ابعاد باتری‌های استاندارد را در تصویر زیر مشاهده می‌کنید.

 

متداول‌ترین ابعاد باتری‌های سیلندری. از راست به چپ: D, C, AA, AAA, AAAA

استاندارد باتری

ابعاد
(میلی‌متر)

ولتاژ نامی
(ولت)

ظرفیت متداول
(میلی‌آمپر ساعت)

AAAA

۸.۳ در ۴۲.۵

۱.۵

۶۲۵

AAA (نیم‌قلمی)

۱۰.۵ در ۴۴.۵

۱.۵

۵۰۰ تا ۱۵۰۰

AA (قلمی)

۱۴.۵ در ۵۰.۵

۱.۵

۶۰۰ تا ۳۰۰۰

C

۲۶.۲ در ۵۰

۱.۵

۳۸۰۰ تا ۸۰۰۰

D

۳۴.۲ در ۶۱.۵

۱.۵

۵۰۰۰ تا ۱۲۰۰۰

 

استاندارد باتری‌های AA یا قلمی (که امروزه متداول‌ترین نوع باتری سیلندری در جهان به‌شمار می‌روند) در سال ۱۹۴۷ وضع شد؛ هرچند این باتری‌ها مدت‌ها قبل از استانداردسازی نیز به صورت گسترده تولید و استفاده می‌شدند. باتری‌های AA حدود ۵ سانتی‌متر طول و ۱.۳ سانتی‌متر قطر دارند. وزن باتری‌های قلمی بسته به نوع آن‌ها متغیر است و از ۱۵ گرم در باتری‌های لیتیومی تا ۳۱ گرم در باتری‌های نیکل-هیدرید فلزی می‌رسد. امروزه حدود ۶۰ درصد از باتری‌های آلکالاین فروخته‌شده در جهان از نوع AA هستند

.

جدول مشخصات باتری‌های قلمی (AA) متداول

 

زینک-کربن
(ZnC)

آلکالاین

لیتیوم
(Li-FeS
2)

لیتیوم-یون
(Li-ion)

نیکل کادمیوم
(NiCd)

نیکل-هیدرید فلز
(NiMH)

ولتاژ نامی

1.5 V

1.5 V

1.5 V

3.6-3.7 V

1.2 V

1.2 V

ظرفیت در شرایط جریان ثابت ۵۰ میلی‌آمپر

400–1700 mAh

1800–2600 mAh

2700–3400 mAh

600-800 mAh

600–1000 mAh

600–2850 mAh

ماکزیمم انرژی در ولتاژ نامی و جریان ۵۰ میلی‌آمپر

2.55 Wh

3.90 Wh

5.10 Wh

2.88-2.96 Wh

1.20 Wh

3.42 Wh

قابلیت شارژ

ندارد

بعضی مدل‌ها

ندارد

دارد

دارد

دارد

 

باتری‌های AAA ولتاژ یکسانی با باتری‌های AA دارند و به دلیل سایز کوچک‌تر، معمولا در دستگاه‌هایی استفاده می‌شوند که به دلیل محدودیت ابعاد، ضخامت و وزن نمی‌توانند از باتری‌های AA استفاده کنند. یک باتری AAA معمولا حدود یک‌سوم باتری AA مشابه خود ظرفیت دارد. با پیشرفت تکنولوژی و بهینه شدن مصرف دستگاه‌های الکترونیکی و از طرفی افزایش یافتن ظرفیت باتری‌های AAA، بسیاری از دستگاه‌هایی که تا پیش از این از باتری‌های AA استفاده می‌کردند (مانند ریموت کنترل‌ها، کیبوردها، موس‌های بیسیم و ...) امروزه از باتری‌های کوچک‌تر AAA استفاده می‌کنند. بین ۲۴ تا ۳۰ درصد از سهم بازار باتری‌های سیلندری استاندارد متعلق به باتری‌های AAA یا نیم‌قلمی است.

 

می‌توان با استفاده از تبدیل، از باتری‌های کوچک‌تر به‌جای باتری سایز بزرگ‌تر استفاده کرد.

جدول مشخصات باتری‌های نیم‌قلمی (AAA) متداول

 

زینک-کربن
(ZnC)

آلکالاین

لیتیوم
(Li-FeS
2)

لیتیوم-یون
(Li-ion)

نیکل کادمیوم
(NiCd)

نیکل-هیدرید فلز
(NiMH)

ولتاژ نامی

1.5 V

1.5 V

1.5 V

3.6-3.7 V

1.25 V

1.25 V

ظرفیت در شرایط جریان ثابت ۵۰ میلی‌آمپر

540 mAh

820–1200 mAh

1200 mAh

350 mAh

300–500 mAh

600–1250 mAh

ماکزیمم انرژی در ولتاژ نامی و جریان ۵۰ میلی‌آمپر

0.81 Wh

1.3-1.8 Wh

1.8 Wh

1.3 Wh

0.38-0.63 Wh

0.75-1.6 Wh

قابلیت شارژ

ندارد

بعضی مدل‌ها

ندارد

دارد

دارد

دارد

باتری‌های AAAA موارد مصرف بسیار کمتری نسبت به دیگر انواع باتری‌های سیلندری دارند و هرچند از سال ۲۰۱۰ به بعد اندکی به شهرت آن‌ها افزوده شده‌ است؛ اما همچنان به‌سختی می‌توان آن‌ها را در فروشگاه‌های لوازم الکترونیکی پیدا کرد. از این نوع باتری‌ها بیشتر در دستگاه‌های کوچکی چون اشاره‌گرهای لیزری کوچک، ریموت دزدگیر ماشین، خودکارهای مجهز به لامپ LED، استایلوس‌ها و آمپلی‌فایرهای هدفون استفاده می‌شود.

باتری‌های C با طول ۵ و قطر ۲.۶ سانتی‌متر معمولا در اسباب‌بازی‌های پرمصرف و چراغ‌قوه‌های دستی استفاده می‌شوند. در سال ۲۰۰۷، سهم بازار این نوع باتری‌ها به ۴ تا ۵ درصد می‌رسید. ولتاژ نامی باتری‌های C آلکالاین ۱.۵ ولت است و ظرفیت آن‌ها تا ۸۰۰۰ میلی‌آمپر ساعت نیز می‌رسد؛ هرچند انواع قدیمی زینک-کربن معمولا ظرفیتی برابر با ۳۸۰۰ میلی‌آمپر ساعت دارند. پیشینه‌ی باتری‌های سایز استاندارد C از باتری‌های AA و AAA قدیمی‌تر است و به دهه‌ی ۲۰ میلادی می‌رسد.

باتری‌های D معمولا در دستگاه‌های بسیار پرمصرف مانند چراغ قوه‌های قوی، رادیوها و ضبط صوت‌های بزرگ معروف بهBoombox و دستگاه‌های دارای موتور الکتریکی استفاده می‌شوند. این باتری‌ها ۶.۱ سانتی‌متر طول و ۳.۳ سانتی‌متر قطر دارند و ظرفیت آن‌ها در برخی مدل‌های خاص به ۲۰ هزار میلی‌آمپر ساعت نیز می‌رسد. جالب است بدانید باتری‌های سایز D قدیمی‌ترین باتری‌های سیلندری هستند که هنوز تولید می‌شوند. پیشینه‌ی این باتری‌ها به سال ۱۸۹۸ (قبل از استانداردسازی باتری‌های قلمی) می‌رسد. تا قبل از معرفی شدن دیگر انواع و ابعاد باتری‌های قلمی، باتری‌های D به «باتری چراق قوه» مشهور بودند. آمریکا بزرگ‌ترین بازار مصرف باتری‌های سایز D است؛ به‌طوری‌که سهم بازار این باتری‌ها در این کشور به ۸ درصد می‌رسد.

آشنایی با اصطلاحات مرتبط با باتری

میلی آمپرساعت (mAh): ظرفیت باتری‌های قلمی معمولا با واحد «میلی‌آمپر ساعت» (mAh) نشان داده می‌شود. به بیان ساده، یک باتری ۲۰۰۰ میلی‌آمپر ساعتی می‌تواند به مدت ۱ ساعت جریانی به شدت ۲۰۰۰ میلی‌آمپر؛ یا به ‌مدت ۱۰۰ ساعت جریانی ۲۰ میلی‌آمپری فراهم کند. باید دقت داشت که آمپر ساعت و میلی‌آمپر ساعت واحدهای انرژی نیستند. برای به دست آوردن میزان انرژی ذخیره‌شده در باتری (با واحد وات-ساعت) باید ظرفیت آن (با واحد میلی‌آمپر ساعت) را در ولتاژ باتری ضرب کرد. البته همان‌طور که در ادامه توضیح خواهیم داد، به دلیل متغیر بودن ولتاژ باتری‌های قلمی، با استفاده از این روش نیز عدد دقیقی از میزان انرژی ذخیره‌شده در باتری به دست نخواهد آمد.

 

باتری‌های شارژیSIMEANS با ظرفیت500.1000.2400.2600۰2100۰ میلی‌آمپر ساعت

وات-ساعت (Wh): هرچند از واحد وات-ساعت کمتر برای مشخص کردن ظرفیت باتری‌های قلمی استفاده می‌شود؛ اما این واحد معیار دقیق‌تری برای مقایسه‌ی ظرفیت باتری‌های مختلف است. برای مثال انرژی ذخیره‌شده در دو باتری با ظرفیت یکسان ۲۰۰۰ میلی‌آمپری ممکن است با هم متفاوت باشد؛ چرا که ولتاژ همه‌ی باتری‌های قلمی با هم برابر نیست. به‌عنوان نمونه، بیشتر باتری‌های قلمی ۱.۲ ولتی هستند؛ درحالی‌که باتری‌های قلمی لیتیومی ۱.۵ ولتی نیز در بازار وجود دارند. بنابراین یک باتری قلمی ۲۰۰۰ میلی‌آمپر ساعتی لیتیومی، تقریبا ۳ وات-ساعت انرژی دارد (۱.۲V*۲۰۰۰mAh)؛ درحالی‌که انرژی یک باتری قلمی ۲۰۰۰ میلی‌آمپر ساعتی معمولی تنها به ۲.۴ وات-ساعت می‌رسد ۱.۲V*۲۰۰۰mAh.

ولتاژ بیشتر انواع باتری‌های قلمی در طول عمرشان ثابت نیست و بسته به میزان شارژ باقی‌مانده تغییر می‌کند

اما ازآنجایی‌که اینکه ولتاژ باتری‌های قلمی در طول عمرشان ثابت نیست و باتوجه به میزان شارژ باقی‌مانده تغییر می‌کند (برای نمونه جدول ولتاژ باتری‌های آلکالاین را در ادامه ببینید)، به‌راحتی نمی‌توان با ضرب کردن ولتاژ در ظرفیت، مقدار انرژی ذخیره‌شده در باتری را محاسبه کرد.

چگالی انرژی: به میزان انرژی ذخیره‌شده در واحد حجم «چگالی انرژی» گفته می‌شود. اگرچه گاهی از این عبارت برای اشاره به انرژی ذخیره‌شده در واحد جرم نیز استفاده می‌شود؛ اما باید توجه داشت که اصطلاح دقیق‌تر برای چنین منظوری «انرژی ویژه» (Specific Energy) است. در ادامه جدول چگالی انرژی تعدادی از انواع باتری‌های متداول را مشاهده می‌کنید.

 

 

قابلیت شارژ مجدد

وزن
(گرم)

انرژی ذخیره‌شده
(Wh)

انرژی ویژه
(Wh/kg)

چگالی انرژی
(Wh/L)

آلکالاین سایز D

ندارد

۱۳۵

۲۰.۸۳

۱۵۴.۳

۴۲۰

آلکالاین سایز C

ندارد

۶۵

۹.۵۶

۱۴۷

۳۹۱

آلکالاین سایز AAA

ندارد

۱۲

۱.۴۱

۱۱۷.۵

۳۶۵

آلکالاین سایز AA

ندارد

۲۴

۲.۶۰

۱۰۸.۳

۳۲۸

NiMH سایز AA

دارد

۲۶

۲.۵۲

۹۶.۹

۳۱۸

NiMH سایز AAA

دارد

۱۲

۰.۹۶

۸۰.۰

۲۵۰

NiMH سایز D

دارد

۱۷۰

۱۱.۴

۶۷.۱

۲۳۰

NiMH سایز C

دارد

۸۲

۵.۴

۶۵.۹

۲۲۱

عمر قفسه: باتری‌ها حتی هنگامی که از آن‌ها استفاده نمی‌شود و درون بسته‌بندی خود هستند هم به‌صورت تدریجی انرژی ذخیره‌شده‌ی خود را از دست می‌دهند. مدت زمانی که طول می‌کشد تا یک باتری بیشتر ظرفیت خود را از دست بدهد به «عمر قفسه» (shelf life) مشهور است. در شرایط دمای اتاق، عمر قفسه‌ی باتری‌‌های غیر شارژی روی-کربن بین 2 تا 3 سال، باتری‌های آلکالاین بین4 تا 5 سال و باتری‌های لیتیومی بین ۱۰ تا ۱۵ سال است. این مقدار برای باتری‌های شارژی معمولا بسیار کم‌تر است.

دشارژ خودکار Self-discharge: حتی اگر هیچ‌گونه تماسی بین الکترودهای باتری برقرار نباشد، واکنش‌های شیمیایی داخل باتری شارژ الکتریکی ذخیره‌شده را با گذر زمان کاهش می‌دهند. دشارژ اتوماتیک باعث می‌شود عمر قفسه‌ی باتری کاهش پیدا کند و میزان شارژ درون آن هنگامی که به دست مشتری می‌رسد نسبت به شارژ ابتدایی کارخانه بسیار کم‌تر باشد.

باتری‌های یک‌بار مصرف معمولا نرخ دشارژ خودکار بسیار کمتری نسبت به باتری‌های شارژی دارند. از آنجایی که واکنش‌های شیمیایی منجر به دشارژ خودکار با افزایش دما سرعت می‌گیرند، توصیه می‌شود باتری‌ها را در دمای پایین نگه دارید.

 

نوع باتری

قابلیت شارژ مجدد

عمر قفسه/نرخ دشارژ خودکار

لیتیوم-فلز (LiM)

ندارد

۱۰ سال

قلیایی (Alkaline)

ندارد

۵ سال

روی-کربن (ZnC)

ندارد

۲ تا ۳ سال

لیتیوم-یون (Li-ion)

دارد

۲ تا ۳ درصد در ماه

نیکل-هیدرید فلز (NiMH) جدید

دارد

۲ تا ۳ درصد در ماه

سربی-اسیدی (Lead–Acid)

دارد

۴ تا ۶ درصد در ماه

نیکل-کادمیوم (NiCd)

دارد

۱۵ تا ۲۰ درصد در ماه

نیکل هیدرید فلز (NiMH) قدیمی

دارد

۳۰ درصد در ماه

 

اثر حافظه Memory Effect: اثر حافظه پدیده‌ای است که در آن درصورت شارژ کردن باتری نیمه‌پر، ظرفیت آن به‌طور تدریجی کاهش پیدا می‌کند. برای مثال اگر باتری خود را با داشتن ۲۵ درصد شارژ مجددا شارژ کنید، پس از چند سیکل باتری بازه‌ی شارژ «۲۵ تا ۱۰۰ درصد» را به‌عنوان بازه‌ی «صفر تا ۱۰۰ درصد» در نظر می‌گیرد و عملا ۲۵ درصد از ظرفیت خود را از دست می‌دهد. در چنین حالتی به اصطلاح گفته می‌شود باتری نقطه‌ی شارژ شدن را به‌عنوان شارژ صفر «به یاد می‌آورد» یا اینکه ظرفیت قدیمی خود را فراموش می‌کند.

تنها باتری‌های شارژی نیکل-کادمیوم (NiCd) و نیکل-هیدرید فلز (NiMH) تحت تأثیر این پدیده قرار می‌گیرند و دیگر انواع باتری در برابر آن مصون هستند. می‌توان تأثیر این پدیده روی باتری را با چند سیکل شارژ و دشارژ کامل تا حدودی برطرف کرد.