آشنایی با انواع باتری ها در لپتاپ

به گزارش جام جم آنلاین از کلیک ، در حال حاضر تمامی لپ‌تاپ‌های جدید از باطری‌های لیتیوم یونی استفاده‌ می‌کنند. اما در ابتدا به معرفی دیگر انواع باطری‌ها که زمانی در این وسایل الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گرفتند نیز می‌پردازیم. اما همچنان بخش اعظمی از نوشتار حاضر به بررسی باطری‌های لیتیوم یونی خواهد پرداخت.

باطری‌های نیکل کادمیومی (NiCAD) اولین نوع از باطری‌های قابل شارژی بودند که به صورت عمده در لپ‌تاپ‌ها مورد استفاده قرار گرفتند. برخی از لپ‌تاپ‌های قدیمی‌تر هنوز از چنین باطری‌هایی استفاده می‌کنند. آن‌ها قادر به تامین توان به مدت حداکثر دو ساعت هستند اما میزان توانایی آن‌ها در نگهداری توان پس از هر بار شارژ کاهش می‌یابد. دلیل این امر، چیزی به نام اثر حافظه‌ است.

تنها راه جلوگیری از بروز این اشکال این است که قبل از شارژ مجدد باطری را کاملا تخلیه نمایید. دیگر اشکال باطری‌های نیکل کادمیومی مربوط به مدت زمان طولانی شارژ آن‌ها است. همچنین ممکن است این باطری‌ها در زمان شارژ منفجر شوند.

باطری های نیکل-متال هایبرید (NiMH) پلی بین باطری‌های نیکل کادمیومی و باطری‌های جدیدتر لیتیوم یونی (LiIon) هستند. این باطری‌ها قادر هستند تا توان را برای مدت بیشتری نگهداری کنند.

اما باطری‌های نیکل-متال هایبرید دارای طول عمر کمتری نسبت به باطری‌های نیکل کادمیومی بوده و همچنان از اثر حافظه رنج می‌برند. اما این اثر در آن ها کمتر از انواع دیگر باطری‌ها است.

باطری‌های لیتیوم یونی در حال حاضر باطری‌های استاندارد برای کامپیتورهای لپ تاپ هستند. آن ها سبک بوده و دارای طول عمر بالایی می‌باشند. این باطری‌ها از اثر حافظه رنج نمی‌برند و می‌توانند در هر زمانی و به صورت تصادفی شارژ شوند. در نهایت این باطری ها در صورت شارژ بیش از حد، داغ نمی‌شوند و امکان انفجار ان ها بسیار اندک است. همچنین آن ها نازک‌تر و کوچکتر از هر نوع باطری دیگری هستند که در لپ تاپ‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. همین مساله آن ها را برای استفاده در لپ‌تاپ‌های فوق العاده کوچک و سبک که امروزه تولید می‌شوند ایده‌ال می‌سازد. به صورت معمول می‌توان باطری‌های لیتیوم یونی را بین ۹۵۰ تا ۱۲۰۰ بار شارژ نمود.

بسیاری از لپ‌تاپ‌هایی که از باطری های لیتیوم یونی استفاده می‌کنند قادرند تا ۵ ساعت به صورت مداوم با آن‌ها به کار بپردازند. اما این مدت زمان به نوع استفاده‌ای که از لپ‌تاپ‌ می‌کنید بستگی دارد. دیسک سخت و دیگر درایوها و نمایشگرهای LCD به صورت ذاتی توان زیادی مصرف می‌کنند. حتی برای دسترسی به اینترنت از طریق آداپتورهای شبکه بی‌سیم نیز مقداری توان مورد نیاز است. بسیاری از مدل‌های لپ‌تاپ‌ دارای نرم افزارهای مدیریت توان هستند تا بتوانند طول عمر باطری را افزایش داده و یا هنگامی که میزان ذخیره الکتریسیته به حد پایینی رسیده‌ است مدت زمان استفاده از لپ‌تاپ را افزایش دهند.

باطری های Lithium-ion (لیتیوم یونی) امروزه به طرز شگفت آوری محبوبیت پیدا کرده اند. شما می توانید آن ها را علاوه بر لپ تاپ ها در PDA ها، تلفن های سلولی و پخش کننده های MP3 نیز بیابید. دلیل محبویت این باطری ها توانایی بالای آن ها در ارایه توان بیش از سایر انواع باطری‌ها است. اما برخی از اوقات این باطری‌‌ها مستعد انفجار و آتش گرفتن هستند. البته این مساله خیلی رایج نیست و این‌ اتفاق گاهی اوقات حداکثر برای دو یا سه باطری در هر میلیون اتفاق خواهد افتاد.

اما هنگامی که این اتفاق بروز می‌کند می تواند وحشتناک باشد. در برخی از اوقات، آتش می تواند گسترش پیدا کرده و سبب فراخوان عمومی تعداد زیادی باطری شود. در نهایت این موضوع به فروشنده ضرر هنگفتی را وارد می‌کند.

اما سوالاتی‌ نیز در زمینه این باطری‌ها وجود دارد: چه چیزی این باطری ها را اینقدر پر توان و در نتیجه اینقدر محبوب می سازد؟ چگونه ممکن است آن ها اتش بگیرند؟ و آیا راه حلی وجود دارد تا از این مشکل جلوگیری کنید و یا کاری کنید که باطری های شما اندکی بیشتر عمر کنند؟ در این ادامه سعی می کنیم به این سوالات و بسیاری از سوالات دیگر پاسخ دهیم.

باطری های لیتیوم یونی بسیار محبوب هستند به دلیل اینکه آنها دارای تعداد بسیار زیادی از مزایایی هستند که به دلیل استفاده از تکنولوژی های پیشرفته در دسترس قرار گرفته است. در اینجا به گوشه‌ای از مزایای باطری‌های لیتیوم یونی اشاره می‌کنیم:

آن ها عموما از انواع دیگر باطری های قابل شارژ با اندازه مشابه سبک تر هستند. الکترودهای های باطری های لیتیوم یونی از مواد سبک وزنی چون لیتیوم و کربن ساخته شده اند. لیتیوم همچنین یک فلز بسیار واکنش پذیر است. این مساله به این معنی است که این فلز قادر است انرژی بسیار زیادی را در در ساختار اتمی خود ذخیره کند. به همین دلیل است که باطری های لیتیوم یونی دارای چگالی ذخیره انرژی بسیار بالایی هستند.

مثالی می زنیم تا بتوانید دید روشن تری نسبت به چگالی ذخیره توان بالای این باطری‌ها به دست آورید. یک باطری لیتیوم یونی به صورت پیش فرض قادر است ۱۵۰ وات ساعت انرژی را در یک کیلو گرم جرم خود ذخیره کند. یک باطری نیکل متال هایبرید NiMH قادر به نگه‌داری حدود ۱۰۰ وات ساعت انرژی در هر کیلو گرم است که البته ۶۰ تا ۷۰ وات در هر کیلوگرم معمول تر است. یک باطری سرب اسیدی می تواند ۲۵ وات ساعت انرژی را در هر کیلوگرم از جرم خود ذخیره کند. در نهایت یک باطری لیتیوم یونی یک کیلویی قادر است تا انرژیی برابر یک باطری سرب اسیدی ۶ کیلویی را در خود ذخیره کند. این میزان تفاوت واقعا چشمگیر است.

این باطری‌ها می توانند برای مدت طولانی تری انرژی را ذخیره کنند. یک بسته باطری لیتیوم یونی در هر ماه تنها ۵ درصد از ذخیره انرژی خود را از دست می دهد. در مقابل این میزان برای یاطری های نیکل متال هایبرید (NiMH) برابر ۲۰ درصد است.

این باطری ها از اثر حافظه رنج نمی برند. به این مفهوم که نیازی به تخلیه کامل آن ها قبل از شارژ دوباره وجود ندارد. این مساله به دلیلی ساختمان شیمیایی این باطری‌ها است. بسیاری از باطری ها برای باطری های شیمیایی وجود دارد.

البته با وجود تمام مزایایی که در بالا به آن‌ها اشاره کردیم باطری‌های لیتیوم یونی دارای معایبی نیز هستند که در ادامه به آن‌ها اشاره‌ می‌کنیم:

این باطری از لحظه خروج از کارخانه با کاهش ظرفیت مواجه هستند. این باطری ها تنها حدود ۲ تا ۳ سال بعد از تاریخ ساخت قابل استفاده خواهند بود. چه از آن ها استفاده کنید و چه استفاده نکنید.

آن‌ها نسبت به حرارت بسیار حساس هستند. کار در حرارت های بالا سبب می شود تا باطری های لیتیوم یونی سریعتر از زمانی که در حرارت معمولی مورد استفاده قرار می گیرند تخلیه شوند.

اگر باطری های لیتیوم یونی را تا انتها تخلیه کنید آن‌ها خراب خواهند شد.

باطری های لیتیوم یونی باید دارای مدارهای داخلی برای مدیریت باطری باشند. این مساله حتی آن ها را از آنچه که در ابتدا هستند نیز گران قیمت تر می کند.

با اینکه احتمال بسیار کمی وجود دارد اما اگر باطری های لیتیوم یونی با مشکل مواجه شوند مستعد آتش گرفتن هستند.

دلایل وجود بسیاری از این معایب و مزایا را می توان با نگاه به ساختمان شیمییایی داخلی باطری های لیتیوم یونی متوجه شد.

ساختمان داخلی بسته و سلول‌های یک باطری لیتیوم یونی

باطری های لیتیوم یونی در همه شکل ها و اندازه ها ارایه می شوند اما تمامی آن ها دارای ساختمان داخلی مشابهی هستند. اگر یک باطری لپ تاپ را از هم باز کنید ( البته به دلیلی احتمال بروز اتصال کوتاه و آتش گرفتن باطری قویا توصیه می کنیم که این کار را انجام ندهید) شاهد خواهید بود که باطری از اجزای زیر تشکیل شده است.

سلول های باطری لیتیوم یونی که می توانند هم به صورت استوانه هایی مانند باطری های AA معمولی و هم به صورت سلولی تهیه شوند. این به این معنی است که این باطری ها می توانند به شکل های چهار گوش یا مستطیلی نیز تولید شوند.

کامپیوتر کنترل کننده باطری که از اجزای زیر تشکیل شده است:

یک یا چند حسگر حرارتی که دمای باطری را نشان می دهند.

یک مدار مبدل و تنظیم کننده ولتاژ برای نگه داری جریان و ولتاژ در سطوح امن.

یک اتصال حفاظت شده برای خروج و ورود توان و اطلاعات به خارج و داخل باطری.

یک نمایشگر وضعیت شارژ باطری، که یک کامپیوتر کوچک است. این قسمت برای اداره تمامی مراحل شارژ و برای ایجاد اطمینان از اینکه باطری ها با سرعت شارژ شده و تا حداکثر میزان توانشان شارژ می شوند مورد استفاده قرار می‌گیرد.

اگر بسته باطری در حین فرآیند شارژ یا استفاده، بیش از اندازه داغ شود، کامپیوتر جریان برق را قطع می کند تا حرارت باطری کاهش پیدا کند. اگر لپ تاپ خود را در یک اتوموبیل که در زیر نور افتاب پارک شده بگذارید و سپس سعی کنید که از لپ تاپ استفاده کنید، به احتمال زیاد مدار محافظ داخل باطری تا زمانی که لپ تاپ خنک شود اجازه روشن شدن را به آن نخواهد داد. علاوه بر این قبل از تخلیه کامل سلول‌ها نیز باطری خاموش خواهد شد تا از تخلیه کامل و در نتیجه وارد آمدن صدمه به آن جلوگیری کند. علاوه بر این مدار کنترل کننده فوق می‌تواند تعداد دفعات شارژ و تخلیه را شمارش کرده و اطلاعات را به سیستم اندازه گیری توان باطری ارسال نماید تا قادر باشد به شما میزان انرژی باقی مانده در باطری را نشان دهد.

این مدار کوچک که باطری را کنترل می کند بسیار پیچیده است و به خودی خود مقداری از توان باطری را مصرف می کند. مصرف توان این کامپیوتر یکی از دلایلی است که چرا باطری های لیتیوم یونی حتی هنگامی که مورد استفاده قرار نمی گیرند نیز ۵ درصد از توان خود را در هر ماه از دست می دهند.

سلول های لیتیوم یونی

این باطری ها نیز مانند بسیاری از دیگر باطری ها در یک بسته بندی فلزی قرار می گیرند. استفاده از فلز مخصوصا از آن جایی مهم و ضروری است که این باطری ها تحت فشار بسته بندی می شوند. این بسته بندی فلزی دارای نوعی پنجره خروجی حساس به فشار است. حتی اگر باطری خیلی گرم شود و امکان انفجار باطری به دلیل افزایش فشار وجود داشته باشد، این پنجره فشار اضافی را خارج می کند. البته باطری پس از رخ دادن این اتفاق بلا استفاده خواهد بود اما بلا استفاده شدن باطری بهتر از انفجار آن است. پنجره فشار دقیقا به گونه ای تنظیم شده است تا قابلیت اطمینان را افزایش دهد. این پنجره به یک سوییچ Positive Temperature Coefficient یا PTC مجهز است که ابزاری برای جلوگیری از افزایش دمای بیش از حد باطری است.

این جداره فلزی، صفحات نازک با طول زیاد را که به دور یکدیگر پیچیده شده اند در کنار یکدیگر نگاه می دارد.

یک الکترود مثبت

یک الکترود منفی

یک جدا کننده

در داخل این محفظه، صفحات در یک مایع ارگانیک شناور هستند که مانند مایع الکترولیت عمل می کند. اتر یکی از مواردی است که خیلی برای این منظور به کار می رود.

جدا کننده یک صفحه بسیار نازک از پلاستیک است است که سوراخ های بسیار ریزی بر روی آن قرار دارد. همانطور که از نام آن پیداست، این صفحه الکترودهای مثبت و منفی را از یکدیگر جدا می کند اما به یون ها اجازه می دهد تا از درون آن عبور کنند. الکترود مثبت از ماده اکسید لیتیوم کبالت LiCoO2 ساخته شده است. الکترود منفی نیز از کربن ساخته می شود. هنگامی که باطری شارژ می شود، یون های لیتیوم از درون ماده الکترولیت و از قطب مثبت به سمت قطب منفی رفته و به کربن می پیوندند.

حرکت این یون های لیتیومی سبب می شود تا ولتاژ واقعا بالایی ایجاد شود. هر سلول می تواند ولتاژی برابر ۳٫۷ ولت را ایجاد نماید. این میزان بسیار بالاتر از ولتاژی عادی باطری های قلمی آلکالاین معمولی است که برابر با ۱٫۵ ولت می‌باشد. این مساله به باطری های لیتیوم یونی اجازه می‌دهد که در اندازه های بسیار کوچکتری تولید شده و به همین دلیل این باطری ها برای استفاده در ابزارهای کوچک قابل حملی چون تلفن های سلولی ایده آل هستند.

در بخش بعد نگاهی خواهیم داشت به روش هایی که توسط آن می‌توان عمر این باطری ها را طولانی‌تر کرده و البته این موضوع که چرا ممکن است آن ها منفجر شوند.

تولد و مرگ باطری های لیتیوم یونی

بسته های باطری های لیتیوم یونی گران قیمت هستند. اگر قصد دارید کاری کنید تا عمر طولانی تری داشته باشند، باید چند نکته را همواره در ذهن خود داشته باشید.

معماری باطری های لیتیوم یونی به گونه ای است که تخلیه قسمتی از توان را به تخلیه کامل باطری ترجیح می‌دهد. بهترین کار این است که همیشه از تخلیه کامل باطری احتراز کنید. از آنجایی که ابن باطری‌ها به دلیل ساختمان شیمیایی خاص باطری‌های لیتیوم یونی از اثر حافظه رنج نمی برند، با عدم تخلیه کامل آن‌ها صدمه‌ای به آن ها نخواهید زد. اما اگر میزان توان ذخیره شده در باطری لیتیوم یونی به زیر میزان حداقل مجاز کاهش پیدا کند، باطری به اصطلاح ویران خواهد شد.
باطری های لیتیوم یونی دارای طول عمر محدودی هستند. این باطری ها قبل از تخریب کامل، خواه مورد استفاده قرار بگیرند و خواه نه، حدود ۲ تا ۳ سال عمر می کنند. به همین دلیل به هیچ وجه از باطری هایی که ۵ سال از تولید آن ها گذشته است استفاده نکنید. حتی اگر بسته باطری را به تازگی نیز خریده باشید اما تاریخ تولید آن مربوط به چند سال قبل باشد، این باطری چندین سالی را در قفسه مغازه قرار داشته است. این گونه باطری ها مدت زیادی عمر نخواهند کرد. پس هنگام خرید حتما دقت کنید، زیرا تاریخ تولید در این باطری ها واقعا مهم است.

از حرارت دوری کنید. حرارت می تواند طول عمر و توانایی ذخیره سازی این باطری ها را تا حد زیادی کاهش دهد.