همه چیز درباره‌ی انواع باتری‌ها؛ کدام بهتر است؟

باتری‌ها به عنوان یکی از حیاتی‌ترین اجزای دنیای فناوری مدرن، نقشی انکارناپذیر در زندگی روزمره انسان‌ها ایفا می‌کنند. از وسایل الکترونیکی کوچک مانند ساعت و کنترل تلویزیون گرفته تا خودروهای برقی و سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی‌های تجدیدپذیر، همگی به نوعی وابسته به باتری هستند. مفهوم اصلی باتری بر پایه‌ی تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی استوار است؛ فرآیندی که از واکنش‌های شیمیایی میان دو الکترود و یک الکترولیت حاصل می‌شود. باتری‌ها در واقع سامانه‌هایی هستند که انرژی را درون خود ذخیره کرده و در زمان نیاز آن را آزاد می‌کنند، بدون آنکه به منبع برق خارجی وابسته باشند.

به طور کلی، باتری‌ها به دو دسته‌ی عمده تقسیم می‌شوند: باتری‌های اولیه یا غیرقابل شارژ و باتری‌های ثانویه یا قابل شارژ. این تقسیم‌بندی، بر مبنای امکان یا عدم امکان بازگرداندن ترکیبات شیمیایی به حالت اولیه انجام می‌شود. باتری‌های اولیه فقط یک بار قابل استفاده هستند، زیرا پس از اتمام واکنش‌های شیمیایی، امکان برگشت‌پذیری واکنش وجود ندارد. در مقابل، باتری‌های ثانویه قابلیت شارژ مجدد دارند، به طوری که با اعمال جریان الکتریکی در جهت عکس واکنش، ترکیبات شیمیایی دوباره به حالت اولیه بازمی‌گردند و باتری می‌تواند بارها مورد استفاده قرار گیرد.

در میان باتری‌های اولیه، باتری قلیایی یا آلکالاین یکی از پرکاربردترین انواع است. این نوع باتری از واکنش میان روی و دی‌اکسید منگنز در حضور الکترولیت قلیایی (معمولاً هیدروکسید پتاسیم) انرژی تولید می‌کند. ویژگی برجسته‌ی آن، چگالی انرژی نسبتاً بالا و عمر طولانی در مقایسه با باتری‌های قدیمی‌تر از نوع روی-کربن است. همچنین نسبت به تغییرات دمایی مقاوم‌تر است و نشت الکترولیت در آن کمتر دیده می‌شود. باتری‌های قلیایی به‌طور گسترده در وسایل خانگی مانند کنترل از راه دور، ساعت‌های دیواری، اسباب‌بازی‌ها و رادیوهای کوچک کاربرد دارند.

باتری‌های روی-کربن، نسل قدیمی‌تر باتری‌های اولیه هستند که بر پایه‌ی واکنش شیمیایی بین روی و دی‌اکسید منگنز در محیطی از آمونیوم کلرید کار می‌کنند. این باتری‌ها قیمت پایینی دارند اما عمر کوتاه‌تری نسبت به باتری‌های قلیایی دارند و در صورت استفاده‌ی طولانی ممکن است مایع الکترولیت از درون آن‌ها نشت کند. با وجود این ضعف‌ها، به دلیل سادگی ساخت و هزینه‌ی پایین، هنوز در برخی تجهیزات کم‌مصرف مورد استفاده قرار می‌گیرند.

در سال‌های اخیر، باتری‌های لیتیومی اولیه به دلیل چگالی انرژی بالا، پایداری طولانی‌مدت و مقاومت زیاد در برابر دماهای پایین، جایگاه مهمی پیدا کرده‌اند. این باتری‌ها به ویژه در تجهیزات الکترونیکی حساس مانند دستگاه‌های پزشکی قابل حمل، ساعت‌های دیجیتال، حسگرها و سیستم‌های حافظه‌ی پشتیبان (Backup systems) کاربرد فراوان دارند. ویژگی مهم آن‌ها این است که می‌توانند تا ده سال یا بیشتر بدون کاهش محسوس عملکرد، انرژی خود را حفظ کنند.

اما بخش عمده‌ی پیشرفت‌های تکنولوژیکی در حوزه‌ی باتری، مربوط به باتری‌های ثانویه یا قابل شارژ است. در میان آن‌ها، باتری‌های نیکل-کادمیوم یکی از نخستین نمونه‌های تجاری موفق بودند. این باتری‌ها ولتاژی حدود ۱٫۲ ولت دارند و از مقاومت بالایی در برابر ضربه و دما برخوردارند. یکی از مزایای اصلی آن‌ها قابلیت شارژ سریع است. با این حال، اثر حافظه در این نوع باتری‌ها باعث می‌شود اگر پیش از تخلیه کامل، مجدداً شارژ شوند، ظرفیت واقعی آن‌ها کاهش یابد. همچنین وجود عنصر کادمیوم، که ماده‌ای سمی و آلاینده‌ی محیط زیست است، باعث شده استفاده از این نوع باتری‌ها در بسیاری از کشورها محدود یا ممنوع شود.

در ادامه‌ی مسیر تکامل، باتری‌های نیکل-هیدرید فلز یا Ni-MH به عنوان جایگزینی ایمن‌تر و کارآمدتر معرفی شدند. این باتری‌ها ظرفیت بالاتری نسبت به Ni-Cd دارند و از نظر زیست‌محیطی نیز بی‌خطرترند، زیرا فاقد عناصر سمی هستند. البته یکی از معایب آن‌ها نرخ خودتخلیه‌ی نسبتاً بالاست، به این معنا که حتی در صورت عدم استفاده، بخشی از انرژی ذخیره‌شده در آن‌ها طی زمان از بین می‌رود. این باتری‌ها در دوربین‌های دیجیتال، لوازم خانگی شارژی و دستگاه‌هایی با مصرف متوسط انرژی به‌کار می‌روند.

بدون تردید، انقلاب واقعی در فناوری باتری با ظهور باتری‌های لیتیوم-یون رقم خورد. این نوع باتری‌ها با ولتاژی در حدود ۳٫۶ تا ۳٫۷ ولت در هر سلول، چگالی انرژی بسیار بالاتری نسبت به سایر انواع دارند. در ساختار آن‌ها، یون‌های لیتیوم بین الکترود منفی (معمولاً گرافیت) و الکترود مثبت (اکسید فلزی) جابه‌جا می‌شوند. باتری‌های لیتیوم-یون سبک، کوچک و دارای عمر شارژ طولانی هستند. از این رو در گوشی‌های تلفن همراه، لپ‌تاپ‌ها، تبلت‌ها و خودروهای الکتریکی به‌صورت گسترده به کار می‌روند. البته حساسیت این باتری‌ها نسبت به دما و ولتاژ بیش از حد باعث می‌شود نیاز به مدارهای محافظ برای کنترل شارژ و دشارژ داشته باشند تا از خطر انفجار یا آتش‌سوزی جلوگیری شود.

نوع دیگری از باتری‌های لیتیومی، باتری لیتیوم-پلیمر است که در واقع نسخه‌ای پیشرفته‌تر از Li-ion محسوب می‌شود. تفاوت اصلی آن در استفاده از الکترولیت پلیمری به جای مایع است که امکان ساخت باتری‌هایی با شکل‌ها و ضخامت‌های متفاوت را فراهم می‌کند. این ویژگی سبب شده در دستگاه‌هایی با طراحی باریک و فشرده مانند گوشی‌های هوشمند پیشرفته، پهپادها، ساعت‌های هوشمند و تبلت‌ها بسیار مورد استفاده قرار گیرد. از نظر عملکرد، چگالی انرژی آن با Li-ion تقریباً برابر است اما از نظر ایمنی کمی برتر بوده و نشت الکترولیت در آن وجود ندارد. تنها نقطه‌ضعف آن هزینه‌ی تولید بالاتر است.

در کنار این فناوری‌های جدید، باتری‌های سرب-اسید همچنان از قدیمی‌ترین و پراستفاده‌ترین انواع باتری‌ها در کاربردهای صنعتی و خودرویی هستند. این باتری‌ها در هر سلول حدود ۲ ولت ولتاژ تولید می‌کنند و از ترکیب دی‌اکسید سرب و سرب در حضور اسید سولفوریک ساخته می‌شوند. ویژگی اصلی آن‌ها توانایی تأمین جریان‌های بالا در مدت زمان کوتاه است که برای راه‌اندازی موتور خودروها ایده‌آل است. هزینه‌ی ساخت آن پایین است اما وزن زیاد و عمر محدود، استفاده از آن را در دستگاه‌های قابل حمل محدود کرده است. همچنین خطر نشت اسید و آلودگی محیطی از دیگر معایب آن محسوب می‌شود. با وجود این، در سامانه‌های پشتیبان انرژی (UPS) و نیروگاه‌های خورشیدی همچنان جایگاه خود را حفظ کرده‌اند.

با پیشرفت فناوری‌های نوین، محققان در تلاش‌اند تا نسل جدیدی از باتری‌ها را توسعه دهند که مشکلات موجود را برطرف کند. یکی از مهم‌ترین نوآوری‌ها در این زمینه، باتری‌های حالت‌جامد هستند. در این نوع، الکترولیت مایع جای خود را به الکترولیت جامد داده است که ایمنی بیشتری دارد و احتمال نشت یا آتش‌سوزی را از بین می‌برد. افزون بر آن، چگالی انرژی در باتری‌های حالت‌جامد بالاتر است و می‌توانند مدت زمان بیشتری انرژی ذخیره کنند. پیش‌بینی می‌شود این نوع باتری‌ها آینده‌ی خودروهای برقی را متحول سازند.

نوع دیگری از فناوری‌های نوظهور، باتری‌های سدیمی یا Na-ion است که از نظر ساختار مشابه باتری‌های لیتیوم-یون هستند اما به جای لیتیوم از یون سدیم استفاده می‌کنند. سدیم به دلیل فراوانی در طبیعت و هزینه‌ی پایین استخراج، گزینه‌ای بسیار مناسب برای تولید انبوه باتری‌های ارزان‌قیمت به شمار می‌رود. هرچند در حال حاضر چگالی انرژی آن کمتر از باتری‌های لیتیومی است، اما برای کاربردهایی که به هزینه‌ی پایین‌تر و دوام بالا نیاز دارند (مانند ذخیره‌سازی انرژی خورشیدی و بادی) گزینه‌ای ایده‌آل محسوب می‌شود.

همچنین، تحقیقات در زمینه‌ی باتری‌های زیستی و انعطاف‌پذیر نیز در حال گسترش است. این باتری‌ها بر اساس واکنش‌های شیمیایی زیست‌سازگار کار می‌کنند و می‌توانند در تجهیزات پوشیدنی، ایمپلنت‌های پزشکی و دستگاه‌های زیست‌الکترونیکی مورد استفاده قرار گیرند. این حوزه نوپا اما بسیار امیدبخش است و می‌تواند فصل جدیدی از تعامل میان فناوری و زیست‌شناسی را رقم بزند.

در مقایسه‌ی کلی می‌توان گفت که هر نوع باتری مزایا و محدودیت‌های خاص خود را دارد. باتری‌های قلیایی و روی-کربن برای کاربردهای ساده و کم‌مصرف مقرون‌به‌صرفه‌اند. باتری‌های نیکل-کادمیوم و نیکل-هیدرید فلز برای وسایل قابل شارژ با مصرف متوسط مناسب‌اند. باتری‌های لیتیوم-یون و لیتیوم-پلیمر بالاترین چگالی انرژی را دارند و انتخاب اصلی در صنایع الکترونیک و خودروسازی محسوب می‌شوند، در حالی که باتری‌های سرب-اسید به علت قابلیت جریان‌دهی بالا هنوز در سامانه‌های سنگین مورد استفاده‌اند. انتخاب نوع مناسب باتری بستگی مستقیم به نیاز انرژی، وزن مجاز، هزینه، و شرایط محیطی دارد.

در نهایت، می‌توان نتیجه گرفت که آینده‌ی صنعت باتری در جهت دستیابی به منابع انرژی پایدارتر، سبک‌تر، با ظرفیت بالاتر و تأثیر زیست‌محیطی کمتر در حال حرکت است. پژوهش‌ها در زمینه‌ی مواد جدید مانند گرافن، سیلیکون و الکترولیت‌های جامد نشان می‌دهد که در دهه‌های آینده، باتری‌هایی با چندین برابر ظرفیت فعلی و زمان شارژ بسیار کوتاه‌تر در دسترس خواهند بود. جهان به سمت دوران جدیدی از انرژی قابل حمل حرکت می‌کند، و بدون شک، باتری‌ها کلید این تحول بزرگ خواهند بود.