باتری آلکالاین چیست؟ مزایا و معایب و کاربردها

باتری آلکالاین (Alkaline Battery) نام خود را از محلول قلیایی مورد استفاده به عنوان الکترولیت گرفته است. این باتری یکی از رایج ترین باتری های یکبار مصرف موجود در بازار است. باتری آلکالاین یا قلیایی هنوز هم به طور گسترده در صنعت ساخت چراغ قوه استفاده می شود، هرچند باتری های لیتیومی قابل شارژ به سرعت در حال تسخیر بازار هستند. متداول ترین اندازه های این باتری ها AAA و AA هستند.

باتری یک سلول الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. یک باتری سلولی خشک معمولی شامل یک آند با بار مثبت، یک کاتد با بار منفی و یک الکترولیت است که در طول واکنش اکسیداسیون و کاهش، انرژی الکتریکی را تولید می کند. باتری آلکالاین یک باتری ضروری است که انرژی خود را از واکنش بین فلز روی و دی اکسید منگنز دریافت می کند.

ماندگاری، قیمت و در دسترس بودن مزایای اصلی باتری آلکالاین است. آنها می توانند برق را برای مدت بسیار طولانی ذخیره کنند و شما می توانید آنها را در هر سوپر مارکتی با قیمت مناسب خریداری کنید. در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک توضیحات بیشتری در این رابطه ارائه می گردد لطفا همراه ما باشید.

ویژگی باتری آلکالاین

باتری های قلیایی قادر به تامین و حفظ منبع تغذیه برای مدت طولانی نیستند. به عنوان مثال در یک چراغ قوه، خروجی انرژی محدود بوده و به طور مداوم کاهش می یابد.

باتری های آلکالاین در واقع برای چراغ قوه بسیار مناسب نیستند، این باتری ها برای دستگاه هایی که در مدت زمان طولانی به انرژی کمی نیاز دارند، مانند ریموت یا ساعت بسیار مناسب هستند. معایب دیگر این باتری ها، خطر نشت ترکیبات داخلی باتری است. متأسفانه باتری های آلکالاین هنگام تخلیه مستعد نشتی هستند و اگر آنها را در داخل دستگاه به مدت زیاد ذخیره کنید، به طور بالقوه می توانند به دستگاه شما آسیب برسانند.

باتری های قلیایی رایج ترین نوع باتری های قابل تعویض هستند که برای تغذیه طیف وسیعی از لوازم خانگی مورد استفاده قرار می گیرند. بزرگترین عیب آنها این است که باید تعویض شوند. اگر مصرف باتری شما بالاست بهتر است از باتری های قابل شارژ استفاده کنید.

تاریخچه ساخت باتری آلکالاین

در گذشته، باتری های آلکالاین با سیستم های آب بندی پیچیده و بدنه های فولادی ضخیم و درپوش های انتهایی ساخته می شدند. در طول دهه ۱۹۸۰، روشی ابداع شد که به تولید کنندگان اجازه می داد از مواد بسته بندی نازک تر و مهر و موم های کارآمدتر استفاده کنند. این روش ابداعی فضای بیشتری را برای مواد فعال در اندازه استاندارد سلول تعیین شده ایجاد کرد و ظرفیت باتری را نیز افزایش داد.

در اوایل دهه ۹۰ دولت ها استفاده از جیوه در تولید سلول های باتری آلکالاین را ممنوع کردند و تولید کنندگان این گونه از باتری ها را به چالش کشیدند. جیوه یک آلاینده محیطی است که در باتری های آلکالاین به عنوان یک تثبیت کننده ضد نفوذ برای الکترود روی استفاده می شد.

بدون حضور جیوه، فرایندهای شیمیایی درون باتری باعث می شود که روی به دلیل غیرفعال شدن سطح عملکرد کمتری داشته باشد. بنابراین عمر مفید باتری را محدود می کند. تولیدکنندگانی مانند Energizer و Duracell با این چالش روبرو شدند و بر آن غلبه کردند. بنابراین ما در حال حاضر سلول های عاری از جیوه داریم که عملکرد مشابهی با سلول های قبلی دارند.

کاربرد باتری های آلکالاین

باتری های آلکالاین به طور منظم از هیدروکسید سدیم یا هیدروکسید پتاسیم به عنوان بخش اساسی الکترولیت خود استفاده می کنند. باتری های آنتی اسید اغلب در برنامه هایی استفاده می شوند که در آنها بازدهی پایدار و با انرژی بالا مورد نیاز است، به عنوان مثال در دستگاهی مانند دستگاه پخش سی دی و رادیوها، پیجر و دوربین های استفاده دارند.

در حال حاضر باتری آلکالاین محبوب ترین نوع باتری های یکبار مصرف در بازار هستند. از آنها در دستگاه های الکترونیکی کوچک مانند ساعت و کنترل از راه دور و همچنین رادیو قابل حمل و اسباب بازی های باتری خور استفاده می شود. با این وجود، در حالی که یک باتری آلکالاین یک باتری اصلی در نظر گرفته می شود ولی پس از یک بار استفاده باید جایگزین شود. در حالی که فناوری های مدرن باتری، امکان توسعه انواع باتری های قابل شارژ را فراهم کرده است.

نحوه عملکرد باتری آلکالاین

عموما همه باتری ها یکسان عمل می کنند. به یاد داشته باشید که آنها دارای الکترود یا آند منفی و الکترود یا کاتد مثبت هستند. در باتری آلکالاین، آند از جنس فلز روی است و کاتد از جنس اکسید منیزیم است. باتری های آلکالاین مدرن نیز دارای کربن در ترکیب کاتد هستند. درک واکنش شیمیایی روی و اکسید منیزیم برای درک نحوه عملکرد باتری آلکالاین ضروری است.

محلول الکترولیت قلیایی هیدروکسید پتاسیم باعث می شود، جریان الکتریکی بین آند و کاتد برقرار شود. در آند روی، برهم کنش با یونهای هیدروکسید پتاسیم باعث تجمع الکترون های اضافی می شود. این پدیده منجر به تفاوت الکتریکی بین آند و کاتد می شود. علاوه بر این، به دلیل تجمع الکترون ها در آند روی، آنها تمایل طبیعی برای حرکت به محل دیگر را دارند.

در این باتری ها، الکترون های اضافی به سمت کاتد اکسید منیزیم حرکت می کنند. این عمل به طورعادی ممکن نیست زیرا هیچ ارتباط مستقیمی بین آند و کاتد منیزیم وجود ندارد. حرکت الکترون های اضافی مستلزم ایجاد یک مدار بسته است، به ویژه با قرار دادن باتری قلیایی در یک دستگاه برای تامین انرژی! حرکت الکترون ها از آند به کاتد از طریق مدار بسته، جریان الکتریکی ایجاد می کند. به این ترتیب باتری های آلکالاین به دستگاه های الکترونیکی نیرو می دهند.

همچنین توجه به این نکته ضروری است که کاتد اکسید منیزیم، می تواند الکترون های اضافی یا آزاد را به دلیل برهم کنش با یون های محلول الکترولیت قلیایی هیدروکسید پتاسیم دریافت کند. به طور خاص، یون های الکترولیت با الکترون های آزاد واکنش داده و ترکیبات را تشکیل می دهند.

مزایای باتری آلکالاین

چگالی انرژی بالا:

چگالی انرژی بالاتر یکی از مزایای قابل توجه باتری های قلیایی است. چگالی انرژی آنها دو برابر باتری های اولیه یا یک بار مصرف مانند سلول های لکلانشه (Leclanché) و باتری های روی – کربن و چهار برابر ظرفیت باتری های معادل نیکل -کادمیوم یا نیکل- فلز- هیدرید است. از این رو، باتری آلکالاین می تواند همان انرژی را تأمین یا تولید کند در حالی که دوام بیشتری نسبت به سایر باتری ها دارد.

طول عمر بیشتر:

در مقایسه با باتری های کلریدی مانند باتری های لیتیوم تیونیل کلراید یا Li-SOCl2، باتری های آلکالاین وقتی که استفاده نمی شوند طول عمر بیشتری دارند. آنها می توانند تا هفت سال دوام بیاورند در حالی که بدون استفاده هستند. اما حدود ۵ درصد از انرژی خود را در سال از دست می دهند. آنها حتی در دمای پایین محیط نیز قابل استفاده هستند. میزان نشت در باتری آلکالاین نیز کمتر از باتری های سلول لکلانشه است.

ایمنی بیشتر:

ایمنی نسبی یکی دیگر از مزایای باتری آلکالاین است. در مقایسه با باتری های مبتنی بر اسید یا سرب، باتری های آلکالاین مدرن تأثیرات کمتری بر سلامت و محیط زیست دارند، زیرا قابل بازیافت هستند و به دلیل عدم وجود جیوه و دیگر فلزات سنگین نیازی به روش های دفع خاصی ندارند.

محدودیت ها و معایب باتری آلکالاین

چگالی انرژی کم :

یکی از بزرگترین معایب قابل توجه باتری های قلیایی به ویژه در مقایسه با باتری های لیتیوم-یون چگالی انرژی پایین این باتری ها است. چنین محدودیت هایی در دستگاه های الکترونیکی مصرفی مانند رایانه های قابل حمل و تلفن های هوشمند وجود دارد که  در فروش آنها بسیار تاثیرگذار است.

مقاومت داخلی بالا :

مقاومت داخلی بالا منجر به تجمع گرما و افت شدید ولتاژ در این نوع از باتری ها می شود. توجه داشته باشید که مقاومت، زمان کارکرد باتری را تعیین می کند. مقاومت داخلی بالا، توان خروجی باتری را کاهش می دهد. این یکی دیگر از معایب باتری های آلکالاین است.

نشت و آسیب دیدگی :

در صورت عدم مدیریت صحیح، تمام باتری ها نشت می کنند. در مورد باتری قلیایی، نشتی ناشی از شارژ انواع باتری های یک بار مصرف، ترکیب کردن چند نوع باتری مختلف در یک دستگاه، تخلیه خودکار و قرار دادن آنها در داخل یک دستگاه بدون استفاده است. توجه داشته باشید که باتری های آلکالاین می توانند به دلیل فشار داخلی ناشی از تجمع گاز تخلیه، دچار نشت یا منفجر شوند. مواد شیمیایی نشت شده خورنده هستند و بنابراین می توانند به دستگاه آسیب برسانند و باعث تحریک جزئی پوست شوند.

شیمی درون باتری های آلکالاین

باتری های قلیایی دارای الکترولیت های قلیایی هیدروکسید پتاسیم هستند، به همین دلیل به نام باتری های قلیایی نیز شناخته می شوند. در حالی که باتری های روی-کربن از کلرید آمونیوم اسیدی یا کلرید روی به عنوان الکترولیت استفاده می کنند.

دانشمند معروف Waldemar Jungner ایده تولید این باتری را در سال ۱۸۹۹ مطرح کرد. توماس ادیسون که به صورت مستقل کار می کرد، اولین نسخه باتری را در سال ۱۹۰۱ تولید کرد. با این حال، اولین مدل تجاری باتری در سال ۱۹۶۰ ظاهر شد.

در باتری های قلیایی همیشه الکترودهای منفی روی و الکترودهای مثبت دی اکسید منگنز است. این مواد در طول تخلیه خود را فدا می کنند و الکترولیت هیدروکسید پتاسیم هیچ نقشی در واکنش ندارد. ولتاژ اسمی باتری آلکالاین ۱.۵ ولت است، اگرچه مدت زمان تخلیه انرژی بستگی به میزان قدرت دستگاه دارد و میزان جریان تولید شده بستگی به اندازه باتری دارد.

انواع باتری آلکالاین

این باتری ها از نظر شکل و اندازه متمایز هستند و دسته بندی آنها عبارت است از:

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 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 از این نوع باتری استفاده می کنند. اگر می خواهید یک مارک خوب و با کیفیت را انتخاب کنید، ما باتری آلکالاین Duracell را توصیه می کنیم.

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 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.

باتری های آلکالاین در مقابل باتری های لیتیومی

در مقایسه با باتری های لیتیومی، باتری های آلکالاین ولتاژ بالاتری را ارائه می دهد و به دستگاه های مانند فلاش دوربین عکاسی قدرت و سرعت می دهند. با این حال، با تخلیه انرژی، ولتاژ و ظرفیت باتری کاهش می یابد. از طرف دیگر، باتری های لیتیومی تا زمان تخلیه کامل، انرژی ثابتی دارند و برای دستگاه های مانند لپ تاپ ها که به برق ثابت نیاز دارند، بسیار مفید هستند.

باتری های قلیایی عمر مفیدی مانند با باتری های لیتیومی ندارند. این باتری ها می تواند دو تا سه برابر بیشتر عمر کنند. معایب باتری های لیتیومی این است که اغلب قیمت آن ها دو برابر باتری های آلکالاین است. وقتی صحبت از فرسودگی می شود، باتری های آلکالاین دارای برتری هستند. مانند همه باتری ها، هنگامی که از آنها استفاده نمی شود، باتری خود را تخلیه می کند. میزان فرسودگی این باتری حدود ۲ درصد در هر سال  است.

باتری های آلکالاین در مقابل باتری های نیکلی

باتری های قلیایی در مقایسه با بسیاری از باتری های قابل شارژ (مانند نیکل) وزن بیشتری دارند، اما طول عمر متفاوتی دارند. در یک دستگاه با قدرت تخلیه زیاد مانند دوربین دیجیتال، عمر باتری آلکالاین بسیار کوتاه تر است. در دستگاهی با تخلیه کم مانند کنترل از راه دور، عمر این باتری ها طولانی تر خواهد بود.

آیا می توانید باتری های آلکالاین را شارژ کنید؟

هرگز سعی نکنید باتری های آلکالاین را دوباره شارژ کنید، مگر اینکه مخصوص شارژ مجدد طراحی شده باشند. شارژ مجدد باتری های آلکالاین اولیه ممکن است باعث نشت یا منفجر شدن باتری ها شود. قرار گرفتن طولانی مدت در معرض گرما نیز ممکن است باعث نشتی باتری ها شود.