انرژی یکی از مهمترین ویژگی های عملکرد باتری است. تعیین می‌کند که تلفن هوشمند شما چقدر میتواند کار کند یا ماشین الکتریکی شما چقدر میتواند پیش برود. یکی از با ارزش ترین راه ها برای ارزیابی کیفیت یک باتری این است که چقدر انرژی می تواند به اندازه یا وزن یا چگالی انرژی خود بسته بندی کند. باتری‌های با چگالی انرژی بالا می‌توانند انرژی بیشتری را در بسته‌بندی کوچک‌تر یا سبک‌تر ذخیره کنند، و برای برخی از کاربردهایی که فضا یا وزن مهم هستند، کاربردی‌تر میشوند. حال خوب است با بیان فرمول های ساده کمی علمی تر با این موضوع روبرو شویم. در زیر تعریف دقیقی از انرژی ارائه شده است(معادله شماره ۱). در این فرمول می بینیم که اگر جریان و ولتاژ ثابت باشند، فرمول انرژی به شکل ساده تری تبدیل می شود که قبلا با آن آشنا بودیم(معادله شماره ۲).
حال اگر بخواهیم مولفه زمان در شارژ و تخلیه باتری بگنجانیم به تعریف توان باتری میرسیم. همان‌طور که میدانیم، توان یک سیستم به شکل زیر تعریف میشود (معادله شماره ۳):
همان طور که از معادله پیداست زمانی توان یک باتری زیاد میشود که بتواند در مدت زمان کمتری ظرفیت بیشتری دریافت و یا تحویل دهد. برای درک بهتر این موضوع به ارائه مثالی از ساعت شنی میپردازیم. ساعت شنی را تصور کنید که دارای دو محفظه شیشه ای و شن داخل آن ها میباشد. شن ها به منزله ظرفیت باتری و تنگه نازکی که شن ها بین دو محفظه جابه‌جا میشوند به منزله میزان انرژی که میتواند بین دو محفظه جابه‌جا بشوند حال اگر این تنگه بزرگ‌تر باشد دونه های شن راحت تر جابه‌جا میشوند. این تنگه دقیقا توان در باتری های مختلف میباشد. توان را می توان به عنوان چگالی توان و توان ویژه تعریف کرد که به ترتیب از تقسیم توان باتری بر حجم و جرم آن به دست می آیند که این دو تعاریف در زیر آورده شده است(معادله شماره ۴ و ۵).
واحد توان وات (W) است که برای توان ویژه و چگالی توان به ترتیب W/g و W/L است که ممکن است به جای گرم و لیتر در کیلوگرم و متر مکعب (حتی سانتی‌متر مکعب) استفاده شود. حال پس از معرفی مفاهیم اولیه نوبت به معرفی و مقایسه باتری های متداول و موجود در صنعت و باتری های آینده میباشد. برخی از محبوب‌ترین باتری‌های موجود در بازار عبارتند از باتری‌های سرب اسید، باتری‌های نیکل کادمیوم(Ni-Cd) باتری‌های هیدرید فلز نیکل (Ni-MH) و باتری‌های لیتیوم یون. باتری‌های لیتیوم یون به دلیل ظرفیت جرمی و حجمی بالاتر و سیکل پذیری و ریت پذیری خوبشان در برابر دیگر باتری‌ها از آن ها پیشی گرفته و استفاده بیشتری دارد. حال برای مقایسه‌ی دانسیته انرژی و حجمی این باتری‌ها میتوانیم نگاهی به نمودار زیر بیاندازیم.
همان طور که مشاهده میکنید کمترین انرژی دانسیته مربوط به باتری های سرب اسید میباشد. پس از آن باتری های نیکل کادمیم و هیدرید فلز نیکل هستند و در صدر آنان باتری‌های لیتیوم یون قرار دارد. باتری های سدیم یون و پتاسیم یون هم در مراحل ابتدایی صنعتی شدن می‌باشند و پتانسیل بسیار زیادی برای جایگزینی باتری های لیتیوم یون دارند. البته شایان ذکر هستند که مقادیر ذکر شده مربوط به دانسیته سل میباشد و هنگامی که این سل‌ها داخل پک باتری قرار میگیرند همان گونه که در شکل زیر مشاهده میکنید بین ۲۵ تا ۴۰ درصد از این مقادیر کاهش میابد.
دانسیته انرژی سل:
دانسیته انرژی پک:
البته ناگفته نماند مقادیر ذکر شده مربوط به انرژی های باتری های موجود در صنعت میباشد و اگر بخواهیم مقادیر موجود در مقالات را با آن‌ها مقایسه بکنیم همان گونه که در نمودار زیر مشاهده میکنید این مقادیر بیشتر از مقادیر موجود در صنعت میباشد.
همان گونه که در نمودار بالا مشاهده کردید در آخرین رکورد ذکر شده در باتری ها لیتیوم یون لیتیوم ریچ و آندهای لییتیومی میباشد که رکورد دانسیته انرژی ۷۱۱.۳ wh/kg را ثبت کرده است.
برای مقایسه توان باتری های ذکر شده نیز میتوان به نمودار راگونی باتری‌ها مراجعه نمود. همان گونه که در شکل زیر مشاهده میکنید باتری های لیتیوم یون دارای توان بیشتری نسبت به باتری های سرب اسید و نیکل کادمیم است.
بدون دیدگاه