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 انواع باتری سیلندری، به‌خصوص دو سایز AA (بخوانید دابل اِی) و AAA (بخوانید 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 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.

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. (تصویر: تبدیل باتری نیم قلمی به قلمی)

باتری‌های AAAA (بخوانید کوادروپل A) 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.

باتری شارژی D با ظرفیت ۱۰ هزار میلی‌آمپر ساعت

باتری‌های D معمولا در دستگاه‌های بسیار پرمصرف مانند چراغ قوه‌های قوی، رادیوها و ضبط صوت‌های بزرگ معروف به Boombox 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

میلی‌آمپر ساعت (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 شارژی Cycle Energy سونی با ظرفیت ۲۵۰۰، ۲۱۰۰ و ۲۰۰۰ 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).

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.

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 ۳ تا ۵ سال، باتری‌های آلکالاین بین ۵ تا ۱۰ 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.

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.

باتری‌های غیر شارژی

باتری‌های غیر شارژی یا یک‌بار مصرف که با نام «سلول‌های اولیه» (Primary Cell) نیز شناخته می‌شوند، پس از یک بار استفاده دیگر قابلیت شارژ شدن و استفاده‌ی مجدد ندارند. دلیل اینکه این باتری‌ها را نمی‌توان شارژ کرد، بازگشت‌ناپذیر بودن واکنش شیمیایی تولیدکننده‌ی الکتریسیته در آن‌ها است. باتری‌های غیر شارژی ۹۰ درصد از بازار ۵۰ میلیارد دلاری باتری را به خود اختصاص داده‌اند و هر سال حدود ۱۵ میلیارد عدد از آن‌ها تولید و روانه‌ی بازار می‌شود.

باتری‌های روی-کربن (Zinc–Carbon) قدیمی‌ترین باتری‌های خشک هستند که به تولید انبوه تجاری رسیدند. این باتری‌ها برای اولین بار در اوایل قرن بیستم میلادی عرضه شدند و اولین چراغ قوه‌های الکتریکی توسط آن‌ها روشن می‌شدند. باتری‌های روی-کربن غیر قابل شارژ هستند و ظرفیت آن‌ها در سایز AA حدود ۴۰۰ تا ۹۰۰ میلی‌آمپر است. اگرچه این ظرفیت در مقایسه با دیگر انواع باتری ممکن است بسیار کم به نظر برسد؛ اما جالب است بدانید باتری‌های روی-کربن امروزی نسبت به نسخه‌های اولیه‌ای که بیش از ۱۰۰ سال پیش عرضه می‌شدند، ۴ برابر ظرفیت بیشتری دارند.

ساختار درونی باتری‌های روی-کربن (ZnC)

بدنه‌ی باتری‌های روی-کربن از جنس فلز روی است و درون آن از خمیر آمونیوم کلرید (NH₄Cl) یا زینک کلرید (ZnCl₂) به‌عنوان الکترولیت استفاده می‌شود. از آنجایی که بسیاری از فلزات متداول در تماس با الکترولیتِ  نمکی به‌سرعت دچار خوردگی می‌شوند، الکترود مثبت این باتری‌ها از جنس کربن ساخته می‌شود.

دمای بالا به باتری‌های روی-کربن آسیب می‌زند و به‌همین دلیل سازندگان باتری توصیه می‌کنند آن‌ها را در دمای اتاق نگه دارید. هرچند می‌توان باتری‌های روی-کربن را برای مدت زیادی به‌صورت منجمد نگهداری کرد؛ اما قبل از استفاده‌ی مجدد باید آن‌ها را به دمای اتاق برساند.

بدنه‌ی باتری‌های روی-کربن با گذر زمان به‌دلیل واکنش با مواد درون باتری دچار خوردگی می‌شود.

به‌طور کلی باتری‌های روی-کربن را نمی‌توان برای مدت زیادی انبار کرد؛ چرا که آمونیوم کلرید درون باتری با فلز روی (که بدنه‌ی باتری را تشکیل داده است) واکنش می‌دهد و رفته‌رفته با کاهش یافتن ضخامت بدنه، الکترولیت به بیرون نشت می‌کند. امروزه حدود ۲۰ درصد از باتری‌های دنیا از نوع روی-کربن هستند؛ هرچند این میزان در کشورهای پیشرفته‌ای چون ژاپن تنها به ۶ درصد می‌رسد. باتری‌های روی-کربن برای محیط زیست خطرناک‌اند و پس از استفاده نباید همراه با بقیه‌ی ضایعات خانگی دفع شوند.

باتری‌های آلکالاین (Alkaline) یا قلیایی نوع دیگری از باتری‌های غیر قابل شارژ‌ هستند که انرژی خود را از واکنش بین روی و دی‌اکسید منگنز (Zn/MnO₂) تأمین می‌کنند. البته نوعی از باتری‌های آلکالاین با قابلیت شارژ مجدد نیز وجود دارد؛ اما به اندازه‌ی دیگر انواع باتری‌های شارژی متدوال نیست. در مقایسه با باتری‌های روی-کربن، باتری‌های آلکالاین چگالی انرژی بالاتر (بین ۳ تا ۵ برابر بیش‌تر) و عمر قفسه‌ی طولانی‌تری دارند.

ظرفیت باتری‌های آلکالاین به جریان گرفته‌شده از آن‌ها بستگی دارد. برای مثال ظرفیت یک باتری آلکالاین سایز AA درصورت استفاده در دستگاهی کم‌مصرف می‌تواند تا ۳۰۰۰ میلی‌آمپر ساعت نیز برسد؛ اما اگر جریان افزایش پیدا کند (برای مثال جریان ۱ آمپری در دوربین‌های دیجیتال) این ظرفیت تا ۷۰۰ میلی‌آمپر ساعت کاهش پیدا خواهد کرد. ولتاژ باتری‌های آلکالاین بسته به ظرفیت باقی‌مانده و بار روی باتری متغییر است.

باتری‌های آلکالاین را نباید شارژ کرد. در صورت اقدام به شارژ یا ترکیب با دیگر انواع باتری در دستگاه‌های الکترونیکی، ممکن است با نشت پتاسیم هیدروکسید از باتری مواجه شوید که درصورت تماس با پوست و چشم ایجاد حساسیت خواهد کرد.

بین ۶۰ تا ۸۰ درصد باتری‌های تولیدشده در سطح جهان از نوع آلکالاین است و سالانه بیش از ۱۰ میلیارد عدد از این باتری‌ها وارد بازار جهانی می‌شود. ازآنجایی‌که باتری‌های آلکالاین جدید فاقد جیوه هستند، می‌توان آن‌ها را مانند زباله‌های معمولی دفع کرد؛ هرچند توصیه می‌شود این نوع باتری‌ها را نیز مانند دیگر انواع باتری بازیافت کنید.

باتری‌های لیتیومی (با باتری‌های شارژی لیتیوم یونی و لیتیوم پلیمر اشتباه گرفته نشود) یکی از جدیدترین انواع باتری‌های غیر قابل شارژ هستند. در این باتری‌ها معمولا از لیتیوم به‌عنوان آند و منگنز دی‌اکسید به‌عنوان کاتد استفاده می‌شود. ظرفیت باتری‌های لیتیومی تقریبا سه برابر بیشتر از باتری‌های آلکالاین مشابه خود است و به دلیل عمر قفسه‌ی بسیار بالا (حدود ۱۵ سال) معمولا در دستگاه‌هایی که مصرف کمی دارند و مدت زمان زیادی باید به‌صورت مداوم کار کنند (مانند ساعت‌های دیواری) از آن‌ها استفاده می‌شود. استفاده از این باتری‌ها در دستگاه‌های پرمصرف مانند اسباب بازی‌ها، به‌دلیل قیمت بالا و غیرقابل شارژ بودن، هیچگونه توجیه اقتصادی ندارد.

باتوجه به ظرفیت بالای این باتری‌ها می‌توان در دستگاه‌هایی که به‌طور معمول استفاده از باتری آلکالاین برای آن‌ها توصیه می‌شود، از باتری‌های لیتیومی استفاده کرد و انتظار عملکرد بهتر و طولانی‌تری داشت؛ اما به‌ دلیل ولتاژ معمولا بالاتر، استفاده از آن‌ها در دستگاه‌هایی که به‌صورت سنتی از باتری‌های روی-کربن استفاده می‌کنند توصیه نمی‌شود.

در مقایسه با دیگر انواع باتری، می‌توان از باتری‌های لیتیومی جریان الکتریکی به‌مراتب بیشتری دریافت کرد. این قابلیت برای دستگاه‌هایی که به جریان بالایی احتیاج دارند ایده‌آل است؛ اما در صورت اتصال کوتاه، گرمای فوق‌العاده زیادی ایجاد خواهد کرد که ممکن است به منفجر شدن باتری منجر شود.

میزان محبوبیت باتری‌های لیتیومی در سطح جهان بسیار متفاوت است؛ به‌طوری‌که سهم آن‌ها از بازار باتری‌های غیر شارژی در ژاپن ۲۸ درصد و در اتحادیه‌ی اروپا تنها ۰.۵ درصد است. از آنجایی که باتری‌های لیتیومی مانند باتری‌های آلکالاین فاقد مواد سمی هستند، می‌توان آن‌ها را مانند ضایعات متداول خانگی دفع کرد؛ هرچند همچنان توصیه می‌شود این نوع باتری‌ها را مانند دیگر انواع باتری بازیافت کنید.