باتری آلکالاین ؛ هر آنچه که باید بدانید.

باتری آلکالاین یا قلیایی نوعی باتری پیل اولیه(غیرقابل شارژ) است که انرژی خود را از واکنش بین فلز روی و دی‌اکسید منگنز به دست می‌آورد.
در مقایسه با باتری‌های روی-کربن یا انواع کلرید روی، باتری‌های آلکالاین چگالی انرژی بالاتر و ماندگاری طولانی‌تری دارند، اما ولتاژ یکسانی دارند.
باتری آلکالاین (Alkaline Battery) نام خود را از محلول قلیایی مورد استفاده به عنوان الکترولیت ( الکترولیت قلیایی از نوع هیدروکسید پتاسیم KOH ) گرفته است. سایر سیستم‌های باتری نیز از الکترولیت‌های قلیایی استفاده می‌کنند، اما از مواد فعال متفاوتی برای الکترودها استفاده می‌کنند.

باتری‌های آلکالاین 80درصد باتری‌های تولید شده در ایالات متحده و بیش از 10 میلیارد واحد تولید شده در سراسر جهان را تشکیل می‌دهند. در ژاپن، باتری‌های قلیایی 46 درصد از کل فروش باتری‌های اولیه را تشکیل می‌دهند. در سوئیس، باتری‌های قلیایی 68٪، در بریتانیا 60٪ و در اتحادیه اروپا 47٪ از کل فروش باتری از جمله انواع پیل ثانویه(قابل شارژ) را تشکیل می‌دهند. باتری‌های آلکالاین حاوی روی (Zn) و دی اکسید منگنز (MnO2) هستند که یک نوروتوکسین تجمعی است و می‌تواند در غلظت‌های بالاتر سمی باشد. با این حال، در مقایسه با سایر انواع باتری، سمیت باتری‌های آلکالاین در درجه متوسط ​​است.

تاریخچه باتری آلکالاین:

باتری‌های با الکترولیت قلیایی(نه اسیدی) اولین بار توسط والدمار یونگنر در سال 1899 و با کار مستقل توماس ادیسون در سال 1901 ساخته شدند.
باتری آلکالاین توسط مهندس کانادایی لوئیس آوری در سال‌های ۱۹۵۰ و زمانی که برای شرکت Everyday Battery کار می‌کرد اختراع شد. در ۹ اکتبر ۱۹۵۷ لوئیس اوری٬کارل کردش پی, ای مارسال حق اختراع باتری‌های آلکالاین را در ایالات متحده آمریکا به ثبت رساندند.

هنگامی که باتری آلکالاین در اواخر دهه 1960 معرفی شد، الکترود روی این باتری‌ها دارای لایه‌ای از آمالگام جیوه بود. هدف آن کنترل اثر الکترولیتی در محل‌های ناخالصی بود که باعث کاهش ماندگاری و افزایش نشت می‌شد. با کاهش محتوای جیوه که توسط مجالس مختلف مقننه اجباری شد، بهبود بسیار زیاد خلوص و قوام روی ضروری شد.

کاربردها:

باتری‌های آلکالاین به طور منظم از هیدروکسید سدیم یا هیدروکسید پتاسیم به عنوان بخش اساسی الکترولیت خود استفاده می‌کنند. باتری‌های آنتی اسید اغلب در برنامه‌هایی استفاده می‌شوند که در آنها بازدهی پایدار و با انرژی بالا مورد نیاز است، به عنوان مثال در دستگاه‌هایی مانند پخش‌کننده‌های MP3، پخش کننده‌های CD/DVD، دوربین‌های دیجیتال، چراغ‌قوه‌ها استفاده دارند.

در حال حاضر باتری آلکالاین محبوب‌ترین نوع باتری‌های یکبار مصرف در بازار هستند. از آنها در دستگاه‌های الکترونیکی کوچک مانند ساعت و کنترل از راه دور و همچنین رادیو قابل حمل و اسباب بازی‌های باتری‌خور استفاده می شود. با این وجود، در حالی که یک باتری آلکالاین یک باتری اصلی در نظر گرفته می‌شود ولی پس از یک بار استفاده باید جایگزین شود. این در حالی است که فناوری‌های مدرن باتری همانند لیتیوم-آیون، نیکل کادمیوم و نیکل متال هیدرید امکان توسعه انواع باتری‌های قابل شارژ را فراهم کرده است.

نحوه عملکرد:

عموما همه باتری‌ها یکسان عمل می‌کنند. 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. باتری‌های 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 می‌شود، جریان الکتریکی بین آند و کاتد برقرار شود. در آند روی، برهم کنش با یون‌های هیدروکسید پتاسیم باعث تجمع الکترون‌های اضافی می‌شود. این پدیده منجر به تفاوت الکتریکی بین آند و کاتد می‌شود. علاوه بر این، به دلیل تجمع الکترون‌ها در آند روی، آنها تمایل طبیعی برای حرکت به محل دیگر را دارند.

در این باتری‌ها، الکترون‌های اضافی به سمت کاتد اکسید منیزیم حرکت می‌کنند. این عمل به طورعادی ممکن نیست زیرا هیچ ارتباط مستقیمی بین آند و کاتد منیزیم وجود ندارد. حرکت الکترون‌های اضافی مستلزم ایجاد یک مدار بسته است، به ویژه با قرار دادن باتری قلیایی در یک دستگاه برای تامین انرژی! حرکت الکترون‌ها از آند به کاتد از طریق مدار بسته، جریان الکتریکی ایجاد می‌کند. به این ترتیب باتری‌های آلکالاین به دستگاه‌های الکترونیکی نیرو می‌دهند.

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

مزایای باتری آلکالاین:

چگالی انرژی بالا:

چگالی انرژی بالاتر یکی از مزایای قابل توجه باتری‌های آلکالاین است. چگالی انرژی آنها دو برابر باتری‌های اولیه یا یک بار مصرف مانند سلول‌های لکلانشه (Leclanché) و باتری‌های روی کربن و چهار برابر ظرفیت باتری‌های معادل نیکل-کادمیوم یا نیکل متال است. از این رو، باتری آلکالاین می‌تواند همان انرژی را تأمین یا تولید کند در حالی که دوام بیشتری نسبت به سایر باتری‌ها دارد.

طول عمر بیشتر:

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

ایمنی بیشتر:

ایمنی نسبی یکی دیگر از مزایای باتری آلکالاین است. در مقایسه با باتری‌های مبتنی بر اسید یا سرب، باتری‌های 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 روش‌های دفع خاصی ندارند.

معایب باتری آلکالاین:

چگالی انرژی کم :

یکی از بزرگترین معایب قابل توجه باتری‌های قلیایی به ویژه در مقایسه با باتری‌های لیتیوم-آیون چگالی انرژی پایین این باتری‌ها است. چنین محدودیت‌هایی در دستگاه‌های الکترونیکی مصرفی مانند رایانه‌های قابل حمل و تلفن‌های 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 باتری‌ها می‌شود. توجه داشته باشید که مقاومت، زمان کارکرد باتری را تعیین می‌کند. مقاومت داخلی بالا، توان خروجی باتری را کاهش می‌دهد. این یکی دیگر از معایب باتری‌های آلکالاین است.

نشت و آسیب دیدگی :

در صورت عدم مدیریت صحیح، تمام باتری‌ها نشت می‌کنند. در مورد باتری آلکالاین، نشتی ناشی از شارژ انواع باتری‌های 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 باتری‌های آلکالاین می‌توانند به دلیل فشار داخلی ناشی از تجمع گاز تخلیه، دچار نشت یا منفجر شوند. مواد شیمیایی نشت شده خورنده هستند و بنابراین می‌توانند به دستگاه آسیب برسانند و باعث تحریک جزئی پوست شوند.

انواع سایز(سایز بندی):

باتری های آلکالاین در سایزهای AA, AAA, AAAA, A23, C, D, N و 9ولت همچنین در سایزهای مختلف از دسته باتری‌های سکه‌ای در بازار عرضه می‌شوند که در زیر به اختصار درباره چند مورد از سایزهای آن توضیح داده‌ایم.

باتری قلمی (AA):

به عنوان “دو A” نیز شناخته می شود. این باتری دارای اندازه استانداردی است که در بیشتر دستگاه‌ها 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 (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.

باتری 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 سکه‌ای:

از این باتری معمولا برای محصولات کوچک مانند ساعت یا هدفون استفاده می شود. همه آنها دارای ولتاژ ۱.۵ ولت هستند و می توانند ابعاد مختلفی از قطر ۱۱.۶ تا ۱۵.۶ میلی متر را داشته باشند.

باتری کتابی:

این باتری‌ها به اندازه مدل‌های استوانه‌ای دیگر رایج نیستند، اما هنوز دستگاه‌هایی هستند که از آنها استفاده می کنند. آنها دارای اندازه بزرگ تر و ولتاژهای مختلف هستند.

مقایسه باتری آلکالاین با باتری‌های لیتیومی:

در مقایسه با باتری های لیتیومی، باتری های آلکالاین ولتاژ بالاتری را ارائه می‌دهد و به دستگاه‌های مانند فلاش دوربین عکاسی قدرت و سرعت می‌دهند. با این حال، با تخلیه انرژی، ولتاژ و ظرفیت باتری کاهش می‌یابد. از طرف دیگر، باتری‌های لیتیومی تا زمان تخلیه کامل، انرژی ثابتی دارند و برای دستگاه‌های مانند لپ‌تاپ‌ها که به برق ثابت نیاز دارند، بسیار مفید هستند.

باتری‌های آلکالاین عمر مفیدی مانند باتری‌های لیتیومی ندارند. این باتری‌ها می تواند دو تا سه برابر بیشتر عمر کنند. از معایب باتری‌های لیتیومی این است که اغلب قیمت آن‌ها دو برابر باتری‌های آلکالاین است. وقتی صحبت از فرسودگی می‌شود، باتری‌های آلکالاین دارای برتری هستند. مانند همه باتری‌ها، هنگامی که از آنها استفاده نمی‌شود، باتری خود را تخلیه می‌کند. میزان فرسودگی این باتری حدود ۲ درصد در هر سال است.

مقایسه باتری آلکالاین با باتری‌های نیکلی:

باتری‌های آلکالاین در مقایسه با بسیاری از باتری‌های 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 کوتاه‌تر است. در دستگاهی با تخلیه کم مانند کنترل از راه دور، عمر این باتری‌ها طولانی‌تر خواهد بود.

آیا باتری‌های آلکالاین قابل شارژ هستند؟

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

معرفی برخی برندهای عرضه کننده باتری‌های آلکالاین:

باتری‌های آلکالاین تحت برندهایی همچون Energizer, VARTA, Duracell, GP, Sony, Panasonic, Camelion, Canyon, Maxell و Anker در بازار موجود هستند که در زیر به معرفی برخی از آنها می‎‎‌پردازیم.

Energizer: شرکت انرجایزر یک تولید کننده آمریکایی و یکی از بزرگترین تولید کنندگان باتری در جهان است که دفتر مرکزی آن در سنت لوئیس، میسوری قرار دارد. این شرکت باتری‌هایی را با نام‌های تجاری Energizer، Ray-O-Vac، Varta و Eveready تولید می‌کند و قبلاً مالک تعدادی از مشاغل مراقبت شخصی بود تا اینکه در سال 2015 آن قسمت کسب و کار را به شرکت جدیدی به نام Edgewell Personal Care جدا کرد.
در ژانویه 2018، Energizer اعلام کرد که بخش جهانی باتری و روشنایی را از Spectrum Brands، که شامل برندهای Ray-O-Vac و Varta می‌شود، به مبلغ 2 میلیارد دلار به صورت نقدی خریداری می‌کند. این خرید در ژانویه 2019 پس از یک پروسه طولانی تایید نظارتی نهایی شد. در نوامبر 2018، Energizer همچنین بخش مراقبت از خودرو جهانی را از Spectrum (برندهایی که شامل Armor All، STP و A/C Pro می‌شوند) به مبلغ 1.25 میلیارد دلار نقد و سهام خریداری کرد.

Panasonic: شرکت پاناسونیک، یک شرکت بزرگ چندملیتی ژاپنی است که دفتر مرکزی آن در کادوما، اوزاکا ژاپن قرار دارد. این شرکت توسط Kōnosuke Matsushita در سال 1918 به عنوان تولید کننده سوکت لامپ تاسیس شد. پاناسونیک علاوه بر لوازم الکترونیکی مصرفی که در اواخر قرن بیستم بزرگترین سازنده آن در جهان بود، طیف گسترده ای از محصولات و خدمات از جمله باتری های قابل شارژ، سیستم های خودرو و اویونیک، سیستم های صنعتی و همچنین بازسازی و ساخت و ساز خانه را ارائه می‌دهد.

VARTA: وارتا یک شرکت آلمانی تولید کننده باتری برای بازارهای جهانی خودرو، صنعتی و مصرفی است.

Duracell: یک تولید کننده آمریکایی باتری‌های قلیایی، سلول‌های تخصصی، قابل شارژ و سیستم‌های برق هوشمند است که متعلق به Berkshire Hathaway است.

GP Batteries: شرکت GP Batteries باتری‌ها و محصولات مرتبط با باتری از جمله باتری‌های اولیه (آلکالاین، روی کربن، لیتیوم، سیلور اکسید)، باتری‌های قابل شارژ (نیکل متال هیدرید، لیتیوم آیون و لیتیوم پلیمر) و شارژرهایی را که شامل شارژرهای خورشیدی قابل حمل است، تولید و به بازار عرضه می‌کند. آنها یکی از بزرگترین شرکت‌های تولید باتری در آسیا هستند.

گفتنی‌است باتری‌های آلکالاین و همچنین باتری‌های با ساختارهای دیگر تمام برندهای ذکر شده در بالا، در بانک باطری موجود می‌باشد.

باتری های آلکالاین پیل ثانویه(قابل شارژ)

باتری آلکالاین قابل شارژ یک بازار خاص است که تقریباً با سایر مواد شیمیایی باتری قابل شارژ جایگزین شده است. اگرچه این باتری‌ها احتمالاً برای سال‌ها شارژ خود را حفظ می‌کنند، اما هنوز در مرحله نوپایی هستند. این باتری‌ها در پرکاربردترین اندازه‌های AAA، AA، C و D موجود هستند. استفاده از این باتری‌ها محدود به کاربردهای خاص است. با این حال، یکی از مزایای عمده باتری های آلکالاین قابل شارژ این است که احتمالاً در تمام برنامه‌هایی که به باتری‌های آلکالاین اولیه نیاز دارند، استفاده می‌شود. این باتری‌ها از طریق تغییر کمی در ترکیب شیمیایی باتری‌های آلکالاین تولید می‌شوند. این باعث می‌شود این باتری‌ها حتی در طول فرآیند شارژ مجدد نشت نکنند.

ویژگی‌های کلیدی باتری‌های آلکالاین قابل شارژ:

• این باتری ها احتمالاً برای نزدیک به 500 بار شارژ قابل شارژ هستند. با این حال، باید در فواصل زمانی مناسب شارژ شود.
• در مقایسه با هزینه هر بار شارژ، باتری های آلکالاین باتری های قابل شارژ کم هزینه را در مقایسه با سایر موارد شیمیایی ارائه می دهند.
• باتری های آلکالاین قابل شارژ نیز دارای ولتاژ خروجی 1.5 ولت هستند، در حالی که سایر مدل های شیمیایی قابل شارژ ولتاژ خروجی 1.2 ولت را ارائه می دهند.
• این باتری ها سازگار با محیط زیست هستند و بنابراین احتمالاً پس از تخلیه کامل به راحتی دور ریخته می شوند. با این حال، عملیات بازیافت مناسب برای سایر مواد شیمیایی قابل شارژ مورد نیاز است.
• این باتری ها آماده استفاده هستند و انتظار می رود بلافاصله پس از خرید دستگاه را تغذیه کنند.

چالش های اساسی تولیدکنندگان باتری آلکالاین:

برخی از چالش های کلیدی که تولید کنندگان باتری های آلکالاین با آن مواجه هستند عبارتند از:

1. رقابت از سوی شیمی جایگزین:

باتری‌های آلکالاین با تهدید باتری‌های لیتیومی اولیه و باتری‌های قابل شارژ در کاربردهای الکترونیک مصرفی مواجه هستند. باتری‌های لیتیومی اولیه دارای چگالی انرژی بالاتری هستند و در نتیجه عملکرد بهتری را ارائه می‌دهند و در مقایسه با باتری‌های آلکالاین دوام بیشتری دارند. در بسیاری از کاربردهای مصرف‌کننده با تخلیه بالا، باتری‌های قابل شارژ نیکل متال (NiMH) جایگزین باتری‌های آلکالاین می‌شوند، زیرا عملکرد بهتری را ارائه می‌دهند و بسیار بیشتر از باتری‌های آلکالاین یکبار مصرف دوام می‌آورند. تأثیر این چالش احتمالاً در کوتاه‌مدت تا میان‌مدت متوسط ​​خواهد بود، اما انتظار می‌رود در بلندمدت زیاد باشد زیرا شاهد جایگزینی باتری‌های آلکالاین با مواد شیمیایی جایگزین خواهیم بود.

2. افزایش هزینه مواد اولیه:

باتری‌های یکبار مصرف به دلیل افزایش قیمت مواد اولیه مانند روی و الکترولیت منگنز دی‌اکسید (MDE) شاهد فشار بر هزینه‌های ساخت بودند. هزینه مواد کلیدی MDE بالا است. MDE نقش کلیدی در عملکرد باتری‌های آلکالاین ایفا می‌کند و در مرحله خلوص بالا مورد نیاز است که قیمت بالا را افزایش می‌دهد. این روند تولید کنندگان باتری آلکالاین را تحت فشار قرار می‌دهد زیرا حاشیه سود آنها به دلیل افزایش قیمت مواد خام تحت تأثیر قرار می‌گیرد. این یک چالش بزرگ برای تولید کنندگان باتری‌های آلکالاین است، زیرا انتظار می‌رود افزایش قیمت باتری‌ها باعث شود مصرف کنندگان باتری‌های جایگزین را ترجیح دهند. تأثیر این چالش احتمالاً در کوتاه‌مدت و میان‌مدت متوسط ​​و در بلندمدت کم خواهد بود.

3. وجود باتری‌های تقلبی:

باتری‌های آلکالاین که شبیه به باتری‌های برند اصلی هستند، به عنوان باتری‌های تقلبی شناخته می‌شوند. این باتری‌ها برای گمراه کردن عمدی مصرف‌کنندگان با ظاهری بسیار شبیه به باتری‌های برند اصلی طراحی شده‌اند. با این حال، عملکرد، کارایی و ویژگی‌های ضد نشت ارائه شده توسط باتری‌های اصلی را نمی‌توان در این جعلی‌ها انتظار داشت. باتری‌های مارک‌دار با دریچه‌ای ساخته شده‌اند تا فشار داخلی درون باتری را آزاد کند که از انفجار باتری یا نشت الکترولیت جلوگیری می‌کند. از این رو باتری‌های تقلبی مشکلات ایمنی را همراه با آسیب رساندن به شهرت برند تولید کنندگان کلیدی باتری تحمیل می‌کنند. تأثیر این چالش در کوتاه‌مدت تا میان‌مدت متوسط و در بلندمدت کم است.

نتیجه نهایی و کلام آخر:

باتری‌های آلکالاین به دلیل در دسترس بودن به طور گسترده، گستره کاربردهای مناسب و قابلیت اطمینان در بسیاری از محیط‌ها و اقلیم‌های مختلف، پرمصرف‌ترین مواد شیمیایی باتری هستند. انتظار می‌رود این روند در کوتاه‌مدت و میان‌مدت ثابت بماند، زیرا گزینه‌های محدودی برای عملکرد برابر باتری‌ها در یک نقطه قیمتی مشابه وجود دارد. در دراز مدت، با مقرون به صرفه‌تر شدن و در دسترس‌تر شدن باتری‌های لیتیومی، تغییر قابل توجهی از باتری‌های آلکالاین به باتری‌های لیتیومی رخ خواهد داد. سطح تولید باتری آلکالاین کاملاً ثابت خواهد ماند زیرا احتمالاً سهم بازار را به دست خواهد آورد که بخش سنگین از آن صرف‌نظر خواهد کرد. باتری‌های آلکالاین تبدیل به استاندارد مقرون به صرفه جدیدی خواهند شد، زیرا باتری‌های سنگین قادر به تامین نیازهای تعداد فزاینده‌ای از ابزارهای مصرف‌کننده نیستند.