[Amin_Mansouri]

آشنايي با باطري‌هاي لپ‌تاپ

لپ تاپ‌ها و كامپيوتر‌هاي دسك تاپ هر دو با استفاده از اكتريسيته كار مي كنند. هر دوي آن ها داراي باطري هاي كوچكي براي حفظ ساعت اصلي سيستم و در برخي از اوقات براي حفظ اطلاعات ذخيره شده در حافظه CMOS بر روي مادربرد هستند. هرچند، برخلاف كامپيوترهاي دسك‌تاپ، يك لپ‌تاپ قابل حمل بوده و مي‌تواند تنها با استفاده از باطري‌ها به كار بپردازد.
در حال حاظر تمامي لپ‌تاپ‌هاي جديد از باطري‌هاي ليتيوم يوني استفاده‌ مي‌كنند. اما در ابتدا به معرفي ديگر انواع باطري‌ها كه زماني در اين وسايل الكترونيكي مورد استفاده قرار مي‌گرفتند نيز مي‌پردازيم. اما همچنان بخش اعظمي از نوشتار حاظر به بررسي باطري‌هاي ليتيوم يوني خواهد پرداخت.

باطري‌هاي نيكل كادميومي (NiCAD) اولين نوع از باطري‌هاي قابل شارژي بودند كه به صورت عمده در لپ‌تاپ‌ها مورد استفاده قرار گرفتند. برخي از لپ‌تاپ‌هاي قديمي‌تر هنوز از چنين باطري‌هايي استفاده مي‌كنند. آن‌ها قادر به تامين توان به مدت حداكث دو ساعت هستند اما ميزان توانايي آن‌ها در نگهداري توان پس از هر بار شارژ كاهش مي‌يابد. دليل اين امر، چيزي به نام اثر حافظه‌ است. تنها راه جلوگيري از بروز اين اشكال اين است كه قبل از شارژ مجدد باطري را كاملا تخليه نماييد. ديگر اشكال باطري‌هاي نيكل كادميومي مربوط به مدت زمان طولاني شارژ آن‌ها است. همچنين ممكن است اين باطري‌ها در زمان شارژ منفجر شوند.
باطري هاي نيكل-متال هايبريد (NiMH) پلي بين باطري‌هاي نيكل كادميومي و باطري‌هاي جديدتر ليتيوم يوني (LiIon) هستند. اين باطري‌ها قادر هستند تا توان را براي مدت بيشتري نگاهداري كنند. اما باطري‌هاي نيكل-متال هايبريد داراي طول عمر كمتري نسبت به باطري‌هاي نيكل كادميومي بوده و همچنان از اثر حافظه رنج مي‌برند. اما اين اثر در آن ها كمتر از انواع ديگر باطري‌ها است.
باطري‌هاي ليتيوم يوني در حال حاظر باطري‌هاي استاندارد براي كامپيتورهاي لپ تاپ هستند. آن ها سبك بوده و داراي طول عمر بالايي مي‌باشند. اين باطري‌ها از اثر حافظه رنج نمي‌برند و مي‌توانند در هر زماني و به صورت تصادفي شارژ شوند. در نهايت اين باطري ها در صورت شارژ بيش از حد، داغ نمي‌شوند و امكان انفجار ان ها بسيار اندك است. همچنين آن ها نازك‌تر و كوچكتر از هر نوع باطري ديگري هستند كه در لپ تاپ‌ها مورد استفاده قرار مي‌گيرد. همين مساله آن ها را براي استفاده در لپ‌تاپ‌هاي فوق العاده كوچك و سبك كه امروزه توليد مي‌شوند ايده‌ال مي‌سازد. به صورت معمول مي‌توان باطري‌هاي ليتيوم يوني را بين 950 تا 1200 بار شارژ نمود.

بسياري از لپ‌تاپ‌هايي كه از باطري هاي ليتيوم يوني استفاده مي‌كنند قادرند تا 5 ساعت به صورت مداوم با آن‌ها به كار بپردازند. اما اين مدت زمان به نوع استفاده‌اي كه از لپ‌تاپ‌ مي‌كنيد بستگي دارد. ديسك سخت و ديگر درايوها و نمايشگرهاي LCD به صورت ذاتي توان زيادي مصرف مي‌كنند. حتي براي دسترسي به اينترنت از طريق آدابتورهاي شبكه بي‌سيم نيز مقداري توان مورد نياز است. بسياري از مدل‌هاي لپ‌تاپ‌ داراي نرم افزارهاي مديريت توان هستند تا بتوانند طول عمر باطري را افزايش داده و يا هنگامي كه ميزان ذخيره الكتريسيته به حد پاييني رسيده‌ است مدت زمان استفاده از لپ‌تاپ را افزايش دهند.

باطري هاي Lithium-ion (ليتيوم يوني) امروزه به طرز شگفت آوري محبوبيت پيدا كرده اند. شما مي توانيد آن ها را علاوه بر لپ تاپ ها در PDA ها، تلفن هاي سلولي و پخش كننده هاي MP3 نيز بيابيد. دليل محبويت اين باطري ها توانايي بالاي آن ها در ارايه توان بيش از ساير انواع باطري‌ها است. اما برخي از اوقات اين باطري‌‌ها مستعد انفجار و آتش گرفتن هستند. اليته اين مساله خيلي رايج نيست و اين‌ اتفاق گاهي اوقات حداكثر براي دو يا سه باطري در هر ميليون اتفاق خواهد افتاد. اما هنگامي كه اين اتفاق بروز مي‌كند مي تواند وحشتناك ياشد. در برخي از اوقات، آتش مي تواند گسترش پيدا كرده و سبب فراخوان عمومي تعداد زيادي باطري شود. در نهايت اين موضوع به فروشنده ضرر هنگفتي را وارد مي‌كند.
اما سوالاتي‌ نيز در زمينه اين باطري‌ها وجود دارد: چه چيزي اين باطري ها اينقدر پر توان و در نتيجه اينقدر محبوب مي سازد؟ چگونه ممكن است آن ها اتش بگيرند؟ و آيا راه حلي وجود دارد تا از اين مشكل جلوگيري كنيد و يا كاري كنيد كه باطري هاي شما اندكي بيشتر عمر كنند؟ در اين ادامه سعي مي كنيم به اين سولالات و بسياري از سوالات ديگر پاسخ دهيم.
باطري هاي ليتيوم يوني بسيار محبوب هستند به دليل اينكه آنها داراي تعداد بسيار زيادي از مزايايي هستند كه به دليل استفاده از تكنولوژي هاي پيشرفته در دسترس قرار گرفته است. در اينجا به گوشه‌اي از مزاياي باطري‌هاي ليتيوم يوني اشاره مي‌كنيم:

آن ها عموما از انواع ديگر انواع باطري هاي قابل شارژ با اندازه مشابه سبك تر هستند. الكترودهاي هاي باطري هاي ليتيوم يوني از مواد سبك وزني چون ليتيوم و كربن ساخته شده اند. ليتيوم همچنين يك فلز بسيار واكنش پذير است. اين مساله به اين معني است كه اين فلز قادر است انرژي بسيار زيادي را در در ساختار اتمي خود ذخيره كند. به همين دليل است كه باطري هاي ليتيوم يوني داراي چگالي ذخيره انرژي بسيار بالايي هستند.
مثالي مي زنيم تا بتوانيد ديد روشن تري نسيت به چگالي ذخيره توان بالاي اين باطري‌ها به دست آوريد. يك باطري ليتيوم يوني به صورت پيش فرض قادر است 150 وات ساعت انرژي را در يك كيلو گرم جرم خود ذخيره كند. يك باطري نيكل متال هايبريد NiMH قادر به نگه‌داري حدود 100 وات ساعت انرژي در هر كيلو گرم است كه البته 60 تا 70 وات در هر كيلوگرم معمول تر است. يك باطري سرب اسيدي مي تواند 25 وات ساعت انرژي را در هر كيلوگرم از جرم خود ذخيره كند. در نهايت يك باطري ليتيوم يوني يك كيلويي قادر است تا انرژيي برابر يك باطري سرب اسيدي 6 كيلويي را در خود ذخيره كند. اين ميزان تفاوت واقعا چشمگير است.
اين باطري‌ها مي توانند براي مدت طولاني تري انرژي را ذخيره كنند. يك بسته باطري ليتيوم يوني در هر ماه تنها 5 درصد از ذخيره انرژي خود را از دست مي دهد. در مقابل اين ميزان براي ياطري هاي نيكل متال هايبريد (NiMH) برابر 20 درصد است.
اين باطري ها از اثر حافظه رنج نمي برند. به اين مفهوم كه نيازي به تخليه كامل آن ها قبل از شارژ دوباره وجود ندارد. اين مساله به دليلي ساختمان شيميايي اين باطري‌ها است. بسياري از باطري ها براي باطري هاي شيميايي وجود دارد.

البته با وجود تمام مزايايي كه در بالا به آن‌ها اشاره كرديم باطري‌هاي ليتيوم يوني داراي معايبي نيز هستند كه در ادامه به آن‌ها اشاره‌ مي‌كنيم:

-- اين باطري از لحظه خروج از كارخانه با كاهش ضرفيت مواجه هستند. اين باطري ها تنها حدود 2 تا 3 سال بعد از تاريخ ساخت قابل استفاده خواهند بود. چه از آن ها استفاده كنيد و چه استفاده نكنيد.
-- آن‌ها نسبت به حرارت بسيار حساس هستند. كار در حرارت هاي بالا سبب مي شود تا باطري هاي ليتيوم يوني سريعتر از زماني كه در حرارت معمولي مورد استفاده قرار مي گيرند تخليه شوند.
-- اگر باطري هاي ليتيوم يوني را تا انتها تخليه كنيد آن‌ها خراب خواهند شد.
-- باطري هاي ليتيوم يوني بايد داراي مدارهاي داخلي براي مديريت باطري باشند. اين مساله حتي آن ها را از آنچه كه در ابتدا هستند نيز گران قيمت تر مي كند.
-- با اينكه احتمال بسيار كمي وجود دارد اما اگر باطري هاي ليتيوم يوني با مشكل مواجه شوند مستعد آتش گرفتن هستند.

دلايل وجود بسياري از اين معايب و مزايا را مي توان با نگاه به ساختمان شيمييايي داخلي باطري هاي ليتيوم يوني متوجه شد.


ساختمان داخلي بسته و سلول‌هاي يك باطري ليتيوم يوني
باطري هاي ليتيوم يوني در همه شكل ها و اندازه ها ارايه مي شوند اما تمامي آن ها داراي ساختمان داخلي مشابهي هستند. اگر يك باطري لپ تاپ را از هم باز كنيد ( البته به دليلي احتمال بروز اتصال كوتاه و آتش گرفتن باطري قويا توصيه مي كنيم كه اين كار را انجام ندهيد) شهاد خواهيد بود كه باطري از اجزاي زير تشكيل شده است.

× سلول هاي باطري ليتيوم يوني كه مي توانند هم به صورت استوانه هايي مانند باطري هاي AA معمولي و هم به صورت سلولي تهيه شوند. اين به اين معني است كه اين باطري ها مي توانند به شكل هاي چهار گوش يا مستطيلي نيز توليد شوند.
× كامپيوتر كنترل كننده باطري كه از اجزاي زير تشكيل شده است:
× يك يا چند حسگر حرارتي كه دماي باطري را نشان مي دهند.
× يك مدار مبدل و تنظيم كننده ولتاژ براي نگه داري جريان و ولتاژ در سطوح امن.
× يك اتصال حفاظت شده براي خروج و ورود توان و اطلاعات به خارج و داخل باطري.
× يك نمايشگر وضعيت شارژ باطري، كه يك كامپيوتر كوچك است. اين قسمت براي اداره تمامي مراحل شارژ و براي ايجاد اطمينان از اينكه باطري ها با سرعت شارژ شده و تا حداكثر ميزان توانشان شارژ مي شوند مورد استفاده قرار مي‌گيرد.

اگر بسته باطري در حين فرآيند شارژ يا استفاده، بيش از اندازه داغ شود، كامپيوتر جريان برق را قطع مي كند تا حرارت باطري كاهش پيدا كند. اگر لپ تاپ خود را در يك اتوموبيل كه در زير نور افتاب پارك شده بگذاريد و سپس سعي كنيد كه از لپ تاپ استفاده كنيد، به احتمال زياد مدار محافظ داخل باطري تا زماني كه لپ تاپ خنك شود اجازه روشن شدن را به آن نخواهد داد. علاوه بر اين قبل از تخليه كامل سلول‌ها نيز باطري خاموش خواهد شد تا از تخليه كامل و در نتيجه وارد آمدن صدمه به آن جلوگيري كند. علاوه بر اين مدار كنترل كننده فوق مي‌تواند تعداد دفعات شارژ و تخليه را شمارش كرده و اطلاعات را به سيستم اندازه گيري توان باطري ارسال نمايد تا قادر باشد به شما ميزان انرژي باقي مانده در بازي را نشان دهد.
اين مدار كوچك كه باطري را كنترل مي كند بسيار پيچيده است و به خودي خود مقداري از توان باطري را مصرف مي كند. مصرف توان اين كامپيوتر يكي از دلايلي است كه چرا باطري هاي ليتيوم يوني حتي هنگامي كه مورد استفاده قرار نمي گيرند نيز 5 درصد از توان خود را در هر ماه از دست مي دهند.


سلول هاي ليتيوم يوني
اين باطري ها نيز مانند بسياري از ديگر باطري ها در يك بسته بندي فلزي قرار مي گيرند. استفاده از فلز مخصوصا از آن جايي مهم و ضروري است كه اين باطري ها تحت فشار بسته بندي مي شوند. اين بسته يندي فلزي داراي نوعي پنجره خروجي حساس به فشار است. حتي اگر باطري خيلي گرم شود و امكان انفجار باطري به دليل افزايش فشار وجود داشته باشد، اين پنجره فشار اضافي را خارج مي كند. البته باطري پس از رخ دادن اين اتفاق بلا استفاده خواهد بود اما بلا استفاده شدن باطري بهتر از انفجار آن است. پنجره فشار دقيقا به گونه اي تنظيم شده است تا قابليت اطمينان را افزايش دهد. اين پنجره به يك سوييچ Positive Temperature Coefficient (PTC) مجهز است كه ابزاري براي جلوگيري از افزايش دماي بيش از حد باطري است.

اين جداره فلزي، صفحات نازك با طول زياد را كه به دور يكديگر پيچيده شده اند در كنار يكديگر نگاه مي دارد.
× يك الكترود مثبت
× يك الكترود منفي
× يك جدا كننده
در داخل اين محفظه، صفحات در يك مايع ارگانيك شناور هستند كه مانند مايع الكتروليت عمل مي كند. اتر يكي از مواردي است كه خيلي براي اين منظور به كار مي رود.
جدا كننده يك صفحه بسيار نازك از پلاستيك است است كه سوراخ هاي بسيار ريزي بر روي آن قرار دارد. همانطور كه از نام آن پيداست، اين صفحه الكترودهاي مثبت و منفي را از يكديگر جدا مي كند اما به يون ها اجازه مي دهد تا از درون آن عبور كنند. الكترود مثبت از ماده اكسيد ليتيوم كبالت LiCoO2 ساخته شده است. الكترود منفي نيز از كربن ساخته مي شود. هنگامي كه باطري شارژ مي شود، يون هاي ليتيوم از درون ماده الكتروليت و از قطب مثبت به سمت قطب منفي رفته و به كربن مي پيوندد.

حركت اين يون هاي ليتيومي سبب مي شود تا ولتاژ واقعا بالايي ايجاد شود. هر سلول مي تواند ولتاژي برابر 3.7 ولت را ايجاد نمايد. اين ميزان بسيار بالاتر از ولتاژي عادي باطري هاي قلمي الكلاين معمولي است كه برابر با 1.5 ولت مي‌باشد. اين مساله به باطري هاي ليتيوم يوني اجازه مي‌دهد كه در اندازه هاي بسيار كوچكتري توليد شده و به همين دليل اين باطري ها براي استفاده در ابزارهاي كوچك قابل حملي چون تلفن هاي سلولي ايده آل هستند.
در بخش بعد نگاهي خواهيم داشت به روش هايي كه توسط آن مي‌توان عمر اين باطري ها را طولاني‌تر كرده و البته اين موضوع كه چرا ممكن است آن ها منفجر شوند.


تولد و مرگ باطري هاي ليتيوم يوني
بسته هاي باطري هاي ليتيوم يوني گران قيمت هستند. اگر قصد داريد كاري كنيد تا عمر طولاني تري داشته باشند، بايد چند نكته را همواره در ذهن خود داشته باشيد.
× معماري باطري هاي ليتيوم يوني به گونه اي است كه تخليه قسمتي از توان را به تخليه كامل باطري ترجيح مي‌دهد. بهترين كار اين است كه هميشه از تخليه كامل باطري احتراز كنيد. از آنجايي كه ابن باطري‌ها به دليل ساختمان شيميايي خاص باطري‌هاي ليتيوم يوني از اثر حافظه رنج نمي برند، با عدم تخليه كامل آن‌ها صدمه‌اي به آن ها نخواهيد زد. اما اگر ميزان توان ذخيره شده در باطري ليتيوم يوني به زير ميزان حداقل مجاز كاهش پيدا كند، باطري به اصطلاح ويران خواهد شد.
× باطري هاي ليتيوم يوني داراي طول عمر محدودي هستند. اين باطري ها قبل از تخريب كامل، خواه مورد استفاده قرار بگيرند و خواه نه، حدود 2 تا 3 سال عمر مي كنند. به همين دليل به هيچ وجه از باطري هايي كه 5 سال از توليد آن ها گذشته است استفاده نكنيد. حتي اگر بسته باطري را به تازگي نيز خريده باشيد اما تاريخ توليد آن مربوط به چند سال قبل باشد، اين باطري چندين سالي را در قفسه مغازه قرار داشته است. اين گونه باطري ها مدت زيادي عمر نخواهند كرد. پس هنگام خريد حتما دقت كنيد، زيرا تاريخ توليد در اين باطري ها واقعا مهم است.
× از حرارت دوري كنيد. حرارت مي توان طول عمر و توانايي ذخيره سازي اين باطري ها را تا حد زيادي كاهش دهد.

انفجار باطري ها
حال كه ياد گرفتيم چگونه براي مدت طولاني تري از باطري هاي ليتيوم يوني استفاده كنيم، بياييد ناگهي داشته باشيم به اين موضوع كه چرا آن ها ممكن است منفجر شوند.
اگر باطري تا حدي كه ماده الكتروليت در آن دما آتش مي گيرد داغ شود، باطري منفجر خواهد شد. بر روي اينترنت تصاوير و ويديو هاي مخلتفي وجود دارد كه نشان مي دهد اين آتش چگونه خواهد بود. هميشه يك اتصال كوتاه داخلي در باطري سبب مي شود كه چنين آتشي آغاز مي شود. همانطور كه در بخش هاي قبلي گفته شد، سلول هاي باطري هاي ليتيوم يوني داراي يك جدا كننده هستند كه الكترودهاي مثبت و منفي را از يكديگر جدا مي كند. اگر اين لايه جدا كنند سوراخ شده و الكترودهاي مثبت و منفي اتصال پيدا كنند، دماي باطري با سرعت بسيار بالايي افزايش خواهد يافت. ممكن است تا به حال شاهد داغ شدن بيش از حد باطري ها در زمان اتصال كوتاه بوده باشيد. براي مثال زماني كه يك باطري 9 ولتي را در جيب خود گذاشته ايد و سكه‌اي دو الكترود ان را اتصال كوتاه كرده است. باطري در اين حالت مي تواند واقعا داغ شود.
اگر جدا كننده با مشكل مواجه شود، نوعي اتصال كوتاه در داخل باطري ليتيوم يوني رخ خواهد داد. از آن جايي كه باطري هاي ليتيوم يوني داريا انرژي بسيار بالايي هستند، در صورت بروز اتصال كوتاه بسيار داغ خواهند شد. حرارت سبب مي شود حلال ارگانيك داخل آن به بيرون نشت كرده و از آنجا كه به شدت مستعد احتراق است، به سرعت مشتعل شود.
البته بايد به خاطر داشته باشيد كه احتمال وقوع آتش سوزي بسيار اندك است. تا كنون تعداد بسيار كمي از اين باطري ها آتش گرفته و در چند مورد معدود نيز از سوي سازنده فراخواني شده اند. اگر تعداد اين اتفاق ها را با تعداد باطري هاي ليتيوم يوني ساخته و فروخته شده مقايسه كنيد، متوجه خواهيد شد كه اين باطري‌ها داراي امنيت و قابليت اطمينان بسيار بالايي خواهند بود.