زمينه فني: رشته هاي مرتبط با عنوان اين طرح عبارتند از: مهندسي برق الكترونيك، فيزيك، شيمي و مهندسي شيمي مشكل فني و اهداف: كاربرد اصلي باتري هاي ليتيمي اوليه در صنايع نظامي به ويژه هوا فضا است. به بيان ديگر پركاربرد ترين باتري در صنايع نظامي، باتري هاي ليتيمي اوليه هستند. از جمله مشكلات اصلي كه در زمينه ي استفاده از اين باتري ها وجود دارد، تخليه خودبه خودي (Self Discharge) است كه باعث مي شود كه انرژي باتري بعد از چند مدت كم شود و ديگر توان لازم را نداشته باشد، كه اين امر مي تواند مشكل ساز باشد. به همين دليل، ايده طرح تبديل باتري ليتيمي به باتري ليتيمي ذخيره اي به ذهن رسيد. چون كه طراحي اين باتري به گونه اي است كه از تخليه ي خود به خودي باتري جلوگيري مي كند و به ما اين امكان را مي دهد كه علاوه بر افزايش عمر باتري، از آن در بالاترين ميزان انرژي و توانش استفاده كرد. وضعيت دانش پيشين: در زمينه باتري هاي ذخيره اي فعال ساز با گاز ژنراتور تحقيقاتي بر روي باتري هاي روي-نقره و سرب-اسيدي انجام شده است و نتايج قابل قبولي نيز كسب شده است. ولي با توجه به انرژي بسيار كمتر، عدم كارايي در بازه هاي گسترده از دما، وزن بالا و ضعف هاي ديگري كه اين باتري ها نسبت به نمونه ي ليتيمي خود دارند، استفاده از آن ها در صنايع نظامي به اندازه باتري ليتيمي نيست و با محدودياتي همراه است. ارائه راه حل همراه با شرح دقيق اختراع: همان طور كه قبلاً نيز گفته شد، براي رفع مشكل تخليه ي خود به خودي و ضعف هايي كه در باتري هاي ذخيره اي ساخته شده قبلي نسبت به باتري ليتيمي وجود داشت، ايده ي تبديل اين باتري به باتري ذخيره اي به ذهن رسد. باتري ذخيره اي، گروهي از باتري¬هاي اوليه است كه جهت ممانعت از دشارژ خود به خودي و افزايش عمر انبارداري تا زمان استفاده، به صورت غير فعال باقي مي¬مانند و لحظاتي قبل از استفاده، توسط سيستم گاز ژنراتور فعال مي¬شوند. قابليت اصلي اين باتري، تامين توان بسيار بالا در مدت زمان هاي كوتاه مي باشد. باتري ليتيمي خود انواع گوناگون دارد، ولي با توجه به انرژي بسيار بالايي كه باتري هايي ليتيم تيونيل كلرايد توليد مي كنند و هم چنين نوع الكتروليت در آن ها كه به صورت مايع است، لذا جهت پياده سازي طرح، اين نوع از باتري ليتيمي را در نظر گرفته ايم. همانطور نيز كه در شكل 1 مشاهده مي شود، باتري¬هاي ليتيم تيونيل كلرايد بالاترين ميزان انرژي را در بين باتري¬هاي پر كاربرد دارند. قبل از شرح كار باتري هاي ذخيره اي، مختصر توضيحي در رابطه با باتري هاي ليتيم تيونيل كلرايد را بيان مي كنيم. شكل 1 روند تغيير انرژي در انواع باتري هاي پركابرد همانطور كه گفته شد، باتري ليتيم تيونيل كلرايد (LiSOCl2) يكي ديگر از انواع باتري هاي ليتيم اوليه است. اين باتري تركيب شده از يك آند ليتيم (Li) و يك كاتد كلريد تيونيل (SOCl2) و الكتروليت آن از كلريد تيونيل در تترا كلرال ليتيم بدست مي آيد. واكنش كلي در طي فرآيند شارژ در اين باتري به صورت زير است: 4Li + 2SOCl2 → 4LiCl + SO2 + S باتري رزرو در محفظه اي يكپارچه از جنس مس يا استيل نگه داشته مي شود. اين محفظه از يك طرف به طور مستقيم به سيستم فعال ساز گاز ژنراتوري و از طرف ديگر به محفظه سل متصل است. جهت جلوگيري از نشت الكتروليت به داخل مجموعه گاز ژنراتور و هم چنين محفظه سل ها، ديافراگم هايي از جنس تفلون و نقره در دو طرف محفظه الكتروليت قرار گرفته و آن را آب بندي مي كند. در هنگام عملكرد باتري، گاز حاصل از عملكرد گاز ژنراتور با پاره نمودن اين ديافراگم ها، الكتروليت را به داخل محفظه سل ها هدايت مي كند. لازم به ذكر است كه ضخامت اين ديافراگم¬ها مي بايست به گونه اي باشد كه در برابر فشار گاز مقاومت نكنند و هم چنين مقاومت شيميايي مناسبي در برابر الكتروليت داشته باشند. فعال سازي در اين باتري توسط فشار گاز، كه ناشي از احتراق پودر آتش زاي گاز ژنراتور است، رخ مي دهد كه الكتروليت را به داخل محفظه سل هدايت مي كند. در يك نگاه كلي گاز ژنراتور شامل قطعات زير مي باشد: پودر آتش زا، بدنه گاز ژنراتور، متعلقات و چاشني الكتريكي به عنوان عامل تحريك سوزش پودر آتش زا مي باشد. چاشني توسط جريان الكتريكي فعال شده و در نتيجه پودر آتش زا را سوزانده و حجم زيادي از گاز توليد مي شود و اين گاز الكتروليت موجود در محفظه را به درون سل هدايت مي كند. در شكل 2 نماي كلي از سيستم گاز ژنراتور را مشاهده مي كنيد. \\\\t \\\\t شكل 2- نماي كلي از سيستم گاز ژنراتور مجموعه نگهدارنده الكتروليت، محل ذخيره الكتروليت و نگهداري آن به طور مجزا مي باشد. جنس محفظه بايد از موادي انتخاب شود كه اولاً در برابر اثر خوردگي ناشي از محلول خورنده الكتروليت مقاوم باشد و ثانياً تحمل فشار گاز ورودي از گاز ژنراتور را داشته باشد (مثل: استيل). مهم ترين مزيت باتري ذخيره اي ليتيمي اين است كه با توجه به اينكه در محدوده ي دماي عملياتي وسيعي (-40تا 85 ̊C ) قابل استفاده است، لذا در اين باتري نيازي به مجموعه گرم كن و مدار كنترل نيست. كه اين امر خود داراي مزيت هايي است كه در ادامه بررسي مي كنيم. در شكل 3 يك نماي كلي از باتري ذخيره ليتيمي با سيستم فعالساز گاز ژنراتور را مشاهده مي كنيد. شكل 3. نماي كلي از باتري رزرو ليتيمي فعالساز با سيستم گاز ژنراتور در ادامه جهت برتري دادن اين نوع باتري رزرو نسبت به انواع مختلف باتري رزرو ديگر، يك سري محاسبات در زمينه مقايسه ويژگي هاي عملياتي باتري انجام داده و نتايج را با نتايج مربوط به باتري رزرو روي-اكسيد نقره مقايسه مي كنيم. با توجه به زمان بر بودن، تنها نتيجه محاسبات در جدول زير آورده شده است. جدول 1. مقايسه باتري ذخيره اي ليتيم تيونيل كلرايد با باتري ذخيره اي روي – نقره رديف\\\\tپارامتر\\\\tباتري روي- نقره\\\\tباتري ليتيم تيونيل كلرايد 1\\\\tولتاژ تحت بار (V)\\\\t36\\\\t38 2\\\\tولتاژ بي باري (V)\\\\t〖27〗_(-3)^(+3)\\\\t〖27〗_(-3)^(+3) 3\\\\tجريان (A)\\\\t130\\\\t130 4\\\\tوزن (Kg)\\\\t10.5\\\\t5 5\\\\tابعاد (mm)\\\\t262×268×148\\\\t310×150×60 6\\\\tحجم (cm3)\\\\t10.39\\\\t2.79 7\\\\tزمان عملكرد (s)\\\\t350\\\\t670 8\\\\tروش فعال سازي\\\\tگاز ژنراتور\\\\tگاز ژنراتور 9\\\\tالكتروليت\\\\tمحلول آبي KOH\\\\tتيونيل كلرايد 10\\\\tعمر نگهداري\\\\t5 سال\\\\t10 سال 11\\\\tدماي عملكردي (˚C)\\\\t50 تا 5\\\\t80 تا 40- 12\\\\tقابليت اطمينان\\\\tمتوسط\\\\tبالا در بخش بعد به آناليز نتايج و مزاياي باتري رزرو ليتيم تيونيل كلرايد نسبت به ساير باتري هاي رزرو مي پردازيم. مزاياي اختراع: همانطور كه گفته شد باتري هاي ليتيمي كه پركاربردترين باتري در صنايع نظامي هستند، بعد از گذشت مدتي از ذخيره سازي، دچار تخليه خود به خودي شده و انرژي خود را از دست مي دهند. تبديل اين نوع باتري ها به باتري ذخيره اي، اين امكان را به ما مي دهد كه در زمان نياز، الكتروليت را به داخل باتري تزريق كرده و باتري را فعال كنيم و از باتري ليتيمي در حداكثر مقدار انرژي اش استفاده كنيم. پس مزاياي اصلي اين باتري ها عبارتند از: \\\\tعدم تخليه خود به خودي باتري تا زمان مورد نظر و افزايش عمر انبارداري \\\\tاستفاده از باتري در حداكثر انرژي و توانش \\\\tبالا بردن قابليت اطمينان در زمان استفاده از باتري و همانطور كه بيان شد، اين باتري نياز به سيستم گرمكن ندارد. پس خود اين عامل نيز 2 مزيت دارد: \\\\tدر محدوده وسيعي از دماي هوا قابل استفاده است. \\\\tبا توجه به عدم نياز به مجموعه ي گرمكن، وزن باتري رزرو ليتيمي به ميزان قابل توجهي نسبت به باتري هاي رزرو ديگر، كاهش مي يابد. \\\\tجهت گرم كردن باتري ذخيره اي روي-نقره به برق نياز داريم كه در مناطق بياباني و كوهستاني كه برق وجود ندارد دچار مشكل مي شويم. اين مشكل با استفاده از باتري هاي ليتيمي روي-نقره قابل حل است. به طور خلاصه با مقايسه باتري هاي رزرو ليتيم تيونيل كلرايد با سيستم فعال ساز گاز ژنراتور با ساير باتري هاي ذخيره اي با توجه به جدول 1، نتايج زير حاصل مي شود: \\\\tكاهش وزن باتري \\\\tكاهش حجم و ابعاد باتري \\\\tافزايش توان و انرژي باتري \\\\tافزايش زمان كاربرد باتري \\\\tافزايش طول عمر باتري \\\\tافزايش قابليت اطمينان باتري \\\\tحذف برخي قطعات نظير سيستم گرماي باتري، شامل المنت هاي حرارتي و ترموستات هاي الكتريكي \\\\tافزايش سرعت عكس العمل سيستم به دليل حذف گرمايش باتري و عدم وجود زمان فعال سازي كاربرد ها: همانطور كه بيان شد كابرد اصلي اين نوع باتري ها در صنايع نظامي است. براي دستگاه هاي مخابراتي كه تحت شرايط دشوار كار مي كنند، مناسب است. هم چنين در زمينه پرتاب حامل ها و ماهواره ها كه براي صنايع نظامي اهميت بسيار بالايي دارد، از اين نوع باتري ها استفاده مي شود. در ادامه كاربردهاي ديگر اين باتري را به صورت موردي بيان مي كنيم. 1. دستگاه هاي اندازه گيري از راه دور \\\\tابزارهاي اندازه گيري: آب، برق و گاز \\\\tقسمتي كه مقدار اندازه گيري را به طور اتوماتيك مي خواند \\\\tاندازه گير هاي صنعتي 2. ايمني و امنيتي \\\\tسيستم هاي هشدار دهنده \\\\tسنسور ها 3. تجهيزات نظارت از راه دور \\\\tسيستم هاي GPS \\\\tسيستم هاي كنترل ورود و خروج پرسنل \\\\tبخش مراقبت از بيماران \\\\tسيستم هاي لرزه نگاري 4. ماشين هاي قدرت \\\\tسيستم هاي جهت يابي \\\\tسنسورهاي حركتي \\\\tتاكسي متر ها 5. سيستم هاي پشتيباني \\\\tكليدهاي رمزگذاري \\\\tسيستم پشتيبان گيري از حافظه 6. صنعتي / مصرفكننده \\\\tساعت / تايمر \\\\tايستگاه هاي آب و هوا \\\\tتجهيزات تله متري \\\\tدستگاه فروش اتوماتيك يك روش اجرايي براي به كارگيري اختراع: از اين باتري در زمينه پرتاب پرنده ها، ماهواره ها و حامل ها مي توان استفاده كرد. با وصل كردن اين باتري به بدنه¬ي پرنده، مي¬توان توان لازم را براي پرتاب ايجاد كرد. در زمان لازم كه بايد پرنده پرتاب شود، الكتروليت توسط مكانيزم ياد شده (استفاده از گاز ژنراتور) به داخل باتري تزريق مي شود و باتري را فعال مي كند. آن گاه مي توان پرنده را با حداكثر توان ممكن پرتاب كرد. خلاصه توصيف: باتري هاي ليتيمي پركاربردترين باتري ها در صنايع نظامي هستند كه به جهت رفع مشكل تخليه ي خود به خودي كه اين باتري ها دارند و باعث مي شود انرژي آن ها پايين بيايد، مي توان اين باتري ها را به باتري ذخيره اي تبديل كرد. همانطور كه بيان شد با توجه با اينكه باتري ليتيم تيونيل كلرايد حاوي الكتروليت مايع است و هم چنين در بين باتري هاي كاربردي جز پر انرژي ترين ها است، لذا اين باتري را براي هدف مورد نظر برگزيديم. روال كار باتري ذخيره اي به اين گونه است كه از دشارژ خود به خودي باتري ليتيمي جلوگيري مي كند و با افزايش عمر انبارداري تا زمان استفاده، باتري به صورت غير فعال باقي مي¬مانند. فعال سازي در اين باتري توسط فشار گاز، كه ناشي از احتراق پودر آتش زاي گاز ژنراتور است، رخ مي دهد كه الكتروليت را به داخل محفظه سل هدايت كرده و باتري را فعال مي كند. يعني در واقع از باتري در بالاترين ميزان انرژي اش و با بالاترين اطمينان لازم استفاده مي شود و از طرفي نيز همانظور كه بيان شد، با توجه به اينكه باتري رزرو ليتيم تيونيل كلرايد قابليت استفاده در محدوده ي وسيعي از دما را دارد، لذا به سيستم گرمكن نياز ندارد و همين امر علاوه بر بالا بردن كارايي باتري در دماهاي خيلي سرد يا گرم، سبب پايين آمدن محسوس وزن باتري مي شود. در نهايت با توجه به مقايسه اي كه بين اين باتري و باتري ذخيره اي روي-نقره انجام شود، مشاهده شد كه باتري ذخيره اي ليتيم تيونيل كلرايد، ضعف ها و نواقص موجود در باتري ذخيره اي روي-نقره را به صورت قابل ملاحظه اي بهبود مي بخشد و ويژگي هاي ساختاري و عملكردي به مراتب مناسب تر و بهتري نسبت به نمونه ي روي – نقره از خود نشان مي دهد.