البطاريات

ما هي إجابتك على سؤال ما البطارية؟

هل تخيلت يومًا ما سيكون عليه العالم اليوم بدون بطارية؟

الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والآلات الكهربائية والساعات والآلات الحاسبة وأجهزة الراديو أو حتى الأجهزة الطبية مثل أجهزة السمع وأجهزة تنظيم ضربات القلب والكراسي المتحركة الكهربائية … لا يمكن استخدام أي منها بدون بطاريات. من الصعب أو حتى الممل تخيل عالم بدون بطاريات. يمكن للبطاريات المختلفة ذات الأحجام والجهد المختلفة أن تزود الكهرباء التي نحتاجها فورًا عند الحاجة.

إذا كنت مهتمًا بالتعرف على أنواع البطاريات، انضم إلينا في استمرار هذه المقالة لمراجعة لأنواع البطاريات بلغة بسيطة.

ما هي البطارية؟

يمكن تعريف البطارية ببساطة على أنها خلية أو حزمة طاقة كيميائية يمكنها عند الحاجة، تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية. تقوم البطارية بتحويل الطاقة الكيميائية الموجودة إلى طاقة كهربائية عن طريق إجراء تفاعلات كيميائية داخل نفسها. يمكن أن تدوم البطارية من بضع ساعات إلى بضعة أسابيع ، حسب المواصفات ونوع الاستخدام.

أنواع البطاريات

توجد بطاريات مختلفة بأشكال وأحجام وجهد وسعات مختلفة. بشكل عام، يتم تصنيف جميع البطاريات إلى أولية وثانوية.

البطاريات الأساسية هي بطاريات يمكن استخدامها مرة واحدة فقط ولا تستخدم بعد نفاد السعة. بالطبع هناك مراكز خاصة تعيد تدوير البطاريات المستعملة حتى لا تعرض البيئة للخطر.

البطاريات الثانوية هي أيضًا بطاريات يمكن إعادة شحنها بعد نفاد سعتها. في الواقع، من خلال وضعها في الاتجاه المعاكس في الدائرة (التدفق العكسي)، يمكن إعادة شحنها. في هذه الحالة، يمكن القول أن التفاعلات الكيميائية في مادة الإلكتروليت تتم في الاتجاه المعاكس. لاحظ مع ذلك، أن عدد مرات الشحن محدود، وبعد عدد معين من عمليات الشحن والتفريغ، تفقد البطارية أدائها الأولي وينخفض ​​الجهد. يظهر هذا بوضوح في بطارية الهواتف الذكية.

البطاريات الأساسية (غير قابلة لإعادة الشحن)

للوهلة الأولى، قد تكون البطاريات الأولية أكثر تكلفة من الموديلات القديمة. لكن ميزتها الرئيسية هي أنها تخزن طاقة أكبر ولديها وقت تفريغ أطول من السعات المماثلة في البطاريات الثانوية. على سبيل المثال، أحد الاستخدامات الرئيسية للبطاريات الأولية هو توفير الطاقة لنبض القلب، والذي يبقى في جسم الشخص المصاب بمشكلة في القلب لفترة طويلة.

هناك ثلاثة أنواع رئيسية من البطاريات الأولية: الكربون والزنك والقلوية والليثيوم. نظرًا لعدم وجود سائل فيها، أو بعبارة أخرى، يكون إلكتروليتهم صلبًا، وغالبًا ما يطلق عليهم اسم الخلايا الجافة.

بطارية زنك الكربون (zink – carbon)

يمكن القول أن أرخص الأمثلة على البطاريات الأولية التي نستخدمها في حياتنا اليومية هي بطاريات الزنك والكربون. اخترع المخترع الفرنسي جورج لوكانشي (Georges Leclanché) بطاريات الزنك والكربون التي تستخدم لمرة واحدة في حوالي عام 1865. لهذا السبب، تسمى هذه الأنواع من البطاريات أحيانًا خلايا خلية التسرب.

على الرغم من أن هذه البطاريات غير مكلفة ومناسبة للتطبيقات العادية، إلا أنها لا تتمتع بسعة كبيرة وعمر طويل وتحتاج إلى استبدالها بسرعة وفي وقت مبكر. تعد بطاريات الزنك الكربوني خيارات مناسبة لتدريس كيفية عمل البطارية، وذلك على النحو التالي:

يتكون القطب الموجب من قضيب كربون محاط بمسحوق من الكربون وأكسيد المنغنيز (manganese (IV) oxide). القطب السالب هو أيضًا سبيكة زنك. المنحل بالكهرباء هو كلوريد الأمونيوم (ammonium chloride).

عندما يتم وضع بطارية زنك-كربون في دائرة كهربائية، تحدث تفاعلات مختلفة عند القطبين. في القطب السالب، يتم تحويل الزنك إلى أيونات الزنك، ونتيجة لذلك، تتدفق الإلكترونات المحررة عبر السلك وتتحرك إلى القطب الموجب (قضيب الكربون). في القطب الموجب، يتحول أكسيد المنغنيز (IV) إلى أكسيد المنغنيز (III) والأمونيا أثناء التفاعل.

البطارية القلوية (Alkaline)

تتمتع البطاريات القلوية الأولية بسعة وعمر أطول من بطاريات الزنك الكربوني، مما يؤدي إلى ارتفاع الأسعار قليلاً. القطب الموجب في هذا النوع من البطاريات مصنوع من أكسيد المنغنيز (أكسيد المنغنيز (IV)) والقطب السالب مصنوع من الزنك (الزنك). المنحل بالكهرباء هو أيضًا محلول قلوي مركّز لهيدروكسيد البوتاسيوم. يسبب الالكتروليت الحكة وحرقان العين والجلد ومشاكل في التنفس. لذلك، يجب الحرص على عدم تسرب هذه المادة من البطارية.

في القطب الموجب، يتم تحويل أكسيد المنغنيز (IV) كيميائيًا إلى أكسيد المنغنيز (III) وأيونات الهيدروكسيل. في القطب السالب، يتفاعل الزنك مع أيونات الهيدروكسيل، حيث يتم إطلاق العديد من الإلكترونات وتدفق عبر سلك الموصل في الدائرة.

بطارية زر  (Button Battery)

الأزرار التي تحتوي على خلايا على شكل زر، والمعروفة أكثر باسم بطاريات الساعات أو العملات المعدنية، لها أقطاب كهربائية مشابهة للبطاريات القلوية، فيما عدا أن مادة الإلكتروليت الخاصة بها يمكن أن تكون غير الإلكتروليتات القلوية. القطب السالب في هذا النوع من البطاريات مصنوع من أنواع مختلفة من الزنك أو الليثيوم. يصنع القطب الموجب أيضًا في نماذج مختلفة من أكسيد المنغنيز أو أكسيد الفضة أو أكسيد النحاس.

هناك أيضًا نماذج من هذه البطاريات ذات قطب كهربائي موجب من أكسيد الزئبق لا تُستخدم اليوم بسبب مخاطر الزئبق على صحة الإنسان.

البطاريات الثانوية (قابلة لإعادة الشحن)

قبل ظهور الأجهزة الإلكترونية المحمولة مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، لم تكن البطاريات القابلة لإعادة الشحن تحظى بشعبية كبيرة بسبب متانتها المنخفضة (وقت التفريغ المنخفض). كانت معظم البطاريات القابلة لإعادة الشحن في الثمانينيات والتسعينيات من القرن الماضي عبارة عن نيكل وكادميوم أو هيدريد نيكل ومعدن.

واحدة من البطاريات القابلة لإعادة الشحن الأكثر استخدامًا في ذلك الوقت، والتي لا تزال قيد الاستخدام، هي بطاريات الرصاص الحمضية القابلة لإعادة الشحن المستخدمة في السيارات. في ما يلي، سوف نقدم بعض البطاريات القابلة لإعادة الشحن عالية الاستهلاك.

بطارية الرصاص الحمضية  (Lead-Acid)

غالبًا ما تتكون بطاريات الرصاص الحمضية، المعروفة باسم بطاريات السيارات في السوق، من 6 نعال من 2 فولت، بإجمالي 12 فولت. يتكون القطب السالب في هذا النوع من البطاريات من معدن رصاص مسامي (على شكل إسفنجي) ويتكون القطب الموجب من أكسيد الرصاص  (lead Dioxide) .المنحل بالكهرباء هو أيضا حمض الكبريتيك(Sulfuric Acid).

عند تفريغ بطاريات الرصاص الحمضية، يتم تغطية كلا القطبين بطبقة من كبريتات الرصاص، وخلال التفاعلات، يتم تحويل حمض الكبريتيك إلى ماء.

كما ذكرنا سابقًا، يتمثل الاستخدام الرئيسي لبطاريات الرصاص الحمضية في توفير الطاقة الأولية لتشغيل محركات السيارة وإضاءة الجزء الداخلي للسيارة. يتم إعادة شحن هذه البطارية بواسطة المولد. من مشاكل هذا النوع من البطاريات ارتفاع وزن وخطورة معدن الرصاص على الإنسان والبيئة.

بطارية النيكل كادميوم (Nickel-Cadmium)

استبدلت بطاريات النيكل والكادميوم، نظرًا لتكلفتها المنخفضة، إلى حد كبير بطاريات 1.5 فولت التي تستخدم لمرة واحدة في الاستخدام اليومي العادي. يمكن شحن بطاريات النيكل والكادميوم وتفريغها مئات المرات ويمكن أن يكون لها عمر مفيد يصل إلى عدة سنوات إذا تم استخدامها بشكل صحيح. في هذا النوع من البطاريات، يكون القطب الموجب هو أكسيد هيدروكسيد النيكل (nickel(III) oxide-hydroxide) والقطب السالب هو الكادميومcadmium . المنحل بالكهرباء هو أيضًا محلول قلوي مركّز لهيدروكسيد البوتاسيوم  (Potassium Hydroxide).

بطاريات النيكل والكادميوم لها تأثير الذاكرة المزعوم على الشحن والتفريغ. هذا يعني أنه لتحقيق أقصى استفادة من هذا النوع من البطاريات، يجب أولاً تفريغها بالكامل ثم إعادة شحنها.  إحدى مشاكل هذه البطاريات هي أن معدن الكادميوم يشكل خطورة على الإنسان والبيئة.

بطارية هيدريد نيكل المعدنية ((Nickel Metal Hydride: NiMH

تعمل بطاريات هيدريد نيكل المعدنية بطريقة مشابهة لبطاريات النيكل والكادميوم. تتمثل إحدى مزايا هذا النوع من البطاريات في تأثير ذاكرة أقل من بطاريات النيكل والكادميوم. كما أنها تشكل مخاوف بيئية أقل. تستخدم كلمة معدن بشكل شائع في عنوان هذا النوع من البطاريات. بمعنى آخر، يمكن أن يكون للقطب السالب لهذا النوع من البطاريات أنواع مختلفة. يتكون القطب الموجب في بطاريات NiMH من أوكسي هيدروكسيد النيكل (كما هو الحال في بطاريات النيكل والكادميوم) والإلكترود السالب عبارة عن سبيكة تمتص الهيدروجين.

بطارية ليثيوم أيون (Lithium Ion)

تعد بطاريات الليثيوم أيون حاليًا أسرع أنواع البطاريات القابلة لإعادة الشحن المستخدمة في مجموعة واسعة من الأجهزة الإلكترونية مثل الهواتف المحمولة. بالمقارنة، تتمتع بطاريات الليثيوم أيون بضعف سعة بطاريات النيكل والكادميوم القابلة لإعادة الشحن في نفس الأبعاد. كما أن لديهم أيضًا جهدًا عاليًا وأكثر صداقة للبيئة. يمكن لبطاريات الليثيوم أيون المستخدمة بشكل صحيح أن تدوم لعدة سنوات.

ومع ذلك، في تجربة معظم مستخدمي الهواتف الذكية، فإن الأداء المناسب لبطاريات الليثيوم أيون مع الاستخدام اليومي يتراوح بين 2 إلى 3 سنوات.

في بطاريات الليثيوم أيون، عند تفريغها، تنتقل أيونات الليثيوم من القطب السالب إلى القطب الموجب. أثناء الشحن، تتم هذه العملية في الاتجاه المعاكس. إن أهمية تطوير وتحسين هذه الأنواع من البطاريات كبيرة جدًا لدرجة أنها فازت بجائزة نوبل في الكيمياء لعام 2019.