البطاريات - أنواعها وعملها

تعد البطاريات مصدر الطاقة الأكثر شيوعًا للأجهزة المحمولة الأساسية للتطبيقات الصناعية واسعة النطاق. يمكن تعريف البطارية بأنها مزيج من خلية كهروكيميائية واحدة أو أكثر قادرة على تحويل الطاقة الكيميائية المخزنة إلى طاقة كهربائية.

عمل البطارية:

البطارية عبارة عن جهاز يتكون من خلايا فولتية مختلفة. تتكون كل خلية فولتية من خليتين نصفيتين متصلتين في سلسلة بواسطة إلكتروليت موصل يحمل الأنيونات وأيونات القطط. تشتمل نصف خلية واحدة على المنحل بالكهرباء والقطب الذي تتحرك إليه الأنيونات ، أي القطب الموجب أو القطب السالب ، بينما تشتمل نصف الخلية الأخرى على الإلكتروليت والقطب الذي تتحرك إليه أيونات القط ، أي القطب الموجب أو القطب الموجب.

في تفاعل الأكسدة والاختزال الذي يعمل على تشغيل البطارية ، يحدث الاختزال للكاتيونات عند الكاثود ، بينما تحدث الأكسدة للأنيونات عند الأنود. لا تلمس الأقطاب الكهربائية بعضها البعض ولكنها متصلة كهربائيا بواسطة المنحل بالكهرباء. تحتوي نصف الخلايا في الغالب على إلكتروليتات مختلفة. يتم وضع كل الأشياء التي يتم اعتبارها كل نصف خلية في حاوية ويمنع الاختلاط الفاصل الذي يسهل اختراقه للأيونات ولكن ليس الجزء الأكبر من الإلكتروليتات.

عمل البطارية

كل نصف خلية لها قوة دافعة كهربائية (Emf) ، تحددها قدرتها على دفع التيار الكهربائي من داخل الخلية إلى خارجها. صافي emf للخلية هو الفرق بين emf لخلايا نصفها. بهذه الطريقة ، إذا كانت الأقطاب الكهربائية تحتوي على emf وبعبارة أخرى ، فإن صافي emf هو الفرق بين إمكانات الاختزال لنصف التفاعلات.

كيف تحافظ على البطارية؟

للحفاظ على البطارية في حالة جيدة ، يلزم معادلة البطارية. نظرًا للشيخوخة ، لا يتم شحن جميع الخلايا بشكل مماثل وبعض الخلايا تقبل الشحن بسرعة كبيرة بينما يتم شحن الخلايا الأخرى تدريجيًا. يمكن إجراء المعادلة عن طريق شحن البطارية بشكل هامشي للسماح للخلايا الأضعف أيضًا بالشحن بالكامل. الجهد الطرفي للبطارية المشحونة بالكامل هو 12 فولت ، وتظهر بطارية السيارة 13.8 فولت في أطرافها بينما البطارية الأنبوبية 12 فولت ستظهر 14.8 فولت. يجب تثبيت بطارية السيارة بإحكام في السيارة لتجنب اهتزازها. يجب وضع بطارية العاكس على لوح خشبي إن أمكن.

2 أنواع البطاريات

1) البطاريات الأولية:

كما يشير الاسم ، فإن هذه البطاريات مخصصة للاستخدام الفردي. بمجرد استخدام هذه البطاريات ، لا يمكن إعادة شحنها لأن الأجهزة لا يمكن عكسها بسهولة وقد لا تعود المواد النشطة إلى أشكالها الأصلية. يوصي مصنعو البطاريات بعدم إعادة شحن الخلايا الأولية.

بعض الأمثلة على البطاريات التي تستخدم لمرة واحدة هي بطاريات AA و AAA العادية التي نستخدمها في ساعات الحائط وجهاز التحكم عن بعد في التلفزيون وما إلى ذلك. ومن الأسماء الأخرى لهذه البطاريات هي البطاريات التي تستخدم لمرة واحدة.

أنواع البطارية

2) البطاريات الثانوية:

البطاريات الثانوية تسمى أيضًا بطاريات قابلة لإعادة الشحن. يمكن استخدام هذه البطاريات وإعادة شحنها في وقت واحد. يتم تجميعها عادة بمواد فعالة نشطة في حالة التفريغ. يتم إعادة شحن البطاريات القابلة لإعادة الشحن عن طريق تطبيق تيار كهربائي ، مما يعكس التفاعلات الكيميائية التي تحدث أثناء التفريغ. أجهزة الشحن هي الأجهزة التي توفر التيار المطلوب.

بعض الأمثلة على هذه البطاريات القابلة لإعادة الشحن هي البطاريات المستخدمة في الهواتف المحمولة ومشغلات MP3 وما إلى ذلك. تستخدم الأجهزة مثل أجهزة السمع وساعات اليد خلايا مصغرة وفي أماكن مثل بدالات الهاتف أو مراكز بيانات الكمبيوتر ، يتم استخدام بطاريات أكبر.

البطاريات الثانوية

أنواع البطاريات الثانوية (القابلة لإعادة الشحن):

SMF ، حمض الرصاص ، Li و Nicd

بطارية SMF:

SMF هو ملف بطارية محكمة الغلق لا تحتاج إلى صيانة ، مصممة لتوفير طاقة صيانة موثوقة ومتسقة ومنخفضة لتطبيقات UPS. يمكن أن تخضع هذه البطاريات لتطبيقات الدورة العميقة والحد الأدنى من الصيانة في المناطق الريفية ومناطق نقص الطاقة. هذه البطاريات متوفرة من 12 فولت.

في عالم اليوم المليء بالمعلومات ، لا يمكن التغاضي عن متطلبات أنظمة البطاريات المصممة لاستعادة البيانات والمعلومات المؤهلة المهمة وتشغيل الأجهزة الأساسية للمدد المطلوبة. البطاريات مطلوبة لتوصيل طاقة فورية. يمكن أن تؤدي البطاريات غير الموثوقة والأقل جودة إلى فقدان البيانات وإغلاق المعدات مما قد يكلف الشركات خسائر مالية كبيرة. وبالتالي ، تدعو قطاعات UPS إلى استخدام نظام بطارية موثوق ومثبت.

بطارية SMF

بطارية ليثيوم (لي):

نستخدمه جميعًا في الأجهزة المحمولة مثل الهاتف الخلوي أو الكمبيوتر المحمول أو أداة كهربائية. كانت بطارية الليثيوم واحدة من أعظم الإنجازات في الطاقة المحمولة في العقد الماضي مع استخدام بطاريات الليثيوم ، فقد تمكنا من التحول من الهواتف المحمولة بالأبيض والأسود إلى الهواتف المحمولة الملونة مع ميزات إضافية مثل GPS وتنبيهات البريد الإلكتروني وما إلى ذلك. أجهزة محتملة لكثافة الطاقة للسعات الأعلى. وبطاريات منخفضة التفريغ الذاتي نسبيًا. يمكن أيضًا أن توفر الخلايا الخاصة تيارًا عاليًا جدًا للتطبيقات مثل الأدوات الكهربائية.

بطارية ليثيوم

بطارية نيكل كادميوم (نيكد):

تتمتع بطاريات النيكل كادميوم بميزة إعادة شحنها عدة مرات ولديها إمكانات ثابتة نسبيًا أثناء التفريغ ولديها قدرة تحمل كهربائية وفيزيائية أكبر. تستخدم هذه البطارية أكسيد النيكل للكاثود ، وهو مركب كادميوم لأنود ومحلول هيدروكسيد البوتاسيوم كمحلول إلكتروليت.

عندما يتم شحن البطارية ، يتم تحويل التركيب الكيميائي للكاثود ويتغير هيدروكسيد النيكل إلى NIOOH. في الأنود ، يتم تكوين أيونات الكادميوم من هيدروكسيد الكادميوم. عندما يتم تفريغ البطارية ، يتفاعل الكادميوم مع NiOOH لتكوين هيدروكسيد النيكل مرة أخرى وهيدروكسيد الكادميوم.

Cd + 2H2O + 2NiOOH -> 2Ni (OH) 2 + Cd (OH) 2

بطارية الرصاص الحمضية:

تستخدم بطاريات الرصاص الحمضية على نطاق واسع في السيارات والعاكسات وأنظمة الطاقة الاحتياطية وما إلى ذلك على عكس البطاريات الأنبوبية والتي لا تحتاج إلى صيانة ، تتطلب بطاريات الرصاص الحمضية العناية المناسبة والصيانة لإطالة عمرها. تتكون بطارية الرصاص الحمضية من سلسلة من الألواح المغمورة في محلول حمض الكبريتيك. تحتوي الألواح على شبكات متصلة بها المادة الفعالة. تنقسم اللوحات إلى صفائح موجبة وسالبة. تحمل الصفائح الموجبة الرصاص النقي كمادة فعالة بينما يتم توصيل أكسيد الرصاص على الألواح السالبة.

بطارية الرصاص الحمضية

يمكن لبطارية مشحونة بالكامل تفريغ تيارها عند توصيلها بحمل. أثناء عملية التفريغ ، يتحد حامض الكبريتيك مع المواد الفعالة الموجودة على الصفائح الموجبة والسالبة مما يؤدي إلى تكوين كبريتات الرصاص. الماء هو أهم خطوة في صيانة بطارية الرصاص الحمضية. يعتمد تواتر المياه على الاستخدام وطريقة الشحن ودرجة حرارة التشغيل. أثناء العملية ، تتفاعل ذرات الهيدروجين من حمض الكبريتيك مع الأكسجين لتكوين الماء.

ينتج عن هذا إطلاق الإلكترونات من الصفائح الموجبة التي تقبلها الصفائح السالبة. يؤدي هذا إلى تكوين جهد كهربائي عبر البطارية. المنحل بالكهرباء في بطارية الرصاص الحمضية هو خليط من حامض الكبريتيك والماء الذي له ثقل معين. الثقل النوعي هو وزن خليط الماء الحمضي مقارنة بحجم الماء المتساوي. الثقل النوعي للمياه الخالية من الأيونات النقية هو 1.

توفر بطاريات الرصاص الحمضية أفضل قيمة للطاقة والطاقة لكل كيلو وات / ساعة ، ولها أطول دورة حياة وميزة بيئية كبيرة حيث يتم إعادة تدويرها بمعدل مرتفع للغاية. لا توجد مادة كيميائية أخرى يمكنها لمس البنية التحتية الموجودة لجمع ونقل وإعادة تدوير بطاريات الرصاص الحمضية.

إلى جانب هذه المقالة ، تمت مناقشة بطارية ليثيوم أيون مع مزاياها وعيوبها.

عمل بطارية ليثيوم - ايون

أصبحت بطاريات الليثيوم - أيون شائعة الآن في غالبية الأجهزة الإلكترونية المحمولة مثل الهاتف المحمول والكمبيوتر المحمول والكاميرا الرقمية وما إلى ذلك نظرًا لكفاءتها طويلة الأمد في استهلاك الطاقة. هذه هي البطاريات القابلة لإعادة الشحن الأكثر شيوعًا مع مزايا مثل أفضل كثافة للطاقة وفقدان ضئيل للشحن وعدم وجود تأثير على الذاكرة. تستخدم بطارية Li-Ion أيونات الليثيوم كحاملات شحن تنتقل من القطب السالب إلى القطب الموجب أثناء التفريغ والعودة عند الشحن. أثناء الشحن ، يطبق التيار الخارجي من الشاحن جهدًا زائدًا عن ذلك الموجود في البطارية. هذا يفرض على التيار أن يمر في الاتجاه المعاكس من القطب الموجب إلى السالب حيث يتم دمج أيونات الليثيوم في مادة القطب المسامي من خلال عملية تسمى الإقحام. تمر أيونات الليثيوم عبر المنحل بالكهرباء غير المائي والحجاب الحاجز الفاصل. مادة القطب هي مركب الليثيوم المقحم.

يتكون القطب السالب لبطارية Li-Ion من الكربون والإلكترود الموجب هو أكسيد معدني. المادة الأكثر شيوعًا في القطب السالب هي الجرافيت بينما قد تكون تلك الموجودة في القطب الموجب أكسيد الكوبالت الليثيوم أو فوسفات أيون الليثيوم أو أكسيد المنغنيز الليثيوم. يستخدم ملح الليثيوم في مذيب عضوي كإلكتروليت. عادة ما يكون المحلول الكهربائي عبارة عن خليط من الكربونات العضوية مثل كربونات الإيثيلين أو كربونات الإيثيل المحتوية على أيونات الليثيوم. يستخدم الإلكتروليت أملاح الأنيون مثل فوسفات فلورو سداسي الليثيوم ، أحادي الهيدرات أحادي الهيدرات سداسي فلورو الليثيوم ، ليثيوم لكلورات ، ليثيوم سداسي فلورو بورات إلخ. اعتمادًا على الملح المستخدم ، يختلف الجهد والسعة والعمر للبطارية. يتفاعل الليثيوم النقي مع الماء بقوة لتكوين هيدروكسيد الليثيوم وأيونات الهيدروجين. لذا فإن المنحل بالكهرباء المستخدم هو مذيب عضوي غير مائي. يعتمد الدور الكهروكيميائي لشحنة الأقطاب بين الأنود والكاثود على اتجاه تدفق التيار.

رد فعل بطارية ليثيوم أيون

في بطارية Li-Ion ، يمكن لكلا القطبين قبول وتحرير أيونات الليثيوم. أثناء عملية الإقحام ، تتحرك أيونات الليثيوم في القطب. أثناء العملية العكسية التي تسمى دي الإقحام ، تعود أيونات الليثيوم. أثناء التفريغ ، سيتم استخراج أيونات الليثيوم الموجبة من الأقطاب الكهربائية السالبة وإدخالها في القطب الموجب. أثناء عملية الشحن ، تحدث الحركة العكسية لأيونات الليثيوم.

مزايا بطارية ليثيوم أيون:

تتفوق بطاريات ليثيوم أيون على بطاريات NiCd والبطاريات الثانوية الأخرى. بعض المزايا

• خفيف الوزن مقارنة بالبطاريات الأخرى ذات الحجم المماثل
• متوفر بأشكال مختلفة بما في ذلك الشكل المسطح
• ارتفاع جهد الدائرة المفتوحة الذي يزيد من نقل الطاقة عند انخفاض التيار
• قلة تأثير الذاكرة.
• معدل التفريغ الذاتي منخفض جدًا بنسبة 5-10٪ شهريًا. يبلغ التفريغ الذاتي حوالي 30٪ في بطاريات NiCd و NiMh.
• بطارية صديقة للبيئة بدون أي معدن ليثيوم مجاني

ولكن إلى جانب المزايا ، مثل البطاريات الأخرى ، تعاني بطارية Li-Ion أيضًا من بعض العيوب.

عيوب بطارية Li-Ion:

• الرواسب داخل المنحل بالكهرباء بمرور الوقت سوف تمنع تدفق الشحنة. هذا يزيد من المقاومة الداخلية للبطارية وتقل قدرة الخلية على توصيل التيار تدريجيًا.
• قد يؤدي الشحن المرتفع ودرجة الحرارة المرتفعة إلى فقد السعة
• عند السخونة الزائدة ، قد تتعرض بطارية Li-Ion للهروب الحراري وتمزق الخلية.
• قد يؤدي التفريغ العميق إلى قصر دائرة كهربائية لبطارية Li-Ion. لمنع ذلك ، تحتوي بعض الماركات على دائرة إغلاق داخلية تغلق البطارية عندما يكون جهدها أعلى من المستوى الآمن من 3 إلى 4.2 فولت. في هذه الحالة ، عندما لا يتم استخدام البطارية لفترة طويلة ، ستستهلك الدائرة الداخلية الطاقة وتستنزف البطارية أقل من جهد الإغلاق. لذلك ، فإن أجهزة الشحن العادية ليست مفيدة لشحن هذه البطاريات.