ما هي بطارية النيكل والكادميوم: العمل وتطبيقاتها

تعد بطارية النيكل والكادميوم مصدرًا لجهد التيار المستمر. نظرًا لخصائصها ومزاياها ، فإنها تتولى زمام الأمور حمض الرصاص البطاريات المستندة إلى شعبية واكتسبت شعبية في الآونة الأخيرة. إنه صغير ومضغوط ويسهل الانتقال من مكان إلى آخر. الاستخدامات العامة لهذه البطارية هي اللعب والآلات الحاسبة الصغيرة محركات التيار المستمر ، إلخ. من حيث المبدأ هو نفس البطاريات القائمة على بطاريات الرصاص المركزة. يتم لف المعدن بطبقات الكادميوم والفاصل ويتم الاحتفاظ به في الأكسدة والاختزال بحيث ينتج التفاعل الكيميائي جهد التيار المستمر. كانت البطاريات شائعة لفترة طويلة ، وفي محاولة لزيادة كفاءة البطارية يتم استخدام المزيد والمزيد من العناصر الكيميائية. هذا يجعل البناء مضغوطًا.

ما هي بطارية النيكل والكادميوم؟

إنه جهاز ينتج جهد تيار مستمر يعتمد على التفاعل الكيميائي بين المواد المعنية. في بطارية النيكل والكادميوم ، يتم استخدام مادة الأكسدة والاختزال كقاعدة ، ويتم استخدام طبقة النيكل والفاصل حولها. يبلغ جهد خلية النيكل والكادميوم حوالي 1.2 فولت. عند التوصيل في سلسلة بشكل عام ، يتم تعبئة 3 إلى 4 خلايا معًا للحصول على خرج من 3.6 إلى 4.8 فولت

تصميم بطارية النيكل والكادميوم

نظرية بطارية النيكل والكادميوم

مبدأ تشغيل بطارية النيكل والكادميوم هو نفسه البطاريات الأخرى. لتحسين الكفاءة ، يتم استخدام النيكل والكادميوم. البطارية هي مصدر جهد التيار المستمر ، وبالتالي يجب أن تتكون من نقطتين محتملتين ، أي موجبة وسالبة أو تسمى أيضًا الأنود والكاثود. في بطارية النيكل والكادميوم ، أولاً ، يتم الاحتفاظ بطبقة من أكسيد النيكل NiO2 حول الأكسدة والاختزال.

تعمل هذه الطبقة من أكسيد النيكل كطبقة الكاثود. فوق طبقة أكسيد النيكل ، يتم الاحتفاظ بطبقة من KaOH ، والتي تعمل كفاصل. وتجدر الإشارة إلى أن هذه الطبقة الفاصلة يجب أن تنقع في الماء أو تكون رطبة. والغرض منه هو توفير أيونات سالبة OH المطلوبة للتفاعل الكيميائي. فوق الطبقة الفاصلة ، يتم وضع الكادميوم. تعمل طبقة الكادميوم كأنود لبطارية النيكل والكادميوم. ال مخطط بطارية النيكل والكادميوم هو مبين أدناه.

مخطط بطارية النيكل والكادميوم

كما هو مبين في الرسم البياني ، يعمل النيكل كقطب موجب جامع وتعمل طبقة الكادميوم كمجمع طبقة سالبة. تتكون الطبقة الفاصلة بين الطبقتين من KOH أو NaOH. والغرض منه هو توفير أيونات OH. بصرف النظر عن ذلك ، فهو يتكون أيضًا من صمام أمان ولوحة مانعة للتسرب وحلقة عزل وحشية عازلة وعلبة خارجية.

الغرض من الحلقة العازلة هو توفير العزل بين الطبقتين. حشية العازل هي المكان الذي يتم فيه الاحتفاظ بحلقة العزل في مكان قريب. الطبقة الفاصلة متصلة بهذه الحلقة. الغرض من الغلاف الخارجي هو توفير الحماية للطبقات الداخلية من العوامل الخارجية مثل الأضرار وسوء التعامل مع البطارية. وتجدر الإشارة إلى أنه بسبب التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل الخليط ، فمن الخطر دائمًا العمل مع البطارية.

لا يتم فتح علبة البطارية مطلقًا ، حيث أن جميع الطبقات مكشوفة وقد تتسبب في إلحاق الضرر بالشخص الذي يستخدمها. وبالمثل ، عندما لا تكون قيد الاستخدام ، يوصى بإخراج البطارية من الجهاز.

معادلات بطارية النيكل والكادميوم

يمكن إعطاء المعادلات الكيميائية التي تمثل التفاعل الكيميائي كـ

تمثل المعادلة الأولى التفاعل بين نيكل طبقة الكاثود والفاصل. يعطي ناتج أيونات أكسيد النيكل OH. الحاجة إلى الطبقة الفاصلة كما ذكرنا سابقًا هي توفير أيونات OH المطلوبة للتفاعل الكيميائي. لتوفير H20 ، يتم نقع الطبقة الفاصلة بالماء للتفاعل الأولي. يتم الحصول على H2O لاحقًا كأحد المنتجات الثانوية.

على جانب الأنود ، يتم أيضًا دمج طبقة الكادميوم مع أيونات OH التي يتم الحصول عليها من طبقة الفواصل. ينتج عن هذا أكسيد الكادميوم والإلكترونات. وتجدر الإشارة إلى أنه يتم إلغاء الإلكترونات في كلا المعادلتين. أيضًا ، يتم إلغاء أيونات OH. تُعطى معادلة التذكير بالمعادلة الثالثة ، حيث يتم دمج النيكل مع الكادميوم والماء. ينتج عنه أكسيد النيكل وأكسيد الكادميوم.

نطاق درجة حرارة بطارية النيكل والكادميوم

تتراوح درجة حرارة بطارية النيكل من 0 إلى 45 درجة مئوية أثناء الشحن و -20 إلى 65 درجة مئوية أثناء التفريغ. خارج نطاق درجة الحرارة هذا ، تفشل البطارية في العمل وتوجد فرص حدوث انفجار.

سمية بطارية النيكل والكادميوم

تعتبر بطارية النيكل والكادميوم شديدة السمية لجسم الإنسان. الكادميوم معدن ثقيل يشكل العديد من المخاطر على جسم الإنسان. حتى أن الكادميوم له تأثير فسيولوجي على النظام. يبلغ متوسط ​​وجود الكادميوم في جسم الإنسان حوالي 1 ميكروجرام لكل لتر. له تأثير مباشر على الجهاز الهضمي. وبالمثل ، يعتبر النيكل سامًا أيضًا للجهاز التنفسي للإنسان.

جهد بطارية النيكل والكادميوم

بشكل عام ، سيكون كل جهد لبطارية النيكل والكادميوم حوالي 1.2 فولت. عدد الخلايا المتصلة في سلسلة أو متوازية للحصول على الجهد المطلوب. بصرف النظر عن الجهد الكهربائي ، تبلغ طاقته النوعية حوالي 50-60 واط لكل كيلوجرام. هذا مرتفع نسبيًا عن النيكل والحديد ، ولكنه أقل نسبيًا من بطاريات النيكل والزنك وهيدريد معدن النيكل.

القدرة المحددة هي 200 واط لكل كيلوغرام. هذا مرتفع بشكل معتدل من النيكل والحديد ولكنه أقل نسبيًا من بطاريات النيكل والزنك وهيدريد معدن النيكل. بالنسبة لبطاريات النيكل المعدنية ، يتراوح سعرها بين 170 و 1000. بالنسبة لبطاريات النيكل والحديد ، تبلغ حوالي 100. وتتراوح كفاءة الطاقة بين 70-75٪. هذا مرتفع بشكل معتدل من النيكل والحديد ولكنه أقل نسبيًا من بطاريات النيكل والزنك وهيدريد معدن النيكل. بالنسبة لبطاريات النيكل المعدنية ، تتراوح النسبة بين 70-80٪. بالنسبة لبطاريات النيكل والحديد ، تتراوح النسبة بين 60 و 70٪.

بناء بطارية النيكل والكادميوم

الإنشائية ، بطارية النيكل والكادميوم هي نفسها بطاريات الرصاص الحمضية. يتكون من ثلاث طبقات أساسية. الطبقة الأولى هي طبقة النيكل ، ثم الطبقة الفاصلة ، ثم طبقة الكادميوم. يعمل النيكل كمجمع قطب موجب وتعمل طبقة الكادميوم كمجمع للطبقة السالبة.

تتكون الطبقة الفاصلة بين الطبقتين من KOH أو NaOH. والغرض منه هو توفير أيونات OH. بصرف النظر عن ذلك ، فهو يتكون أيضًا من صمام أمان ولوحة مانعة للتسرب وحلقة عزل وحشية عازلة وعلبة خارجية. الغرض من الحلقة العازلة هو توفير العزل بين الطبقتين. حشية العازل هي المكان الذي يتم فيه الاحتفاظ بحلقة العزل في مكان قريب. الطبقة الفاصلة متصلة بهذه الحلقة.

الغرض من الغلاف الخارجي هو توفير الحماية للطبقات الداخلية من العوامل الخارجية مثل الأضرار وسوء التعامل مع البطارية. وتجدر الإشارة إلى أنه بسبب التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل الخليط ، فمن الخطر دائمًا العمل مع البطارية. تشكل الطبقات مع الطبقة الفاصلة التفاعل الكيميائي المطلوب وتشكل فرق الجهد.

بطارية النيكل والكادميوم تعمل

يعتمد عمل بطارية النيكل والكادميوم على التفاعل الكيميائي الذي يحدث بين الطبقات. تتكون البطارية التي تعد مصدرًا لجهد التيار المستمر من منفذين هما الأنود والكاثود. أثناء صنع البطارية ، يتم أولاً الاحتفاظ بطبقة الكادميوم على الأكسدة والاختزال. تعمل طبقة الكادميوم كمحطة الكاثود. الكادميوم هو أحد المواد الثقيلة وله خصائص توصيل جيدة. فوق طبقة الكادميوم ، يتم الاحتفاظ بالطبقات الفاصلة.

الغرض من الطبقة الفاصلة هو توفير أيونات OH المطلوبة لـ تفاعل كيميائي . أيونات OH مطلوبة للتفاعل بين نيكل طبقة الكاثود والفاصل. يعطي ناتج أيونات أكسيد النيكل OH. الحاجة إلى الطبقة الفاصلة كما ذكرنا سابقًا هي توفير أيونات OH المطلوبة للتفاعل الكيميائي. لتوفير H20 ، يتم نقع الطبقة الفاصلة بالماء للتفاعل الأولي.

يتم الحصول على H2O لاحقًا كأحد المنتجات الثانوية. على جانب الأنود ، يتم أيضًا دمج طبقة الكادميوم مع أيونات OH التي يتم الحصول عليها من طبقة الفواصل. ينتج عن هذا أكسيد الكادميوم والإلكترونات. وتجدر الإشارة إلى أنه يتم إلغاء الإلكترونات في كلا المعادلتين. أيضًا ، يتم إلغاء أيونات OH. تُعطى معادلة التذكير بالمعادلة الثالثة ، حيث يتم دمج النيكل مع الكادميوم والماء. ينتج عنه أكسيد النيكل وأكسيد الكادميوم. يتبع التفاعل الكيميائي تدفق الإلكترونات الذي يسبب فرق الجهد عبر طرفين.

أنواع بطاريات النيكل والكادميوم

يتم تصنيف بطاريات النيكل والكادميوم فقط على أساس الحجم والجهد المتاح. بناءً على الحجم ، قد يكون بحجم AAA أو AA أو A أو Cs أو C أو D أو F. كل هذه الأحجام تأتي بمواصفات مختلفة لجهد الخرج. بعضها أسطواني الشكل وبعضها في علبة خارجية مستطيلة الشكل.

المميزات والعيوب

مزايا بطارية النيكل كادميوم

• يسلم ناتج تيار مرتفع
• يتسامح مع الشحن الزائد
• يتحمل ما يصل إلى 500 دورة شحن

عيوب بطارية النيكل والكادميوم

• الكادميوم ليس مادة صديقة للبيئة
• تحمل أقل لدرجات الحرارة مقارنة بالبطاريات الأخرى.

تطبيقات بطارية النيكل والكادميوم

لها تطبيقات مختلفة مثل الألعاب ومحركات التيار المستمر الصغيرة والآلات الحاسبة والمراوح وأجهزة الكمبيوتر وما إلى ذلك.

ومن هنا رأينا التطبيقات والعمل وتفاصيل بطارية النيكل والكادميوم . يجب أن نرى ما هي المواد الأخرى التي يمكن دمجها مع النيكل لأن الكادميوم له تأثيرات خطيرة.