البطاريات و أنواعها المختلفة

البطاريات و أنواعها المختلفة

البطارية هي مجموعة خلايا أو خلية واحدة والتي تخضع لتفاعلات كيميائية تؤدي لإنشاء تيار من الالكترونات في الدارة، وظهرت البطاريات نتيجة للحاجة لتخزين الطاقة الكهربائية المولدة، وبقدر أهميّة  توليد الطاقة من المهم أيضا تخزين الطاقة ليتمّ استعمالها عند فشل المولّدة أو عند الحاجة للأجهزة ذاتيّة التغذية والتي لا يمكن إبقاؤها مرتبطة بتغذية الشبكة الرئيسة، وهنا ننوّه بأنّه يتمّ تخزين التيّار المستمرّ DC فقط في البطاريّات، ولا يمكن تخزين التيّار المتناوب AC.

أنواع مختلفة من البطاريّات
أنواع مختلفة من البطاريّات

تتكوّن خلايا البطاريات من ثلاثة مكونات رئيسة:

  1. االمصعد
  2. المهبط
  3.  Electrolytes (مادة تحتوي على أيونات حرة تشكل وسطا ناقلا للكهرباء)

المصعد هو الإلكترود السالب الذي يولد الإلكترونات للدارة الخارجيّة التي تتصل بها البطارية، وعند وصل البطاريات تبدأ الإلكترونات بالتجمّع على المصعد مما  يسبّب فرق جهد بين الإلكترودين، وتعمل الإلكترونات على إعادة توزيع نفسها حيث تحاول Electrolytes  منع ذلك، لذا عندما تكون الدارة الكهربائية مغلقة، تقوم بتأمين مسار واضح للإلكترونات لتنتقل من المصعد للمهبط، وبالتالي تأمين تغذيه الدارة المتصل بها.

أنواع البطّاريات:

يمكن تصنيف البطاريات لفئات وأنماط  تختلف بالتركيب الكيميائيّ ، والحجم ، وعامل الشكل(form factor) ، وحالات الاستعمال، ولكن يندرج تحت كلّ هذه الاختلافات نوعا بطارية رئيسان:

  1. البطّاريّات الأساسيّة:

هي بطّاريات لايمكن شحنها لدى إشابتها، وتُصنَع من الخلايا الإلكتروكيميائيّة، والتي لايمكن عكس تفاعلِها الإلكتروكيميائيّ.

توجد بأشكال مختلفة، تتنوّع من بطّاريّات على شكل أقراص تدعى coin cells إلى بطّارّيات نوع  AA ، وهي شائعة الاستخدام في التطبيقات المستقلّة ؛ حيث يكون الشّحن غير عمليّ وغير ممكن، وكمثال على ذلك تلك التي في الأجهزة المصمّمة للاستخدام العسكريّ، والمعدّات التي تُغذَّى باستخدام البطّاريَّة، ومن غير العمليّ استخدام بطّاريّات قابلة للشحن عسكريّاً.

تمتلك البطّاريّات الأساسيّة دائماً طاقة محدّدة مرتفعة والأنظمة التي تستخدمها مصمّمة لتستهلك كمية طاقة منخفضة لتستمر ّ بالعمل أطول فترة ممكنة.

 شكل البطّاريّات الأساسيّة
شكل البطّاريّات الأساسيّة

أمثلة أخرى لاستخدام البطاريات الأوليّة: جهاز تنظيم ضربات القلب(Pace makers)، أجهزة تعقُّب الحيوانات، وساعات المعصم، وأجهزة التحكّم عن بعد، وألعاب الأطفال.

تُعتبر البطّاريّات القلويّة(alkaline batteries) من أشهر أنواع البطاريّات الأوليّة، وتملك طاقة عالية ، وتُعتبر صديقة للبيئة، وذات تكلفة فعّالة ولا تسرّب حتى عند تفريغ الشحنة تماماً، ويمكن تخزينها لعدّة سنوات ، وآمنة الاستخدام ،  ويمكن حملها على متن طائرة دون أن تخضع لقوانين الأمم المتّحدة للنقل وغيرها من االقوانين.

السلبية الوحيدة لهذه البطاريات هي تيّار الحمل المنخفض الذي يحدّ من استعمالها لتتضمّن فقط الأجهزة ذات متطلّبات التيّار المنخفض كأجهزة التحكّم ومصابيح الفلاش وأجهزة الترفيه المحمولة.

  1. البطّاريّات الثانويّة:

هي بطّاريّات بخلايا إلكتروكيميائيّة ، والتي يمكن عكس تفاعلاتها الكيميائيّة بتطبيق جهد معيّن على البطّاريّة في الاتّجاه العكسيّ، ويشار إليها بالبطاريات القابلة للشحن، وبشكل مغاير عن البطّاريّات الأساسيّة يمكن شحنها بعد استهلاك طاقة البطّاريّة.

وتُستعمَل عادة بالتطبيقات ذات الاستهلاك المرتفع high drain applications)) ، وفي سيناريوهات أخرى حيث يكون استخدام بطّاريّات شحن مفردة إما مكلف جدّاً أو غير عمليّ، وتستخدم البطاريات الثانويّة ذات السّعة المنخفضة لتغذية الأجهزة الإلكترونيّة المحمولة كأجهزة الموبايل ، والأدوات والأجهزة الأخرى، بينما تُستخدم بطّاريّات الأداء العالي heavy-duty batteries) ) في تغذية المركبات الكهربائيّة المتنوّعة، والتطبيقات العالية الاستهلاك الأخرى كتسوية الحمولة(load levelling) في توليد الكهرباء، وتُستخدم أيضاً كمنابع تغذية مستقلّة إلى جانب الانفرترات لتأمين الكهرباء.

رغم أنّ التكلفة المبدئيّة للحصول على بطّاريّات قابلة للشحن دائما ًما تكون أعلى من تكلفة البطّاريّات الأساسيّة ، ولكنها اقتصاديّة أكثر على المدى الطويل.

يمكن تصنيف البطّاريّات الثانويّة إلى أنماط أخرى بالاعتماد على بنيتها الكيميائيّة، ويعتبر هذا التصنيف مهمّاً ؛ لأنّ البنية الكيميائيّة تحدّد بعض صفات البطّاريّة متضمّنة طاقتها المحدّدة، ودورة حياتها، وعمر التخزين والسعر.

هناك أربع مواد كيميائيّة أساسيّة لتركيب البطاريات القابلة للشحن:

  1. ليثيوم-أيون (Li-ion)
  2. نيكل كادميوم (Ni-Cd)
  3. نيكل-هيدريد فلز (Ni-MH)
  4. حمض-رصاص

 

  1. بطّاريّات نيكل-كادميوم:

بطّاريّة نيكل-كاديوم(بطارية NiCad أو بطارية NiCd) هي نوع من أنواع  البطّاريّات القابلة للشحن، والتي طُوّرت باستخدام هيدروكسيد أوكسيد النيكل و الكادميوم المعدني كالكترودات، وتتفوّق بطّاريّات Ni-Cd)) في المحافظة على الجهد والاحتفاظ بالشحنة عند عدم الاستعمال، ولكن تقع بطاريات Ni-Cd)) ضحيّة تأثير “الذاكرة” غير المرغوب عند شحن البطّاريّة جزئيّاً ، مما يخفّض السعة المستقبليّة للبطاريّة.

بطارية نيكل-كادميوم
بطارية نيكل-كادميوم

 

بالمقارنة مع الأنواع الأخرى للخلايا القابلة للشحن، توفّر بطّارياّت Ni-Cd زمن حياة جيد وأداء عند درجة حرارة منخفضة مع سعة جيدة، ولكن الفائدة الكبرى ستكون قدرتها على تقديم معدّل سعة قصوى عند معدّلات تفريغ شحنة عالية، وهي متوفّرة بأحجام مختلفة تتضمّن الأحجام المستخدمة للبطّاريّات القلويّة و AAA إلى خلايا  D. Ni-Cdالتي تُستخدم مفردة أو مجمّعة في حزم من خليتَين أو أكثر، وتُستخدم الحزم الصغيرة في الأجهزة المحمولة كالإلكترونيّات والألعاب، بينما تجد ذات الحجم الأكبر تطبيقها في بطاريات إقلاع الحوّامة، والعربات الكهربائيّة والتغذية الاحتياطيّة (standby power supply).

ونذكر فيما يلي بعض خصائص بطاريات النيكل-كادميوم:

  • طاقة محدّدة: 40-60W-h/kg
  • كثافة طاقيّة: 50-150 W-h/L
  • استطاعة محدّدة: 150W/kg
  • فعاليّة شحن/تفريغ: 70-90%
  • معدل تفريغ ذاتيّ: 10%/month
  • عمر الدورة/حياة: 2000cycles

 

  1. بطّاريّات نيكل-هدريد فلز:

هي نوع آخر من الشكل الكيميائيّ للبطّاريّات القابلة للشحن، ويكون التفاعل الكيميائي للإلكترود الموجب للبطاريّات مشابه للتفاعل الكيميائيّ لخلية النيكل-كادميوم NiCd)) مع نوعي البطّاريّة مستخدماً ذات النيكل أوكسيد هيدروكسيد (NiOOH)، ولكن تستخدم الإلكترودات السالبة في النيكل ميتال هيدريد خليطة ممتصّة للهيدروجين بدلاً من الكادميوم المستخدم في بطّاريّات الـ NiCd

بطاريات نيكل- ميتال هدريد
بطاريات نيكل- ميتال هدريد

 

نجد بطّاريّات النيكل ميتال هيدريد في الأجهزة ذات الاستهلاك العالي بسبب سعتها الكبيرة وكثافة الطاقة ، وتمتلك سعة تقدّر بضعفين لثلاثة أضعاف سعة بطّاريّة NiCd التي لها نفس الحجم، وتقترب كثافة الطاقة لها من بطارية الليثيوم-أيون، وخلافاً لكيميائية بطارية NiCd فإنّ البطاريات ذات البنية الكيميائية من NiMH ليس عرضة لتأثير ” الذاكرة” الذي تواجهه بطّاريّة النيكل-ميتال هيدريد.

بعض خصائص هذه البطاريّة:

  • طاقة محدّدة: 60-120h/kg
  • كثافة طاقيّة: 140-300 Wh/L
  • استطاعة محدّدة: 66% – 92%
  • فعّاليّة شحن/تفريغ: 70-90%
  • معدّل تفريغ ذاتي: 3-2.9%/بالشهر بدرجة حرارة 20oC
  • عمر الدورة/حياة: 180 -2000
  1. بطاريات ليثيوم-أيون

من أكثر الأنواع القابلة للشحن شعبيّة، وتتواجد في الأجهزة المحمولة المختلفة ، وتتضمّن الهواتف النقّالة ، والأجهزة الذكيّة ، والعديد من تطبيقات البطّاريّات الأخرى المنزليّة، ونجد تطبيقاتها أيضاً في التطبيقات العسكريّة والطيران بسبب طبيعتها الخفيفة الوزن.

بطارية الليثيوم-أيون
بطارية الليثيوم-أيون

بطاريات ليثيوم-أيون

هي نوع من البطاريات القابلة للشحن التي تهاجر فيها أيونات الليثيوم من الإلكترود السالب إلى الإلكترود الموجب خلال التفريغ، وتُهاجر عائدةً للإلكترود السالب عندما تُشحن البطارية، وتَستخدِم هذه البطاريات مركب ليثيوم متداخلاً (intercalated lithium compound) كمادة إلكترود واحدة مقارنةً بالليثيوم المعدنيّ المستخدم ببطاريات الليثيوم غير القابلة للشحن.

تمتلك بشكل عام كثافة طاقة مرتفعة ولاتملك أثر الذاكرة ، ولها تفريغ ذاتيّ منخفض مقارنةً بأنواع البطارية الأخرى، ويختلف تركيبها الكيميائيّ إلى جانب الأداء، وتتنوّع تكلفتها باختلاف دواعي الاستعمال على سبيل المثال.تعتمد بطاريات الليثيوم أيون المستخدمة بالأجهزة الإلكترونيّة المحمولة على أوكسيد كوبالت الليثيوم (LiCoO2)، والذي يؤمن كثافة طاقيّة مرتفعة ،ومخاطر سلامة منخفضة عند تعطّلها ، بينما تعتمد بطاريات الليثيوم أيون على فوسفات حديد الليثيوم الذي يقدّم كثافة طاقيّة منخفضة أكثر أماناً ؛ لانخفاض احتمال وقوع الأحداث السيّئة يُستعمل بشكل واسع في تغذية الأدوات الكهربائية والمعدّات الطبيّة، وتقدم بطاريات الليثيوم أيون أفضل نسبة بين الأداء والوزن بينما يقدّم كبريت الليثيوم النسبة الأعلى .

بعض خصائص بطاريّات الليثيوم أيون:

  • طاقة محدّدة: 100: 265W-h/kg
  • كثافة طاقيّة: 250: 693 W-h/L
  • استطاعة محدّدة: 250: 340 W/kg
  • فعاليّة شحن/تفريغ: 80-90%
  • معدل تفريغ ذاتيّ: 3-2.9%/بالشهر بدرجة حرارة 20oC
  • عمر الدورة  400: 1200 cycles :
  • جهد الخليّة الاسميّ: NMC 3.6/3.85V
  1. بطّاريّات رصاص-حمض

تُستخدم هذه البطّاريّات بقدرة منخفضة التّكلفة وعالية الوثوقية بتطبيقات الأداء العالي (heavy duty) ، وتكون ذات أحجام ضخمة عادةً ، وبسبب وزنها تستخدم دائما بالتطبيقات غير المحمولة كمخزن طاقة للألواح الشمسيّة، إقلاع العربات وتشغيل الأضواء، وكتغذية احتياطيّة وتسوية حمل في مولّدات/موزّعات الطاقة.

هذه البطّاريّات من أقدم أنواع البطّاريّات القابلة للشحن، ولاتزال مُستخدَمة ومهمّة حتى يومنا هذا، وتمتلك نسب منخفضة جدّاً من الطاقة إلى الحجم ونسب الطّاقة إلى الوزن، ولكن لها نسبة استطاعة إلى الوزن مرتفعة نسبيّاً ، ونتيجةً لذلك يمكنها تأمين تيّارات اندفاع (surge currents) مرتفعة جدّاً عند الحاجة، وتجتذب هذه الخصائص إلى جانب كلفتها المنخفضة للاستخدام في تطبيقات متعدّدة للتيّار المرتفع كتغذية لإقلاع المحرّكات ذاتيّة الحركة وللتخزين في مزوّدات الطّاقة الاحتياطيّة.

 بطاريات رصاص-أسيد
بطاريات رصاص-أسيد

كلّ من هذه البطاريات يمكن أن تكون الخيار الأكثر ملائمة ، وتساعد الصورة في مساعدتك للاختيار:

مقارنة بين أنواع البطّاريّات
مقارنة بين أنواع البطّاريّات

 

اختيار البطاريّة الأنسب لتطبيقك:

من المشاكل الرئيسة التي تعيق الثورات التكنولوجيّة كإإنترنت الأشياء هي  الطاقة (power) ؛ حيث تؤثّر حياة البطّاريّة على الانتشار الناجح للأجهزة التي تتطلّب حياة بطاريّة طويلة ، ورغم أنّ التقنيّات المتعدّدة التي يتمّ اعتمادها لإدارة الطاقة لجعل البطاريّة تدوم لفترة أطول، ومع ذلك يجب اختيار بطاريّة متوافقة  لتحقيق أفضل نتيجة.

نذكر أدناه بعض العوامل لأخذها بعين الاعتبار عند اختيار نوع البطّاريّة الأنسب لمشروعك:

  1. الكثافة الطاقيّة: الكميّة الكليّة للطاقة المخزّنة بواحدة الكتلة أو الحجم، وهذا يحدّد مدة بقاء الهاتف يعمل قبل حاجته للشحن.
  2. كثافة الاستطاعة: المعدّل الأعظميّ لتفريغ الطاقة بواحدة الكتلة أو الحجم، وكمثال على أجهزة الاستطاعة المنخفضة: الحواسيب المحمولة والآيبود، ومثال على أجهزة الاستطاعة المرتفعة:أدوات التشغيل.
  3. الأمان: من المهم الأخذ بعين الاعتبار درجة الحرارة التي سيعمل عليها جهازك الذي تصنّعه، ففي درجات الحرارة المرتفعة ستنهار بعض محتويات البطّاريّة ويمكن أن تخضع لتفاعلات طاردة للحرارة(exothermic reactions)، وتخفّض درجات الحرارة العالية بشكل عام أداء معظم البطّاريّات.
  4. عمر دورة الحياة: نحتاج استقرار كثافة الطّاقة وكثافة الاستطاعة مع الدورات مكرّرة(شحن وتفريغ) لحياة بطاريّة مديدة في معظم التطبيقات.
  5. التكلفة: تعتبر التكلفة جزءاً مهمّاً من أيّ قرار هندسيّ يتمّ اتّخاذه، ومن المهمّ أن يكون خيار اختيارك للبطاريّة متناسباً مع أدائها، وبحيث لن تزيد كلفة المشروع فوق المعدّل الطبيعيّ.

    المصدر: هنا
    المساهمون : ترجمة: مي همدر، مراجعة: علي العلي، تدقيق لغوي: رنيم العلي، تصميم: علي العلي، تحرير: علي العلي.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *