كيف تم اختراع البطاريات وما هي أنواعها؟

[Mary Naeem]

كيف تم اختراع البطاريات وما هي أنواعها؟

أليست البطاريات رائعة ؟ المشكلة هي أنها تخزن فقط كمية ثابتة من الشحنة الكهربائية قبل تشغيلها وعادة في أكثر الأوقات غير الملائمة، وإذا كنت تستخدم البطاريات القابلة لإعادة الشحن، فهذه مشكلة أقل، ضع البطاريات في شاحن البطاريات وقم بتوصيلها وفي غضون بضع ساعات تكون جيدة مثل الجديدة وجاهزة للإستخدام مرة أخرى، ويمكن شحن البطاريات النموذجية القابلة لإعادة الشحن مئات المرات، وقد تدوم من ثلاث أو أربع سنوات إلى عقد أو أكثر، ومن المحتمل أن توفر لك مئات الجنيهات في شراء المستهلكات (لذلك فهي رائعة للبيئة)، ولكن مدى جودة أداء البطاريات يعتمد على كيفية استخدامها ومدى دقة شحنها، وهذا هو السبب في أن شاحن البطارية اللائق لا يقل أهمية عن البطاريات التي تضعها فيه، فما هو شاحن البطارية وكيف يعمل؟ دعونا نلقي نظرة فاحصة.

ما هي البطاريات وكيف تعمل؟

إذا كنت قد قرأت مقالتنا الرئيسية حول البطاريات، فستعرف كل شيء عن محطات الطاقة المحمولة هذه، ومثال على ما يشير إليه العلماء باسم الكيمياء الكهربائية، يستخدمون قوة الكيمياء لإطلاق الكهرباء المخزنة بشكل تدريجي للغاية، فماذا يحدث داخل البطاريات النموذجية، مثل البطاريات الموجودة في مصباح يدوي ؟ عند النقر فوق مفتاح الطاقة، فأنت تعطي الضوء الأخضر للتفاعلات الكيميائية داخل البطارية، وعندما يبدأ التيار في التدفق تبدأ الخلايا داخل البطاريات في تحويل نفسها بطرق مذهلة ولكنها غير مرئية تماما.

وتبدأ المواد الكيميائية التي تصنع منها مكوناتها بإعادة ترتيب نفسها، وداخل كل خلية تحدث تفاعلات كيميائية تشمل طرفي كهربائي (أو أقطاب كهربائية) وكيميائية تعرف باسم الكهارل التي تفصل بينهما، وتتسبب هذه التفاعلات الكيميائية في ضخ الإلكترونات (الجزيئات الدقيقة داخل الذرات التي تحمل الكهرباء) حول الدائرة التي تتصل بها البطارية، مما يوفر الطاقة للمصباح الكهربائي، ولكن الخلايا الموجودة داخل البطاريات تحتوي فقط على إمدادات محدودة من المواد الكيميائية، لذا لا يمكن أن تستمر التفاعلات إلى أجل غير مسمى، وبمجرد استنفاد المواد الكيميائية، تتوقف التفاعلات، وتتوقف الإلكترونات عن التدفق عبر الدائرة الخارجية وتكون البطاريات فارغة وينطفئ المصباح.

هذه هي الأخبار السيئة، والخبر السار هو أنه إذا كنت تستخدم البطاريات القابلة لإعادة الشحن، فيمكنك تشغيل التفاعلات الكيميائية في الإتجاه المعاكس بإستخدام شاحن البطاريات، وشحن البطاريات هو العكس تماما من تفريغها، حيث يعطي التفريغ الطاقة، والشحن يستهلك الطاقة ويخزنها عن طريق إعادة ضبط المواد الكيميائية للبطارية على حالتها الأصلية، ونظريا، يمكنك شحن البطاريات القابلة للشحن وتفريغها في أي عدد من المرات ، ومن الناحية العملية، حتى البطاريات القابلة لإعادة الشحن تتحلل بمرور الوقت، ويأتي في النهاية لنقطة لم تعد على استعداد لتخزين الشحن فيها، وعند هذه النقطة عليك إعادة تدويرها أو التخلص منها.

كيف يعمل شاحن البطاريات ؟

تشترك جميع شواحن البطاريات في شيء واحد، فهي تعمل عن طريق تغذية تيار كهربائي من خلال البطاريات لفترة من الزمن على أمل أن تحتفظ الخلايا في الداخل ببعض الطاقة التي تمر عبرها، وهذا تقريبا حيث يبدأ التشابه بين أجهزة الشحن وينتهي، وتستخدم الشواحن الأرخص إما جهدا ثابتا أو تيارا ثابتا وتطبق ذلك على البطاريات حتى تقوم بإيقاف تشغيلها، ومع السهو سوف تفرط في شحن البطاريات، وأوقف شاحن البطاريات قريبا جدا ولن تشحنه بما يكفي، حتى يعمل بشكل أسرع، وتستخدم الشواحن الأفضل شحنة هزيلة أقل وضوحا (ربما 3-5 في المائة من التيار الأقصى للبطارية المقدرة) لفترة أطول بكثير.

تشبه البطاريات بعض الشيء الحقائب، فكلما حزمت أكثر زادت صعوبة تعبئتها وكلما طال أمدها، ومن السهل فهم هذا إذا كنت تتذكر أن شحن البطاريات ينطوي بشكل أساسي على عكس التفاعلات الكيميائية التي تحدث عند تفريغها، وفي بطارية الكمبيوتر المحمول، على سبيل المثال ينطوي الشحن والتفريغ على تحويل أيونات الليثيوم (الذرات التي تفتقد الإلكترونات) ذهابا وإيابا من قطب كهربائي (حيث يوجد العديد منها) إلى قطب آخر (حيث يوجد عدد قليل)، ونظرا لأن الأيونات جميعها تحمل شحنة موجبة فمن الأسهل نقلها إلى القطب الفارغ في البداية، وعندما يبدأون في البناء هناك، يصبح من الصعب حزم المزيد منهم مما يجعل المراحل المتأخرة من الشحن أكثر صعوبة من المراحل السابقة.

يعتبر الشحن الزائد بشكل عام أسوأ من عدم الشحن، وإذا كانت البطاريات مشحونة بالكامل ولم تقم بإيقاف تشغيل الشاحن، فسيتعين عليها التخلص من الطاقة الإضافية التي تغذيها، ويفعلون ذلك عن طريق التسخين وتكثيف الضغط في الداخل، مما قد يؤدي إلى تمزقها، وتسرب المواد الكيميائية أو الغاز، وحتى الإنفجار.

يغلق شاحن البطاريات أجهزة ضبط الوقت من نفسه بعد فترة محددة على الرغم من أن ذلك لا يمنع بالضرورة الشحن الزائد أو الشحن الأقل لأن وقت الشحن المثالي يختلف لجميع أنواع الأسباب (مقدار الشحن الذي تبدأ به البطاريات ومدى سخونتها، وكم عمرها، سواء كانت أداء خلية واحدة أفضل من غيرها، وما إلى ذلك)، وتعمل أفضل الشواحن بذكاء، بإستخدام الدوائر الإلكترونية القائمة على شرائح دقيقة لاستشعار مقدار الشحنة المخزنة في البطاريات، واستنتاجها من أشياء مثل التغيرات في جهد البطارية ودرجة حرارة الخلية وعندما يرجح أن يتم الشحن، ثم يتم إيقاف التيار أو تغييره إلى شحنة منخفضة في الوقت المناسب من الناحية النظرية من المستحيل زيادة الشحن بإستخدام شاحن ذكي.

شحن أنواع مختلفة من البطاريات القابلة لإعادة الشحن


لتعقيد الأمور، تستجيب أنواع مختلفة من البطاريات القابلة لإعادة الشحن بشكل أفضل لأنواع مختلفة من الشحن، ولذلك قد لا يعمل شاحن البطاريات المناسب لنوع واحد من البطاريات بشكل جيد مع نوع آخر.

البطاريات النيكل

النيكل كادميوم هو النوع الأقدم وربما الأكثر شهرة للبطاريات القابلة لإعادة الشحن، وتستجيب بشكل أفضل إما للشحن السريع إلى حد ما (بشرط ألا يجعلها ساخنة) أو الشحن البطيء، وتستخدم بطاريات النيكل هيدريد المعدني تقنية أحدث، ولكنها عموما أكثر تكلفة لأنها يمكن أن تخزن المزيد من الشحن (كما هو موضح على عبوة البطارية كتصنيف أعلى في مللي أمبير أو ملي أمبير ساعة)، يمكن شحن بطاريات النيكل بسرعة (على تيار مرتفع لعدة ساعات ، مع خطر ارتفاع درجة الحرارة)، أو شحن بطيء (لمدة تتراوح من 12 إلى 16 ساعة باستخدام تيار أقل)، أو شحن قليل (بتيار أقل بكثير)، ولكن يجب أن يتم شحنها فقط باستخدام شاحن البطاريات النيكل وقد يزيد شاحن البطاريات النيكل السريع من شحن البطاريات بشكل زائد.

يبدو أن آراء الخبراء تختلف فيما إذا كانت بطاريات النيكل تواجه ما يعرف على نطاق واسع بتأثير الذاكرة، وهذه هي الظاهرة التي تم الإبلاغ عنها جيدا حيث يؤدي الفشل في تفريغ البطاريات القائمة على النيكل قبل الشحن إلى حدوث تغييرات كيميائية دائمة تقلل من كمية الشحن التي ستقبلها البطاريات في المستقبل، وبعض الناس يقسمون أن جهد الذاكرة حقيقي والبعض الآخر يصر بنفس القدر على أنها أسطورة، والتفسير الحقيقي لتأثير الذاكرة الواضح هو انخفاض الجهد حيث البطاريات التي لم يتم تفريغها بالكامل قبل الشحن المؤقت يعتقد أن لها جهدا أقل وقدرة تخزين شحن مما يجب أن يكون، ويصر خبراء البطاريات على أنه يمكنك علاج هذه المشكلة عن طريق شحن وتفريغ البطاريات بالكامل عدة مرات أكثر.

البطاريات الليثيوم أيون

عادة ما يتم تضمين البطاريات الليثيوم أيون القابلة لإعادة الشحن في أدوات مثل الهواتف المحمولة ومشغلات MP3 والكاميرات الرقمية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، وعادة ما تأتي مع أجهزة الشحن الخاصة بها، والتي تشعر تلقائيا عند اكتمال الشحن وتقطع إمدادات الطاقة في الوقت المناسب، ويمكن أن تصبح البطاريات الليثيوم أيون غير مستقرة بشكل خطير عندما يكون جهد البطارية مرتفعا جدا أو منخفضا جدا، ولذا فهي مصممة بحيث لا تعمل أبدا في ظل هذه الظروف.

وإذا كان الجهد منخفضا جدا (إذا كانت البطاريات تفرغ كثيرا أثناء الاستخدام)، فيجب قطع الجهاز تلقائيا، وإذا كان الجهد مرتفعا جدا (أثناء الشحن)، فسيتم قطع الشاحن بدلا من ذلك، وعلى الرغم من أن البطاريات الليثيوم أيون لا تظهر تأثيرا على الذاكرة، إلا أنها تتدهور مع تقدمها في العمر، ومن الأعراض النموذجية التفريغ التدريجي لفترة من الوقت (ربما ساعة أو نحو ذلك) يتبعه قطع مفاجئ ومثير وغير متوقع تماما للجهاز بعد ذلك.

البطاريات الرصاص الحمضية

تأخذ أكبر البطاريات القابلة لإعادة الشحن، والأثقل والأقدم اسمها من إلكتروليت حمض الكبريتيك (المخفف) والأقطاب الكهربائية القائمة على الرصاص، وإنها مألوفة بالنسبة إلينا كبطاريات السيارة (إمدادات الطاقة الأولية التي تعمل على تشغيل محرك السيارة قبل بدء حرق الغاز)، على الرغم من استخدام أنواع مختلفة قليلا من البطاريات الرصاص الحمضية في أشياء مثل عربات الغولف والكراسي المتحركة الكهربائية.

بطاريات الرصاص الحمضية شائعة لأنها بسيطة ورخيصة وموثوقة، وتستخدم تكنولوجيا مثبتة جيدا تعود إلى منتصف القرن التاسع عشر، وبشكل عام، تستمر لعدة سنوات، على الرغم من أن ذلك يعتمد كليا على مدى صيانتها وبعبارة أخرى يتم شحنها وتفريغها، ويستغرق الشحن وقتا طويلا (عادةً ما يصل إلى 16 ساعة أطول عدة مرات مما يستغرقه التفريغ الكامل)، ويمكن أن يؤدي هذا إلى الميل إلى الشحن المنخفض (إذا لم يكن لديك الوقت لشحنها بشكل صحيح من قبل ستستخدمها بعد ذلك) أو شحن زائدة (إذا وضعتها على عاتقك ونسيت كل شيء عنها)، يتسبب الشحن الزائد أو الشحن بجهد خاطئ أو ترك البطاريات غير مستخدمة في حدوث مشكلة تعرف باسم الكبرتة (تكوين بلورات كبريتات الرصاص الصلب).

بينما يتسبب الشحن الزائد في التآكل (التحلل الدائم للوحة الرصاص الموجبة من خلال الأكسدة، على غرار الصدأ في الحديد والصلب) وكلاهما سيؤثر على أداء وعمر بطارية حمض الرصاص، ويميل الشحن الزائد أيضا إلى تحلل المنحل بالكهرباء، وتحلل الماء (عن طريق التحليل الكهربائي) إلى هيدروجين وأكسجين والتي يتم إطلاقها على شكل غازات وبالتالي يتم فقدانها في البطارية، ووهذا يجعل الحمض أقوى ويزيد احتمال مهاجمة الألواح، مما يقلل من أداء البطارية، وهذا يعني أيضا وجود كمية أقل من المنحل بالكهرباء للتفاعل مع اللوحات مما يقلل أيضا من الأداء، ومن وقت لآخر يجب أن تغطى البطاريات مثل هذه بالماء المقطر (وليس الماء العادي) للحفاظ على الحمض عند القوة المثلى وعلى مستوى عال بما يكفي لتغطية الألواح.