مكونات تكنولوجيا البطارية

البطارية أو الحاشدة أو المُدَّخِرة الكهربائية هي جهاز يتكون من واحدة أو أكثر مع توصيلات خارجية لتشغيل الأجهزة مثل . عندما تقوم البطارية بتزويد ، يكون طرفها الموجب هو هو . الطرف المحدد بالسالب هو مصدر الإلكترونات التي ستتدفق عبر دائرة كهربائية خارجية إلى الطرف الموجب. عندما تُوصَّل بطارية بحمل كهربائي خارجي، فإن تفاعل يحول المواد المتفاعلة عالية الطاقة إلى منتجات منخفضة الطاقة، وتُوصَّل إلى الدائرة الخارجية كطاقة كهربائية. تاريخيًا، يشير مصطلح «البطارية» تحديدًا إلى جهاز مكون من عدة خلايا، ول. البطارية أو الحاشدة أو المُدَّخِرة الكهربائية هي جهاز يتكون من واحدة أو أكثر مع توصيلات خارجية لتشغيل الأجهزة مثل . عندما تقوم البطارية بتزويد ، يكون طرفها الموجب هو هو . الطرف المحدد بالسالب هو مصدر الإلكترونات التي ستتدفق عبر دائرة كهربائية خارجية إلى الطرف الموجب. عندما تُوصَّل بطارية بحمل كهربائي خارجي، فإن تفاعل يحول المواد المتفاعلة عالية الطاقة إلى منتجات منخفضة الطاقة، وتُوصَّل إلى الدائرة الخارجية كطاقة كهربائية. تاريخيًا، يشير مصطلح «البطارية» تحديدًا إلى جهاز مكون من عدة خلايا، ولكن تطور الاستخدام ليشمل أجهزة مكونة من خلية واحدة. تُستخدم البطاريات (التي تُستخدم مرة واحدة أو «التي تستخدم ») مرة واحدة ويتم التخلص منها، وتُغيَّر مواد تغييراً لا رجعة فيه أثناء التفريغ؛ ومن الأمثلة الشائعة على ذلك المستخدمة في المصابيح الكهربائية وعدد كبير من الأجهزة الإلكترونية المحمولة. يمكن تفريغ وإعادة شحنها عدة مرات باستخدام التيار الكهربائي المطبق؛ يمكن استعادة التكوين الأصلي للأقطاب الكهربائية عن طريق التيار العكسي. تشمل الأمثلة المستخدمة في المركبات المستخدمة في الأجهزة الإلكترونية المحمولة مثل والهواتف المحمولة. تأتي البطاريات بأشكال وأحجام عديدة، من الخلايا المصغرة المستخدمة لتشغيل وساعات اليد إلى الخلايا الصغيرة الرقيقة المستخدمة في ، إلى الكبيرة أو الليثيوم أيون في المركبات، وفي أقصى الحالات، توجد بطاريات ضخم. . يعود استخدام مصطلح «البطارية» لوصف مجموعة من الأجهزة الكهربائية إلى ، الذي وصف في عام 1748 عدة غرار (استعار بنجامين فرانكلين مصطلح «البطارية» من الجيش، والذي يشير إلى للأسلحة تعمل معا ). ينى الفيزيائي الإيطالي ووصف أول بطارية كهركيميائية، ، في عام 1800. كانت هذه كومة من ألواح النحاس والزنك، مفصولة بأقراص ورقية مبللة بمحلول ملحي، والتي يمكن أن تنتج تيارًا ثابتًا لفترة طويلة من الزمن. لم يفهم فولتا أن الجهد كان بسبب تفاعلات كيميائية. كان يعتقد أن خلاياه كانت مصدرًا لا ينضب للطاقة، وأن آثار التآكل المرتبطة بها في الأقطاب الكهربائية كانت مجرد إزعاج، وليست نتيجة حتمية لعملها، كما أوضح في عام 1834. نشر (1745-1827م) التفاصيل الخاصة بأول بطارية كهربائية في التاريخ. وقد كانت البطارية الكهربائية التي اخترعها فولتا تنتج الكهرباء عن طريق التفاعل الكيميائي بين بعض المحاليل المعينة المعدنية. جدير بالذكر أن بعض العلماء الآخرين، مثل (1790 - 1845م) قد طور تصمیم فولتا عن طريق استخدام مواد مختلفة في الأقطاب الكهربائية. كما أن البطاريات الكهربائية المستخدمة اليوم تتبع التصميم الأساسي نفسه ولكن مع استخدام مواد حديثة. كانت البطارية الكهربائية التي اخترعها فولتا تتكون من أقراص من أو يُفصَل بينهما عن طريق فواصل مبتلة ب مخفف أو محلول ملحي كانت الكهرباء تتدفق خلال سلك يربط بين القرصين العلوي والسفلى. الجدير بالذكر هنا أن ، وهو وحدة كهربائية سُمِّي على اسم ألساندرو فولتا. مع من أن البطاريات المبكرة كانت ذات قيمة كبيرة للأغراض التجريبية، إلا أن الفولتية في الواقع كانت متذبذبة ولم تستطع توفير تيار كبير لفترة مستدامة. كانت ، التي اخترعها الكيميائي البريطاني في عام 1836، أول مصدر عملي ، وأصبحت معيارًا صناعيًا وشهدت واسع النطاق كمصدر لشبكات . وتتكون من وعاء نحاسي مملوء بمحلول ، والذي كان مغمورًا فيه وعاء غير وقطب كهربائي من الزنك. تستخدم هذه الخلايا الرطبة الشوارد السائلة، والتي تكون عرضة للتسرب والانسكاب إذا تُعامَل معاملة صحيحة. استخدم العديد من الأواني الزجاجية لحمل مكوناتها، مما جعلها هشة ومن المحتمل أن تكون خطرة. جعلت هذه الخصائص الخلايا الرطبة غير مناسبة للأجهزة المحمولة. قرب نهاية القرن التاسع عشر، جعل اختراع بطاريات الخلايا الجافة، التي حلت محل الإلكتروليت السائل معجون، الأجهزة الكهربائية المحمولة عملية. . تبع ذلك طريقة أخرى كان وُصِّلت الكثير من الخلايا معاً حيث كانت كل خلية منها تتكون من زوجين من الكهربائية المصنوعة من معادن مختلفة وذلك لإنتاج قدر أكبر من الجهد الكهربى (الفولت)، وبالتالي تیار كهربائي بكمية أكبر. وتتكون الخلية «الفولتية» الشهيرة من أقطاب كهربائية مصنوعة من النحاس والزنك مغموسة في حمض مخفف. وقد تمكن المخترع الإنجليزي «کروکشانك» من اختراع بطارية «الحوض» الكهربائية هذه في عام 1800م. الألواح المعدنية بحيث يكون ظهر كل منها للآخر، ثم تُثبَّت في فتحات صغيرة ضيقة في صندوق خشبي، ثم يملأ الصندوق بعد ذلك بحمض مخفف أو محلول من . . تُحوِّل البطاريات مباشرة إلى . في كثير من الحالات، تكون الطاقة الكهربائية المنبعثة هي الاختلاف في طاقة التماسك أو طاقات الرابطة للمعادن أو الأكاسيد أو الجزيئات التي تخضع للتفاعل الكهركيميائي. على سبيل المثال، يمكن تخزين الطاقة في Zn أو Li، وهي معادن عالية الطاقة لأنها غير مستقرة عن طريق الترابط الإلكترون D، على عكس . تم تصميم البطاريات بحيث لا يمكن أن يحدث تفاعل المناسب بقوة إلا إذا تحركت الإلكترونات عبر الجزء الخارجي من الدائرة. تتكون البطارية من عدد من . تتكون كل خلية من نصفيتين متصلتين في سلسلة بواسطة موصل يحتوي على كاتيونات معدنية. تشتمل نصف الخلية على إلكتروليت وقطب سالب، وهو القطب الذي تهاجر إليه (أيونات سالبة الشحنة)؛ تشتمل نصف الخلية الأخرى على الإلكتروليت والقطب الموجب، حيث تهاجر إليها ( موجبة الشحنة). تُقلَّل الكاتيونات (تُضاف الإلكترونات) عند المهبط، بينما تتأكسد ذرات المعدن (تُزال الإلكترونات) عند القطب الموجب. تستخدم بعض الخلايا إلكتروليتات مختلفة لكل نصف خلية؛ ثم يُستخدم فاصل لمنع اختلاط الإلكتروليت مع السماح للأيونات بالتدفق بين أنصاف الخلايا لإكمال الدائرة الكهربائية. كل نصف خلية لها (emf، تقاس بالفولت) بالنسبة . صافي emf للخلية هو الفرق بين emfs لخلايا نصفها. وهكذا، إذا كانت الأقطاب الكهربائية لديها emfs و ، ثم صافي emf هو ؛ وبعبارة أخرى، فإن صافي emf هو الفرق بين . القوة الدافعة الكهربائية أو يُعرف عبر أطراف الخلية بالجهد الطرفي (الفرق) ويقاس . يُطلق على الجهد الطرفي لخلية لا تشحن ولا تفريغ ويساوي emf للخلية. بسبب المقاومة الداخلية، الجهد الطرفي للخلية التي تُفرَّغ يكون أصغر في الحجم من جهد الدائرة المفتوحة والجهد النهائي للخلية التي تُشحَن يتجاوز جهد الدائرة المفتوحة. تتمتع الخلية المثالية بمقاومة داخلية ضئيلة، لذا فهي تحافظ على جهد طرفي ثابت حتى ينفد، ثم ينخفض إلى الصفر. إذا حافظت هذه الخلية على 1.5 فولت وأنتجت شحنة مقدارها واحد، فعند التفريغ الكامل، كانت ستؤدي 1.5 من العمل. في الخلايا الفعلية، تزداد المقاومة الداخلية تحت التفريغ وينخفض جهد الدائرة المفتوحة أيضًا تحت التفريغ. إذا تم رسم الجهد والمقاومة مقابل الوقت، فعادة ما تكون الرسوم البيانية الناتجة منحنى؛ يختلف شكل المنحنى وفقًا للكيمياء والترتيب الداخلي المستخدم. يعتمد المتطور عبر أطراف الخلية على إطلاق الطاقة للتفاعلات الكيميائية للأقطاب الكهربائية والإلكتروليت. تمتلك الخلايا كيميائية مختلفة، ولكن تقريبًا نفس emf البالغ 1.5 فولت؛ وبالمثل، فإن خلايا لها كيميائية مختلفة، ولكن القوة الدافعة الكهربائية نفسها تقريبًا البالغ 1.2 فولت. التغييرات المحتملة الكهركيميائية عالية في ردود الفعل من المركبات تعطي خلايا الليثيوم emfs من 3 فولت أو أكثر. . تُصنَّف البطاريات إلى أشكال أولية وثانوية: • صُممت البطاريات الأولية لاستخدامها حتى نفاد الطاقة ثم التخلص منها. لا يمكن عكس تفاعلاتها الكيميائية عمومًا، لذا لا يمكن إعادة شحنها. عندما تُستنفَد إمدادات المواد المتفاعلة في البطارية، تتوقف البطارية عن إنتاج التيار وتكون عديمة الفائدة. • يمكن إعادة شحن البطاريات الثانوية ؛ أي أنه يمكن عكس تفاعلاتها الكيميائية عن طريق تطبيق على الخلية. يؤدي ذلك إلى تجديد المواد الكيميائية المتفاعلة الأصلية، بحيث يمكن استخدامها وإعادة شحنها واستخدامها مرة أخرى عدة مرات. استعيدت بعض أنواع البطاريات الأولية المستخدمة، على سبيل المثال، لدوائر ، للعمل عن طريق استبدال الأقطاب الكهربائية. البطاريات الثانوية غير قابلة لإعادة الشحن إلى أجل غير مسمى بسبب تشتت المواد النشطة وفقدان الإلكتروليت والتآكل الداخلي. يمكن أن تنتج البطاريات أو تيارًا فور التجميع. تُستخدم استخداماً شائعاً في الأجهزة المحمولة ذات استنزاف تيار منخفض، أو تُستخدم استخداماً متقطعاً فقط، أو تُستخدم بعيدًا عن مصدر طاقة بديل، كما هو الحال في دوائر الإنذار والاتصالات حيث لا تتوفر الطاقة الكهربائية الأخرى إلا بشكل متقطع. لا يمكن إعادة شحن الخلايا الأولية التي يمكن التخلص منها بشكل موثوق، نظرًا لأن التفاعلات الكيميائية لا يمكن عكسها بسهولة وقد لا تعود المواد الفعالة إلى أشكالها الأصلية. يوصي مصنعو البطاريات بعدم محاولة إعادة شحن الخلايا الأولية. عمومًا، تتمتع هذه البطاريات أعلى من البطاريات القابلة لإعادة الشحن، ولكن البطاريات التي تستخدم لمرة واحدة لا تعمل جيدًا في التطبيقات عالية الاستنزاف مع أقل من 75 (75). تشمل الأنواع الشائعة للبطاريات التي تستخدم لمرة واحدة بطاريات . يجب شحن البطاريات الثانوية، المعروفة أيضًا باسم الخلايا الثانوية، أو البطاريات القابلة لإعادة الشحن، قبل الاستخدام الأول؛ عادة ما تُجمَّع بمواد فعالة في حالة التفريغ. يُعاد شحن البطاريات القابلة لإعادة الشحن عن طريق تطبيق تيار كهربائي، مما يعكس التفاعلات الكيميائية التي تحدث أثناء التفريغ / الاستخدام. تسمى الأجهزة التي توفر التيار المناسب أجهزة الشحن. أقدم شكل من أشكال البطاريات القابلة لإعادة الشحن هو بطارية ، والتي تستخدم على نطاق واسع في تطبيقات . تحتوي هذه التقنية على سائل إلكتروليت في حاوية غير محكمة الإغلاق، مما يتطلب إبقاء البطارية في وضع مستقيم وأن تكون المنطقة جيدة التهوية لضمان التوزيع الآمن لغاز الذي ينتج أثناء الشحن الزائد. تعتبر بطارية الرصاص الحمضية ثقيلة نسبيًا بالنسبة لكمية الطاقة الكهربائية التي يمكنها توفيرها. إن تكلفة التصنيع المنخفضة ومستويات الارتفاع الحالية العالية تجعلها شائعة حيث تكون سعتها (أكثر من 10 آه تقريبًا) أكثر أهمية من مشكلات الوزن والمعالجة. أحد التطبيقات الشائعة هو الحديثة، والتي يمكنها عمومًا توفير تيار ذروة يبلغ 450 . تحظى مختوم ( VRLA) بشعبية في صناعة السيارات كبديل للخلية الرطبة الحمضية والرصاصية. تستخدم بطارية VRLA إلكتروليت ثابتًا، مما يقلل من فرصة التسرب ويطيل . تعمل بطاريات VRLA على تجميد الإلكتروليت. النوعان هما: • (أو «خلية هلامية») إلكتروليت شبه صلب.• تمتص البطاريات (AGM) المنحل بالكهرباء في حصير من الألياف الزجاجية خاص.تشتمل البطاريات القابلة لإعادة الشحن المحمولة الأخرى على عدة أنواع من «الخلايا الجافة» محكمة الغلق، والتي تفيد في التطبيقات مثل الهواتف المحمولة . تشمل الخلايا من هذا النوع (بترتيب زيادة والتكلفة) خلايا (NiCd) والنيكل والزنك (NiZn) (NiMH) وخلايا أيون (Li-ion). تتمتع Li-ion بأعلى حصة من سوق الخلايا الجافة القابلة لإعادة الشحن. لقد حلت NiMH محل NiCd في معظم التطبيقات نظرًا لقدرتها العالية، لكن NiCd لا يزال قيد الاستخدام في . في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، تضمنت التطورات بطاريات مزودة بإلكترونيات مدمج. تتكون خلايا البطارية من ثلاثة مكونات رئيسية: الأنود والكاثود والكهارل. يطلق الأنود الإلكترونات، ويخضع الكاثود للاختزال