أنواع البطاريات وتطبيقات عليها

البطاريات الأساسية – Primary Batteries:

البطاريّات الأساسيّة: هي بطاريّات لا يمكن إعادة شحنها بمجرد نفادها. البطاريّات الأساسيّة مصنوعة من خلايا كهروكيميائية لا يمكن عكس تفاعلها الكهروكيميائي.

توجد البطاريّات الأساسيّة بأشكال مختلفة تتراوح من الخلايا المعدنيّة إلى بطاريّات AA. يتم استخدامها بشكل شائع في التطبيقات المستقلة حيث يكون الشّحن غير عملي أو مستحيل. وخير مثال على ذلك في الأجهزة العسكريّة والمعدّات التي تعمل بالبطاريّات. سيكون من غير العملي استخدام البطاريات القابلة لإعادة الشّحن لأنّ إعادة شحن البطاريّة ستكون آخر ما يدور في أذهان الجنود. تحتوي البطاريّات الأساسية دائمًا على طاقة محددة عالية، كما أنّ الأنظمة التي يتم استخدامها فيها مصممة دائمًا لاستهلاك كميّة منخفضة من الطّاقة لتمكين البطاريّة من الاستمرار لأطول فترة ممكنة.

تتضمّن بعض الأمثلة الأخرى للأجهزة التي تستخدم البطاريّات الأساسية؛ أجهزة السرعة وأجهزة تعقب الحيوانات وساعات اليد وأجهزة التحكم عن بعد وألعاب الأطفال على سبيل المثال لا الحصر.

أشهر أنواع البطاريّات الأساسية هي البطاريّات القلويّة التي لديها طاقة نوعيّة عاليّة وصديقة للبيئة، وفعّالة من حيث التكلفة ولا تسرّب حتى عند تفريغها بالكامل. يمكن تخزينها لعدة سنوات، ولديها سجل سلامة جيد ويمكن حملها على متن طائرة دون الخضوع لقواعد النقل التابعة للأمم المتحدة وغيرها من اللوائح. الجانب السّلبي الوحيد للبطاريّات القلويّة هو تيّار الحمل المنخفض، ممّا يحد من استخدامه للأجهزة ذات المتطلّبات الحاليّة المنخفضة مثل أجهزة التحكم عن بعد والمصابيح وأجهزة الترفيه المحمولة.

البطاريات الثانوية – Secondary Batteries:

البطاريّات الثانويّة: هي بطاريّات بها خلايا كهروكيميائية يمكن عكس تفاعلاتها الكيميائية عن طريق تطبيق جهد معين على البطاريّة في الاتجاه المعاكس. يشار إليها أيضًا باسم البطاريّات القابلة لإعادة الشحن، ويمكن إعادة شحن الخلايا الثانويّة بخلاف الخلايا الأوليّة بعد استخدام الطّاقة الموجودة على البطاريّة.

يتم استخدامها عادةً في التّطبيقات عاليّة الاستنزاف للطاقة والسيناريوهات الأخرى حيث يكون استخدام بطاريّات أحاديّة الشّحن إمّا باهظ التكلفة أو غيرعملي. تُستخدم البطاريّات الثانويّة ذات السّعة الصغيرة لتشغيل الأجهزة الإلكترونيّة المحمولة مثل الهواتف المحمولة وغيرها من الأدوات والأجهزة بينما تُستخدم البطاريات شديدة التحمل في تشغيل المركبات الكهربائيّة المتنوعة وغيرها من التّطبيقات عالية الاستنزاف للطاقة مثل تسويّة الحمل في توليد الكهرباء. كما أنها تستخدم كمصادر طاقة قائمة بذاتها إلى جانب محولات لتزويد الكهرباء. على الرغم من أنّ التكلفة الأوليّة لاقتناء البطاريّات القابلة لإعادة الشّحن دائمًا ما تكون أعلى كثيرًا من تكلفة البطاريّات الأساسيّة إلّا أنّها الأكثر فعاليّة من حيث التكلفة على المدى الطويل.

يمكن تصنيف البطاريّات الثانوية إلى عدة أنواع أخرى بناءً على كيميائيتها، لأنّ الكيمياء تحدد بعض سمات البطاريّة بما في ذلك الطّاقة المحدّدة ودورة الحياة وعمر التخزين والسّعر على سبيل المثال لا الحصر.

أنواع البطاريات الثانوية (القابلة لإعادة الشحن):

بطاريات النيكل والكادميوم – Nickel-Cadmium Batteries:

بطاريّة النيكل والكادميوم (بطارية NiCd أو بطارية NiCad): هي نوع من البطاريّات القابلة لإعادة الشّحن التي تمّ تطويرها باستخدام هيدروكسيد النّيكل والكادميوم المعدني كأقطاب كهربائيّة. تتفوق بطاريّات (Ni-Cd) في الحفاظ على الجهد الكهربائي وحمل الشّحن عند عدم استخدامها. ومع ذلك تقع بطاريات (Ni-Cd) بسهولة ضحيّة لتأثير “الذّاكرة التخزينية” المخيف عند إعادة شحن بطاريّة مشحونة جزئيًا، ممّا يقلّل من السّعة المستقبليّة للبطاريّة.

بالمقارنة مع الأنواع الأخرى من الخلايا القابلة لإعادة الشّحن، تُوفر بطاريّات (Ni-Cd) دورة حياة جيدة وأداءً جيدًا في درجات حرارة منخفضة بسعة معقولة، ولكن الميزة الأكثر أهميّة لها هي قدرتها على تقديم سعتها الكاملة المقدّرة بمعدلات تفريغ عالية. وهي متوفرة بأحجام مختلفة بما في ذلك الأحجام المستخدمة للبطاريّات القلويّة، وتستخدم خلايا AAA إلى D. يتم استخدام خلايا (Ni-Cd) بشكل فردي أو مجمعة في عبوات مكونة من خليتين أو أكثر. تُستخدم العبوات الصغيرة في الأجهزة المحمولة والإلكترونيات والألعاب بينما تجد الأكبر منها تطبيقًا في بطاريّات بدء تشغيل الطائرات والمركبات الكهربائيّة وإمدادات الطّاقة الإحتياطيّة.

بعض خصائص بطاريات النيكل والكادميوم:

• الطّاقة النّوعية: Specific Energy: 40-60W-h/kg.
  
• كثافة الطّاقة: Energy Density: 50-150 W-h/L.
  
• القدرة النوعية: Specific Power: 150W/kg.
  
• كفاءة الشّحن / التفّريغ: Charge/discharge efficiency: 70-90%.
  
• معدل التفّريغ الذاتي: Self-discharge rate: 10%/month.
  
• متانة الدورة / العمر الإفتراضي: Cycle durability/life: 2000cycles.
  

بطاريات هيدريد معدن النيكل – Nickel-metal hydride batteries:

هيدريد معدن النيكل (Ni-MH): هو نوع آخر من التكوين الكيميائي المستخدم للبطاريّات القابلة لإعادة الشّحن. يشبه التفاعل الكيميائي عند القطب الموجب للبطاريّات تفاعل خليّة النيكل والكادميوم (NiCd)، حيث يستخدم كلا النّوعين من البطاريّات نفس هيدروكسيد أكسيد النيكل (NiOOH) ومع ذلك فإنّ الأقطاب الكهربائية السالبة في هيدريد معدن النيكل تستخدم سبيكة ماصة للهيدروجين بدلاً من الكادميوم المستخدم في بطاريات NiCd.

تجد بطاريّات (NiMH) تطبيقًا في الأجهزة عاليّة الاستنزاف نظرًا لقدرتها العالية وكثافة طاقتها، يمكن لبطاريّة (NiMH) أن تمتلك ضعفين إلى ثلاثة أضعاف سعة بطاريّة (NiCd) من نفس الحجم، ويمكن أن تقترب كثافة طاقتها من بطاريّة ليثيوم أيون. على عكس كيمياء (NiCd) فإنّ البطاريّات التي تعتمد على كيمياء (NiCd) ليست عرضه لتأثير “الذاكرة” الذي تختبره (NiCads).

خصائص البطاريّات بناءً على كيمياء هيدريد معدن النيكل:

• الطّاقة النوعيّة: Specific Energy: 60-120h/kg.
  
• كثافة الطّاقة: Energy Density: 140-300 Wh/L.
  
• القدرة النوعيّة: Specific Power: 250 – 1000 W/kg.
  
• كفاءة الشّحن / التفريغ: Charge / discharge efficiency: 66% – 92%.
  
• معدل التفريغ الذّاتي: Self-discharge rate: 1.3 – 2.9% / month at 20^oC.
  
• متانة الدورة / العمر الافتراضي: Cycle Durability / life: 180 – 2000.
  

بطاريات الليثيوم أيون – Lithium-ion batteries:

تعد بطاريّات الليثيوم أيون من أشهر أنواع البطاريّات القابلة لإعادة الشّحن. توجد في الأجهزة المحمولة المختلفة بما في ذلك الهواتف المحمولة والأجهزة الذكية والعديد من أجهزة البطاريّة الأخرى المستخدمة في المنزل. وتوجد أيضًا في تطبيقات الفضاء والتطبيقات العسكرية بسبب طبيعتها خفيفة الوزن.

بطاريات الليثيوم أيون هي نوع من البطاريات القابلة لإعادة الشّحن حيث تهاجر أيونات الليثيوم من القطب السالب إلى القطب الموجب أثناء التفريغ وتهاجر مرة أخرى إلى القطب السالب عند شحن البطاريّة. تستخدم بطاريّات (Li-ion) مركبات الليثيوم كمواد قطب كهربائي واحد، مقارنةً بالليثيوم المعدني المستخدم في بطاريّات الليثيوم غير القابلة لإعادة الشّحن.

تمتلك بطاريّات ليثيوم أيون عمومًا كثافة طاقة عالية، وتأثير ذاكرة ضئيل أو معدوم، وتفريغ ذاتي منخفض مقارنة بأنواع البطاريّات الأخرى. تختلف كيميائياً جنبًا إلى جنب مع الأداء والتكلفة عبر حالات الاستخدام المختلفة، على سبيل المثال عادةً ما تعتمد بطاريّات (Li-ion) المستخدمة في الأجهزة الإلكترونية المحمولة على أكسيد الكوبالت الليثيوم (LiCoO2) الذي يوفر كثافة طاقة عالية ومخاطر منخفضة عند تلفها بينما تعتمد بطاريّات (Li-ion) على فوسفات الحديد الليثيوم التي توفر كثافة طاقة أقل، فهي أكثر أمانًا نظرًا لتقليل احتمالية حدوث أحداث مؤسفة وتستخدم على نطاق واسع في تشغيل الأدوات الكهربائيّة والمعدات الطبيّة. تقدم بطاريات الليثيوم أيون أفضل أداء بالنسبة للوزن مع بطاريّة الليثيوم الكبريتيّة التي تقدم أعلى نسبة.

بعض خصائص بطاريات الليثيوم أيون:

• الطاقة النوعية: Specific Energy: 100: 265W-h/kg.
  
• كثافة الطاقة: Energy Density: 250: 693 W-h/L.
  
• القدرة النوعية: Specific Power: 250: 340 W/kg.
  
• نسبة الشحن / التفريغ: Charge/discharge percentage: 80-90%.
  
• متانة الدورة: Cycle Durability: 400: 1200 cycles.
  
• جهد الخلية : Nominal cell voltage: NMC 3.6/3.85V.
  

بطاريات الرصاص الحمضية:

بطاريات الرّصاص الحمضيّة لها قدرة منخفضة التكلفة موثوقة تستخدم في التطبيقات الشّاقة. عادةً ما تكون كبيرة جدًا وبسبب وزنها، يتم استخدامها دائمًا في التطّبيقات غير المحمولة مثل تخزين طاقة الألواح الشّمسية وإشعال السّيارة والأضواء والطّاقة الإحتياطية وتسوية الحمل في توليد / توزيع الطاقة. يعد حمض الرّصاص أقدم نوع من البطّاريّات القابلة لإعادة الشّحن ولا يزال وثيق الصلة ومهم للغاية في عالم اليوم.
تحتوي بطّاريّات الرّصاص الحمضية على طاقة منخفضة جدًا من حيث الحجم ونسبة الطّاقة إلى الوزن ولكنها تتمتع بنسبة كبيرة نسبيًا من الطّاقة إلى الوزن، ونتيجة لذلك يمكنها توفير تيّارات تصاعد هائلة عند الحاجة. هذه السّمات إلى جانب تكلفتها المنخفضة تجعل هذه البطاريّات جذابة للاستخدام في العديد من التطبيقات الحاليّة العالية مثل تشغيل محركات تشغيل السّيارات والتّخزين في مصادر الطّاقة الاحتياطيّة.

كيف يتم اختيار البطارية المناسبة؟

إحدى المشاكل الرئيسيّة التي تعيق الثّورات التكنولوجيّة مثلاً استخدامات الإنترنت هي الطاقة، ويؤثر عمر البطاريّة على البيع الناجح للأجهزة التي تتطلب عمرًا طويلاً للبطاريّة، وعلى الرغم من اعتماد العديد من تقنيات إدارة الطّاقة لجعل البطارية تدوم لفترة أطول فلا يزال يتعيّن اختيار بطاريّة متوافقة لتحقيق النّتيجة المرجوّة.

العوامل التي يجب مراعاتها عند اختيار نوع البطارية المناسب:

1. كثافة الطّاقة: هي إجمالي كمية الطّاقة التي يمكن تخزينها لكل وحدة كتلة أو حجم. يحدد هذا المدة التي يظل جهازك قيد التشغيل قبل أن يحتاج إلى إعادة الشّحن.
   
2. معدل تفريغ الطّاقة: أقصى معدل لتفريغ الطّاقة لكل وحدة كتلة أو حجم. فمثلاً الطاقة المنخفضة في الكمبيوتر المحمول (i-pod) أو القوة العاليّة في الأدوات الكهربائيّة.
   
3. الأمان: من المهم مراعاة درجة الحرارة التي سيعمل بها الجهاز الذي تقوم ببنائه، في درجات الحرارة المرتفعة تتعطل بعض مكونات البطّاريّة ويمكن أن تخضع لتفاعلات طاردة للحرارة. تقلل درجات الحرارة المرتفعة بشكل عام من أداء معظم البطاريّات.
   
4. عمر البطاريّة: هناك حاجة إلى استقرار كثافة الطاقة وكثافة الطاقة للبطارية مع الدورات المتكررة (الشّحن والتفريغ) من أجل عمرالبطّاريّة الطويل الذي تتطلبه معظم التطبيقات.
   
5. التّكلفة: تعتبر التكلفة جزء مهم من أي قرارات هندسيّة ستتخذها، من المهم أن تتناسب تكلفة اختيار البطاريّة مع أدائها ولن تزيد التّكلفة الإجمالية للمشروع بشكل غير طبيعي.