قصة اختراع البطارية

قامت البطاريات بتوفير مصدرًا متنقلًا للطاقة يجعل العديد من وسائل الراحة الحديثة ممكنة، إنّ المفهوم الأساسي الذي تعمل به يظل كما هو، عند القيام بوصل جهاز ما بالبطارية، يؤدي لحدوث تفاعل ويولد ذلك طاقة كهربائية، يُعرف هذا بالتفاعل الكهروكيميائي، اكتشف الفيزيائي الإيطالي الكونت أليساندرو فولتا هذه العملية لأول مرة في عام 1799، عندما ابتكر بطارية بسيطة من ألواح معدنية وورق مقوى، منذ ذلك الحين قام العلماء بتحسين التصميم الأصلي لفولتا بشكل كبير لإنشاء بطاريات مصنوعة من مجموعة متنوعة من المواد التي تأتي بأحجام متعددة.

تعتبر البطاريات مصدرًا شائعًا للطاقة في عصرنا الحالي، نحن نستخدم البطاريات لتشغيل سياراتنا، وتشغيل أجهزة الكمبيوتر المحمولة الخاصة بنا، ونقوم بالتحدث على هواتفنا المحمولة لساعات، وحتى لدفع بعض سياراتنا الكهربائية لأميال وأميال بشحنة واحدة، يمكن أن تتراوح أحجامها من أحجام أصغر من ممحاة القلم الرصاص إلى 2000 متر مربع، تمتلك أكبر بطارية في العالم القدرة على تشغيل مدينة فيربانكس بأكملها، ألاسكا وهي مدينة يبلغ عدد سكانها حوالي 12000 شخص، لمدة تصل إلى سبع دقائق في حالة الطوارئ.

ما هي قصة اختراع البطارية؟

كانت البطاريات موجودة لفترة بعيدة جدًا، في عام 1938 اكتشف عالم الآثار ويلهلم كونيج بعض الأواني الفخارية الغريبة أثناء الحفر في خوجوت ربو، (خارج بغداد الحالية)، واكتشف جرار يبلغ طولها حوالي 5 بوصات (12.7سم)، كانت تحتوي على قضيب حديدي مغطى بالنحاس ويعود تاريخه إلى حوالي 200 قبل الميلاد أشارت الاختبارات إلى أنّ الأوعية كانت مليئة بمادة حمضية مثل الخل أو النبيذ، مما دفع كونيج للاعتقاد بأنّ هذه الأوعية كانت بطاريات قديمة، منذ هذا الاكتشاف أنتج العلماء نسخًا طبق الأصل من الأواني القادرة في الواقع على إنتاج شحنة كهربائية.

ربما تم استخدام “بطاريات بغداد” في الشعائر الدينية أو الأغراض الطبية أو حتى الطلاء الكهربائي، في عام 1799 ابتكر الفيزيائي الإيطالي أليساندرو فولتا، أول بطارية عن طريق تكديس طبقات متناوبة من الزنك واللوح أو القماش المنقوع بالمحلول الملحي والفضة، لم يكن هذا الترتيب المسمّى كومة فولتية، يعتبر الجهاز الأول لتوليد الكهرباء، وكان أول جهاز يصدر تيارًا ثابتًا ودائمًا، ومع ذلك كانت هناك بعض العيوب في اختراع فولتا، كان الارتفاع الذي يمكن عنده تكديس الطبقات محدودًا لأنّ وزن الكومة سيضغط المحلول الملحي خارج لوح اللصق أو القماش.

التطور في صناعة البطاريات

تميل الأقراص المعدنية أيضًا إلى التآكل بسرعة، مما يقصر من عمر البطارية، على الرغم من أوجه القصور هذه، فإنّ وحدة (SI) للقوة الدافعة الكهربائية تسمّى الآن فولت تكريماً لإنجاز فولتا، جاء الاختراع التالي في تكنولوجيا البطاريات في عام 1836 عندما اخترع الكيميائي الإنجليزي جون فريدريك دانييل خلية دانييل، في هذه البطارية المبكرة، تم وضع صفيحة نحاسية في قاع وعاء زجاجي وصب محلول كبريتات النحاس على اللوح لملء نصف الجرة، ثم تم تعليق صفيحة الزنك في الجرة، وثم أضيف محلول كبريتات الزنك، نظرًا لأّن كبريتات النحاس أكثر كثافة من كبريتات الزنك، فإنّ محلول الزنك يطفو إلى أعلى محلول النحاس ويحيط بلوحة الزنك.

يمثل السلك المتصل بلوحة الزنك الطرف السالب، بينما يمثل السلك المتصل بلوحة الزنك الطرف الموجب، من الواضح أنّ هذا الترتيب لن يعمل بشكل جيد في مصباح يدوي، ولكن بالنسبة للتطبيقات الثابتة، كان يعمل بشكل جيد، في الواقع، كانت خلية دانييل طريقة شائعة لتشغيل أجراس الأبواب والهواتف قبل إتقان التوليد الكهربائي، بحلول عام 1898، أصبحت خلية كولومبيا الجافة أول بطارية متوفرة تجاريًا تُباع في الولايات المتحدة، وأصبحت الشركة المصنعة (National Carbon Company)، فيما بعد شركة (Eveready Battery)، التي تنتج علامة (Energizer) التجارية.

متى تم اختراع أول بطارية؟

يمكن تتبع بعض الأنواع البدائية الأولى من البطاريات وصولاً إلى البارثيين حوالي 250 قبل الميلاد، عندما كانوا يعيشون في منطقة بغداد الحديثة صنع البارثيون جرة من الطين، وملأوها بالخل، ثم وضعوا أسطوانة نحاسية بداخلها بقضيب حديدي يخرج من الأعلى، تم استخدام هذا النوع المبكر من البطاريات في طلاء الفضة بالكهرباء، ولكن لم يبدأ العلماء حتى أواخر القرن الثامن عشر في إجراء تجارب أكثر جدية على الكهرباء وتخزينها.

تم إجراء تجارب لتخزين الكهرباء أو إنتاجها، لكن لم يكن أي منها قادرًا على توليد تيار كهربائي مستمر يمكن التحكم فيه، هذا لم يحدث حتى جاء الفيزيائي الإيطالي أليساندرو فولتا في عام 1800، ابتكر فولتا أول بطارية في العصر الحديث عندما بنى ما أصبح يعرف باسم الكومة الفولتية الخاصة به، تتكون الكومة من صفائح الزنك والنحاس مع قطع من الجلد مبللة بالخل أو محلول ملحي أو لوح لصق بين كل طبق.

تم بعد ذلك تكديس الألواح بترتيب متناوب واحدة فوق الأخرى مع اللوحة السفلية وتعمل اللوحة العلوية كمحطات موجبة وسالبة، بدت الكومة وكأنّها كومة من العملات المعدنية وخلقت تدفقًا ثابتًا للكهرباء كان أقل حدة من المحاولات السابقة وسمحت للعلماء باستخدام الكهرباء بطرق خاضعة للرقابة، بعد عام من تقديم فولتا لأول مرة كومة الفولتية الخاصة به، قدم اختراعه إلى المعهد الوطني الفرنسي، حيث كان نابليون بونابرت حاضراً، وتكريمًا لاختراع فولتا، تم استخدام اسمه كوحدة قياس الحركة الكهربائية المعروفة باسم فولت.

المكونات الداخلية للبطارية

عند النظر على أي بطارية، سنلاحظ أنّ بها طرفين، أحد الطرفين مميز بعلامة (+)، أو موجب، بينما الآخر مميز بعلامة (-)، أو سالب، في بطاريات المصباح العادي، مثل خلية AA أو C أو D، توجد الأطراف في النهايات، على بطارية 9 فولت أو بطارية السيارة، توجد المحطات بجوار بعضها البعض في الجزء العلوي من الوحدة، إذا قمنا بتوصيل سلك بين الطرفين، فسوف تتدفق الإلكترونات من الطرف السالب إلى الطرف الموجب بأسرع ما يمكن.

سيؤدي ذلك إلى استنفاد البطارية بسرعة ويمكن أن يكون أيضًا خطيرًا، خاصةً على البطاريات الكبيرة، لتسخير الشحنة الكهربائية التي تنتجها البطارية بشكل صحيح، يجب عليك توصيلها بحمولة، قد يكون الحمل شيئًا مثل المصباح كهربائي أو محرك أو دائرة إلكترونية مثل الراديو، عادةً ما يتم وضع الأعمال الداخلية للبطارية داخل علبة معدنية أو بلاستيكية، يوجد داخل هذه الحالة الكاثود، الذي يتصل بالطرف الموجب، والأنود الذي يتصل بالطرف السالب.

لتشغل هذه المكونات المعروفة عمومًا باسم الأقطاب الكهربائية، معظم المساحة في البطارية وهي المكان الذي تحدث فيه التفاعلات الكيميائية، ينشئ الفاصل حاجزًا بين القطب السالب والأنود، مما يمنع لمس الأقطاب الكهربائية مع السماح للشحنة الكهربائية بالتدفق بحرية بينهما، يُعرف الوسيط الذي يسمح للشحنة الكهربائية بالتدفق بين الكاثود والأنود باسم الإلكتروليت، أخيرًا يقوم المجمع بتوصيل الشحن إلى خارج البطارية ومن خلال الحمل.

البطاريات القابلة للشحن

مع زيادة الأجهزة المحمولة مثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف المحمولة ومشغلات (MP3) وأدوات الطاقة اللاسلكية، نمت الحاجة إلى البطاريات القابلة لإعادة الشحن بشكل كبير في السنوات الأخيرة، كانت البطاريات القابلة لإعادة الشحن موجودة منذ عام 1859، عندما اخترع الفيزيائي الفرنسي جاستون بلانت خلية حمض الرصاص، باستخدام أنود الرصاص، وكاثود ثنائي أكسيد الرصاص، وإلكتروليت حامض الكبريتيك، كانت بطارية (Plante) مقدمة لبطارية السيارة الحديثة، البطاريات غير القابلة لإعادة الشحن، أو الخلايا الأولية، والبطاريات القابلة لإعادة الشحن، أو الخلايا الثانوية.

تلك البطاريات التي تم ذكرها أعلاه، تقوم بإنتاج تيارًا بنفس الطريقة تمامًا: من خلال تفاعل كهروكيميائي يتضمن أنودًا وكاثودًا وإلكتروليت، ومع ذلك في بطارية قابلة لإعادة الشحن، يكون التفاعل قابلاً للعكس، عندما يتم تطبيق الطاقة الكهربائية من مصدر خارجي على خلية ثانوية، يتم عكس تدفق الإلكترون السالب إلى الموجب الذي يحدث أثناء التفريغ، ويتم استعادة شحنة الخلية، البطاريات القابلة لإعادة الشحن الأكثر شيوعًا في السوق، اليوم هي عبارة عن بطاريات الليثيوم أيون (LiOn)، على الرغم من أنّ بطاريات هيدريد معدن النيكل (NiMH) وبطاريات النيكل والكادميوم (NiCd) كانت أيضًا منتشرة جدًا.

عندما يتعلق الأمر بالبطاريات القابلة لإعادة الشحن، فليست كل البطاريات متساوية، كانت بطاريات (NiCd) من بين الخلايا الثانوية الأولى المتاحة على نطاق واسع، لكنها عانت من مشكلة غير مريحة تُعرف باسم تأثير الذاكرة، في الأساس، إذا لم يتم تفريغ هذه البطاريات بالكامل في كل مرة يتم استخدامها، فإنّها ستفقد سعتها بسرعة، تم التخلص من بطاريات (NiCd)، إلى حد كبير لصالح بطاريات (NiMH)، تتميز هذه الخلايا الثانوية بسعة أعلى ولا تتأثر إلا بشكل ضئيل بتأثير الذاكرة، ولكنها لا تتمتع بفترة صلاحية جيدة جدًا، مثل بطاريات NiMH ، تتمتع بطاريات (LiOn) بعمر طويل، لكنها تحمل شحنًا أفضل، وتعمل بجهد أعلى.

تستفيد جميع التقنيات المحمولة عالية الجودة المصنعة هذه الأيام من هذه التكنولوجيا، ومع ذلك فإنّ بطاريات (LiOn)، غير متوفرة حاليًا بأحجام قياسية مثل (AAA أو AA أو C أو D)، وهي أغلى بكثير من نظيراتها الأقدم، مع بطاريات (NiCd وNiMH)، قد يكون الشحن أمرًا صعبًا، يجب أن تكون حريصًا على عدم زيادة شحنها، لأنّ هذا قد يؤدي إلى انخفاض السعة، تحتوي بطاريات (LiOn) على شواحن متطورة تمنع الشحن الزائد ولا تحتاج أبدًا إلى التجديد، من الأسف أنّ البطاريات القابلة لإعادة الشحن ستموت في النهاية، على الرغم من أنّ الأمر قد يستغرق مئات الشحنات قبل حدوث ذلك.