كيفية تصنيع البطاريات

كانت تجربة بنجامين فرانكلين الشهيرة لاجتذاب الكهرباء من خلال تحليق طائرة ورقية في عاصفة ورعد من تجارب عديدة في أواخر القرن الثامن عشر وأوائل القرن التاسع عشر، وتم إجراؤها للتعرف على الكهرباء، صُنعت أول بطارية من خلال الإيطالي أليساندرو فولتا، تتكون الكومة الفولتية من الفضة والزنك تُفصل بجلد أو لوح لصق تم نقعه في ماء مالح أو محلول قلوي، تم توصيل شرائط معدنية بأكواب مليئة بالزئبق.

مواد أولية لصناعة البطاريات:

تستخدم جميع البطاريات إجراءات مماثلة لتوليد الكهرباء ومع ذلك، فإنّ الاختلافات في المواد والبناء أنتجت أنواع مختلفة من البطاريات بالمعنى الدقيق للكلمة، ما يسمى عادة بالبطارية هو في الواقع مجموعة من الخلايا المرتبطة، فيما يلي وصف مبسط لكيفية عمل البطارية، جزءان مهمان من أي خلية هما الأنود والكاثود.

الكاثود عبارة عن معدن يتم دمجه بالأكسجين بشكل طبيعي أو في المختبر، ويسمى هذا المزيج أكسيد الحديد (الصدأ) على الرغم من هشاشته لاستخدامه في البطارية، ربما يكون أكثر الأكسيد شيوعاً، بعض الأكاسيد الأخرى قوية بما يكفي للعمل واستخدامها في الخلية.

الأنودمعدن يمكن أن يتأكسد إذا سمح له بذلك وإذا تساوت الأشياء الأخرى، فمن المرجح أن يتأكسد أكثر من المعدن الذي يشكل جزء من الكاثود، تنتج الخلية الكهرباء عندما يتم وضع أحد طرفي القطب السالب وأحد طرفي الأنود في مادة ثالثة يمكنها توصيل الكهرباء، بينما يتم توصيل أطرافهما الأخرى، يسحب القطب الموجب ذرات الأكسجين تجاهه، مما ينتج عنه تدفق كهربائي.

المادة الثالثة التي يوضع فيها الأنود والكاثود تسمى بالكهرباء، في كثير من الحالات تكون هذه المادة عبارة عن تركيبة كيميائية لها خاصية كونها قلوية، وبالتالي فإنّ البطارية القلوية هي تلك التي تستخدم المنحل بالكهرباء القلوية، لن تنتج الخلية الكهرباء من تلقاء نفسها ما لم يتم وضعها في دائرة اكتملت بواسطة مفتاح بسيط، أو عن طريق بعض توصيلات التحويل الأخرى في الجهاز الذي يستخدم البطارية.

كيفية تصنيع البطاريات:

الكاثود:

في البطارية القلوية يتضاعف الكاثود بالفعل كجزء من الحاوية، يعد خلط المكونات المكونة الخطوة الأولى في تصنيع البطاريات، بعد التحبيب يتم بعد ذلك ضغط الخليط أو ضغطه في تشكيلات داخل أسطوانات مجوفة، المبدأ الذي ينطوي عليه الضغط بسيط؛ ينزل المثقاب الفولاذي إلى التجويف ويضغط الخليط، أثناء التراجع وترتفع لكمة من الأسفل لإخراج التشكيل المضغوط.

يتم إدخال التشكيلات التالية في علبة فولاذية مطلية بالنيكل، يمكن أن يشكل الجمع بين التشكيلات والصلب كاثود البطارية، في عملية كبيرة يتم تصنيع العلب في مصنع البطاريات باستخدام تقنيات القطع والتشكيل القياسية، يتم عمل مسافة بادئة بالقرب من أعلى العلبة، ويتم وضع مادة أسفلت أو مادة مانعة للتسرب من الإيبوكسي فوق الفجوة للحماية من التسرّب.

الفاصل:

يتم إدخال فاصل الورق المنقوع في محلول الإلكتروليت داخل العلبة مقابل التشكيلات، يتكون الفاصل من عدة قطع من الورق موضوعة على حبيبات متقاطعة مع بعضها البعض، بالنظر إلى العلبة المفتوحة يمكن للمرء أن يرى ما يشبه كوباً ورقياً يتم إدخاله في العلبة، يحافظ الفاصل على مادة الكاثود من التلامس مع مادة الأنود، قد تستخدم الشركة المصنعة ألياف صناعية مسامية للغرض نفسه.

الأنود:

يمكن أن يدخل الأنود في البطارية بعد ذلك، وهو عبارة عن هلام يتكون من مسحوق الزنك إلى جانب مواد أخرى بما في ذلك هيدروكسيد البوتاسيوم، يحتوي هذا الجل على قوام عجينة سميكة بدلاً من حل، حيث لا تستقر الجسيمات ولا يملأ الجل العلبة إلى الأعلى للسماح بمساحة للتفاعلات الكيميائية التي ستحدث بمجرد استخدام البطارية.

الأختام:

على الرغم من أنّ البطارية قادرة على إنتاج الكهرباء في هذه المرحلة، إلا أنّ الخلية المفتوحة ليست عملية وستستنفد إمكاناتها بسرعة، يجب إغلاق البطارية بثلاثة مكونات متصلة؛ الأول مسمار نحاسي أو مسمار طويل يتم إدخاله في منتصف العلبة، من خلال مادة الهلام ويعمل بمثابة جامع تيار، أما الثاني فهو عبارة عن ختم بلاستيك والثالث غطاء نهاية معدني.

الظفر الذي يمتد حوالي الثلثين هي حاوية البطارية القلوية النموذجية التي تتكون من التشكيل المُدرج في علبة فولاذية تتضاعف كذلك مثل الكاثود، الأنود في الوسط عبارة عن هلام يتكون أساساً من مسحوق الزنك، يكون الفاصل بين الأنود والكاثود ألياف اصطناعية تم نقعها في محلول إلكتروليت، في البطارية النهائية تمت إضافة ختم بلاستيكي ومسمار فولاذي وسطح معدني وأسفل، يتم لحام المسمار في الجزء السفلي المعدني ويمتد حوالي ثلثي الطريق إلى العلبة من خلال الأنود.

من الطريق إلى العلبة يتم لحامها بالغطاء المعدني ثم يتم تمريرها من خلال الختم البلاستيكي، يكون هذا الختم أرق بشكل ملحوظ في بعض الأماكن منه وكذلك في أماكن أخرى، بحيث إذا تراكم الكثير من الغاز في العلبة فسوف ينكسر الختم ولا يحدث أي شيء للبطارية، تستخدم بعض تصميمات البطاريات ثقب مليء بالشمع في البلاستيك، يدفع الغاز الذي يزيد عبر الشمع بدلاً من أن تتمزّق البطارية.

تلتقي مجموعة الختم مع المسافة البادئة المصنوعة في العلبة في بداية العملية ويتم تجعيدها في مكانها، يتم بعد ذلك إغلاق الطرف المقابل للعلبة وهو الطرف الموجب للبطارية، بلوحة فولاذية إما ملحومة في مكانها أو يتم لصقها بإسمنت من النوع الإيبوكسي الأصلي.

الملصق:

قبل أن تغادر البطارية المصنع تتم إضافة ملصق يقوم بتحديد أو يوضح نوع البطارية وحجمها ومعلومات أخرى خاصة بها، في الغالب يكون الملصق عبارة عن ورق يتم لصقه ببساطة على البطارية، لدى إحدى الشركات المصنعة الكبيرة تصميم ملصق مطبوع على غلاف بلاستيكي يتقلص، حيث يتم لف قطعة فضفاضة من البلاستيك الحساس للحرارة حول علبة البطارية ثم تتعرض لضربة حرارة تجعل البلاستيك يتقلص ليناسب بإحكام حول العلبة.

مراقبة الجودة:

نظراً لأن تقنية البطاريات ليست جديدة أو غريبة بشكل خاص، فإنّ مراقبة الجودة ونتائجها مهمة بشكل كبير وخاص كأساس لمنافسة العلامة التجارية، حيث إنّ قدرة البطارية على مقاومة التآكل، مع العمل بشكل جيد في ظل مجموعة متنوعة من الظروف.

أيضاً الحفاظ على فترة تخزين جيدة وعمر الاستخدام والكثير من العوامل الأخرى، هي النتائج المباشرة لمراقبة الجودة، يتم فحص البطاريات والمكونات واختبارها في جميع مراحل عملية الإنتاج تقريباً، وتخضع المجموعات المكتملة لاختبارات صارمة.

على الرغم من أن صنع البطاريات يمثل بعض العقبات البيئية، إلا أنه لا يمكن التغلب على أي منها، لا يسبب الزنك والمنغنيز وهما المادتان الكيميائيتان الرئيسيتان في البطاريات صعوبات بيئية وكلاهما يعتبر آمن من قبل إدارة الغذاء والدواء (FDA).