البطاريات - Batteries

ما هي البطارية؟

البطاريّة: هي مجموعة من خليّة واحدة أو أكثر تؤدي تفاعلاتها الكيميائيّة إلى إنشاء تدفق للإلكترونات في الدّائرة الكهربائية. تتكون جميع البطاريات من ثلاثة مكوّنات أساسيّة: الأنود (الجانب الموجب “+”)، والكاثود (الجانب السالب “-“)، ونوع من الإلكتروليت (مادة تتفاعل كيميائيًا مع القطب الموجب والكاثود).

عندما يتم توصيل القطب الموجب والكاثود للبطاريّة بدائرة كهربائية، يحدث تفاعل كيميائي بين الأنود والإلكتروليت. يؤدي هذا التفاعل إلى تدفق الإلكترونات عبرالدّائرة والعودة إلى الكاثود حيث يحدث تفاعل كيميائي آخر. عندما يتم استهلاك المادة الموجودة في القطب السالب أو الأنود أو أنه لم يعد من الممكن استخدامها في التفاعل، تصبح البطاريّة غير قادرة على إنتاج الكهرباء. في هذه المرحلة تكون البطارية “ميّتة”.

تُعرف البطاريّات التي يجب التخلص منها بعد الاستخدام بالبطاريّات الأساسيّة. البطاريّات التي يمكن إعادة شحنها تسمّى البطاريّات الثانوية. بدون البطاريّات، يجب أن تكون مروحتك الرباعيّة مربوطة بالحائط، وعليك أن تقوم بتدوير سيارتك، توفر البطاريّات طريقة لتخزين الطّاقة الكهربائيّة الكامنة في حاوية محمولة، غالبًا ما يُعزى اختراع البطاريّة الحديثة إلى “أليساندرو فولتا” لقد بدأ الأمر بالفعل بحادث مفاجئ.

مصطلح البطارية – Battery:

تاريخيًا تمّ استخدام كلمة “بطّاريّة” لوصف “سلسلة من الأشياء المتشابهة التّي تمّ تجميعها معًا لأداء وظيفة”، كما هو الحال في بطّاريّة المدفعيّة. في عام 1749 استخدم” بنجامين فرانكلين” هذا المصطلح لأوّل مرّة لوصف سلسلة من المكثفات التي ربطها معًا في تجاربه الكهربائيّة. في وقت لاحق استخدم المصطلح لأيّ خلايا كهروكيميائيّة مرتبطة ببعضها البعض لغرض توفير الطّاقة الكهربائيّة.

اختراع البطارية:

في عام 1780 قام الفيزيائي والطّبيب وعالم الأحياء والفيلسوف الإيطالي “لويجي جالفاني” بتشريح ضفدع مرتبط بخطّاف نحاسي. عندما لمس ساق الضّفدع بقطعة حديديّة، ارتعدت ساقه، افترض جالفاني أن الطّاقة تأتي من السّاق نفسها لكن زميله العالم ” أليساندرو فولتا” آمن بغير ذلك.

افترض “فولتا” أنّ نبضات ساق الضّفدع نتجت في الواقع عن معادن مختلفة غارقة في سائل. كرر التّجربة باستخدام قطعة قماش مبللة بمحلول ملحي بدلاً من جثّة الضّفدع، ممّا أدّى إلى جهد مماثل. نشر “فولتا” النّتائج التّي توصل إليها في عام (1791) وأنشأ لاحقًا أوّل بطّارية (الكومة الفولتية) في عام 1800.

أول بطارية قابلة للشحن:

في عام 1859، ابتكر الفيزيائي الفرنسي “جاستون بلانتي” بطّاريّة باستخدام لوحين ملفوفين من الرّصاص مغمورة بحمض الكبريتيك من خلال عكس التيّار الكهربائي عبر البطاريّة ستعود الكيمياء إلى حالتها الأصلية ممّا ينتج عنه أوّل بطّارية قابلة لإعادة الشّحن.

في وقت لاحق، في عام 1881 قام (Camille Alphonse Faure) بتحسين تصميم (Planté) من خلال تشكيل صفائح الرّصاص في لوحات. سهّل هذا التّصميم الجديد تصنيع البطّاريات، وشهدت بطاريّة الرّصاص الحمضية استخدامًا واسعًا في السّيارات.

الخلية أو البطارية الجافة – The Dry Cell:

حتّى أواخر القرن التّاسع عشر كان محلول الكهرباء في البطّاريّات في حالة سائلة، هذا جعل نقل البطاريّات مسعى دقيقًا للغاية، ولم يكن من المفترض أبدًا نقل معظم البطاريّات بمجرد توصيلها بالدّائرة. في عام 1866، أنشأ “جورج لوكلانشي” بطاريّة باستخدام أنود الز.نك وكاثود ثنائي أكسيد المنغنيز ومحلول كلوريد الأمونيوم للإلكتروليت. بينما كان الإلكتروليت في خلية “Leclanché” لا يزال سائلاً، وعندها أثبتت كيمياء البطّاريّة أنّها خطوة مهمة لاختراع الخليّة الجافة.

اكتشف” كارل جاسنر” كيفية صنع معجون إلكتروليت من كلوريد الأمونيوم وجبس باريس. وحصل على براءة اختراع لبطارية “الخلية الجافة” الجديدة في عام (1886) في ألمانيا. تمّ إنتاج هذه الخلايا الجافة الجديدة والتي يطلق عليها عادةً “بطّاريات الزّنك والكربون”، وأثبتت شعبيتها بشكل كبير حتى أواخر الخمسينيات من القرن الماضي، بينما لم يتم استخدام الكربون في التّفاعل الكيميائي مع أنه يؤدي دورًا مهمًا كموصل كهربائي في بطارية الزنك والكربون.

في الخمسينيّات من القرن الماضي، قام “لويس أوري” و”بول مارسال” و”كارل كورديش” من شركة يونيون كاربايد (التي عُرفت لاحقًا باسم “إيفريدي” ثم “إنرجايزر”) باستبدال إلكتروليت كلوريد الأمونيوم بمادة قلويّة، بناءً على كيمياء البطّاريّة التي صاغها “فالديمار جانجنر” في عام (1899). يمكن لبطاريات الخلايا القلويّة الجافة أن تستوعب طاقة أكبر من بطاريات كربون الزنك من نفس الحجم ولها عمر تخزين أطول.

ارتفعت شعبيّة البطاريات القلويّة في الستينيات، وتفوّقت على بطاريات الزنك والكربون، وأصبحت منذ ذلك الحين الخلية الأساسية القياسية للإستخدام الاستهلاكي.

البطاريات القابلة للشحن في القرن العشرين:

في سبعينيّات القرن الماضي طوّرت (COMSAT) بطّاريّة نيكل-هيدروجين لاستخدامها في أقمار الاتصالات. تخزّن هذه البطاريات الهيدروجين في صورة غازية مضغوطة. لا تزال العديد من الأقمار الصناعية من صنع الإنسان، مثل محطّة الفضاء الدولية تعتمد على بطاريات النّيكل والهيدروجين.

نتج عن الأبحاث التي أجرتها العديد من الشّركات منذ أواخر الستينيات إنشاء بطارية هيدريد معدن النّيكل (NiMH). تم طرح بطاريات (NiMH) في السوق الاستهلاكية في عام 1989، وقدمت بديلاً أصغر وأرخص لخلايا النيكل والهيدروجين القابلة لإعادة الشحن.

قامت شركة (Asahi Chemical) اليابانية ببناء أول بطارية ليثيوم أيون في عام (1985)، وأنشأت (Sony) أول بطارية ليثيوم أيون تجارية في عام 1991. وفي أواخر التسعينيّات تم إنشاء غلاف مرن وناعم لبطاريات الليثيوم أيون وأدى إلى ظهور” بطارية ليثيوم بوليمر” أو” ليبو”. من الواضح أنه تم اختراع العديد من البطاريات الكيميائية وتصنيعها وأصبحت قديمة.

مكونات البطارية:

تتكون البطاريات من ثلاثة مكونات أساسية وهي: الأنود والكاثود والإلكتروليت. غالبًا ما يستخدم الفاصل لمنع لمس الأنود والكاثود، إذا كان الإلكتروليت في البطارية غير كافٍ من أجل تخزين هذه المكونات، عادةً ما يكون للبطاريات نوع من الغلاف. كل من الأنود والكاثود نوعان من الأقطاب الكهربائيّة، الأقطاب الكهربائيّة هي موصلات تدخل من خلالها الكهرباء أو تترك مكونًا في الدائرة.

الأنود – Anode:

عندما تتدفق الإلكترونات من الأنود في جهاز متصل بدائرة هذا يعني أنّ “التيار” التقليدي يتدفق إلى الأنود. في البطارية يتسبب التفاعل الكيميائي بين الأنود والإلكتروليت في تراكم الإلكترونات في الأنود، عندها تريد هذه الإلكترونات الانتقال إلى القطب السالب، لكن لا يمكنها المرور عبر الإلكتروليت أو الفاصل.

الكاثود – Cathode:

تتدفق الإلكترونات إلى القطب السالب في جهاز متصل بدائرة، هذا يعني أنّ “التيّار” يتدفق من الكاثود. في البطاريات يستخدم التفاعل الكيميائي في الكاثود أو حوله الإلكترونات المُنتجة في القطب الموجب. الطريقة الوحيدة لوصول الإلكترونات إلى الكاثود هي من خلال دائرة خارجية للبطارية.

الإلكتروليت – Electrolyte:

الإلكتروليت: هو مادة غالبًا ما تكون سائلة أو هلامية، قادرة على نقل الأيونات بين التفاعلات الكيميائية التي تحدث عند الأنود والكاثود. يمنع الإلكتروليت تدفق الإلكترونات بين القطب الموجب والكاثود بحيث تتدفق الإلكترونات بسهولة أكبر عبر الدائرة الخارجية بدلاً من تدفقها عبر الإلكتروليت.

يعتبر الإلكتروليت ضروريًا في تشغيل البطارية، نظرًا لأن الإلكترونات لا يمكنها المرور عبرها، فإنها تضطر إلى الانتقال عبر الموصلات الكهربائيّة في شكل دائرة تربط القطب الموجب بالكاثود.

الفاصل – Separator:

الفواصل عبارة عن مواد مسامية تمنع لمس الأنود والكاثود، ممّا قد يتسبب في حدوث تماس كهربائي في البطاريّة. يمكن تصنيع الفواصل من مجموعة متنوعة من المواد، بما في ذلك القطن والنايلون والبوليستر والكرتون وأفلام البوليمير الإصطناعية. لا تتفاعل الفواصل كيميائيًا مع الأنود أو الكاثود أو الإلكتروليت.

يمكن أن تكون الأيونات الموجودة في الإلكتروليت موجبة الشحنة وسالبة الشحنة ويمكن أن تأتي بأحجام مختلفة. يمكن تصنيع فواصل خاصة تسمح بمرور بعض الأيونات دون غيرها.

الغلاف – Casing:

تحتاج معظم البطاريات إلى طريقة لاحتواء مكوناتها الكيميائيّة “الأغلفة ” والمعروفة بإسم “العلب” أو “الأصداف”، هي ببساطة هياكل ميكانيكيّة تهدف إلى تثبيت الأجزاء الداخلية للبطارية.

يمكن تصنيع أغلفة البطاريات من أي شيء تقريبًا مثل أكياس بلاستيكيّة، فولاذيّة، بوليمريّة ناعمة وما إلى ذلك. تستخدم بعض البطّاريّات غلافًا فولاذيًا موصلًا متصلًا كهربائيًا بأحد الأقطاب الكهربائية. في حالة الخلية القلوية (AA) الشائعة يتم توصيل الغلاف الفولاذي بالكاثود.

التفاعلات الكيميائية في البطارية:

العملية – Operation:

تتطلب البطاريات عمومًا عدة تفاعلات كيميائية لكي تعمل. يحدث تفاعل واحد على الأقل في القطب الموجب أو حوله ويحدث تفاعل واحد أو أكثر في القطب السالب أو حوله. في جميع الحالات يُنتج التفاعل عند القطب الموجب إلكترونات إضافية في عملية تسمى الأكسدة، ويستخدم التفاعل عند الكاثود الإلكترونات الإضافية أثناء عمليّة تعرف باسم الاختزال.

تحدث تفاعلات الأكسدة والاختزال عندما تنتقل الإلكترونات بين المواد الكيميائية. يمكننا تسخير حركة الإلكترونات في هذا التفاعل للتدفق خارج البطارية لتشغيل الدائرة الكهربائية.

أكسدة الأنود – Anode Oxidation:

يحدث هذا الجزء الأول من تفاعل الأكسدة والاختزال، وهو الأكسدة بين الأنود والإلكتروليت، وينتج إلكترونات (يشار إليها بـ e-).

تنتج بعض تفاعلات الأكسدة أيونات كما هو الحال في بطارية ليثيوم أيون. في تفاعل كيميائي آخر يستهلك التفاعل الأيونات، كما هو الحال في البطارية القلوية الشائعة. في كلتا الحالتين يمكن للأيونات أن تتدفق بحريّة عبر الإلكتروليت حيث لا تستطيع الإلكترونات.

تخفيض الكاثود – Cathode Reduction:

النّصف الآخر من تفاعل الأكسدة والإختزال يحدث في الكاثود أو بالقرب منه، يتم استهلاك الإلكترونات الناتجة عن تفاعل الأكسدة أثناء الإختزال. في بعض الحالات مثل بطاريات الليثيوم أيون يتم استهلاك أيونات الليثيوم إيجابية الشحنة الناتجة أثناء تفاعل الأكسدة أثناء الإختزال. في حالات أخرى مثل البطاريات القلوية، يتم إنتاج أيونات سالبة الشحنة أثناء الاختزال.

تدفق الإلكترونات – Electron Flow:

في معظم البطاريات يمكن أن تحدث بعض التفاعلات الكيميائيّة أو كلها حتى عندما لا تكون البطارية متصلة بدائرة كهربائية. يمكن أن تؤثر ردود الفعل هذه على العمرالافتراضي للبطارية. بالنسبة للجزء الأكبر، لن تحدث التفاعلات إلّا بالقوة الكاملة عند اكتمال دائرة موصلة كهربائيًا بين الأنود والكاثود. كلما قلت المقاومة بين الأنود والكاثود كلما زاد تدفق الإلكترونات، وكلما زادت سرعة حدوث التفاعلات الكيميائية.