أنواع البطاريات الكهربائية

تعد البطارية الأكثر شيوعًا بين مصادر التيار المستمر. وتعمل على تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية، وهي المصدر الأساسي للطاقة الكهربائية التي يتم توليدها من خلال تحويل الطاقة الكيميائية أو الشمسية إلى كهربائية .

ما هي البطارية؟

البطارية في أبسط صورها هي خلية أو أكثر تحتوي على مواد كيميائية تنتج طاقة كهربائية بشكل تيار مستمر من خلال تفاعلات كيميائية كهربائية. وتحتوي كل بطارية على قطبين أحدهما موجب والآخر سالب.

أنواع البطاريات

يمكن تقسيم جميع البطاريات إلى نوعين هما بطاريات أساسية غير قابلة للشحن، وبطاريات ثانوية قابلة للشحن. الثانوية قابل لإعادة الشحن، بينما الأساسية تستخدم لمرة واحدة فقط.

وفيما يلي أنواع البطاريات الكهربائية:

• البطاريات الغير قابلة للشحن (الأولية)
  • بطاريات الكربون-زنك.
  • البطاريات القلوية.
  • بطارية الزئبق.
  • بطاريات أكسيد الفضة.
  • بطاريات الليثيوم الأولية.
• البطاريات القابلة للشحن
  • بطاريات الرصاص الحمضية.
  • بطاريات نيكل كادميوم (Ni-Cd),
  • بطاريات نيكل هيدريد المعدن (Ni-MH).
  • بطاريات الليثيوم.

وفيما يلي شرحها بالتفصيل:

البطاريات غير القابلة للشحن (الأولية)

البطاريات الأولية (Primary batteries) هي بطاريات تُستخدم لمرة واحدة فقط، ولا يمكن عكس التفاعل الكيميائي لخلاياها لذلك لا يمكن إعادة شحنها. فلا تحاول أبدًا إعادة شحن بطارية أولية وقم بالتخلص منها.

تنقسم البطاريات الجافة الأولية إلى العديد من الأنواع ، تختلف في عدة نواحي، ولكنها تشترك جميعًا في مكونات أساسية معينة، يوجد في كل بطارية أولية قطبين موجب وسالب، ويتكون كل قطب من نوع مختلف من المواد الكيميائية الفعالة.

تأتي البطاريات الأولية بعدة أحجام منها البطاريات الأسطوانية AAA و AA وC وD، وجميعها لها جهد خرج 1.5 فولت وتختلف في قيمة الأمبير ساعة Ah. وتتوفر بجهود أعلى 6 و 9 فولت، كما في الصورة.

بطاريات الكربون زنك

بطارية الكربون-زنك (Carbon-Zinc) واحدة من أكثر البطاريات الأولية شيوعًا، القطب السالب مصنوع من الزنك (الخارصين). والقطب الموجب مصنوع من الكربون. وهي مصممة داخل عبوة من الخارصين تستخدم العلبة كإناء لمحتويات الخلية، وفي الوقت نفسه تقوم بعمل القطب السالب. يعمل عمود الكربون الموجود في مركز الخلية، كمجمع تيار للقطب الموجب، إلا أن المادة الفعلية المكونة للقطب الموجب هي خليط من ثاني أكسيد المنجنيز ومسحوق الكربون، وهذا الخليط مضغوط حول العمود، ويوجد إلكتروليت في هذه الخلايا في صورة معجون يتكون من كلوريد الأمونيوم وكلوريد الخارصين والماء.

تأتي بعدة أحجام منها البطاريات الأسطوانية AAA و AA وC وD، ولها جهد خرج 1.5 فولت مع تيار صغير. وتتوفر بجهود أعلى 6 و 9 فولت.

بطاريات كربون زنك مناسبة للتطبيقات منخفضة الاستهلاك والغير متواصلة، مثل بطارية الكشافات والساعات وأجهزة الراديو المحمولة وأجهزة الكشف عن الدخان.

تعاني بطاريات كربون زنك العديد من القيود وهي:

• الخلايا ليست مناسبة للتطبيقات عالية الاستهلاك للتيار لأنها تُستقطب بسهولة وتنخفض السعة المتاحة بشكل حاد مع زيادة معدل التفريغ.
• مدة صلاحيتها ليست طويلة بشكل خاص (حوالي عامين).
• نطاق درجة الحرارة المثالية للتشغيل هي 10 إلى 40 درجة مئوية، خارج هذا النطاق يتدهور الأداء بشكل ملحوظ.

البطاريات القلوية

البطاريات القلوية أو القاعدية (Alkaline batteries) تعتبر نوعًا شائعًا آخر تشبه خلايا الكربون-خارصين، يتكون القطب السالب فيها من الزنك والقطب الموجب من ثاني أكسيد المنغنيز في إلكتروليت قلوي (هيدروكسيد البوتاسيوم). يعمل بكفاءة عالية حتى مع الاستخدام المتواصل ، وذلك بسبب المقاومة الداخلية المنخفضة. وبسبب موصليته العالية.

تتميز البطاريات القلوية بجهد وسعة أعلى، ومناسبة للأجهزة عالية الطاقة مثل الكاميرات المحمولة، والكاميرات الرقمية، ومصابيح الهالوجين، يتم تصنيع البطاريات القلوية بنفس أحجام بطاريات الزنك-كربون، وأكثر الأحجام شيوعًا هي البطاريات الاسطوانية AAA و AA وC وD، وتتوفر بأحجام أصغر وأكبر. ولها جهد خرج 1.5 فولت مثل خلايا الكربون والزنك، لكنها تدوم لفترة أطول. وتتوفر بجهود أعلى مثل 6 و 9 فولت.

بطارية الزئبق

تتكون بطاريات الزئبق من قطب سالب من الخارصين، وقطب موجب من أكسيد الزئبق، وإلكتروليت البوتاسيوم أو هيدروكسيد الصوديوم. هذا النوع عفا عليه الزمن ولم يعد يستخدم بسبب المخاطر المرتبطة بالتخلص السليم من الزئبق.

بطاريات أكسيد الفضة

تتكون هذه الخلية من قطب سالب من الزنك وقطب موجب من أكسيد الفضة وإلكتروليت البوتاسيوم أو هيدروكسيد الصوديوم. تتوفر عادة في شكل زر مصغر 1.5 فولت. تشمل التطبيقات المساعدات السمعية والكاميرات والساعات.

بطاريات الليثيوم الأولية

توفر بطاريات الليثيوم الأولية جهدًا عاليًا وعمر تخزين طويل ووزن منخفض وصغير في الحجم تتوفر في الغالب كخلايا بحجم العملات المعدنية لتطبيقات الإلكترونيات.

تحتوي بطاريات الليثيوم من نوع LiSO₂ على مذيب سائل (ميثيل السيانيد) إذا تم ثقب أو تشقق الغلاف الخاص بها فيمكن أن تطلق أبخرة سامة. والتخلص الآمن من هذه الخلايا أمر بالغ الأهمية.

البطاريات القابلة للشحن (الثانوية)

البطارية الثانوية هي بطارية قابلة للشحن مصنوعة بطريقة يمكن بها عكس التفاعلات الكيميائية إلى الاتجاه المضاد. وتمكنها هذه الميزة من إعادة شحن البطارية بكفاءة بعد نفاد الطاقة الكهربائية فيها، عن طريق توصيل مصدر تيار مستمر خارجي عبر البطارية.

بطارية الرصاص الحمضية

بطارية الرصاص الحمضية (Lead–acid battery) هي أقدم أنواع البطاريات التي ماتزال تُستخدم إلى الآن. على الرغم من الأداء المنخفض نسبيًا من حيث كثافة الطاقة، إلا أن هذه البطارية لا تزال هي المهيمنة في كثير من التطبيقات.

تتكون الخلية الواحدة للبطارية من قطب موجب مصنوع من أكسيد الرصاص (lead peroxide(PbO₂))، وقطب سالب مصنوع من معدن الرصاص الإسفنجي (spongy lead (Pb)). ومغمورة في محلول إلكترولتي مكون من حمض الكبريتيك (sulfuric acid). ويكون جهد الخلية الوحدة حوالي 2.1 فولت.

تحتوي غالبية بطاريات الرصاص على ثلاث خلايا متصلة على التوالي (بطارية 6 فولت) أو ست خلايا (بطارية 12 فولت) وتحتوي خلية بطارية الرصاص على مجموعتين من أقطاب الرصاص تسمى الصفائح، وتفصل الصفائح عن بعضها برقائق من البلاتين أو المطاط ويحيط الصفائح محلول إلكتروليتي من حمض الكبريتيك SO4H2، بهذه الصفائح يتصل كل قطب. وتوجد فتحات تهوية تسمح بإضافة واستبدال الماء أو الإلكتروليت وفحص مستوى الحمض، كما تسمح بتسريب الغازات الناتجة إلى الخارج.

تعتبر بطاريات الرصاص الحمضية تقنية جيدة وموثوقة ومفهومة جيدًا. عند استخدامها بشكل صحيح، فهي متينة وتوفر خدمة يمكن الاعتماد عليها. تُستخدم بطاريات الرصاص الحمضية في التطبيقات التي تتطلب تيارًا عاليًا لفترات زمنية قصيرة نسبيًا. مثل أنظمة بدأ تشغيل السيارة وفي إضاءة السيارات، وتستخدم في أنظمة الحماية والتحكم في المحطات الكهربائية، وأيضًا في نظام الطاقة غير المنقطعة (UPS).

ومع ذلك، فإن أداء بطاريات الرصاص الحمضية أقل جودة مقارنة بأنظمة البطاريات الثانوية الأخرى، كما أنها عرضة لكبرتة الأقطاب، وهي عملية يترسب فيها ناتج التفاعل الكيميائي عند التفريغ على كلا القطبين، مما يقلل من مساحة السطح النشطة للتفاعل، مما يؤدي إلى تلف للبطارية. وتمتلك بطاريات الرصاص الحمضية عدد محدود فقط من دورات التفريغ الكامل (50-500). ومع ذلك، فإن دورة الحياة أعلى للقيم المنخفضة لعمق التفريغ.

بطاريات نيكل كادميوم (Ni-Cd)

في بطاريات النيكل كادميوم (Nickel Cadmium (NiCd يكون القطب الموجب مصنوع من هيدروكسيد النيكل، بينما القطب السالب من الكادميوم الإسفنجي. والسائل الإلكتروليتي عبارة عن محلول البوتاسيوم بنسبة %20. وتصنع الأقطاب من ألواح من الحديد المطلية بالنيكل وبها ثقوب تحمل المادة الفعالة، والإناء الحاوي يصنع أيضًا من الحديد المطلي بالنيكل. و يلاحظ أن تركيز هيدروكسيد البوتاسيوم لا يتغير أثناء التفاعل ولذا فإنه يمكن استعمال كمية قليلة من السائل الإلكتروليتي مما يجعل البطارية أقل حجمًا.

تمتلك بطاريات النيكل كادميوم كثافة طاقة منخفضة مقارنة ببطاريات النيكل هيدريد المعادن وبطاريات الليثيوم أيون. وهناك عيب آخر لبطارية النيكل كادميوم هو ما يُسمى بتأثير الذاكرة الذي يجعل التفريغ الدوري الكامل ضروريًا. ومن عيوبها أيضًا، ارتفاع معدل التفريغ الذاتي، وضعف الأداء في درجات الحرارة العالية، والشحن المعقد.

بسبب سمية الكادميوم، تعتبر بطاريات النيكل والكادميوم غير صديقة للبيئة. لهذا السبب، أصبحت بطاريات النيكل كادميوم مقيدة مؤخرًا في دول الاتحاد الأوروبي.

بطاريات نيكل هيدريد المعدن Ni-MH

تحتوي بطاريات نيكل هيدريد المعدن (Nickel-Metal-Hydride (Ni-MH)) على نفس القطب السالب الموجود في بطاريات نيكل كادميوم Ni-Cd. ولكن القطب الموجب عبارة عن مادة هيدريد معدنية (metal hydride).

توفر طاقة نوعية أعلى من Ni-Cd، ولكنها تنتج طاقة أقل. تتمتع هذه البطارية أيضًا بعمر دورة جيد، لكن الأداء يبدأ في التدهور بعد 200-300 دورة. كما أنها أقل عرضة لتأثير الذاكرة من Ni-Cd ، ولكن التفريغ الكامل ضروري كل 3 أشهر. وتعتبر Ni-MH أكثر حساسية للشحن الزائد من بطارية Ni-Cd وتتطلب خوارزمية شحن معقدة بسبب زيادة توليد الحرارة، وهي أغلى من خلايا NiCd،

تُستخدم هذه الخلايا في التطبيقات التي تتطلب أداء بطارية طويل الأمد على سبيل المثال، المنتجات الكهربائية أو الإلكترونية المحمولة المتطور.

بطاريات الليثيوم

بطارية الليثيوم (Lithium Batteries) هي الأحدث في تكنولوجيا البطاريات القابلة لإعادة الشحن، وسرعان ما أصبحت البطاريات الأكثر شيوعًا للإلكترونيات الاستهلاكية مثل كاميرات الفيديو، والهواتف المحمولة، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وفي السيارات الكهربائية، فهي خفيفة الوزن جدًا، وتتمتع بمعدلات تفريغ عالية، ولها كثافة طاقة عالية جدًا، ولا تعاني من تأثير الذاكرة، جهد خليتها أكبر من البطاريات الأخرى قيمته حوالي 3.05 فولت.

ومع ذلك، فهي حساسة للغاية وتتطلب دوائر خاصة لمنعها من الانفجار، وتأتي معظم بطاريات الليثيوم مع دوائر حماية تحافظ على عمل البطارية بأمان. لذا عندما تستخدم أجهزة فيها بطاريات ليثيوم فيجب استخدام لشاحن المطابق لها.

هناك أربعة إصدارات أساسية من بطاريات الليثيوم هي: الليثيوم المعدنية، ليثيوم أيون، ليثيوم بوليمر ، وبطارية ليثيوم إلكتروليت الصلبة. أشهرها وأكثرها استخدامًا هي بطارية ليثيوم أيون مع سائل إلكتروليت.

تحتوي بطارية الليثيوم المعدنية على محتوى طاقة أعلى من الناحية النظرية، ولكنها بشكل عام غير آمنة ويمكن أن تشكل بطاريات الليثيوم أيون خطرًا على السلامة لأنها تحتوي على إلكتروليت قابل للاشتعال، وتم تطوير بطاريات البوليمر والإلكتروليت الصلبة الأخرى لتحسين السلامة لبعض التطبيقات.