انواع البطاريات

هي إحدى المكونات الأساسية لأي جهاز كهربائي، ومهما اختلفت انواع البطاريات تبقى وظيفتها الأساسية هي توفير الطاقة للجهاز من أجل الاستمرار في العمل في حال عدم وجود الكهرباء المباشرة.

معظم البطاريات مجهزة لتعمل عدة ساعات -طبعًا الموضوع معتمد على مقدار الطاقة التي تتطلبها-، كما تستخدم العديد من الأجهزة المتطورة مثل أجهزة الكمبيوتر والهواتف المحمولة بطاريات قابلة للشحن تتيح للمستخدم إعادة شحن البطارية بمجرد نفاد الطاقة، حيث يمكن شحنها كهربائيًا لتوفير إمكانات ثابتة للطاقة عند الحاجة.

تحتوي البطارية على خلايا كهروكيميائية والتي تتكون من المهبط المصعد والكهارل، وكما نعلم بأن أي تفاعل كيمائي يولد جهدًا كهربائيًا يسمى بالتفاعل إلكتروكيميائي (كهروكيميائي) كما في حالة البطاريات.

يمكننا تصنيف البطاريات عمومًا إلى فئات وأنواع مختلفة، حسب التركيب الكيميائي والحجم والشكل والاستخدام، ولكن يوجد نوعان رئيسيان من البطاريات هما:

نتحدث هنا عن انواع البطاريات التي لا يمكن إعادة شحنها عند نفاذ الطاقة، أي أنها مصنوعة من خلايا كهروكيميائية لا يُعكس تفاعلها الكهروكيميائي.

بشكل عام توظف البطاريات الأولية في أجهزة العمل المستقلة حيث يكون شحنها صعبًا وغير عمليًا، وخير مثال على ذلك هو في صف ومعدات الأجهزة العسكرية التي تعمل بالبطارية.

تحتوي هذه البطاريات دومًا على طاقة محددة ولكنها غالبًا ما تكون عالية، والأنظمة التي تعمل من خلالها مصممة دائمًا لاستهلاك طاقة منخفضة لتمكين البطارية من الاستمرار لأطول فترة ممكنة.

إليكم بعض الأمثلة للأجهزة التي تستخدم البطاريات الأولية: منظّم ضربات القلب (ناظمة الخطى)، أجهزة التتبع، ساعات اليد، أجهزة التحكم عن بعد ولعب الأطفال.

يوجد عديد الأشكال للبطاريات الأولية من بطاريات ساعة اليد لبطاريات AA، وأكثر أنواع البطاريات الأولية شيوعًا هي البطاريات القلوية، حيث نستخدمها في جميع مجالات الحياة اليومية، كونها ذات طاقة محددة وعالية، وفعالة مقارنة بتكلفتها و يمكن أيضًا أن تعمل لسنوات كما أنها أمنة ويمكن حملها على متن طائرة، وصديقة للبيئة.

الجانب السلبي الوحيد للبطاريات القلوية هو تيار الحمل المنخفض، وهذا ما يجعل استخدامها فقط محصورعلى الأجهزة ذات متطلبات الطاقة المنخفضة مثل أجهزة التحكم عن بعد والمصابيح الكهربائية والألعاب.

البطاريات الثانوية أو كما يشار إليها باسم البطاريات القابلة للشحن، هي عبارة عن بطاريات تحوي أيضًا خلايا كهروكيميائية ولكن يمكن عكس تفاعلاتها الكهروكيميائية عن طريق تطبيق جهد معين على البطارية في الاتجاه العكسي، حيث يمكن إعادة شحنها على عكس الخلايا الأولية بعد استخدام الطاقة الموجودة على البطارية.

تُستخدم انواع البطاريات هذه عادًة في الأجهزة ذات الاستهلاك العالي للطاقة، فهي ذات تكلفة أعلى دائمًا من تكلفة البطاريات الأولية، إلا أنها الأكثر فعالية على المدى الطويل.

تُستخدم البطاريات الثانوية ذات السعة الصغيرة في تشغيل الأجهزة الإلكترونية المحمولة مثل الهواتف المحمولة والأدوات والأجهزة الأخرى، بينما تُستخدم البطاريات ذات السعة العالية في تشغيل المركبات الكهربائية المتنوعة وغيرها من التطبيقات عالية التصريف مثل توليد الكهرباء، كما أنها تستخدم كمصادر طاقة مستقلة إلى جانب المولدات لتوفير الكهرباء.

يمكن تصنيف البطاريات الثانوية إلى عدة أنواع أخرى بناءً على كيميائها، هذا مهم للغاية لأن كيمياءها تحدد بعض سمات البطارية بما في ذلك الطاقة المحددة وعمر الدورة وعمر التخزين والسعر.

هناك أربعة أنواع أساسية:

تعد نوع من انواع البطاريات القابلة للشحن، حيث تم تطوير أقطابها الكهربائية من هيدروكسيد النيكل الثنائي والكادميوم المعدني، كما تتميز في الحفاظ على الجهد وتوفير الشحن عند عدم استخدامها، ولكن تتأثر بطاريات NiCd بسهولة لما يدعى لتأثير "الذاكرة" عندما تُشحن بشكل جزئي، مما يقلل من قدرة البطارية المستقبلية.

بالمقارنة مع انواع البطاريات الثانوية الأخرى، توفر هذه البطاريات دورة استخدام وأداء جيدين في درجات حرارة منخفضة ومع قدرة عالية ولكن الميزة الأهم هي قدرتها على تقديم شحنتها الكاملة المقدرة بمعدلات تفريغ عالية.

كما أنها متوفرة بأحجام مختلفة كالأحجام المستخدمة في البطاريات القلوية، حيث يتم استخدام العبوات الصغيرة في الأجهزة المحمولة والإلكترونيات والألعاب بينما تجد التطبيقات الأكبر تطبيقًا في بطاريات بدء تشغيل الطائرات والسيارات الكهربائية وإمدادات الطاقة الاحتياطية.

هي نوع آخر من انواع البطاريات القابلة للشحن، تشبه سابقتها بمعدن القطب الموجب، حيث يستخدم كلا نوعي البطارية هيدروكسيد النيكل الثنائي نفسه (NiOOH)، ولكن أقطابها الكهربائية السلبية هي سبيكة فلزية ممتصة للهيدروجين بدلًا من الكادميوم المستخدم في بطاريات النيكل.

تستخدم هذه البطاريات في الأجهزة عالية الاستهلاك كونها تملك قدرة وكثافة طاقة عالية، تمتلك بطارية NiMH ثلاث أضعاف قدرة بطارية NiCd من نفس الحجم، ويمكن أن تقترب كثافة الطاقة الخاصة بها من بطارية أيون الليثيوم، كما أنها ليست عرضة لتأثير "الذاكرة" الذي تعاني منه NiCad.

بطاريات أيون الليثيوم هي من انواع البطاريات القابلة للشحن التي تنتقل فيها أيونات الليثيوم من القطب السالب إلى القطب الموجب أثناء التفريغ وتنتقل مرة أخرى إلى القطب السالب أثناء شحن البطارية، يتكون قطبها الموجب من عنصر الليثيوم، ويتكون قطبها السالب عادة من الغرافيت.

تعد هذه البطاريات أكثر انواع البطاريات الثانوية شيوعًا، حيث نجدها في الأجهزة المحمولة المختلفة بما في ذلك الهواتف المحمولة والأجهزة الذكية والعديد من أجهزة البطارية الأخرى المستخدمة في المنزل، ولها أيضًا تطبيقات في الفضاء و الجيش كونها خفيفة الوزن.

تتميز عمومًا بكثافة طاقة عالية، وانعدام أو قلة تأثير "الذاكرة" وانخفاض التفريغ الذاتي مقارنة بأنواع البطاريات الأخرى، كما تختلف كيمياؤها إلى جانب الأداء والتكلفة باختلاف حالات الاستخدام المختلفة، على سبيل المثال، تعتمد بطاريات Li-ion المستخدمة في الأجهزة الإلكترونية المحمولة على أكسيد الليثيوم والكوبالت (LiCoO2) الذي يوفر كثافة طاقة عالية ومخاطر أمان منخفضة عند تعرضها للتلف.

بينما تعتمد بطاريات Li-ion المستخدمة في الأدوات الكهربائية والمعدات الطبية على فوسفات الحديد والليثيوم التي يقدم أقل كثافة الطاقة وأمانًا أكثر بسبب انخفاض احتمال حدوث الحوادث المؤسفة.

بطاريات الرصاص هي أقدم انواع البطاريات القابلة للشحن ولا تزال مهمة جدًا وفعالة ليومنا هذا، تكون فيها الأقطاب عبارة عن ألواح من الرصاص و أكسيد الرصاص منغمسة ضمن كهرل.

تعد الأساسية للطاقة المنخفضة المستخدمة في التطبيقات الثقيلة، عادةً ما تكون كبيرة جدًا وبسبب وزنها يتم استخدامها دائمًا في التطبيقات غير المحمولة مثل تخزين الطاقة باستخدام الألواح الشمسية وإشعال المركبات والأنوار والطاقة الاحتياطية وللسيارات.

تتميز بالقدرة على إعطاء تيار عالي جدا منها لفترة قصير، وبالتالي يمكن أن توفر شحنة هائلة عند الحاجة. هذه السمات إلى جانب تكلفتها المنخفضة تجعل هذه البطاريات جذابة للاستخدام في العديد من التطبيقات الحالية مثل بدء تشغيل السيارات والتخزين في إمدادات الطاقة الاحتياطية.