بطاريه

Battery -

البطارية

يحيى أبو الفخر

تعاريف ومفاهيم أساسية

أنواع البطاريات

شحن البطاريات

خلايا الوقود fuel cells

قياسات البطاريات 

تؤدي الطاقة الكهربائية دوراً مهماً في الحياة اليومية؛ إذ يمكن تحويلها إلى طاقة ضوئية أو حرارية أو ميكانيكية. ولكن تكمن المشكلة الرئيسة في صعوبة تخزينها بغية استثمارها في وقت لاحق أو في مكان آخر قد لا تتوفر فيه، أو عند حدوث عطل في مصادر الطاقة الكهربائية. يمكن استخدام المكثّفات capacitors لتخزين الطاقة الكهربائية؛ ولكنها لا تستطيع إعطاء كمية كبيرة من الكهرباء مقارنةً بما يحتاج إليه الكثير من الأجهزة الكهربائية.

يتطلب تخزين الطاقة الكهربائية تحويلها إلى شكل آخر من أشكال الطاقة. ففي البطارية battery، تُستعمل طاقة المركّبات الكيميائية وسطاً لتخزين الطاقة. وعند التفريغ يحدث تفاعل كيميائي يولّد طاقة، يمكن استجرارها على شكل تيار كهربائي.

تعاريف ومفاهيم أساسية

1- الخلية cell: هي عنصر كهركيميائي electrochemical، يحول الطاقة الكيميائية المخزّنة إلى طاقة كهربائية. يُرمز للخلية بالرمز المبيّن في الشكل (1)، حيث يمثل الخط الطويل المسرى الموجب، ويمثل القصير المسرى السالب. تم اكتشاف أول خلية من هذا النوع من قبل العالم الإيطالي أليساندرو فولطا Alessandro Volta في العام 1800؛ عندما اخترع خلية بسيطة من صفائح معدنية مختلفة مغلفة بورق أو كرتون مُشبَع بمحلول ملحي. ومنذ ذلك الحين بدأ العلماء يطوّرون هذه الطريقة، فقاموا بتصنيع خلايا من مواد كيميائية متنوعة.

الشكل (1) رمز البطارية

تحتوي الخلية على ثلاثة مكوّنات أو أربعة، ويبيّن الشكل (2) مبدأ عملها.

أ- المصعد anode، أو المسرى السالب negative electrode: يقوم بإعطاء إلكترونات للدارة الخارجية، ويُؤكسد في أثناء التفريغ. يُصنَع غالباً من المعدن (النحاس أو الزنك مثلاً) أو من خليطة معدنية.

ب- المهبط cathode، أو المسرى الموجب positive electrode: هو المسرى المؤكسِد، ويستقبل إلكترونات من الدارة الخارجية. ويُصنع غالباً من أكسيد معدني.

ج- المحلول الكهرليتي electrolyte: عند اكتمال الدارة الخارجية للبطارية؛ تبدأ بتفريغ شحنتها، فتنتقل إيونات (شوارد) المعدن الموجبة cations (وهي ذرات فقدت إلكترونات، وأصبحت مشحونة إيجاباً) إلى المهبط عبر المحلول الكهرليتي المحتوي على الإيونات. أما الذرات التي كسبت إلكترونات، وهي الإيونات السالبة anions؛ فتنتقل إلى المصعد عبر المحلول نفسه. لذلك يُعدّ المحلول الكهرليتي الوسط الناقل للإيونات ions، ويجب ألا يكون ناقلاً للإلكترونات للحدّ من التسريب أو التفريغ الذاتي للخلية.

د- الفاصل separator: وهو يفصل المصعد كهربائياً عن المهبط غالباً يكون سالباً.

الشكل (2) مبدأ عمل الخلية

2- البطارية: هي مجموعة خلايا موصولة على التسلسل series أو التفرع parallel. اعتمدت المنظّمة الدولية لتقنيات الكهرباء International Electrotechnical Consortium (IEC) رسمياً إمكانية أن تحوي البطارية خلية واحدة في حال كان لها مساري، بحيث تُوضع في علبة بطاريات. وقد أصبحت البطاريات تأخذ أشكالاً وأحجاماً وسعات متنوعة (الشكل 3).

الشكل (3) أشكال بعض البطاريات

3- سعة البطارية battery capacity: هي كمية الشحنة الكهربائية electrical charge الممكن استجرارها من البطارية، ويُرمز لها بالرمز C، وواحدتها هي الأمبير الساعي Ampere hour واختصاراً Ah (حيث الأمبير هو الوحدة التي تُقاس بها شدة التيار الكهربائي، و يُرمز له بالحرف A). تُعطى السعة بالعلاقة (1):

حيث I هو التيار المسحوب مقدّراً بالأمبير خلال المدة الزمنية المقدّرة بالساعة. أما إذا كان التيار المسحوب غير ثابت؛ فتُعطى السعة بالعلاقة العامة (2):

تعبِّر السعة عن قدرة البطارية على إعطاء تيار محدّد خلال زمن محدّد. مثلاً؛ إذا كانت سعة البطارية هي 10 Ah؛ فهذا يعني أن البطارية قادرة على إعطاء تيار قدره 10 A خلال زمن قدره ساعة واحدة، أو تيار قدره 5 A خلال ساعتين؛ أي إن السعة هي جداء التيار بالزمن الذي يمرّ خلاله هذا التيار.

ليست سعة البطارية ثابتة، ولكنها تتأثر بعدة عوامل؛ منها: قيمة التيار المسحوب، ودرجة حرارة البطارية، وحالتها وقدمها .

4- كمية القدرة (الطاقة) energy content: يمكن التعبير عن كمية القدرة التي يمكن للبطارية تقديمها بالواط الساعي Wh وفق العلاقة التالية (3):

حيث:

: جهد البطارية [V]،

: التيار المستجر [A]،

: مدة التفريغ [h].

5- المقاومة الداخلية internal resistance: تصف المقاومة الداخلية للبطارية قدرتها على التعامل مع أحمال محدّدة؛ أي تحدّد استطاعة خرجها. وبوجه عام يجب أن تكون المقاومة المستمرة للبطارية DC internal resistance أصغر بكثير من مقاومة الحمل الذي تغذّيه البطارية. وينبغي أن تكون عموماً أصغر بعشر مرات على الأقل. وفي حال عدم تحقّق ذلك، فإن جهد الخرج المقدّم إلى الحمل ينخفض انخفاضاً كبيراً؛ فلا يستطيع عندها تغذية الحمل بالجهد المناسب. ويحصل انخفاض الجهد نتيجة وجود مقاومتين؛ إحداهما المقاومة الداخلية للبطارية، والأخرى مقاومة الحمل. ومن ثمّ يُعطى الجهد المقدّم إلى الحمل بالعلاقة (4):

حيث:

: جهد الخرج المقدّم إلى الحمل، بالفولط،

: جهد البطارية في حال اللاحمل، بالفولط،

: مقاومة الحمل، بالأوم

: المقاومة الداخلية للبطارية، بالأوم.

وتجدر الإشارة إلى ضرورة الفهم الدقيق لتعبير المقاومة الداخلية للبطارية، كونها ليست مقاومة أومية بسيطة. فهي ليست ثابتة، إذ تزيد مع زيادة تفريغ البطارية بسبب انخفاض ناقلية المركبات الناتجة من التفاعل، وتكون أعظمية بنهاية تفريغ البطارية.

يمكن حساب المقاومة الداخلية تجريبياً، بتطبيق حمل محدّد عدة ثوانٍ، ثم قياس التيار المستجر ، وقياس الجهد المرافق . يُزاد بعدها التيار المستجر ليصبح ، فينخفض جهد الخرج بسبب زيادة هبوط الجهد على المقاومة الداخلية للبطارية ليصبح . ويمكن عندها حساب المقاومة الداخلية، بتطبيق العلاقة (5):

تتكون المقاومة الداخلية من المقاومة الأومية للمساري (المساري)، ومقاومة المحلول الكيميائي، إضافةً إلى مقاومة التماس على الحدود interface بين المساري والمحلول الكيميائي.

6- التفريغ الذاتي self discharge: وهو يعني انخفاضاً تدريجياً للشحنة على المسرى الموجب و/أو المسرى السالب؛ عندما تكون البطارية غير محمّلة (أي دارتها مفتوحة open circuit). وأحد أسباب هذا الانخفاض هو الانخفاض التدريجي لدرجة أكسدة المسرى الموجب للبطارية؛ بسبب انخفاض الأكسجين في مساري هدروكسيد النيكل مثلاً.

7- أثر الذاكرة memory effect: يشير إلى أن البطارية «تتذكر» كمية الشحنات أو الطاقة التي جرى تفريغها في هذه البطارية لمرّات متعددة قبل إعادة شحنها. يحصل ذلك عندما تُشحن البطارية شحناً متكرّراً قبل أن يجري تفريغها بالكامل. فإذا حصل ذلك عندما تكون البطارية مفرّغة جزئياً، ولمرّات عديدة؛ فإن البطارية تُشحن بدءاً من هذه النقطة. ومن ثمّ عندما يجري تفريغها ثانية؛ فإنها لا تعطي كامل الشحنة، بل الشحنة التي حصلت عليها مؤخراً، ويبدو وكأن سعة البطارية قد انخفضت، أو «تذكرت» من أي نقطة بدأت بالشحن.

إن البطاريات التي تعاني هذه الظاهرة هي بطاريات نيكل/كادميوم Ni-Cd، ويعود سبب ذلك إلى تشكل بلّورات كبيرة تؤدي إلى زيادة مقاومة البطارية، والتي بدورها تمنع البطارية من التفريغ دون حدّ محدّد.

يمكن الحدّ من ظاهرة الذاكرة، إما بتفريغ البطارية تفريغاً كاملاً قبل أن يجري شحنها من جديد، وإما شحن البطارية باستخدام شاحن آلي يعمل على تفريغ البطارية بالكامل قبل شحنها. كما يمكن تحسين حالة البطارية التي تعرضت لتأثير الذاكرة، بتفريغها بالكامل ثم شحنها ثانيةً ولمرات عديدة.

يبيّن الشكل (4) حالة بلورات الكادميوم بوضعها الطبيعي (الجزء الأيسر)، وحالة تعرّض البطارية لبَلْوَرة كبيرة بسبب تعرضها لأثر الذاكرة (الجزء الأوسط). أما الجزء الأيمن، فيبيّن حالة البَلْوَرة عند إجراء بعض التحسين على حالة البطارية.

الشكل (4) تشكّل بلورات كبيرة في بطاريات نيكل/كادميوم عند تفريغها جزئياً لمرات عديدة

أنواع البطاريات

يمكن تصنيف البطاريات بحسب أحجامها وأوزانها، فمنها الثابتة ذات الوزن والحجم الكبيرين، كتلك المستخدمة في الآليات ووحدات التغذية العديمة الانقطاع Uninterruptible Power Supply (UPS)ذات الاستطاعة العالية. ومنها المحمولة، كتلك المستخدمة في الساعات والكاميرات والحواسيب وأجهزة الاتصال.

كما يمكن تصنيف البطاريات بحسب حالة المادة الكهرليتية في أحد النوعين التاليين:

1- البطاريات الرطبة أو السائلة wet or liquid: المادة الكهرليتية في هذه البطاريات سائلة. وقد تكون قابلة للشحن أو غير قابلة له. تُستعمل هذه البطاريات في الآليات ووحدات التغذية عديمة الانقطاع UPS العالية الاستطاعة ومقرات الاتصالات، مثل البطاريات الحمضية الرصاصية lead - acid.

2- البطاريات الجافة dry: وهي التي تكون فيها المادة الكهرليتية شبه جامدة مثل المعجون paste؛ تحوي رطوبة قليلة تكفي لمرور التيار الكهربائي. تمتاز البطاريات الجافة من السائلة بأنه يمكن وضعها بأي وضعية وحتى قلبها رأساً على عقب، بسبب عدم وجود مادة سائلة فيها قابلة للانسكاب. لذلك فهي صالحة للأجهزة المحمولة portable. ومثال ذلك بطاريات الزنك-الكربون zink-carbon ذات الجهد 1.5 V.

يمكن تصنيف البطاريات أيضاً بحسب قابليتها للشحن في أحد النوعين التاليين:

1- البطاريات الأولية primary batteries: وهي البطاريات التي تعطي تياراً من فور تجميعها ووضعها في الدارة، وتقوم بتحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية مرة واحدة فقط. هذه البطاريات غير قابلة للشحن، أي لا يمكن أن تقوم بتحويل الطاقة الكهربائية إلى كيميائية. ولذا عندما تُحوَّل الطاقة الكيميائية كلها إلى كهربائية؛ يجب التخلص من البطارية بالطريقة المناسبة. تُستخدم البطاريات الأولية في تطبيقات الأجهزة المحمولة التي لا تحتاج إلى تيار كبير، وتلك التي تتوضع في أماكن لا تتوفر بها مصادر طاقة كهربائية، مثل أجهزة الاتصال أو الإنذار. تُتلف هذه البطاريات عند انتهاء شحنتها، ولكنها تتميّز بكثافة استطاعة أكبر مقارنة بتلك القابلة للشحن. ومثال ذلك: البطاريات القلوية alkaline، وبطاريات الزنك- الكربون.

2- البطاريات الثانوية secondary batteries، أو القابلة للشحن rechargeable: تُجمَّع هذه البطاريات وهي غير مشحونة، ويجب شحنها عادةً قبل الاستعمال الأول، وهي مبدّلات طاقة عكوسة؛ أي إنها تحوّل الطاقة الكيميائية إلى كهربائية، وكذلك يمكن أن تحوّل الطاقة الكهربائية إلى كيميائية. هذه البطاريات مصمّمة للشحن والتفريغ مرات عديدة، وذلك بتمرير تيار كهربائي فيها يؤدي إلى تفاعل كيميائي معاكس للتفاعل الذي يحصل في أثناء استعمالها أو تفريغها. تسمى الأجهزة التي تقوم بالشحن، الشواحن الكهربائية. ومن أقدم أنواع هذه البطاريات: الحمضية الرصاصية lead-acid، التي تحوي سائلاً كهرليتياً. أما الحديث منها، فيشمل بطاريات نيكل-كادميوم Ni-Cd، وليثيوم-إيون lithium-ion، وبطاريات نيكل–هدريد معدن NiMH.

أما التصنيف الأكثر شيوعاً للبطاريات؛ فيعتمد على نوع المادة الكيميائية، ويمكن التمييز بين الأنواع التالية:

1- البطاريات القلوية alkaline batteries: وتُعدّ من أكثر البطاريات الأولية شيوعاً وأقدمها. وهي من البطاريات الجافة وغير القابلة للشحن. تتألف من مسرى موجب مصنوع من أكسيد المنغنيز، ومسرى سالب من الزنك. أما المحلول الكهرليتي فهو هدروكسيد البوتاسيوم. تُستعمل هذه البطاريات كثيراً في أجهزة المذياع والمسجلات؛ لأنها تعطي تيارات كبيرة ولمدة طويلة.

2- البطاريات الزئبقية mercury batteries: تتميز بصغر حجمها، حيث تُصنع على شكل أقراص صغيرة، وتُستعمل في الأجهزة المحمولة، مثل سماعات الأذن وساعات المعصم الإلكترونية والحاسبات. يتألف المسرى السالب من الزنك، والموجب من أكسيد الزئبق. أما المحلول الكهرليتي فهو هدروكسيد البوتاسيوم.

3- البطاريات الحمضية الرصاصية lead - acid batteries: هي بطاريات قابلة للشحن، وتتكون من ثلاث خلايا أو ست موصولة على التسلسل (الشكل 5)؛ لتعطي جهداً قيمته 6V أو 12V. المحلول الكهرليتي هو حمض الكبريت الممدّد H2SO4، والمسرى السالب هو الرصاص Pb، والمسرى الموجب هو أكسيد الرصاص (IV) PbO2. تُستعمل هذه البطاريات في العربات وسيارات الشحن والطائرات، وتتميز بأنها تعطي تيارات كبيرة جداً تناسب إقلاع المحركات.

الشكل (5) البطاريات الحمضية الرصاصية

4- بطاريات نيكل-كادميوم :nickel- cadmium (Ni-Cd) هي خلية ثانوية (قابلة للشحن)، جهدها 1.2V، تستعمل هدروكسيد النيكل للمسرى الموجب (المهبط)، والكادميوم للمسرى السالب (المصعد)، أما المحلول الكيميائي فهو هدروكسيد البوتاسيوم KOH.

تتميز هذه البطاريات بصغر مقاومتها الداخلية مقارنة ببطاريات NiMH، ولذا يمكن سحب تيار كبير منها. ولها منحني تفريغ شبه مسطح (أي تحافظ على جهدها خلال التفريغ مدة طويلة)، ولكن ينخفض الجهد بسرعة بنهاية التفريغ. تتميز البطاريات بكونها كتيمة، وليست بحاجة إلى صيانة، ويمكن تخزينها سواءً كانت مشحونة أم مفرّغة.

ومن مثالبها أثر الذاكرة الذي تنفرد به هذه البطاريات والذي لا يتصف به أي نوع آخر، وجهدها المنخفض (1.2V) مقارنةً بالبطاريات القلوية (1.5V)، واحتواؤها على معدن الكادميوم الثقيل الضار جداً بالبيئة، وهذا ما يفرض قيوداً على طريقة إتلافها. وتُعدّ أقل كفاءة من بطاريات NiMH وبطاريات الليثيوم من حيث كثافة الطاقة ومواصفات الأداء. كما تُعدّ بطاريات النيكل/الكادميوم ذات السعة الكبيرة، وهي أغلى بعدة مرات من البطاريات الحمضية، ذات السعة المكافئة.

5- بطاريات نيكل–هدريد معدن nickel-metal hydride (NiMH): تحتوي هذه البطاريات على ضعفي الطاقة التي تقدّمها البطاريات Ni-Cd، وعمرها أطول بـ25 %. ولذلك، فقد حلّت محلها في كثير من التطبيقات الرقمية، والتطبيقات التي تحتاج إلى استجرار تيارات كبيرة. ويذكر أن هذه البطاريات لا تحوي مادة الكادميوم الضارة بالبيئة.

6- بطاريات الليثيوم-الإيون lithium-ion(Li-ion): هي بطاريات قابلة للشحن، تنتقل فيها إيونات الليثيوم من المسرى السالب إلى المسرى الموجب في أثناء التفريغ؛ وبالاتجاه المعاكس في أثناء الشحن. تُستعمل كثيراً في السلع الاستهلاكية، مثل الحواسيب المحمولة، والأجهزة الخلوية، وألعاب الفيديو. تتميز هذه البطاريات بتقديم أكبر كثافة طاقة بالنسبة إلى الوزن، ولا تعاني من مشكلات الذاكرة، كما أن تفريغها الذاتي قليل.

شحن البطاريات

تعد طريقة شحن البطاريات عاملاً مهماً لتحديد عمر البطارية وجودة أدائها، إذ تُقصِّر طريقة الشحن الخاطئة عمر البطارية على نحو كبير، ويمكن أن تخفض السعة التي يمكن للبطارية أن تعطيها.

عند انتهاء شحن البطارية، ينبغي أن يتوقف تيار الشحن بطريقة ما. وفي حال عدم توقف هذا التيار، فإنه يتحول داخل البطارية إلى حرارة، كما يؤدي إلى توليد غازات داخلية، وكلاهما مؤذٍ جداً للبطارية. لذلك، يُعدّ تحسس توقيت الانتهاء من الشحن عاملاً مهمّاً جداً من عوامل إطالة عمر البطارية. يعتمد أبسط الشواحن على مراقبة جهد البطارية، وإعطاء أمر توقف الشحن عند وصول هذا الجهد إلى حد أعلى محدّد سلفاً، يسمى جهد الانتهاء termination voltage.

وفي حال استخدام الشحن السريع (أو التفريغ السريع) يتسارع التفاعل الكيميائي داخل البطارية. لذلك ينبغي ترك فترات راحة خلال عملية الشحن؛ للسماح باستقرار التفاعل الكيميائي. يتصف شاحن البطاريات بعوامل ثلاثة، هي:

أ- تزويد البطارية بالشحنات.

ب- جعل سرعة الشحن مثلى تتلاءم مع نوع البطارية المراد شحنها.

ج- معرفة لحظة إيقاف عملية الشحن.

لذلك، فإن عملية الشحن هي مزيج من طريقة الشحن وطريقة انتهاء الشحن.

طرائق الشحن الرئيسية

أ- الشحن بجهد ثابت constant-voltage charging: وهو وحدة تغذية مستمرة. أبسط أشكالها محوّل خافض للجهد يُغذّى من الشبكة الرئيسية، ويجري تقويمه لتحويله إلى جهد مستمر لشحن البطارية. تعتمد البطاريات lead-acid، والبطاريات lithium-ion على هذا النوع من الشحن؛ علماً أنه يُضاف إلى دارة الشحن دارات أخرى لحماية البطارية وكذلك حماية المستثمر.

ب- الشحن بتيار ثابت constant current charging: يقوم هذا النوع من الشواحن بتغيير الجهد المطبّق على البطارية للمحافظة على تيار شحن ثابت طوال مدة الشحن. ويتوقف الشحن عند بلوغ جهد البطارية قيمة محدّدة. تُستعمل هذه الطريقة في البطاريات Ni-Cd والبطاريات NiMH.

ج- الشحن النبضي pulsed charging: تقوم هذه الشواحن بتزويد البطاريات بتيارات شحن على شكل نبضات، حيث يمكن ضبط تيار الشحن الوسطي بدقة عن طريق تغيير عرض نبضة التيار المطبّق. يعطي ذلك فترات راحة للبطارية لاستقرار التفاعل الكيميائي في أثناء الشحن. كما يمكن أن يقلِّل من التفاعلات الكيميائية غير المرغوب فيها، مثل تشكل الغازات ونمو البلورات على المساري.

د- الشحن الرقيق أو الخفيف trickle charging: تُستعمل هذه الطريقة لتعويض التفريغ الذاتي للبطارية self discharge؛ حيث يعتمد تيار الشحن على قيمة هذا التفريغ. يمكن لبعض الشواحن - التي تعتمد على طرق شحن أخرى - أن تنتقل آلياً إلى هذه الطريقة من الشحن عند الانتهاء من الشحن. وتُستعمل هذه الطريقة عادةً لشحن البطاريات lead-acid، ولا يُفضل استعمالها لبطاريات NiMH.

هـ- الشحن العائم float charging: تُوصل البطارية والحمل على التوازي بمنبع الجهد المستمر وصلاً دائماً. حيث يُثبّت الجهد على قيمة أقل من الحد الأعلى المسموح للبطارية. تُستعمل عادةً في البطاريات lead-acid المستخدمة لتغذية أجهزة الطوارئ.

و- الشحن العشوائي random charging: تُستعمل هذه الطريقة في الحالات التي لا يتوفر فيها تحكّم في الجهد أو يتغير فيها تيار الشحن تغيّراً دائماً بسبب تغيّر قيمة جهد المنبع. ومثال ذلك؛ شواحن السيارات التي يتناسب جهد شحنها مع سرعة محرّك السيارة، والذي يتغيّر دائماً. كذلك تُعدّ شواحن الطاقة الشمسية مثالاً آخر، إذ يزداد جهد الشحن أو التيار بزيادة سطوع الشمس، ويقلّ بانخفاضه. لذلك ينبغي أن تحتوي هذه الشواحن على آليات للحفاظ على قيم تيارات أو جهود يمكن للبطاريات تحملّها.

معدّل تيار الشحن charging rate

يمكن شحن البطاريات بعدة سرعات وفق متطلبات الشحن. ويجري التمييز بين ثلاثة معدلات للشحن:

أ- الشحن البطيء slow charge: مدته 14-16 ساعة، وبمعدل شحن قيمته 0.1C. أي لشحن بطارية سعتها 5Ah؛ يكون تيار الشحن 0.5A لمدة 14-16 ساعة.

ب- الشحن السريع quick charge: مدته 3-6 ساعات بمعدل شحن 0.3C.

ج- الشحن السريع جداً fast charge: مدة الشحن نحو ساعة واحدة وبمعدل شحن 1C.

البطارية الذرية أو النووية atomic or nuclear battery

هي جهاز يعتمد على إشعاع أحد النظائر المشعة radioactive isotope لتوليد الكهرباء. وهي مثل المفاعل النووي nuclear reactor الذي يقوم بتوليد الطاقة الكهربائية من الطاقة الذرية؛ ولكن تختلف عنه بأنها لا تستعمل التفاعل المتسلسل chain reaction.

تُعدّ البطارية النووية - مقارنةً بأنواع البطاريات الأخرى- ذات كلفة مرتفعة جداً؛ ولكن عمرها طويل جداً (10-20 سنة)، وتقدّم طاقات كبيرة. لذلك فهي تُستعمل فقط منابعَ طاقة في المعدّات غير المأهولة التي ينبغي أن تعمل مدة طويلة، مثل محطات الفضاء والمختبرات العلمية المؤتمتة في الأماكن النائية.

بدأت تقنية البطاريات النووية في العام 1913، عندما عرض الفيزيائي الإنكليزي هنري موزلي Henry Moseley خلية بتا beta cell، فجذبت الاهتمام المعمّق للباحثين بوصفها منبع تغذية لتطبيقات الفضاء في خمسينيات القرن العشرين وستينياته. ومع الزمن، تطوّرت طرائق تصنيع هذه البطاريات وأنواعها؛ خاصةً بعد بروز التقانة النانوية nanotechnology.

يعتمد مبدأ توليد الكهرباء على تبديل الطاقة energy conversion الذي يمكن تصنيفه في نوعين: حراري وغير حراري. تشمل المبدّلات الحرارية (التي تعتمد الاستطاعة الناجمة عنها على فرق درجة الحرارة) المولّدات الكهرحرارية thermoelectric والمولّدات بالإيونات الحرارية thermionic. أما المبدّلات غير الحرارية (التي لا تعتمد على فرق درجة الحرارة)؛ فتحوّل جزءاً من الطاقة الواردة incident energy إلى حرارة تحرّك الإلكترونات.

خلايا الوقود fuel cells

هي أجهزة تقوم بتحويل الطاقة الكيميائية الموجودة في الوقود إلى طاقة كهربائية، بوساطة تفاعل كيميائي مع الأكسجين أو أي عامل مؤكسد آخر. أكثر أنواع الوقود المستعمل لهذه الغاية هو الهدروجين. كما يُستعمل أيضاً بعض أنواع الغازات الطبيعية.

تختلف خلايا الوقود عن البطاريات العادية من حيث حاجتها الدائمة إلى مصدر وقود وأكسجين، ولكنها تمتاز منها بأنها تولّد طاقة دائمة مادام الوقود والأكسجين متوفرين.

طور العالم غروف W. Grove أول خلية وقود في العام 1939، وأول استعمال تجاري لها كان في برنامج الفضاء الأمريكي ناسا NASA. تُستعمل خلايا الوقود في المناطق النائية والتي يصعب الوصول إليها؛ كما تُستعمل في التطبيقات الصناعية والتجارية والمنزلية، وكذلك لتغذية العربات مثل الحافلات والروافع والزوارق.

تتألف خلية الوقود من مصعد ومهبط ومادة كهرليتية، تنتقل عبرها الشحنات بين المصعد والمهبط. تؤخذ الإلكترونات من المصعد إلى المهبط بوساطة الدارة الخارجية؛ مولّدة تياراً مستمراً direct current. تُصنّف الخلايا بحسب المادة الكهرليتية المستعملة فيها، ولها قياسات متنوعة.

تولّد خلية الوقود جهداً صغيراً قيمته نحو (0.7V)، لذلك فهي تُجمَع على التسلسل لزيادة الجهد، كما تُجمَع على التفرع لزيادة التيار الذي يمكن تقديمه.

وإضافةً إلى توليد الكهرباء؛ تولّد خلايا الوقود ماء وحرارة وبعض الغازات الأخرى، مثل ثنائي أكسيد الآزوت (النتروجين). ويراوح مردودها بين 40 % و60 %. وفي حال استُثمرت الحرارة الناتجة؛ فقد يصل مردودها إلى 85 %.

قياسات البطاريات

تنوّعت البطاريات كثيراً من حيث الشكل والأبعاد، وأكثر الأشكال شيوعاً هي البطارية الأسطوانية ذات المقطع الدائري، والمتوازية المستطيلات ذات المقطع المستطيل. كما أن أبعادها تبدأ من بضعة ميليمترات حتى عدة سنتيمترات، وذلك تبعاً لجهد البطارية وسعتها وتطبيقاتها.

إتلاف البطارية

يُعدّ إتلاف الكم الهائل من البطاريات المنتجة سنوياً والتي تحوي مواد كيميائية؛ مشكلة تؤرق المهتمين بحماية البيئة، فسُنَّت قوانين صارمة في كثير من دول العالم لإتلاف البطاريات بطريقة لا تؤذي البيئة.

ثمة أنواع عديدة من البطاريات يمكن إعادة تدويرها recycled، مثل: Ni-Cd، Li-ion، NiMH، lead-acid. ولذلك فقد خصّصت الحكومات بدول عديدة -ومنها سورية- حاويات خاصة لوضع البطاريات التالفة الصغيرة الحجم فيها؛ لتسهيل معالجتها أو تدويرها أو إتلافها بالطريقة الملائمة من الجهات المختصة.

مراجع للاستزادة: - I. Buchmann, Batteries in a Portable World, Cadex Electronics Inc., 2016. - M. W. Hubble, The Fundamentals of Nuclear Power Generation, Author House, 2011. - H. A. Kiehne, Battery Technology Handbook, Marcel Dekker, Inc., New York, 2003. - D. Pavlov, Lead - Acid Batteries, Elsevier, 2011. - G. L. Plett, Battery Management Systems, Artech House, 2015.

---

- التصنيف : كهرباء وحاسوب - النوع : كهرباء وحاسوب - المجلد : المجلد الخامس مشاركة :