توجد البطاريات في كل مكان من الهواتف النقالة والسيارات إلى المعدات الطبية، إذ يعتمد عالمنا بشكل كبير على مصادر الطاقة المحمولة هذه. ولكن وعلى الرغم من ذلك، لا يعرف العديد من الناس كيف تعمل البطارية. لذا سنشرح ذلك في هذا المقال.
مكونات البطارية
تتألف معظم البطاريات من ثلاثة مكونات رئيسية: الإلكترودان (الأقطاب الكهربائية)، والإلكتروليت ( الكهرل)، وفاصل (عازل).
يوجد إلكترودان في كل بطارية؛ أحدهما يتصل بالقطب الموجب حيث تدخل الإلكترونات (يخرج التيار) ويدعى المهبط. والآخر يتصل بالقطب السالب حيث تخرج الإلكترونات (يدخل التيار) ويدعى المصعد. مهمة الفاصل ببساطة هي عزل المصعد عن المهبط كي لا يتصلا معًا ويسببا مشكلات في الدارة.
يُغمر هذان الإلكترودان بسائل يشبه الجل ندعوه الإلكتروليت (الكهرل)؛ وهو سائل يحتوي على جسيمات مشحونة أو أيونات. تتفاعل هذه الأيونات مع مادة الإلكترودين ما يُنتج تفاعلًا كيميائيًا يسمح للبطارية بتوليد تيار كهربائي.
كيف تعمل البطارية ؟
تخيل أنك وضعت بطاريات في مصباح جيب وشغلته. ما فعلته في الحقيقة هو أنك أغلقت الدارة ما سمح للطاقة الكيميائية المختزنة في البطارية أن تتحول إلى طاقة كهربائية تنتقل من البطارية إلى المصباح لتنيره، ثم تدخل الإلكترونات إلى البطارية مرة أخرى من الجهة المقابلة لجهة خروجها.
تعمل كل أجزاء البطارية معًا لجعل المصباح ينير. يُصنع الإلكترودان من مواد ناقلة معينة. مثلًا، يُصنع المصعد في البطاريات القلوية (alkaline battery) من الزنك بينما يصنع المهبط من ثنائي أكسيد المنغنيز. عندما تتفاعل أيونات الكهرل مع ذرات الإلكترودين تحدث تفاعلات كهروكيميائية معينة تعرف بتفاعلات الـ أكسدة-إرجاع. يعرف المهبط بالعامل المؤكسد فهو يستقبل الإلكترونات من المصعد والذي يعرف بالعامل المرجع.
تتسبب هذه التفاعلات بحركة الأيونات بين المهبط والمصعد وتحرير الإلكترونات من مادة كل منهما. تتجمع هذه الإلكترونات المتحررة عند المصعد، وبالتالي، تصبح شحنة المصعد سالبة وشحنة المهبط موجبة. يحث هذا الفرق بالشحنة الإلكترونات على الذهاب إلى المهبط ولكن العازل يحول دون ذلك.
عندما تنير المصباح فإنك عمليًا تصل قاطعة، وبالتالي تغلق الدارة ويصبح بإمكان الإلكترونات الوصول إلى المهبط بطريق آخر ولكن عليها أولًا أن تمر داخل المصباح.
الفرق بين البطاريات القابلة للشحن وغير القابلة للشحن
في البطاريات البدائية كتلك المستخدمة في مصابيح الجيب، يتوقف التفاعل الكيميائي الذي يشحن البطارية في النهاية؛ ما يعني أن الإلكترونات لن تتحرك مسببة تيارًا، وأن عمر البطارية قد انتهى. وبالتالي يكون عليك التخلص من هذه البطاريات لأن التفاعلات الكهروكيميائية التي كانت تنتج الإلكترونات لا يمكن عكسها.
ولكن في البطاريات القابلة للشحن (البطاريات الثانوية)، يمكن عكس هذه التفاعلات عن طريق تمرير تيار كهربائي فيها. هذا ما يحدث عندما تشحن بطارية هاتفك.
أشهر أنواع البطاريات القابلة للشحن هي بطاريات أيون الليثيوم (Li-ion) والتي تُستخدم في معظم الأجهزة الإلكترونية التجارية في السوق. تحتوي هذه البطاريات عادةً على مهبط من ثنائي أكسيد كوبالت الليثيوم ومصعد من الكربون وكهرل من أحد أملاح الليثيوم محلولًا في مذيب عضوي.
بعض أنواع البطاريات الثانوية الأخرى هي بطاريات نيكل-كادميوم NiCd وبطاريات نيكل-هيدريد فلز (NiHM)، وتستخدمان في السيارات الكهربائية. وهناك أيضًا بطاريات الرصاص-أسيد (Pb-acid) والتي تستخدم في السيارات وغيرها من المركبات لأجل التشغيل والإضاءة وغيرها.
مصطلحات متعلقة بالبطاريات
بعد أن عرفت كيف تعمل البطارية تعرف على بعض المصطلحات المتعلقة بالبطاريات:
الفولطية (التوتر): مصطلح يصف شدة القوة الكهربائية التي تدفع الإلكترونات من الطرف الموجب للبطارية إلى الطرف السالب. كلما كانت الفولطية أعلى كان التيار أشد. تقدر فولطية البطاريات في مصباح الجيب مثلًا بحوالي 1.5فولت. إذا استخدم المصباح بطاريتين تصبح الفولطية الكلية 3 فولت.
تملك بطاريات الرصاص-أسيد المستخدمة في السيارات غير الكهربائية فولطية تقدر بحوالي 2 فولت، ولكن معظم السيارات تستخدم ستًا منها متصلة على التسلسل ما يجعل الفولطية الكلية 12 فولت.
أما بطاريات أيون الليثيوم الموجودة في معظم الأجهزة الإلكترونية التجارية فلها فولطية تقدر بـ 3.7 فولت. الأمبير: وحدة لقياس شدة التيار أو عدد الإلكترونات التي تعبر مقطع السلك في وحدة الزمن.
السعة: تقدر بالأمبير بالساعة وتعبر عن عدد الساعات التي يمكن للبطارية فيها أن تعطي تيارًا ذا شدة محددة قبل أن ينخفض التوتر فيها تحت حد معين.
البطاريات المستخدمة في الراديو مثلًا فتقدر سعتها بـ 1 أمبير بالساعة؛ أي يمكنها أن تعطي تيارًا شدته 1 أمبير لمدة ساعة متواصلة قبل أن تصل لحد التوتر الذي تعتبر عنده منتهية.
كثافة القوة: تعبر عن كمية القوة التي تعطيها البطارية لوحدة الوزن، وهي مقياس مهم للسيارات الكهربائية لأنه يساعد على تحديد تسارع السيارة من 0 إلى 60 ميل بالساعة. لذلك يحاول المهندسون جعل البطاريات أخف دون التأثير على قوتها.
كثافة الطاقة: تعبر عن كمية الطاقة التي تعطيها البطارية لوحدة الوزن أو الحجم. وهي أكثر متغير يهم المستخدم لأنها تحدد أمورًا مثل المسافة التي يمكن لسيارة كهربائية قطعها قبل أن تحتاج لإعادة شحن أو الزمن الذي تلزم بعده إعادة شحن الهاتف الذكي وغيرها.
اقرأ أيضًا:
نوع جديد من بطاريات الليثيوم تستهلك ثاني أكسيد الكربون لشحن نفسها
المركبات الكهربائية هي المستقبل، ولكن بطارياتها عالقة في الماضي
ترجمة: مهران يوسف
تدقيق: تسنيم المنجد
