كثيرًا ما نسمع عن البطّاريّات القابلة للشحن، وغير-القابلة للشحن، وأنّ القابلة للشحن أفضل من غيرها وأكثر عمليّة.
وازدادت الحاجة يومًا بعد يوم لهذا النوع من البطّاريّات، مع ازدياد عدد الأجهزة المحمولة والمتنقّلة في السنوات الأخيرة، مثل الهواتف الذكيّة، الحواسيب المحمولة، مشغّلات الـMP4، والأجهزة اللاسلكيّة المتنوّعة، وغيرها الكثير.
لكن هل توقّفنا يومًا وسألنا أنفسنا عن ماهيّة الفرق بين ذينك النوعين من البطّاريّات، وعن التركيب الداخليّ الذي جعل من بعض البطّاريّات قابلة لإعادة الشحن، وأخرى غير قابلة لذلك؟ إن كان الجواب لا، فلا بأس.
لإنّنا في هذا المقال سنوضّح الفروق بين النوعين، وبعض التراكيب الداخليّة لكلِّ نوعٍ من البطّاريّات.
البطّاريّات القابلة للشحن (Rechargeable batteries):
البطّارية القابلة للشحن، يُطلق عليها العديد من المسمّيات المختلفة التي تقود إلى معانٍ متشابهة، منها ‘بطّاريّة التخزين أو المُخزّنة (Storage battery)’ – وذلك لقدرتها على تخزين الطاقة فيها لعدّة مرّات.
أو ‘الخليّة الثانويّة (Secondary cell)’، أو ‘المركم (Accumulator)’ – ويُقصد به جهازٌ أو بطّاريّة تُخزِّن الكهرباء، وقابلة لإعادة الشحن بنفس الوقت أيضًا لعدّة مرّات ومرّات بعد نفادها.
تتكوّن عادة البطّاريّات القابلة للشحن من خليّة، أو العديد من الخلايا ‘الكهروكيميائيّة (Electrochemical)’.
وكما ذكرنا، فمصطلح “المجمع أو المركم” يُقصد به القدرة على تجميع وتخزين الطاقة عن طريق التفاعلات الكهروكيميائيّة.
ويتمّ إنتاج البطّاريّات القابلة للشحن في العديد من الأشكال والأحجام والتراكيب المختلفة، بدءًا من الخلايا الزِّريّة (البطّاريّات الدائريّة الصغيرة تكون كالأزرار، مثل بطّاريّة ساعة اليد مثلًا)، إلى أنظمة الميغاواط المتّصلة بشبكات توزيع الطّاقة الكهربائيّة.
ويتمّ استخدام العديد من التراكيب والتوليفات المختلفة من الموادّ ومحاليل الكهارل (يُقصد بها أي محلول أو مادّة تحتوي على أيونات طليقة تشكّل وسطًا ناقلًا للكهرباء من خلال عمليّة التحليل الكهربائي) في صنع البطّاريّات.
من مثل مركم –بطّاريّة- الرصاص الحمضي (Lead-acid)، الكادميوم والنيكل (NiCd)، نيكل-هيدريد المعدنيّ (NiMH)، أيونات الليثيوم (Li-ion)، والليثيوم أيون بوليمر (Li-ion polymer).
وعندما يتعلّق الأمر بعمليّة تصنيع البطّاريّات القابلة للشحن، فإنهّا ليست جميعها بذات الجودة وذات العمليّة.
فبطّاريّة الكادميوم-نيكل كانت من أكثر البطّاريّات شيوعًا وانتشارًا، لكنّها مع ذلك تعاني من مشكلة مزعجة، معروفة باسم ‘تأثير الذاكرة (Memory effect)’ – فإذا لم يتمّ تفريغ بطّاريّة (NiCd) كاملة في كلّ مرة تمّ استخدامها فيها، فإنّها ستفقد قدرتها بسرعة كبيرة.
وهذا النوع إذًا لديه قدرة عالية، لكنّ مشكلته تكمن في ‘تأثير الذاكرة’، وعمره الافتراضيّ ليس طويلًا كفاية.
وكبطّاريّةِ (NiMH)، فإنّ بطّاريّة (LiOn) تمتاز بطول عمرها الافتراضيّ، لكنّ شحنتها أكبر من غيرها، وتعمل عند درجات فولتيّة عالية، وتأتي في مجموعاتٍ صغيرة، وخفيفة وزنًا.
وكلّ تكنولوجيا حديثة مصنّعة هذه الأيّام، تستفيد من هذه البطّاريّات بشكلٍ أو بآخر، ولا بدّ للإشارة إلى أنّ بطّاريّة (LiOn) أكثر تكلفة بكثير من نظائرها الأكبر سنًّا.
والبطّاريّات الأكثر شيوعًا هي أيونات-الليثيوم (LiOn)، على الرغم من أنّ النيكل-هيدريد المعدنيّة والكادميوم-نيكل كانت سائدة كثيرًا سابقًا.
– آليّة الشحن والتفريغ (Discharge and recharge):
تمّ التلميح أو ذكر البطّاريّات القابلة للشحن منذ عام 1859، وغيره طبعًا، عندما اخترع الفيزيائيّ ‘غاستون بلانت’ خليّة (بطّاريّة) الرصاص الحمضيّة.
مع ‘قطب موجب ويسمّى كاثود (Cathode)’، ‘وقطب سالب يسمّى أنود (Anode)’ – وهذا طبعًا ليس دائمًا، أي أنّ الكاثود والأنود لا يمتلكان نفس الشحنة دائمًا وأبدًا، لإنّ هذا يعتمد على نوع الجهاز أو الأداة المستخدمة، وتكون بعكس اتّجاه التيّار.
وتكون فيها الأقطاب على هيئةِ ألواحٍ من الرصاصِ (في القطب السالب)، وأكسيد الرصاص (في القطب الموجب)، منغمسة في محلول ‘حمض الكبريتيك الكهرلي’ المليء بالأيونات.
حيث كانت بطّاريّة بلانت في ذلك الوقت تمهيدًا لبطّاريّة السيّارة المعروفة في عصرنا هذا.
وقبله الفيزيائيّ الإيطاليّ ‘أليساندرو فولتا’ في عام 1799، عندما أنشأ بطّاريّة بسيطة ومعروفة.
على أيّة حال، لن نتحدّث عن تاريخ البطّاريّات، فالأمر سيطول، أو ربّما في وقتٍ لاحق.
ويُختصر عمل أكثر البطّاريّات القابلة للشحن بطريقة بسيطة، يتمّ إنتاج التيار الكهربائيّ من خلالها.
وذلك عن طريق التفاعلات الكهروكيميائيّة التي تحصل بين الكاثود، الأنود، والمحلول الكهرلي، وبالطّبع، يكون هناك ‘فرق كمون كهربائيّ’ بين الكاثود والأنود، أي بين القطب الموجب والسالب – وفرق الكمون هو فرق الجهد الكهربيّ بين نقطتين مختلفتين، فلو كان القطب الأوّل ذا كمون يساوي +12 فولت، والقطب الثاني ذا كمون -12 فولت، فإنّ فرق الكمون يكون 24 فولتًا.
وعندما يتمّ تطبيق تيّار أو طاقة كهربائيّة من مصدر خارجيّ (أي أثناء عمليّة الشحن)، يحدث أن ينعكس تدفّق الإلكترونات السالبة إلى الموجبة أثناء عمليّة التفريغ الكهربائي (أو تتمّ أكسدة المادّة الموجبة الشحنة، فتفقد الإلكترونات)، لتصبح متعادلة كهربيًّا، وتستعيد الخليّة شحنتها الطبيعيّة (لأنّ الشحنات تكون مجمّعة في جهة واحدة، فتأخذ الجهة التي تتجمّع بها الإلكترونات الشحنة السالبة، والجهة الأخرى تصبح بدورها موجبة، وبتطبيق تيّار خارجيّ المصدر، يحدث التفاعل الكهروكيميائيّ).
والمحلول الكهرلي (Electrolyte) إمّا أن يكون وسطًا مخزّنًا للأيونات أو لتدفّقها بين القطبين، أو أن يكون مشاركًا نشطًا في التفاعل الكهروكيميائيّ.
لنشرح الأمر بشكلٍ مبسّط.
ولنأخذ مثالًا على ذلك بطّاريّة أيونات-الليثيوم، فعندما نبدأ بشحن البطّاريّة، أو بتطبيق تيّار كهربائيّ خارجيّ، تنتقل أيونات الليثيوم من الأنود إلى الكاثود، حيث يتم امتصاصها من قِبل الكاثود (القطب الموجب).
وعندما تفرغ البطّاريّة بشكلٍ كامل بعد استخدامها، تحدث العمليّة مجدّدا ولكن بشكلٍ معكوس؛ لذلك يُطلق على البطّاريّات القابلة للشحن بطّاريّات ‘‘عكوسة’’.
ومع حدوث هذه العمليّة مرّات ومرّات عديدة، يحدث توسّع أو انكماش أو أمور شبيهة للقطب الموجب، وتظهر المشاكل متوالية، فيتضرّر في نهاية المطاف الأنود أيضًا؛ ممّا يقصّر ويحدّ من عمر البطّاريّة مع توالي الأيّام.
بالنّهاية، مع بطّاريّات الكادميوم-نيكل، والنيكل-هيدريد، عمليّة الشحن من الممكن أن تكون مخادعة أو صعبة ودقيقة.
يجب عليك أن تكون حريصًا جدًّا على عدم شحنها شحنًا زائدًا عن الحد الطبيعي، لإن هذا بالنّهاية سيؤدّي إلى تناقص القدرة الخاصّة بالبطّاريّة تدريجيًّا.
ولتجنّب حدوث هذا الأمر، بعض الهواتف تُغلَق بنفسها حتّى تتجنّب الشحن الزائد، أو تحتوي على ‘مُرمِّم (Recondition)’.
وفي بطّاريّة (NiCd) و(NiMH)، يجب عليك عند استخدامهنّ أن تفرغهنّ بالكامل وتعيد شحنهنّ في كلّ مرّة؛ حتى تتوخّى وتحدّ من أيّ خسارة في قدرتهنّ.
أمّا بطّاريّات (LiOn)، ومن ناحية أخرى، فإنّها تمتلك شواحن متطوّرة تمنع الشحن الزائد عن الحاجة، ولا تحتاج أبدًا إلى مُرمّم.
لذلك، حتّى البطّاريّات القابلة للشحن، تنفد صلاحيّتها في النهاية وينتهي عمرها الافتراضيّ، على الرّغم من أنّ هذا سيحصل بعد مئات المرّات من إعادة شحنها.
وعندما يحدث ذلك، فتأكّد من التخلّص منها في أقرب منشأة إعادة تدوير.
البطّاريّات غير-القابلة للشحن (Non-rechargeable batteries):
تُدعى البطّاريّات غير-القابلة للشحن ‘بالخليّة الأوليّة (Primary Cell)’، وهيّ بطّاريّاتٌ صُمّمت بحيث يتمّ استخدامها لمرّة واحدة، وبعدها يتمّ التخلُّص منها.
ولا يتمّ إعادة شحنها بالكهرباء، وإعادة استخدامها كالخليّة الثانويّة (البطّاريّات القابلة للشحن).
وبشكلٍ عامّ، فإنّ التفاعلات الكهروكيميائيّة التي تحدث في الخليّة ‘ليست عكوسة’، وهذا بعكس الخليّة الثانويّة أيضًا – وهذا هو سبب استخدامها لمرّة واحدة فقط لا غير؛ ممّا يجعلنا نصفها بغير-القابلة للشحن (Non-rechargeable).
وعندما يتمّ استخدام الخليّة الأوليّة، تَستهلِك التفاعلات الكيميائيّة الحاصلة في البطّاريّة الموادّ الكيميائيّة التي تولّد الكهرباء، وعندما تنتهي هذه التفاعلات وتُستهلك بالكامل، تتوقّف البطّاريّة عن إنتاج الطاقة أو الكهرباء، وتصبح بدورها غير-مفيدة، ويتمّ التخلّص منها.
وفي المقابل، فإنّ الخليّة الثانويّة تختلف كما أسلفنا سابقًا، لأنّ التفاعلات فيها يمكن أن يتمّ عكسها (بمعنى أنّها عكوسة)، وذلك عن طريق توصيل تيّار كهربائيّ إلى الخليّة ‘بشاحن البطّاريّة’ لإعادة شحنها، معيدة بذلك توليد المتفاعلات الكيميائيّة (Chemical reactants)، فتحدث التفاعلات الكهروكيميائيّة من جديد.
ويتمّ إنتاج الخلايا الأوليّة في مجموعة من الأحجام القياسيّة، لتشغيل الأجهزة الكهربائيّة المنزليّة الصغيرة والمتنوّعة.
وهناك العديد من أنواع الخلايا الأوليّة أو البطّاريّات غير القابلة للشحن، مثل خلايا الزنك-والكربون، وتُعرف أيضًا بـ(Leclanche cells)، البطّاريّة القلويّة (Alkaline battery)، بطّاريّة الليثيوم (Lithium battery)، بطّاريّة الزئبق (Mercury Battery)، وبطّاريّة أكسيد الفضّة (Silver oxide battery).
– إعادة شحن الخلايا الأوليّة (Recharge primary cells):
وطبعًا، قد كان هناك بعض المحاولات لإطالة عمر الخلايا الأوليّة، وعلى سبيل المثال، عن طريق إعادة شحن ‘البطّاريّة القلويّة’، فننتهي بنتائج متباينة.
وتمّ تصنيع أجهزة من طرفٍ ثالث، تتمثّل بكونها قادرة على إعادة شحن الخلايا الأوليّة.
على أيّة حال، إنّ التفاعلات الكيميائيّة الداخليّة للخليّة الأوليّة لا يمكن عكسها بسهولة عن طريق تطبيق تيّار خارجيّ، لذلك، فإنّ المتفاعلات الكيميائيّة لا تعود كليًّا إلى حالتها وموقعها الأوّلي.
والخلايا الأوليّة المعاد شحنها لن تمتلك نفس عمر وقدرة وأداء الخلايا الثانويّة، وعادة ما يحذّر المصنّعون من إعادة شحن الخلايا الأوليّة.
– الاستقطاب (Polarization):
من العوامل الرئيسيّة التي تقلّل من عمر وقدرة الخلايا الأوليّة، هي أن تصبح مستقطبة أثناء الاستخدام – وهذا يعني أنّ الهيدروجين يتراكم في الكاثود، ويقلّل من فعاليّة الخليّة.
وللحدّ من آثار الاستقطاب في ‘الخلايا التجاريّة’ وتمديد حياتها، يتمّ استخدام ‘مزيل استقطاب’ كيميائي (Chemical depolarization) – عن طريق إضافة عامل مؤكسد للخليّة، لأكسدة الهيدروجين في الماء.
يتمّ استخدام ثاني أكسيد المنغنير في خليّة الزنك-والكربون، وحمض النتريك في ‘خليّة بنسن (Bunsen cell)(1)’، و‘خليّة غروف (Grove cell)(2)’.
وقد بُذلت بعض المحاولات لجعل الخلايا البسيطة تمتلك خاصيّة ‘إزالة ذاتيّة للاستقطاب’ عن طريق تخشين سطح اللوحة النحاسيّة لتسهيل انفصال فقّاعات الهيدروجين، من دون نجاحٍ يُذكر.
إنّ إزالة الاستقطاب الكهروكيميائيّ يحوّل الهيدروجين إلى معدن (وطبعًا، ليس المقصود تحوُّل الهيدروجين بحدّ ذاته إلى معدن، وإنّما الامتزاج)، كالنُّحاس (على سبيل المثال، خليّة دانيال (Deniell cell’ (3‘)، أو الفضّة (على سبيل المثال، خليّة أكسيد الفضّة).
البطّاريّات الأوليّة هي عمليّة للأجهزة التي تعتمد على الطاقة بشكلٍ دائمٍ تقريبًا، ولكن تواجهنا مشكلة النقود، أو الثمن الباهظ، عندما يكثُر استخدامنا لها.
إنّ الثمن هو مسألة أخرى، لإنّك ستضطّر إلى استبدال البطّاريّة في كلّ مرّة تنتهي فيها، بغضّ النظر عن مدّة الاستخدام.
والتخلّص من البطّاريّات هو أمر شائع جزئيًّا، وخصوصًا في أجهزة المركبات والأمور الطارئة.
أي إنّ البطّاريّات الأوليّة عملية وسلسة الاستخدام، وتختصر الوقت بدلًا من إعادة الشحن المستمرّ وغيره.
وما يضحك، أنّه في مؤتمر البطّاريّات، قال جنرال في الجيش الأمريكيّ إنّ نصف البطّاريّات التي تمّ التخلّص منها، لا زالت تمتلك 50% من طاقتها.
بالنهاية، لقد أقيمت العديد من المقارنات لتحديد من ستُعزى له الأفضليّة بين مُختلف أنواع البطّاريّات، منها القابلة للشحن، ومنها غير القابلة، منها الجافةّ، ومنها الرطبة والتي تستخدم السوائل.
وهنا، لن نعرض هذه المقارنات، فكلّ نوعٍ بالتّاكيد يمتلك مزيّة خاصّة، تميّزه عن غيره من الأنواع.
وبالمقابل، تمتلك بعض السيّئات.
وهناك بعض العوامل التي تحدّد الأفضلية، مثل الوقت، نوع الجهاز المستخدم، حاجة الاستخدام، والمحيط الخارجيّ، وغيرها من العوامل المختلفة.
(ولا بدّ أن ننوّه أنّ هناك أنواع أخرى كثيرة من البطّاريّات التي لم يتمّ ذكرها هنا في مقالنا هذا).
– الهامش:
(1) خليّة بنسن: هي خليّة أوليّة من نوع الزنك-والكربون (ويُطلق عليها بالعاميّة “بطّاريّة”)، تتكوّن من قضيب من الزنك (الأنود) مغموس في محلول حمض الكبريتيك المخفّف، ومفصولة بوعاء يسهل اختراقه من قضيب كربون (الكاثود) في النيتريك أو حامض الكروم.
(2): خليّة غروف: لقد كانت خليّة غروف خليّة كهربائيّة أوليّة في وقتٍ مبكّر، وتمّ تسميتها هكذا نسبة إلى مخترعها، وهو الكيميائيّ البريطانيّ ‘وليام روبرت غروف’، وتتألف من قضيب الزنك (الأنود) في محلول حامض الكبريتيك، وقضيب البلاتين (الكاثود) في حامض الكبريتيك المركّز، وكلاهما مفصولان بوعاء سيرامك يسهل اختراقه.
(3): خليّة دانيال: نوع من الخلايا الكهروكيميائيّة، اختُرعت في عام 1836 من قِبل ‘جون فريديرك دانيال’، كيميائيّ بريطانيّ وراصد جوّي. تتألف الخليّة من وعاء نحاسيّ مملوء بمحلول كبريتات النحاس، مغمور في وعاء خزف غير مطليّ مملوء بحمض الكبريتيك، وقطبا زنك.
تحرير: ندى ياغي
