ما هي أشهر أنواع البطاريات وما هي مواصفاتها؟

بطارية النيكل والكادميوم

بطاريات النيكل والكادميوم هي نوع من أنواع البطاريات القابلة لإعادة الشحن حيث يتم استخدام أكسيد النيكل والكادميوم كمعدن كأقطاب كهربائية، وهذا هو سبب تسمية هذه البطاريات بالنيكل والكادميوم. مع ذلك، فإن هذه البطاريات لها سعر ومعدل تفريغ أعلى من بطاريات الرصاص الحمضية.

🔵 تتمتع بطارية النيكل والكادميوم بعمر خدمة أفضل بالمقارنة مع البطاريات الأخرى القابلة لإعادة الشحن، ولكن أهم ميزة لها هي توصيل السعة الاسمية حتى عند معدلات التفريغ العالية.

تاريخ بطاريات النيكل والكادميوم

اخترع فلاديمير يونغنر بطاريات النيكل والكادميوم في عام 1899. فقدت هذه البطاريات بسرعة حصتها في السوق في عام 1990 وتم استبدالها ببطاريات النيكل هيدريد والليثيوم أيون.

مع تقدم تكنولوجيا البطاريات في النصف الثاني من القرن العشرين، تم إنتاج البطاريات بأسعار أرخص بكثير، وتوسعت الأجهزة التي تعمل بالبطاريات بشكل كبير لدرجة أنه في عام 2000، تم إنتاج حوالي 1.5 مليار بطارية من النيكل والكادميوم، وکان يتم إنتاجها سنويًا. بحلول منتصف التسعينيات، شكلت بطاريات النيكل والكادميوم غالبية البطاريات القابلة لإعادة الشحن في التطبيقات المنزلية.

هيكل بطاريات النيكل والكادميوم

بطارية النيكل والكادميوم هي بطارية قابلة لإعادة الشحن يستخدم فيها أكسيد النيكل والكادميوم ومحلول هيدروكسيد البوتاسيوم بتركيز 20 إلى 35٪ من الحجم الكلي لمحلول الإلكتروليت. مع زيادة عدد مرات تفريغ البطارية ، يقل عمرها ، لكن بطارية النيكل والكادميوم لها دورة تفريغ أطول من البطاريات الأخرى المماثلة.

تم تقييد إنتاج بطارية النيكل والكادميوم بسبب المخاطر البيئية للكادميوم وتم استبدالها ببطاريات الليثيوم وهيدريد النيكل. تتميز هذه البطارية بكثافة كتلة وحجم أعلى من بطارية حمض الرصاص وهي أغلى ثمناً. عادة ما يتم إنتاج البطاريات التي تحتوي على هذا التركيب الكيميائي في أحجام مختلفة وتستخدم في المكانس والهواتف والمثاقب اللاسلكية، والألعاب القابلة للتحكم.

تطبيقات بطاريات النيكل والكادميوم

يمكن تعبئة خلايا النيكل والكادميوم كخلايا مفردة أو متعددة. يمكن استخدام الخلايا الصغيرة في تطبيقات مثل ألعاب الأطفال أو الأجهزة الإلكترونية المحمولة. تُستخدم بطاريات النيكل والكادميوم بشكل أساسي في الهواتف اللاسلكية وإضاءة الطوارئ وأجهزة الكمبيوتر والألعاب. تُستخدم بطاريات النيكل والكادميوم الكبيرة في السيارات الكهربائية والقوارب وأنظمة الطاقة في حالات الطوارئ وبادئ تشغيل الطائرات.

شحن بطاريات النيكل والكادميوم

يمكن شحن خلايا النيكل والكادميوم بسرعات مختلفة ، اعتمادًا على هيكل البطارية. يتناسب تيار شحن البطارية عادةً مع السعة الاسمية للبطارية ويمكن أن يتراوح من 0.1 أمبيرساعة اسمية إلى 4 أضعاف الساعة الاسمية المقدرة ، على الرغم من أنه نادرًا ما يتم استخدامه.

كلما زاد تيار شحن البطارية ، زادت درجة حرارة البطارية بشكل أسرع. بالطبع ، عملية شحن بطارية النيكل والكادميوم هي عملية ماصة للحرارة ، ولكن عندما تقترب البطارية من الشحن الكامل ، ترتفع درجة حرارتها بسرعة إلى 45 إلى 50 درجة مئوية ، وتلاحظ بعض أجهزة الشحن الشحن الكامل للبطارية من خلال درجة الحرارة وتقوم بتوقف عملية الشحن تلقائیا.

تفريغ بطاريات النيكل والكادميوم

ترتبط سرعة تفريغ بطارية النيكل والكادميوم على حجمها. على سبيل المثال، في الحجم A، يمكن أن تكون سرعة التفريغ 1.8 أمبير ، وبالنسبة للحجم D ، يمكن أن تصل إلى 3.5 أمبير. على سبيل المثال، يمكن استخدام بطارية صغيرة نسبيًا في طائرة أو قارب بحاجة إلی تیار کبیر يصل إلى حوالي 100 أمبير لمدة 5 إلى 6 دقائق لبدء تشغيل المحرك. ومع ذلك ،في التطبيقات التي تتطلب كثافة طاقة عالية، يمكن استخدام بطاريات ليثيوم بوليمر أو بطاريات فوسفات حديد الليثيوم.

بطارية النيكل والمعدن الهجينة

بطارية النيكل والمعدن الهجينة (باختصار: NIMH) هي نوع من أنواع البطاريات القابلة لإعادة الشحن. يشبه التفاعل الكيميائي عند الأقطاب الموجبة تفاعل خلايا النيكل والكادميوم. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تبلغ سعة بطارية النيكل المعدنية ضعفين إلى ثلاثة أضعاف سعة بطارية النيكل والكادميوم، ويمكن أن تكون كثافة طاقتها قريبة من تلك الموجودة في بطارية ليثيوم أيون.

تطبيقات البطارية النيكل والمعدن الهجينة

بطارية النيكل والمعدن الهجينة مناسبة لأي تطبيق تقريبًا. هذه البطاريات متطورة وغير مكلفة ومثالية للتطبيقات المعقدة. إنها مصممة خصيصًا لمجموعة واسعة من تطبيقات درجة حرارة التشغيل.

تحل تقنية بطاريات النيكل والمعدن محل تقنية بطاريات النيكل والكادميوم المستخدمة في الأجهزة المحمولة والقابلة لإعادة الشحن. تقدم باناسونيك بطاريات قياسية للتطبيقات الشائعة التي توفر قدرًا كبيرًا من الموثوقية في درجات الحرارة المرتفعة والظروف القاسية. تم تصميم هذه البطاريات خصيصًا لتطبيقات الطاقة الشمسية والسيارات والأدوات الكهربائية.

فروق بطاريات النيكل والمعدن الهجينة وبطاريات النيكل والكادميوم

بطاريات النيكل والمعدن الهجينة في وضع أضعف من حيث كثافة الطاقة من بطاريات الليثيوم، ولكن يمكن القول إنها في وضع أفضل مقارنة ببطاريات النيكل والكادميوم. حلت بطاريات النيكل والمعدن الهجينة محل بطاريات النيكل والكادميوم. ميزة هذا النوع من البطاريات على أنواع بطاريات النيكل والكادميوم هي أنها لا تحتوي على ذاكرة شحن. هذا يعني أنه على عكس بطاريات نيكل الكادميوم، يمكن توصيل بطاريات النيكل والمعدن الهجينة بالشاحن في أي وقت.

العمر الافتراضي لبطاريات النيكل المعدنية

يمكن شحن هذه البطاريات بالكامل وتفريغها ما بين 500 و 1000 مرة. يمكن أن يزيد هذا الرقم حتى 4000 مرة من الشحن الكامل والتفريغ، اعتمادًا على جودة الصنع والشركة المصنعة وظروف الصيانة.

بطارية الليثيوم يون

تعد بطارية الليثيوم أيون، وباختصار lithium-ion battery أو Li-ion battery، نوعًا من أنواع البطاريات القابلة لإعادة الشحن التي تُستخدم بشكل شائع في الإلكترونيات المحمولة والسيارات الكهربائية وتزداد شعبيتها كل يوم لاستخدامها في مختلف الصناعات بما في ذلك الصناعة العسكرية وكذلك صناعة الطيران. تولد بطاريات الليثيوم أيون، مثل البطاريات الأخرى، تيارًا مستمرًا باستخدام التفاعلات الكيميائية. عندما يتم شحن البطارية وتفريغها  يتم نقل أيونات الليثيوم بين الأقطاب الموجبة والسالبة (الكاثود والأنود).

تولّد بطاريات الليثيوم أيون مثل أنواع البطاريات الأخرى تيارًا مستمرًا باستخدام التفاعلات الكيميائية. عندما يتم شحن البطارية وتفريغها، يتم نقل أيونات الليثيوم بين الأقطاب الموجبة والسالبة (الكاثود والأنود). بشكل عام، تعتمد مكونات الكاثود على أكاسيد معادن الكوبالت والنيكل والمنغنيز وهي عبارة عن أنودات من الجرافيت.

يتم تصنيع كل من الكاثود والأنود باستخدام هيكل متعدد الطبقات مع أيونات الليثيوم بينهما. عندما يتم شحن بطاريات أيونات الليثيوم، تنتقل أيونات الليثيوم من القطب السالب إلى القطب الموجب، وعندما تكون البطارية قيد الاستخدام، أو في الواقع عند تفريغ البطارية تنتقل أيونات الليثيوم من القطب الموجب إلى القطب السالب.

أدى الاستخدام المتزايد للإلكترونيات المحمولة بين الجمهور، مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، إلى زيادة الطلب على البطاريات القابلة لإعادة الشحن، ومن بينها بطاريات الليثيوم أيون التي تتمتع بأداء وكفاءة أفضل من أنواع البطاريات الأخرى وتنتج أكثر بالمقارنة معها.

تاریخ بطاريات الليثيوم

تم تقديم أول بطاريات الليثيوم من قبل جي.ان.لوييس في عام 1912 ولكن لم يتم طرح أول بطاريات الليثيوم القابلة لإعادة الشحن في السوق إلا في السبعينيات. في عام 1985 ، صنع أكيرا يوشينو نموذجًا أوليًا لبطارية ليثيوم أيون ، بناءً على بحث سابق أجراه عدد من العلماء في عام 1991 تحت قيادة يوشيو نيشي.

الليثيوم هو أخف معدن من بين جميع العناصر وله أعلى جهد كهروكيميائي وينتج أعلى كثافة للطاقة بالنسبة لوزنه. الليثيوم نشط للغاية ومتفاعل ، لذلك لا يوجد بحرية في الطبيعة. قدمت شركة سوني في عام 1991، أول بطارية ليثيوم أيون وبعد ذلك، رحبت بهذا المنتج الشركات الكبرى واحدة تلو أخرى.

كيف تعمل بطارية الليثيوم أيون؟

تتكون بطاريات الليثيوم أيون، مثل أنواع البطاريات الأخرى، من خلايا كهروكيميائية ذات قطبين كهربائيين وإلكتروليت واحد. في عملية شحن بطاريات الليثيوم أيون في القطب الموجب، يتم تحويل الليثيوم إلى أيون الليثيوم الموجب وفي القطب السالب أيون الليثيوم إلى الليثيوم المعدني وثم يتم وضعه بين طبقات القطب. تم إجراء أبحاث كثيرة لتطوير كل من الأقطاب الكهربائية والإلكتروليتات في بطاريات أيونات الليثيوم، ومع إدخال المواد النانوية في هذا البحث، حدثت تغييرات جذرية في أداء بطاريات الليثيوم ويستمر هذا التطور بإنتاج مواد نانوية جديدة.

يتم تخزين طاقة بطارية ليثيوم أيون وإطلاقها، مثل أنواع البطاريات الأخرى، عن طريق نقل الإلكترونات من طرف إلى آخر. عادة في بطاريات الليثيوم أيون، يكون الطرف الموجب للبطارية مصنوعًا من الألومنيوم والطرف السالب للبطارية مصنوع من النحاس. عندما يتم إعادة شحن البطارية بالكامل، تتراكم جميع أيونات الليثيوم حول القطب الموجب أو القطب السالب. السائل الموجود داخل البطارية يسمى الإلكتروليت. تتدفق هذه المادة بين قطبين كهربائيين للبطارية. في بطاريات الليثيوم أيون، يحتوي هذا السائل على أيونات الليثيوم.

ميزات بطارية الليثيوم أيون

عادة ما تكون كثافة الطاقة لبطاريات الليثيوم أيون ضعف تلك الموجودة في بطاريات النيكل والكادميوم، وتكون الإمكانات أعلى من ذلك بكثير. تتمتع هذه البطاريات بخصائص شحن جيدة وتعمل بشكل مشابه جدًا لنيكل كادميوم من حيث التفريغ. يسمح الجهد العالي للخلية (فرق الحمل بين قطبين) بقدر 3.6 فولت باستخدام خلية واحدة في تصميم البطارية. الخلية عبارة عن أنود وكاثود يفصل بينهما إلكتروليت.

تحتوي معظم الهواتف المحمولة اليوم على بطاريات أحادية الخلية، بينما بالنسبة لبطارية النيكل، يجب عليك توصيل ثلاث خلايا بقوة 1.2 فولت على التوالي. تتطلب بطاريات الليثيوم أيون أقل قدر من الصيانة، وهذه ميزة لا يمكن أن تدعيها أنواع البطاريات الكيميائية الأخری.

لا تحتوي هذه البطارية على ذاكرة الشحن ولا يلزم وجود دورة مبرمجة لإطالة عمر البطارية. بالإضافة إلى ذلك، فإن التفريغ التلقائي لبطاريات الليثيوم أيون أقل من نصف تفريغ النيكل والكادميوم، مما يجعله مناسبًا جدًا لتطبيقات قياس الوقود. الأهم من ذلك، أن أيونات الليثيوم تسبب ضررًا طفيفًا جدًا للطبيعة بعد التخلص منها.

هذه البطاريات تتميز بكثافة طاقة عالية ولاتحتاج إلى الشحن طويل الأمد في الاستخدام الأول. يتم تفريغ شحن هذا النوع من البطاريات تلقائيا ومنخفضا نسبيا ولاتحتاج إلى التفريغ الدوري. هذا ويمكن لفئة خصة من بطاريات الليثيوم أيون أن توفر تيارا عاليا جدا لتطبيقات مثل تشغيل الأدوات الكهربائية.