بحث عن البطاريات في الكيمياء
تتكوّن البطّاريّات من خليّة كهروكيميائيّة أو أكثر، تقوم بتخزين الطّاقة الكيميائيّة لتحويلها لاحقًا إلى طاقة كهربائيّة، وعلى الرّغم من وجود مجموعة متنوّعة من الخلايا الكهروكيميائيّة، إلّا أنّ البطاريات تتكوّن عمومًا من خلية فولتيّة واحدة على الأقل، وتحدث التّفاعلات الكيميائيّة وتوليد الطّاقة الكهربائيّة في الخلية الفولتيّة من تلقاء نفسها، على عكس التّفاعلات في الخلايا الكهربائيّة وخلايا الوقود. يُشار أيضًا إلى الخلايا الفولتيّة بالخلايا الجلفانيّة، ويتمُّ استخدام البطاريات في العديد من الأجهزة يوميًّا، مثل الهواتف المحمولة، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، والسّاعات، والسّيّارات.
مقدمة عن اكتشاف البطاريات
- صاغ بنجامين فرانكلين مصطلح البطاريات لأوّل مرّة في عام 1749، أثناء إجراءه تجارب على الكهرباء، ولم تكن هذه البطاريات الأولى في العالم، بل يُعتقد أنّ بطاريات بغداد التي اكتُشِفَت في عام 1936، وعمرها يزيد عن ألفيّ عام، كانت من أوائل البطاريات على الإطلاق، على الرّغم من أنّ الغرض الدّقيق منها ما زال قيد الدّراسة.
- في عام 1780 أنشَأ لويجي غالفاني لأوّل مرّة تيّارًا كهربائيًّا عبر ضفدع، وكان بمثابة بطّاريّة، ولكنّ مُعاصِره العالم ألساندرو فولتا كان مقتنعًا أنّ الكهرباء لم تكن صادرة من الضّفدع، وفي عام 1800 أنتَج أوّل بطّاريّة فولتيّة.
- في عام 1836 أنشأ الكيميائيّ جون فريدريك دانييل خليّة دانييل الكهروكيميائيّة، وحاول التّغلّب على بعض المشاكل الموجودة في بطّاريّة فولتا،
- في عام 1844 اخترع العالم الفيزيائيّ ويليام روبرت جروف أوّل بطّاريّة قابلة للشّحن، وصُنعت على يد الفيزيائيّ غاستون بلانتي في عام 1859، وكانت مصنوعة من خليّة حمض الرّصاص، وبعدها بعام تمَّ اختراع بديل عن بطّاريّات دانييال،
- في عام 1866 اخترع جورج لوكلانشيه خليّة لوكلانشيه، وحتّى هنا كانت جمع البطاريات تتكوّن من خلايا رطبة.
- في عام 1887، أنشأ كارل غاسنر أوّل بطّاريّة جافّة، مصنوعة من خليّة كربون وزنك.
- تمّت صناعة بطّاريّة النّيكل والكادميوم في عام 1899 بواسطة المخترع فالدمير جونجر، بالإضافة إلى اختراعه لبطّاريّة النّيكل والحديد في نفس العام، ولكنّه لم ينجح في تسجيل براءة اختراع لها، وفي عام 1903 قام توماس إديسون بتعديلها قليلًا وحاز على براءة اختراعها.
- في سبعينيّات القرن العشرين تمّ اختراع بطّاريّة هيدروجين النّيكل، وفي الثّمانينات تمّ اختراع بطّاريّات هيدريد معدن النّيكل.
- في عام 1955 قام لويس أوري باختراع البطّاريّة القلويّة الشّائعة.
- في عام 1912 تمّ اختراع بطّاريّات اللّيثيوم، ولكنّها تطوّرت أكثر في عام 1996 عند اختراع بطّاريّة ليثيوم بوليمر، المستخدَمة في معظم الأجهزة الإلكترونيّة المحمولة اليوم.
تتكوّن الخلايا الفولتيّة من تفاعل نصفيّ الخليّة (الأكسدة والاختزال)، ويرتبطان معًا عبر غشاءٍ نصف نافذ يكون في العادة محلولًا مِلحيًّا، ويحتوي كلُّ جانب من جوانب الخليّة على معدن يعمل كقطب أحدهما سالب، والآخر موجب، وعند صناعة البطّاريّة يتمُّ تقليل جانب الخليّة السّالب، ممّا يعني أنّها تكتسب الإلكترونات وتعمل كعامل مؤكسد للجانب الموجب، وجانب الخليّة الموجب هو مكان حدوث الأكسدة، ممّا يعني أنّها تفقد الإلكترونات وتعمل كعامل اختزال للسّالب، ويتمُّ غمر القطبين في وسط ناقل للكهرباء إمّا جل أو سائل أيونيّ، ويقوم بتدريج التّركيز على كلا جانبي التّفاعل، وحركة الإلكترونات بين قطبيّ التّفاعل تُنتج الطّاقة وتُستخدم لتشغيل البطّاريّة.
ملاحظة: يتمُّ فصل الخلايا الفولتيّة إلى قسمين لأنّ التّفاعل الكيميائيّ تلقائيّ، وإذا حدث التّفاعل من دون هذا الفصل، ستصدر الطّاقة على شكل حرارة ولن تكون البطّاريّة فعّالة.
أنواع البطاريات
تنقسم البطاريات إلى نوعين رئيسيّين هما:
- البطاريات الأوّليّة: وهي البطاريات غير القابلة للشّحن، ويمكن التّخلُّص منها. تكون التفاعلات الكهروكيميائيّة في هذه البطاريات على الوجهين، حيث يتمُّ استخدام الموادِّ الموجودة في الأقطاب الكهربائيّة بشكل كامل، وبالتّالي لا يمكن إعادة توليد الكهرباء، وغالبًا ما تستخدم البطاريات الأوليّة عندما تكون هناك حاجة لفترات تخزين طويلة، حيث يكون معدّل تفريغها أقلَّ بكثير من البطاريات الثانويّة، وأكثر استخدامها في أجهزة التّحكّم عن بُعد، والكشّافات اليدويّة.
- البطاريات الثّانويّة: هي البطاريات القابلة للشّحن، وتخضع هذه البطاريات للتّفاعلات الكهروكيميائيّة التي يمكن عكسها بسهولة، لأنّ المكوّنات التي تتفاعل فيها لا تُستَهلَك بالكامل وتحتاج البطاريات الثّانويّة مصدرًا كهربائيًّا خارجيًّا لإعادة شحنها بعد أن تنفق طاقتها. أبرز استخدامات البطاريات الثانوية هي بطاريات السّيّارات والأجهزة الإلكترونيّة المحمولة.
تتكوّن البطاريات من نوعين من الخلايا هما:
- الخلايا الرّطبة: تحتوي البطاريات التي تتكونّ من خلايا رطبة على الكهرباء السّائلة، ويُمكن أن تكون بطاريّات أوّليّة أو ثانويّة، وبسبب الطّبيعة السّائلة للخلايا الرّطبة، يتمّ استخدام أوراق عازلة لفصل القطبين الموجب والسّالب، ومن الأمثل على الخلايا الرّطبة خلايا دانييل، وخلايا لوكلانشيه التي تُستخدم أصلًا في الخلايا الجافّة، وخلايا بنسن، وخلايا ويستون، وخلايا حمض الكروميك، وخلايا جروف، وخلايا حمض الرّصاص في بطّاريّات السّيّارات.
- الخلايا الجافّة: لا يوجد في البطاريات التي تتكوّن من الخلايا الجافّة سائل كهربائيّ، بدلًا منه يوجد عجينة رطبة بدرجة كافيّة للسّماح بتدفّق التّيار خلالها، ويتيح هذا تشغيل بطاريات الخلايا الجافّة في أيّ وضع دون القلق بشأن فقدان محتوياتها، وهذا هو السّبب في أنّ بطاريات الخلايا الجافّة تستخدم بشكل شائع في المنتجات التي يتمّ نقلها بشكل متكرّر ومقلوب، مثل الأجهزة الإلكترونيّة المحمولة، ومن الممكن أن تكون بطاريات الخلايا الجافّة إمّا بطاريات أوّليّة أو ثانويّة، وأكثر بطاريات الخلايا الجافّة شيوعًا هي خلية لوكلانشيه.
تعتمد قدرة البطاريات مباشرة على الأقطاب الكهربائيّة وموادِّ المنحل بالكهرباء (الوسط النّاقل للإلكترونات) داخل الخليّة. يمكن أن تفقد البطاريات الأوّليّة حوالي 8٪ إلى 20٪ من الشّحن على مدار العام دون أيّ استخدام؛ وهذا بسبب تفاعلات كيميائيّة جانبيّة لا تُنتج تيّارًا، ويمكن إبطاء معدّل التّفاعلات الجانبيّة عن طريق خفض درجة الحرارة؛ لأنّ درجات الحرارة الأكثر دفئًا يُمكن أن تؤدّي إلى خفض أداء البطاريات من خلال تسريع التّفاعلات الكيميائيّة الجانبيّة، كما أنّ تراكم الهيدروجين في القطب السّالب في البطاريات الأوّليّة يعمل على تقليل فاعليّتها، ويمكن استخدام مزيلات الرّطوبة لإزالة تراكم الهيدروجين.
تتفرّغ البطاريات الثّانويّة بسرعة أكبر من الأوّليّة، وعادة ما تفقد 10% من قدرتها كلَّ شهر، كما أنّها تفقد قدرتها تدريجيًّا مع كلِّ شحن؛ وهذا بسبب الموادِّ المتفاعلة التي تسقط من الأقطاب الكهربائيّة أو الشوارد التي تخرج من الأقطاب الكهربائيّة.