أنواع البطاريات المختلفة وتطبيقاتها

البطارية عبارة عن مجموعة من خلية واحدة أو أكثر تخضع لتفاعلات كيميائية لتوليد تدفق الإلكترونات داخل الدائرة. هناك الكثير من الأبحاث والتطورات الجارية في مجال تكنولوجيا البطاريات ، ونتيجة لذلك ، يتم تجربة التقنيات المتقدمة واستخدامها في جميع أنحاء العالم حاليًا. دخلت البطاريات حيز التنفيذ بسبب الحاجة إلى تخزين الطاقة الكهربائية المولدة. بقدر ما يتم توليد كمية جيدة من الطاقة ، كان من المهم تخزين الطاقة بحيث يمكن استخدامها عندما يكون التوليد معطلاً أو عندما تكون هناك حاجة لتشغيل أجهزة قائمة بذاتها لا يمكن ربطها بالإمداد من التيار الكهربائي. وتجدر الإشارة هنا إلى أنه يمكن تخزين التيار المباشر فقط في البطاريات ، ولا يمكن تخزين تيار التيار المتردد.

تتكون خلايا البطارية عادة من ثلاثة مكونات رئيسية ؛

1. الأنود (القطب السالب)
2. الكاثود (القطب الموجب)
3. المنحلات بالكهرباء

القطب الموجب هو قطب سالب ينتج إلكترونات للدائرة الخارجية التي تتصل بها البطارية. عند توصيل البطاريات ، يبدأ تراكم الإلكترون في القطب الموجب مما يؤدي إلى فرق جهد بين القطبين. ثم تحاول الإلكترونات بشكل طبيعي إعادة توزيع نفسها ، وهذا يمنعه الإلكتروليت ، لذلك عندما يتم توصيل دائرة كهربائية ، فإنها توفر مسارًا واضحًا للإلكترونات للانتقال من القطب الموجب إلى القطب السالب وبالتالي تشغيل الدائرة التي تتصل بها. من خلال تغيير الترتيب والمواد المستخدمة لبناء الأنود والكاثود والإلكتروليت ، يمكننا تحقيق العديد من الأنواع المختلفة من كيميائية البطاريات التي تمكننا من تصميم أنواع مختلفة من خلايا البطارية. في هذه المقالة دعنا نفهم الأنواع المختلفة من البطاريات واستخداماتها، اذا هيا بنا نبدأ.

أنواع البطاريات

يمكن تصنيف البطاريات عمومًا إلى فئات وأنواع مختلفة ، بدءًا من التركيب الكيميائي والحجم وعامل الشكل وحالات الاستخدام ، ولكن تحت كل هذه الأنواع يوجد نوعان رئيسيان من البطاريات ؛

1. البطاريات الأولية
2. البطاريات الثانوية

دعنا نلقي نظرة أعمق لفهم الاختلافات الرئيسية بين الخلية الأولية والخلية الثانوية.

1. البطاريات الأولية

البطاريات الأساسية هي بطاريات لا يمكن إعادة شحنها بمجرد نفادها. البطاريات الأولية مصنوعة من خلايا كهروكيميائية لا يمكن عكس تفاعلها الكهروكيميائي.

توجد البطاريات الأولية بأشكال مختلفة تتراوح من الخلايا المعدنية إلى بطاريات AA. يتم استخدامها بشكل شائع في التطبيقات المستقلة حيث يكون الشحن غير عملي أو مستحيل. وخير مثال على ذلك في الأجهزة العسكرية والمعدات التي تعمل بالبطاريات. سيكون من غير العملي استخدام البطاريات القابلة لإعادة الشحن لأن إعادة شحن البطارية ستكون آخر شيء يدور في ذهن الجنود. تحتوي البطاريات الأساسية دائمًا على طاقة محددة عالية ، كما أن الأنظمة التي يتم استخدامها فيها مصممة دائمًا لاستهلاك كمية منخفضة من الطاقة لتمكين البطارية من الاستمرار لأطول فترة ممكنة.

تتضمن بعض الأمثلة الأخرى للأجهزة التي تستخدم البطاريات الأساسية ؛ صناع السرعة ، وأجهزة تتبع الحيوانات ، وساعات المعصم ، وأجهزة التحكم عن بعد ، وألعاب الأطفال على سبيل المثال لا الحصر

أشهر أنواع البطاريات الأولية هي البطاريات القلوية. لديهم طاقة نوعية عالية وصديقة للبيئة ، وفعالة من حيث التكلفة ولا تسرب حتى عند تفريغها بالكامل. يمكن تخزينها لعدة سنوات ، ولها سجل سلامة جيد ويمكن حملها على متن طائرة دون الخضوع لقواعد النقل التابعة للأمم المتحدة وغيرها من اللوائح. الجانب السلبي الوحيد للبطاريات القلوية هو تيار الحمل المنخفض ، مما يحد من استخدامه للأجهزة ذات المتطلبات الحالية المنخفضة مثل أجهزة التحكم عن بعد والمصابيح وأجهزة الترفيه المحمولة.

2. البطاريات الثانوية

البطاريات الثانوية هي بطاريات بها خلايا كهروكيميائية يمكن عكس تفاعلاتها الكيميائية عن طريق تطبيق جهد معين على البطارية في الاتجاه المعاكس. يشار إليها أيضًا باسم البطاريات القابلة لإعادة الشحن ، يمكن إعادة شحن الخلايا الثانوية على عكس الخلايا الأولية بعد استخدام الطاقة الموجودة على البطارية.

يتم استخدامها عادةً في التطبيقات عالية الاستنزاف والسيناريوهات الأخرى حيث سيكون استخدام بطاريات أحادية الشحن إما باهظ التكلفة أو غير عملي. تُستخدم البطاريات الثانوية ذات السعة الصغيرة لتشغيل الأجهزة الإلكترونية المحمولة مثل الهواتف المحمولة وغيرها من الأدوات والأجهزة بينما تُستخدم البطاريات شديدة التحمل في تشغيل المركبات الكهربائية المتنوعة وغيرها من التطبيقات عالية الاستنزاف مثل تسوية الحمل في توليد الكهرباء. كما أنها تستخدم كمصادر طاقة قائمة بذاتها بجانب محولات لتزويد الكهرباء. على الرغم من أن التكلفة الأولية لاقتناء البطاريات القابلة لإعادة الشحن دائمًا ما تكون أعلى كثيرًا من تكلفة البطاريات الأساسية ، إلا أنها الأكثر فعالية من حيث التكلفة على المدى الطويل.

يمكن تصنيف البطاريات الثانوية إلى عدة أنواع أخرى بناءً على كيميائها . هذا مهم جدًا لأن الكيمياء تحدد بعض سمات البطارية بما في ذلك الطاقة المحددة ودورة الحياة وعمر التخزين والسعر على سبيل المثال لا الحصر.

فيما يلي الأنواع المختلفة للبطاريات القابلة لإعادة الشحن المستخدمة بشكل شائع.

1. ليثيوم أيون (ليثيوم أيون)
2. نيكل كادميوم (Ni-Cd)
3. هيدريد النيكل والمعدن (Ni-MH)
4. حمض الرصاص

1. بطاريات النيكل والكادميوم

بطارية النيكل والكادميوم (بطارية NiCd أو بطارية NiCad) هي نوع من البطاريات القابلة لإعادة الشحن التي تم تطويرها باستخدام هيدروكسيد النيكل والكادميوم المعدني كأقطاب كهربائية. تتفوق بطاريات Ni-Cd في الحفاظ على الجهد الكهربائي وحمل الشحن عند عدم استخدامها. ومع ذلك ، فإن بطاريات NI-Cd تقع بسهولة ضحية لتأثير "الذاكرة" المخيف عند إعادة شحن بطارية مشحونة جزئيًا ، مما يقلل من السعة المستقبلية للبطارية.

بالمقارنة مع الأنواع الأخرى من الخلايا القابلة لإعادة الشحن ، توفر بطاريات Ni-Cd دورة حياة جيدة وأداءً جيدًا في درجات حرارة منخفضة مع قدرة عادلة ، ولكن الميزة الأكثر أهمية لها هي قدرتها على تقديم سعتها الكاملة المقدرة بمعدلات تفريغ عالية. وهي متوفرة بأحجام مختلفة بما في ذلك الأحجام المستخدمة للبطاريات القلوية ، وتستخدم خلايا AAA إلى D. يتم استخدام خلايا Ni-Cd بشكل فردي أو مجمعة في عبوات مكونة من خليتين أو أكثر. تُستخدم العبوات الصغيرة في الأجهزة المحمولة والإلكترونيات والألعاب بينما تجد الأكبر منها تطبيقًا في بطاريات بدء تشغيل الطائرات والمركبات الكهربائية وإمدادات الطاقة الاحتياطية.

بعض خصائص بطاريات النيكل والكادميوم مذكورة أدناه.

• الطاقة النوعية: 40-60W-h / kg
• كثافة الطاقة: 50-150 واط / لتر
• قوة محددة: 150 واط / كجم
• كفاءة الشحن / التفريغ: 70-90٪
• معدل التفريغ الذاتي: 10٪ / شهر
• متانة الدورة / العمر الافتراضي: 2000 دراجة

2. بطاريات هيدريد نيكل ومعدن

هيدريد معدن النيكل (Ni-MH) هو نوع آخر من التكوين الكيميائي المستخدم للبطاريات القابلة لإعادة الشحن. يشبه التفاعل الكيميائي عند القطب الموجب للبطاريات تفاعل خلية النيكل والكادميوم (NiCd) ، حيث يستخدم كلا النوعين من البطاريات نفس هيدروكسيد أكسيد النيكل (NiOOH). ومع ذلك ، فإن الأقطاب السالبة في هيدريد معدن النيكل تستخدم سبيكة ممتصة للهيدروجين بدلاً من الكادميوم المستخدم في بطاريات NiCd

يتم استخدام بطاريات NiMH في الأجهزة عالية الاستنزاف نظرًا لقدرتها العالية وكثافة طاقتها. يمكن لبطارية NiMH أن تمتلك ضعفين إلى ثلاثة أضعاف سعة بطارية NiCd من نفس الحجم ، ويمكن أن تقترب كثافة طاقتها من بطارية ليثيوم أيون. على عكس كيمياء NiCd ، فإن البطاريات التي تعتمد على كيمياء NiCd ليست عرضة لتأثير "الذاكرة" الذي تختبره NiCads.

فيما يلي بعض خصائص البطاريات بناءً على كيمياء هيدريد معدن النيكل ؛

• الطاقة النوعية: 60-120 ساعة / كجم
• كثافة الطاقة: 140-300 واط / لتر
• القدرة النوعية: 250-1000 واط / كجم
• كفاءة الشحن / التفريغ: 66٪ - 92٪
• معدل التفريغ الذاتي: 1.3-2.9٪ / شهر عند 20 ^درجة مئوية
• متانة الدورة / العمر الافتراضي: 180-2000

3. بطاريات ليثيوم أيون

تعد بطاريات الليثيوم أيون من أشهر أنواع البطاريات القابلة لإعادة الشحن. توجد أنواع مختلفة من بطاريات الليثيوم ، ولكن من بين جميع بطاريات الليثيوم أيون هي الأكثر استخدامًا. يمكنك العثور على بطاريات الليثيوم هذه تُستخدم بأشكال مختلفة بشكل شائع بين السيارات الكهربائية والأدوات المحمولة الأخرى. إذا كنت مهتمًا بمعرفة المزيد عن البطاريات المستخدمة في السيارات الكهربائية ، فيمكنك الاطلاع على هذه المقالة حول بطاريات السيارات الكهربائية. توجد في الأجهزة المحمولة المختلفة بما في ذلك الهواتف المحمولة والأجهزة الذكية والعديد من أجهزة البطارية الأخرى المستخدمة في المنزل. وجدوا أيضًا تطبيقات في الفضاء والتطبيقات العسكرية بسبب طبيعتها خفيفة الوزن.

بطاريات الليثيوم أيون هي نوع من البطاريات القابلة لإعادة الشحن حيث تهاجر أيونات الليثيوم من القطب السالب إلى القطب الموجب أثناء التفريغ وتهاجر مرة أخرى إلى القطب السالب عند شحن البطارية. تستخدم بطاريات Li-ion مركب الليثيوم المقحم كمواد قطب كهربائي واحد ، مقارنةً بالليثيوم المعدني المستخدم في بطاريات الليثيوم غير القابلة لإعادة الشحن.

تمتلك بطاريات ليثيوم أيون عمومًا كثافة طاقة عالية ، وتأثير ذاكرة ضئيل أو معدوم ، وتفريغ ذاتي منخفض مقارنة بأنواع البطاريات الأخرى. تختلف كيمياءها جنبًا إلى جنب مع الأداء والتكلفة عبر حالات الاستخدام المختلفة ، على سبيل المثال ، عادةً ما تعتمد بطاريات Li-ion المستخدمة في الأجهزة الإلكترونية المحمولة على أكسيد الكوبالت الليثيوم (LiCoO ₂) الذي يوفر كثافة طاقة عالية ومخاطر أمان منخفضة عند تلفها أثناء Li-ion تعد البطاريات التي تعتمد على فوسفات الحديد الليثيوم والتي توفر كثافة طاقة أقل أكثر أمانًا نظرًا لتقليل احتمالية حدوث أحداث مؤسفة وتستخدم على نطاق واسع في تشغيل الأدوات الكهربائية والمعدات الطبية توفر بطاريات الليثيوم أيون أفضل أداء إلى نسبة الوزن مع توفر بطارية الليثيوم الكبريتية أعلى نسبة.

بعض سمات بطاريات الليثيوم أيون مذكورة أدناه ؛

• الطاقة النوعية: 100: 265W-h / kg
• كثافة الطاقة: 250: 693 واط / لتر
• القدرة النوعية: 250: 340 واط / كجم
• نسبة الشحن / التفريغ: 80-90٪
• متانة الدورة: 400: 1200 دورة
• جهد الخلية الاسمي: NMC 3.6 / 3.85V

4. بطاريات الرصاص الحمضية

بطاريات الرصاص الحمضية هي قوة موثوقة منخفضة التكلفة تستخدم في التطبيقات الشاقة. عادةً ما تكون كبيرة جدًا وبسبب وزنها ، يتم استخدامها دائمًا في التطبيقات غير المحمولة مثل تخزين طاقة الألواح الشمسية وإشعال السيارة والأضواء والطاقة الاحتياطية وتسوية الحمل في توليد / توزيع الطاقة. يعد حمض الرصاص أقدم نوع من البطاريات القابلة لإعادة الشحن ولا يزال وثيق الصلة ومهم للغاية في عالم اليوم. تحتوي بطاريات الرصاص الحمضية على طاقة منخفضة جدًا من حيث الحجم ونسبة الطاقة إلى الوزن ولكنها تتمتع بنسبة طاقة كبيرة نسبيًا ونتيجة لذلك يمكنها توفير تيارات تصاعد هائلة عند الحاجة. هذه السمات إلى جانب تكلفتها المنخفضة تجعل هذه البطاريات جذابة للاستخدام في العديد من التطبيقات الحالية العالية مثل تشغيل محركات بدء تشغيل السيارات والتخزين في مصادر الطاقة الاحتياطية.يمكنك أيضًا التحقق من المقالة حول عمل بطارية الرصاص الحمضية إذا كنت تريد معرفة المزيد عن الأنواع المختلفة لبطاريات الرصاص الحمضية ، وبنيتها وتطبيقاتها.

كل من هذه البطاريات لها أفضل مساحة تناسب والصورة أدناه للمساعدة في الاختيار فيما بينها.

اختيار البطارية المناسبة للتطبيق الخاص بك

إحدى المشاكل الرئيسية التي تعيق الثورات التكنولوجية مثل إنترنت الأشياء هي الطاقة ، ويؤثر عمر البطارية على النشر الناجح للأجهزة التي تتطلب عمرًا طويلاً للبطارية ، وعلى الرغم من اعتماد العديد من تقنيات إدارة الطاقة لجعل البطارية تدوم لفترة أطول ، فلا يزال يتعين اختيار بطارية متوافقة لتحقيق النتيجة المرجوة.

فيما يلي بعض العوامل التي يجب مراعاتها عند اختيار نوع البطارية المناسب لمشروعك.

1. كثافة الطاقة: كثافة الطاقة هي إجمالي كمية الطاقة التي يمكن تخزينها لكل وحدة كتلة أو حجم. يحدد هذا المدة التي يظل خلالها جهازك قيد التشغيل قبل أن يحتاج إلى إعادة الشحن.

2. كثافة الطاقة: أقصى معدل لتفريغ الطاقة لكل وحدة كتلة أو حجم. طاقة منخفضة: كمبيوتر محمول ، i-pod. قوة عالية: أدوات كهربائية.

3. الأمان: من المهم مراعاة درجة الحرارة التي سيعمل بها الجهاز الذي تقوم ببنائه. في درجات الحرارة العالية ، تتعطل بعض مكونات البطارية ويمكن أن تخضع لتفاعلات طاردة للحرارة. تقلل درجات الحرارة المرتفعة بشكل عام من أداء معظم البطاريات.

4. متانة دورة الحياة: هناك حاجة إلى استقرار كثافة الطاقة وكثافة الطاقة للبطارية مع الدورات المتكررة (الشحن والتفريغ) من أجل عمر البطارية الطويل الذي تتطلبه معظم التطبيقات.

5. التكلفة: التكلفة جزء مهم من أي قرارات هندسية ستتخذها. من المهم أن تتناسب تكلفة اختيار البطارية مع أدائها ولن تزيد التكلفة الإجمالية للمشروع بشكل غير طبيعي.