إذا كنت قد بحثت في درج الأداة المساعدة مؤخرًا ، فقد تكون قد لاحظت الأشكال والأحجام والأنواع من البطاريات المختلفة التي تعمل على تشغيل أجهزتك الإلكترونية. أولاً ، هناك خلايا زر مستديرة وغير قابلة للتشغيل للساعات والعناصر الصغيرة. هناك أيضًا بطاريات AA و AAA الشهيرة للآلات الحاسبة والساعات والأدوات التحكم عن بُعد. ثم لديك بطاريات ليثيوم أيون قابلة لإعادة الشحن في أجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف. ولا تنسى بطارية حمض الرصاص في سيارتك.
تم صنع البطاريات الأولى في 1800s ، وكانت بسيطة للغاية. واحدة من المظاهرات الأولى كانت سلسلة من الأقراص المعدنية غارقة في محلول ملحي ، والتي وجدها العالم الإيطالي أليساندرو فولتا تم إنشاؤها تيارًا كهربائيًا. تم تصنيع أول بطارية من حمض الرصاص من بضع قطع من الرصاص في جرة من حمض الكبريتيك. الإصدارات الحديثة ليست مختلفة. إنها أسهل في تصنيعها واحتواءها على العديد من الإضافات لتحسين الأداء.
في جميع الحالات ، تؤدي البطاريات بنفس الطريقة: ينتج اختلاف الجهد بين قطبيين متباينان تيارًا كهربائيًا ، يمكن تفريغه لتشغيل الجهاز. يمكن للبطاريات القابلة لإعادة الشحن عكس هذا التيار لشحن احتياطي. داخل البطارية ، يرافق التيار الكهربائي تدفق الأيونات عبر سائل ، المنحل بالكهرباء.
يرافق مرور كل إلكترون في التيار نقل أيون واحد من خلال المنحل بالكهرباء. الأقطاب الكهربائية التي يمكن أن تخزن المزيد من الأيونات تؤدي إلى بطاريات يمكن أن تحمل المزيد من الرسوم وبالتالي تستمر لفترة أطول في شحنة واحدة. الأقطاب الكهربائية التي تم تصميمها لتخزين أيون أسرع تؤدي إلى بطاريات يمكنها التصريف بشكل أسرع ، للتطبيقات عالية الطاقة. أخيرًا ، يؤدي التمكن من شحن وتصريف عدة مرات دون تحلل إلى بطاريات ذات عمر طويل.
بطاريات حمض الرصاص
كانت بطارية حمض الرصاص هي أول بطارية قابلة لإعادة الشحن التي اخترعها Gaston Plante في عام 1859 ، الذي جرب لوحات الرصاص في محلول الحمضي ووجد أنه يمكن عكس تدفق التيار الكهربائي.
يجب أن تكون بطارية حمض الرصاص كبيرة بما يكفي لتوفير رسوم كافية لبدء سيارة. كما يجب أن يكون قابلاً للاستخدام في المناخات الباردة وسنوات عديدة. نظرًا لأن المنحل بالكهرباء هو حمض تآكل ، يجب أن يكون الغلاف الخارجي صعبًا لحماية الأشخاص وقطع غيار السيارات من أي ضرر محتمل. مع العلم بكل هذا ، من المنطقي أن بطاريات الحمضات الحديثة هي ممتلئة وثقيلة.
البطاريات القلوية
من ناحية أخرى ، يمكن للأجهزة المنزلية مثل الآلات الحاسبة والمقاييس الرقمية استخدام بطاريات أصغر لأنها لا تتطلب الكثير من الرسوم. هذه هي في المقام الأول بطاريات قلوية غير قابلة للتشغيل والتي تم استخدامها لعقود. أحجام الخلايا الموحدة هي AAAA و AAA و AA و C و D ، وكذلك خلايا الأزرار والعملة المعدنية وغيرها الكثير. ترتبط الأحجام بمقدار الشحن الذي تخزينه - كلما كانت البطارية أكبر ، وكلما كانت محتملة - وأحجام الأجهزة التي تعمل بها.
في بعض الأحيان ، قد تجد البطاريات القلوية التي تباع في أشكال مستطيلة ، مثل بطاريات فولت المشتركة 9- ، ولكن افتح الغلاف الخارجي وستجد أنها ببساطة بعض الخلايا الأسطوانية المتصلة معًا. كانت البطاريات الأسطوانية موجودة لفترة طويلة واستخدمت على نطاق واسع لدرجة أنه ليس من المنطقي للشركات تصنيع أي شيء مختلف - سيتطلب استثمارًا لتغيير مرافق التصنيع الخاصة بها ، وهو أمر يفضلونه.
بطاريات ليثيوم أيون
كانت بطاريات النيكل-كادميوم أول بطاريات قابلة لإعادة الشحن على نطاق واسع للإلكترونيات المنزلية وكانت شائعة خلال نهاية القرن العشرين. لكن لديهم عيوبهم. الكادميوم سامة للغاية ، وعانت البطاريات من "تأثير الذاكرة" ، مما قلل من حياتها.
لعدة عقود ، تمت دراسة الليثيوم للاستخدام المحتمل في البطاريات القابلة لإعادة الشحن بسبب خصائصه الفريدة كمعدن خفيف الوزن يخزن الكثير من الطاقة. قامت سوني أولاً بتسويق بطارية الليثيوم أيون في عام 1991.
صنعت الشركة خلايا أسطواني لأن هذه كانت الأسهل في التصنيع. في التسعينيات ، كانت Sony تصنع الكثير من أشرطة Camcorders والأشرطة ، وبالتالي كانت لديها الكثير من المعدات لتصنيع Roll-to-Roll. كان من الطبيعي إعادة عرض هذه الجهاز لإنتاج لفات من أقطاب البطارية ، والتي يتم تصنيعها عن طريق إلقاء أفلام على صفائح من النحاس أو الألمنيوم ثم تدحرجها إلى أسطوانة "لفة الهلام".
الغلاف السميك لهذه الخلايا الأسطوانية قوية من الناحية الميكانيكية ، وإضافة طبقة أخرى من الأمان لديهم صمام تخفيف الضغط. بسرعة كبيرة ، استحوذت خلايا الليثيوم أيون المبكرة على سوق الإلكترونيات المحمولة ، خاصة بالنسبة لأجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف المحمولة ، لأنها تخزين طاقة أكثر واستمرت لفترة أطول من بطاريات النيكل والكاديميوم القابلة لإعادة الشحن.
العوامل التي تشكل البطاريات
تصنع البطاريات بأحجام وأشكال معينة لأسباب التكلفة والتصنيع ، ولكن في حالات أخرى بسبب عمليات التصنيع القديمة. يلعب الطلب على السوق أيضًا دورًا.
على سبيل المثال ، لم تقلع السيارات الكهربائية حتى بدأت تسلا في صنع السيارات باستخدام خلايا بطارية الليثيوم أيون الأسطوانية بدلاً من الحقيبة المستطيلة أو الخلايا المنشورية التي استخدمها صانعو EV الآخرين. يمكن تعبئة الخلايا الحقيقية والمنشورية معًا بشكل وثيق ، ولكن نظرًا لأن الخلايا الأسطوانية كانت موجودة بالفعل على نطاق واسع للإلكترونيات المحمولة ، تمكنت Tesla من صنع EVs منخفضة التكلفة في 2010.
ما هي الأشكال والأحجام التي ستتخذه في المستقبل لا تعتمد فقط على مقدار الطاقة التي تخزنها ، ولكن أيضًا على اقتصاديات السوق - ما مدى سهولة صنع كل نوع من الخلايا ، ومقدار تكاليف صنعها وما يستخدمونه. وهذه العوامل هي مزيج من الابتكار والتاريخ.