البطارية الأساسية

📅 آخر تحديث: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة
مجموعة متنوعة من الأحجام القياسية للخلايا الأولية. من اليسار: بطارية متعددة الخلايا 4.5 فولت، D، C، AA، AAA، AAAA، A23، بطارية متعددة الخلايا 9 فولت، (أعلى) LR44، (أسفل) CR2032

البطارية الأولية أو الخلية الأولية هي بطارية ( خلية جلفانية ) مصممة للاستخدام لمرة واحدة ثم التخلص منها، وهي غير قابلة لإعادة الشحن على عكس الخلية الثانوية ( البطارية القابلة لإعادة الشحن ). بشكل عام، التفاعل الكهروكيميائي الذي يحدث في الخلية غير قابل للانعكاس، مما يجعلها غير قابلة لإعادة الشحن. عند استخدام الخلية الأولية، تستهلك التفاعلات الكيميائية داخلها المواد الكيميائية التي تولد الطاقة؛ وعند نفادها، تتوقف البطارية عن إنتاج الكهرباء. في المقابل، في الخلية الثانوية ، يمكن عكس التفاعل بتمرير تيار كهربائي فيها باستخدام شاحن بطارية لإعادة شحنها، مما يؤدي إلى تجديد المواد الكيميائية المتفاعلة. تُصنع الخلايا الأولية بأحجام قياسية متنوعة لتشغيل الأجهزة المنزلية الصغيرة مثل المصابيح اليدوية وأجهزة الراديو المحمولة.

تُشكّل البطاريات الأولية حوالي 90% من سوق البطاريات الذي تبلغ قيمته 50 مليار دولار، لكن البطاريات الثانوية تكتسب حصة سوقية متزايدة. يُرمى حوالي 15 مليار بطارية أولية سنويًا حول العالم، وينتهي المطاف بمعظمها في مكبات النفايات. ونظرًا لاحتوائها على معادن ثقيلة سامة وأحماض وقلويات قوية، تُصنّف البطاريات كنفايات خطرة . وتُصنّفها معظم البلديات على هذا النحو، وتتطلب التخلص منها بشكل منفصل. تبلغ الطاقة اللازمة لتصنيع البطارية حوالي 50 ضعف الطاقة التي تحتويها. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] ونظرًا لمحتواها العالي من الملوثات مقارنةً بمحتواها المنخفض من الطاقة، تُعتبر البطارية الأولية تقنية مُهدرة وغير صديقة للبيئة. وبسبب تزايد مبيعات الأجهزة اللاسلكية والأدوات التي لا يُمكن تشغيلها اقتصاديًا بالبطاريات الأولية، والتي تأتي مزودة ببطاريات قابلة لإعادة الشحن، يشهد قطاع البطاريات الثانوية نموًا سريعًا، ويحلّ تدريجيًا محل البطارية الأولية في المنتجات المتطورة.

اتجاه الاستخدام

في أوائل القرن الحادي والعشرين، بدأت الخلايا الأولية تفقد حصتها السوقية لصالح الخلايا الثانوية، مع انخفاض التكاليف النسبية للأخيرة. وانخفضت متطلبات الطاقة للمصابيح اليدوية نتيجة التحول من المصابيح المتوهجة إلى الثنائيات الباعثة للضوء . [ 5 ]

شهد السوق المتبقي منافسة متزايدة من المنتجات الخاصة أو غير المُصنّعة تحت علامات تجارية. وانخفضت الحصة السوقية لأكبر شركتين أمريكيتين مصنّعتين، وهما إنرجايزر ودوراسيل، إلى 37% في عام 2012. وتسعى هذه الشركات الثلاث، إلى جانب رايوفاك، إلى تحويل المستهلكين من بطاريات الزنك والكربون إلى بطاريات قلوية أغلى ثمناً وأطول عمراً . [ 5 ]

نقلت شركات تصنيع البطاريات الغربية إنتاجها إلى الخارج ولم تعد تصنع بطاريات الزنك والكربون في الولايات المتحدة. [ 5 ]

أصبحت الصين أكبر سوق للبطاريات، ومن المتوقع أن ينمو الطلب عليها بوتيرة أسرع من أي مكان آخر، كما تحولت إلى استخدام البطاريات القلوية. أما في الدول النامية الأخرى، فتواجه البطاريات التي تُستخدم لمرة واحدة منافسةً من الأجهزة الرخيصة التي تعمل باللف أو طاقة الرياح أو قابلة لإعادة الشحن، والتي انتشرت بكثرة. [ 5 ]

مقارنة بين الخلايا الأولية والثانوية

تُعدّ الخلايا الثانوية ( البطاريات القابلة لإعادة الشحن ) عمومًا أكثر اقتصادية من الخلايا الأولية. إذ يمكن توزيع تكلفتها الأولية المرتفعة وتكلفة شراء نظام الشحن على دورات استخدام عديدة (بين 100 و1000 دورة)؛ فعلى سبيل المثال، في الأدوات الكهربائية المحمولة، سيكون استبدال حزمة بطاريات أولية عالية السعة كل بضع ساعات من الاستخدام مكلفًا للغاية.

الخلايا الأولية غير مصممة لإعادة الشحن بين التصنيع والاستخدام، ولذلك تتميز بتركيب كيميائي يتطلب معدل تفريغ ذاتي أقل بكثير من أنواع الخلايا الثانوية القديمة؛ إلا أنها فقدت هذه الميزة مع تطوير الخلايا الثانوية القابلة لإعادة الشحن ذات معدلات التفريغ الذاتي المنخفضة للغاية ، مثل خلايا NiMH منخفضة التفريغ الذاتي التي تحتفظ بشحنة كافية لفترة طويلة بما يكفي لبيعها مشحونة مسبقًا. [ 6 ] [ 7 ]

لا تعاني أنواع الخلايا الثانوية الشائعة (وتحديداً خلايا NiMH وخلايا الليثيوم أيون) من فقدان السعة الكبير الذي تعاني منه الخلايا القلوية وخلايا الزنك والكربون وخلايا كلوريد الزنك ("الخلايا شديدة التحمل" أو "شديدة التحمل للغاية") عند سحب تيار عالٍ، وذلك بسبب مقاومتها الداخلية المنخفضة للغاية. [ 8 ]

تُحقق البطاريات الاحتياطية فترات تخزين طويلة جدًا (تصل إلى عشر سنوات أو أكثر) دون فقدان سعتها، وذلك بفصل مكونات البطارية فعليًا وإعادة تجميعها فقط عند الاستخدام. تُعدّ هذه التركيبات مكلفة، ولكنها تُستخدم في تطبيقات مثل الذخائر ، التي قد تُخزّن لسنوات قبل استخدامها.

الاستقطاب

يُعدّ استقطاب الخلايا الأولية أثناء الاستخدام أحد العوامل الرئيسية التي تُقلّل من عمرها الافتراضي . وهذا يعني تراكم الهيدروجين عند المهبط ، مما يُقلّل من كفاءة الخلية. وللحدّ من آثار الاستقطاب في الخلايا التجارية وإطالة عمرها، يُستخدم إزالة الاستقطاب الكيميائي؛ أي إضافة عامل مؤكسد إلى الخلية لأكسدة الهيدروجين إلى ماء. يُستخدم ثاني أكسيد المنغنيز في خلية ليكلانشيه وخلية الزنك والكربون ، بينما يُستخدم حمض النيتريك في خلية بنسن وخلية غروف .

بُذلت محاولات لجعل الخلايا البسيطة ذاتية الاستقطاب عن طريق زيادة خشونة سطح الصفيحة النحاسية لتسهيل انفصال فقاعات الهيدروجين، ولكن دون جدوى تُذكر. ويستبدل الاستقطاب الكهروكيميائي الهيدروجين بمعدن، مثل النحاس (كما في خلية دانييل )، أو الفضة (كما في خلية أكسيد الفضة ).

مصطلحات

المصعد والمهبط

يُطلق على قطب البطارية الذي يُولّد جهدًا موجبًا ( قطب الكربون في الخلية الجافة) اسم المهبط ، بينما يُطلق على القطب ذي القطب السالب ( الزنك في الخلية الجافة) اسم المصعد . [ 9 ] وهذا عكس المصطلحات المستخدمة في الخلية الإلكتروليتية أو أنبوب التفريغ الحراري . والسبب هو أن مصطلحي المصعد والمهبط يُحددان باتجاه التيار الكهربائي، وليس بجهدهما. فالمصعد هو القطب الذي يدخل من خلاله التيار الاصطلاحي (الشحنة الموجبة) إلى الخلية من الدائرة الخارجية، بينما المهبط هو القطب الذي يخرج من خلاله التيار الاصطلاحي من الخلية ويتدفق إلى الدائرة الخارجية. وبما أن البطارية مصدر طاقة يُوفر الجهد اللازم لدفع التيار عبر الدائرة الخارجية، فيجب أن يكون الجهد على المهبط أعلى من الجهد على المصعد، مما يُنشئ مجالًا كهربائيًا موجهًا من المهبط إلى المصعد، لدفع الشحنة الموجبة خارج المهبط عبر مقاومة الدائرة الخارجية.

داخل الخلية، يمثل المصعد القطب الذي تحدث فيه الأكسدة الكيميائية ، حيث يمنح الإلكترونات التي تتدفق منه إلى الدائرة الخارجية. أما المهبط، فيمثل القطب الذي تحدث فيه عملية الاختزال الكيميائي ، حيث يستقبل الإلكترونات من الدائرة.

خارج الخلية، تُستخدم مصطلحات مختلفة. فعندما يتبرع المصعد بشحنة موجبة للإلكتروليت (وبالتالي يحتفظ بفائض من الإلكترونات التي سيتبرع بها للدائرة)، يصبح مشحونًا بشحنة سالبة ، وبالتالي يُوصل بالطرف المُعلّم بعلامة "−" على السطح الخارجي للخلية. أما المهبط، فيتبرع بشحنة سالبة للإلكتروليت، فيصبح مشحونًا بشحنة موجبة (مما يسمح له باستقبال الإلكترونات من الدائرة)، وبالتالي يُوصل بالطرف المُعلّم بعلامة "+" على السطح الخارجي للخلية. [ 10 ]

تحتوي الكتب المدرسية القديمة أحيانًا على مصطلحات مختلفة قد تسبب ارتباكًا للقراء المعاصرين. على سبيل المثال، يصف كتاب مدرسي صدر عام 1911 من تأليف أيرتون وماثر [ 11 ] الأقطاب الكهربائية بأنها "اللوحة الموجبة" و"اللوحة السالبة".

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ هيل ، ماركيتا ك. (2004). فهم التلوث البيئي: مدخل تمهيدي . مطبعة جامعة كامبريدج. ص 274. ISBN  0521527260طاقة البطارية 50 ضعف التلوث البيئي.
  2. ↑ واتس، جون (2006). علوم إدكسل GCSE . ليتس ولونسديل. ص 63. ISBN  1905129637.
  3. ↑ ويستباسترز (2013). دليل المكتب الأخضر: دليل للممارسات المسؤولة . روتليدج. ص 96. ISBN  978-1134197989.
  4. ↑ داناهر، كيفن؛ بيغز، شانون؛ مارك، جيسون (2016). بناء الاقتصاد الأخضر: قصص نجاح من القاعدة الشعبية . روتليدج. ص 199. ISBN  978-1317262923.
  5. 1 2 3 4 "البطاريات: نفدت طاقتها" . مجلة الإيكونوميست . 18 يناير 2014. تاريخ الاسترجاع: 10 فبراير 2014 .
  6. ↑ "عبوة من أربع بطاريات إينيلوب AA" . مؤرشفة من الأصل بتاريخ 20 فبراير 2023. تم الاطلاع عليها بتاريخ 9 يناير 2019 .
  7. ↑ "دراسة التفريغ الذاتي لشركة إينيلوب" . 22 يناير 2007.
  8. ↑ "اختبارات تفريغ بطاريات AA القلوية" .
  9. ↑ دينكر، جون س. (2004). "كيفية تعريف المصعد والمهبط" . انظر كيف تطير . موقع دينكر الشخصي. مؤرشف من الأصل في 28 مارس 2006. تم الاطلاع عليه في 8 سبتمبر 2018 .
  10. ↑ جون س. نيومان، كارين إي. توماس-أليا، الأنظمة الكهروكيميائية ، وايلي-IEEE، الطبعة الثالثة، 2004، ISBN 0-471-47756-7
  11. ↑ دبليو إي أيرتون وتي ماثر، الكهرباء العملية ، كاسيل وشركاه، لندن، 1911، صفحة 170
  • بطاريات غير قابلة لإعادة الشحن