ما هي البطاريات الجلفانية؟

ما هي البطاريات الجلفانية:

تُعرف البطاريات الجلفانية (الأيونية السائلة) بأنها بطاريات تعتمد على المذيبات الأيونية لنقل الشحنات الكهربائية بين الأقطاب الكهربائية، ما يعني أنها لا تحتوي على جزء صلب داخلي يحتاج إلى تفكيك أو إعادة تركيب.
تتكون البطاريات الجلفانية عادة من زوجين من الإلكترودات الخاصة مكونة بذلك الأقطاب السالبة والموجبة؛ مثل الكربون والليثيوم، ويفصلهما غشاء مخصص يعمل كمادة وسيطة.

ما الذي يميز البطاريات الجلفانية:

تتمتع البطاريات الجلفانية بعدة مزايا، منها قدرتها على إنتاج الكهرباء بشكل مستمر، وقابليتها لإعادة الشحن، وغيرها؛ مثل:

قابلية التشغيل في درجات حرارة مختلفة:

تتحمل البطاريات الجلفانية درجات حرارة عالية مقارنة بالبطاريات الأخرى، ما يعني أنه يمكن استخدامها في الظروف القاسية والتطبيقات الصناعية.

كفاءة الشحن والتفريغ:

تتمتع البطاريات الجلفانية بكفاءة عالية في عمليات الشحن والتفريغ، فتحتفظ بالشحن لفترة أطول مقارنة بالأنواع الأخرى.

عمر إفتراضي طويل:

تمتع البطاريات الجلفانية بعمر طويل نسبيًا، ما يعني أن حاجتها للصيانة والتبديل أقل بكثير مما تحتاجه البطاريات الأخرى.

صديقة للبيئة:

تتكون البطاريات الجلفانية من مواد صديقة للبيئة، فلا تحتوي على كثير من المواد الضارة، التي تتواجد في البطاريات التقليدية. وكلما أُخذت إلى مرحلة أكثر تطور، تحسنت جودة المواد المستخدمة فيها، وقل استخدام المواد السامة.

تاريخ البطاريات الجلفانية:

تعتبر البطاريات الجلفانية من أحدث التقنيات في عالم البطاريات الكهربائية، وككل اختراع مهم في تاريخ البشرية، أخذت عملية تطويرها فترة لا بأس بها، محدثة بذلك أهم قفزاتها التكنولوجية في القرن العشرين مساهمة بذلك في زيادة عجلة التسارع التكنولوجي.
ففي عام 1898، قام العالم الإيطالي جيوزيبي زامبوني بتطوير أول بطارية جلفانية عن طريق استخدام الجل والتيار الكهربائي. وقد أدى هذا الإختراع إلى تحسين أداء بطاريات الحمض الرصاصي التي كانت تستخدم آنذاك.
وفي العقود اللاحقة، شهدت البطاريات الجلفانية تطورات هائلة، حيث تم تحسين أدائها، وكفاءتها، لتتلائم مع الوظيفة التي صنعت لأجلها دون أن تلحق أضرار متراكمة على البيئة.

وفي عام 1973، تم تطوير أول بطارية جلفانية قابلة للشحن من قبل العالم الأمريكي جون غودنوف. ومنذ ذلك الحين، تم تطوير أنواع مختلفة من البطاريات الجلفانية، بما في ذلك بطاريات الليثيوم الجلفانية التي أصبحت مشهورة في العالم وأصبحت جزءًا لا يتجزأ من أجهزة الهواتف المحمولة، والألواح الذكية، والسيارات الكهربائية.

ما هي آلية عمل البطارية الجلفانية:

تعتمد جميع أنواع البطاريات الجلفانية على نفس الآلية الأساسية لتوليد الكهرباء، فتقوم البطارية بتحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية عن طريق عملية التأكسد والاختزال.

يتكون الجهاز الكهروكيميائي الذي يتم استخدامه في البطاريات الجلفانية من قطبين كهربائيين ووسط كهروليتي يسمى المحلول الجلفاني. يتم وضع القطب السالب في المحلول الجلفاني المكون من مذيب وملح، في حين يتم وضع القطب الموجب في المحلول الجلفاني المكون من أكسدة وخاصية خفض الأيونات.

عند تشغيل البطارية، يبدأ التفاعل الكيميائي بين المحلول الجلفاني والقطبين، مما يؤدي إلى إنتاج الكهرباء. يتم تحريك الإلكترونات من القطب السالب إلى القطب الموجب عبر الدائرة الخارجية، في حين تتحرك الأيونات من المحلول الجلفاني إلى القطب الموجب لإكمال التفاعل الكيميائي.

تتفاوت سرعة تفاعل البطارية وكفاءتها بشكل كبير اعتمادًا على أنواع مختلفة من المواد المستخدمة في المحلول الجلفاني وأنواع القطبين. وبالتالي؛ تختلف البطاريات الجلفانية في الكفاءة والأداء.

أنواع البطاريات الجلفانية:

تشتهر البطاريات الجلفانية بكونها تقدم حلاً مستدامًا وآمنًا لتخزين الطاقة، لذا فإنها تستخدم في مجموعة واسعة من التطبيقات، مثل: استخدامها في معدات الاتصالات والتحكم عن بعد، وأجهزة القياس والمراقبة، وأجهزة التحكم في الصناعة. كما تستخدم في بعض الأجهزة الطبية والتطبيقات العسكرية. وتبعًا لذلك تختلف أنواع البطاريات الجلفانية عن بعضها طبقًا لطريقة توليد الكهرباء وخصائص الأداء.

فيما يلي، سنلقي نظرة على بعض أنواع البطاريات الجلفانية الأكثر شيوعًا:

1. بطاريات الزنك الهوائية:

تُعرف بطاريات الزنك الهوائية باسم بطاريات الهواء المنعش، وتعد هذه البطاريات واحدة من أكثر الأنواع الصديقة للبيئة. تعمل هذه البطاريات عن طريق تفاعل الزنك مع الأكسجين في الهواء، وتوفر هذه العملية كثافة طاقية عالية جدًا. كما أنها تتميز بوزنها الخفيف وحجمها الصغير، ما يجعلها مثالية للاستخدام في الأجهزة الصغيرة مثل الساعات الذكية والسماعات اللاسلكية.

2. بطاريات حمض الرصاص:

تُعد بطاريات حمض الرصاص من الأنواع الأكثر شيوعًا في متوسط الاستخدام اليومي. تعمل هذه البطاريات عن طريق تفاعل حمض الكبريتيك مع الرصاص وأوكسيد الرصاص لتوليد الكهرباء. تتميز بطاريات حمض الرصاص بأنها متينة ورخيصة التكلفة، ولذلك تستخدم في العديد من التطبيقات مثل السيارات وأنظمة الطاقة الشمسية.

3. بطاريات الليثيوم الجلفانية

تُعتبر بطاريات الليثيوم الجلفانية من أكثر الأنواع شيوعًا في التطبيقات الإلكترونية. تستخدم هذه البطاريات تفاعل الليثيوم مع الأكسجين في الهواء لتوليد الكهرباء. كما تتميز بكثافة طاقة عالية وعمر افتراضي طويل، ولذلك تستخدم في العديد من التطبيقات مثل الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة.

مستقبل البطارية الجلفانية:

من المتوقع أن تتحسن تقنية البطاريات الجلفانية في المستقبل، وأن تصبح أكثر كفاءة واقتصادية، مما يزيد من استخداماتها في مختلف المجالات. كما يمكن أن تلعب هذه البطاريات دورًا هامًا في تطوير الطاقة المتجددة والحد من انبعاثات الكربون.

المصادر:

Challenges and prospects of bipolar membranes in solid-state batteries.
Recent advancements in gel polymer electrolytes for lithium-ion batteries.
Electrochemical behavior of gel polymer electrolyte and its influence on performance of Li-ion batteries.
Gel polymer electrolytes for batteries.
Review of selected electrode–solution interactions which determine the performance of Li and Li ion batteries.