في العالم الحديث، أصبحت البطاريات جزءًا أساسيًا من حياتنا اليومية، حيث تعمل على تشغيل كل شيء بدءًا من هواتفنا الذكية وحتى سياراتنا الكهربائية. ولكن هل تساءلت يومًا كيف تعمل، ولماذا يحدث تفريغ البطاريات في النهاية؟
على الرغم من أهميتها، إلا أن البطاريات لها عمر افتراضي محدود، وفي النهاية تفرغ. وحدد الباحثون عدة عوامل يمكن أن تساهم في فشل البطارية. علاوة على ذلك، من الممكن أن تفشل البطاريات القابلة لإعادة الشحن بشكل دائم، على الرغم من أن أسباب ذلك لا تزال غير مفهومة بالكامل.
محتويات المقال :
العلم وراء البطاريات
البطارية في جوهرها عبارة عن جهاز يقوم بتخزين الطاقة على شكل طاقة كيميائية، والتي يتم تحويلها بعد ذلك إلى طاقة كهربائية عند الحاجة. أصبحت عملية التحويل هذه ممكنة بفضل تدفق الإلكترونات والأيونات بين الأنود (الطرف السالب) والكاثود (الطرف الموجب) والإلكتروليت.
عند توصيل البطارية بدارة كهربائية، يتم تحويل الطاقة الكيميائية المخزنة في البطارية إلى طاقة كهربائية. ويحدث هذا من خلال عملية تسمى التفاعلات الكهروكيميائية، حيث تتدفق الإلكترونات من القطب الموجب إلى القطب السالب، مما يخلق تيارًا كهربائيًا. وفي الوقت نفسه، تنتقل الأيونات عبر الإلكتروليت، وهو مادة كيميائية تسهل تدفق الأيونات بين الأنود والكاثود.
ويخلق تدفق الإلكترونات والأيونات دورة مستمرة، مما يسمح للبطارية بتوليد الكهرباء طالما أن الطاقة الكيميائية متوفرة. ويعتمد معدل إطلاق هذه الطاقة على عوامل مختلفة، بما في ذلك نوع البطارية ومقاومتها الداخلية والحمل الخارجي الذي تزوده بالطاقة.
ففي البطارية القلوية (التي نضعها في الألعاب والريموتات)، على سبيل المثال، يتكون الكاثود من ثاني أكسيد المنجنيز، ويتكون الأنود من الزنك. وعندما يتم توصيل البطارية بدارة، يتفاعل الزنك مع ثاني أكسيد المنغنيز، ويطلق الإلكترونات التي تتدفق عبر الدائرة، وينتج تيارًا كهربائيًا.
وفي بطارية الليثيوم أيون (الموجودة في الهواتف الذكية)، يتكون الكاثود من أحد أشكال مركبات الليثيوم، ويتكون الأنود من الجرافيت. ويؤدي التفاعل بينهما إلى إطلاق أيونات الليثيوم، التي تتحرك عبر الإلكتروليت (مادة خاصة سائلة أو هلامية) إلى الكاثود، مما يؤدي إلى توليد تيار كهربائي.
كيف تعمل البطاريات القابلة لإعادة الشحن؟
في البطارية القابلة لإعادة الشحن، يمكن للإلكترونات والأيونات التحرك في أي اتجاه عبر الدائرة والإلكتروليت. عندما تتحرك الإلكترونات من الكاثود إلى الأنود، فإنها تزيد من الطاقة الكيميائية الكامنة، وبالتالي تشحن البطارية؛ وعندما تتحرك في الاتجاه الآخر، فإنها تحول هذه الطاقة الكيميائية الكامنة إلى كهرباء في الدائرة وتفرغ البطارية.
وأثناء شحن أو تفريغ البطاريات، تتحرك الأيونات المشحونة بشكل معاكس داخل البطارية عبر الإلكتروليت لموازنة شحنة الإلكترونات التي تتحرك عبر الدائرة الخارجية وإنتاج نظام قابل لإعادة الشحن ومستدام.
وللأسف، لا تزال البطاريات القابلة لإعادة الشحن قابلة للفشل بشكل دائم. وسبب حدوث هذا هو مجال بحث مستمر، لأن الأسباب تميل إلى أن تكون خاصة بالكيمياء. إن جزءًا من المشكلة هو أن التفاعل الكيميائي لا يمكن عكسه بنسبة 100%، وبالتالي فإن التركيبات الكيميائية الداخلية للبطارية تتغير تدريجيًا عما كانت عليه في الأصل.
وتلاحظ إحدى المراجعات التي أجريت في عام 2016 حول هذه الظاهرة أن جميع البطاريات تظهر خسائر في الأداء أثناء فترة عملها تتضمن انخفاضًا تدريجيًا في السعة وزيادة في المقاومة الداخلية، مما يؤدي إلى انخفاض الجهد وفقدان الطاقة.
تاريخ موجز لتطوير البطارية
إن تطور البطاريات هو قصة تمتد لقرون، مع العديد من الاكتشافات والابتكارات التي أدت إلى البطاريات الحديثة التي نستخدمها اليوم. أقدم بطارية معروفة كانت بطارية بغداد، التي تم اكتشافها في العراق ويعود تاريخها إلى حوالي 250 قبل الميلاد.
بدأ العصر الحديث لتطوير البطاريات في القرن الثامن عشر مع الفيزيائي الإيطالي أليساندرو فولتا، الذي اخترع أول بطارية كهروكيميائية، والمعروفة باسم العمود الفولتوي. كانت هذه عبارة عن كومة من أقراص النحاس والزنك المتناوبة مفصولة بالكرتون المنقوع في المياه المالحة، وتنتج تيارًا كهربائيًا ثابتًا.
وعلى مدار القرن التالي، واصل العلماء والمخترعون تحسين تكنولوجيا البطاريات وتحسينها. في ستينيات القرن التاسع عشر، قام المهندس الفرنسي جورج لوكلانشيه بتطوير أول بطارية قابلة لإعادة الشحن، والمعروفة باسم خلية لوكلانشيه (Leclanché cell). استخدم هذا أنود الزنك وكاثود ثاني أكسيد المنغنيز، وكان مقدمة للبطاريات القلوية الحديثة.
جاء الإنجاز الرئيسي التالي في الخمسينيات من القرن الماضي مع تطوير بطارية النيكل والكادميوم (Ni-Cd). وكانت هذه أول بطارية قابلة لإعادة الشحن يتم استخدامها على نطاق واسع في الأجهزة المحمولة، وظلت التكنولوجيا السائدة لعدة عقود.
ومع ذلك، كان لبطاريات Ni-Cd عدة عيوب، بما في ذلك المواد السامة وكثافة الطاقة المحدودة. في التسعينيات، أحدث تطوير بطاريات الليثيوم أيون (Li-ion) ثورة في الصناعة. تستخدم بطاريات الليثيوم أيون كاثود أكسيد الكوبالت الليثيوم وأنود الجرافيت، وتوفر كثافة طاقة أعلى بكثير وعمرًا أطول من التقنيات السابقة.
تفريغ البطاريات
بالنسبة للبطاريات القلوية، يتوقف التفاعل عندما يتفاعل الزنك بالكامل مع ثاني أكسيد المنغنيز. عند هذه النقطة، تكون البطارية فارغة. لكن درجة الحرارة يمكن أن تؤثر على مدى سرعة حدوث ذلك. فعند تبريد البطارية، تتباطأ التفاعلات الكيميائية بداخلها، مما ينتج تيارًا أقل. وإذا استمرت درجة الحرارة في الإنخفاض، فسوف تصل إلى نقطة حيث لا تكون كمية التيار المتولد كافية لتشغيل جهازك، وتصبح البطارية فارغة بشكل مؤقت.
ونظرًا لأن التفاعلات الكيميائية لن تبدأ إلا عند توصيل الأطراف، يمكن للبطارية القلوية غير المستخدمة أن تظل على الرف لمدة عام ولا تزال تحمل الكثير من الطاقة. ومع ذلك، تحتوي البطارية فقط على كمية ثابتة من المواد المتفاعلة، وبمجرد استخدامها، تتوقف التفاعلات الكيميائية وتنفذ البطارية.
من ناحية أخرى، قد يكون ترك البطارية ترتفع حرارتها أمرًا خطيرًا. حيث يمكن أن تقع بطاريات الليثيوم أيون فريسة للهروب الحراري (thermal runaway)، وهي ظاهرة تدخل فيها خلية ليثيوم أيون في حالة تسخين ذاتي لا يمكن السيطرة عليها. مما يؤدي إلى درجات حرارة عالية للغاية، ودخان، وحتى نشوب حريق. كما يمكن أن تؤدي البطاريات المتسربة أيضًا إلى تقصير عمرها الافتراضي، حيث تتسرب المكونات الكيميائية، مما يقلل من كمية المواد المتفاعلة بالداخل.
ومن المثير للاهتمام أن هاتفك الذكي يفقد الشحن بشكل أسرع عندما تكون بطاريته منخفضة بسبب انخفاض جهد البطارية أثناء تفريغها. وينخفض جهد البطارية بشكل أسرع بكثير في نهاية عمرها، ومن ناحية أخرى، يستمر جهازك في طلب نفس القدر من الطاقة.
ونظرًا لأن الطاقة تساوي التيار مضروبًا في الجهد، فإن الطريقة الوحيدة للحفاظ على نفس المستوى هي زيادة مقدار التيار عندما ينخفض الجهد.
نصائح لإطالة عمر البطارية والتخلص منها بشكل مسؤول
الآن بعد أن تعمقنا في عالم البطاريات، حان الوقت للحديث عن كيفية تحقيق أقصى استفادة منها. مع القليل من العناية والاهتمام، يمكنك إطالة عمر البطاريات الخاصة بك والتأكد من أنها لا تضر البيئة عند الانتهاء منها في النهاية. فيما يلي بعض النصائح المهمة لمساعدتك في تحقيق أقصى استفادة من البطاريات:
- قم بتخزينها بشكل صحيح: احتفظ بالبطاريات في مكان بارد وجاف بعيدًا عن الأجسام المعدنية لمنع التآكل.
- تجنب درجات الحرارة القصوى: قد تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى تدهور البطاريات بشكل أسرع، بينما قد تؤدي درجات الحرارة المنخفضة إلى تقليل أدائها.
- استخدم الشاحن الصحيح: تأكد من أنك تستخدم الشاحن المناسب لبطارياتك لتجنب الشحن الزائد، مما قد يقلل من عمرها الافتراضي.
- مراقبة صحة البطارية: راقب أداء البطارية واستبدلها عند الضرورة لتجنب الأعطال غير المتوقعة.
من الضروري التخلص من بطارياتك عندما تصل إلى نهاية عمرها الافتراضي وتفرغ بطريقة مسؤولة لمنع الإضرار بالبيئة. فيما يلي بعض الطرق للقيام بذلك:
- إعادة تدويرها: يمكن إعادة تدوير العديد من البطاريات، مما يقلل الطلب على المواد الخام ويقلل النفايات.
- اصطحبهم إلى نقطة تجميع النفايات المنزلية الخطرة: حيث تخصص العديد من المجتمعات مرافق مخصصة لجمع النفايات الخطرة، بما في ذلك البطاريات.
- قم بربط أطراف بطارية الليثيوم أيون أو ضع البطاريات في أكياس بلاستيكية منفصلة ولا تضع هذه البطاريات أبدًا في صناديق القمامة المنزلية أو إعادة التدوير لمنع الحرائق الناجمة عنها
المصدر
Why Your Batteries Die (Even The Rechargeable Ones) | iflscience
Author: أخبار علمية
سعدنا بزيارتك، جميع مقالات الموقع هي ملك موقع الأكاديمية بوست ولا يحق لأي شخص أو جهة استخدامها دون الإشارة إليها كمصدر. تعمل إدارة الموقع على إدارة عملية كتابة المحتوى العلمي دون تدخل مباشر في أسلوب الكاتب، مما يحمل الكاتب المسؤولية عن مدى دقة وسلامة ما يكتب.
التعليقات :