عالم البطارية - الجزء الأول
يبدأ تاريخ البطاريات الحديثة في القرن التاسع عشر، ومعظم التصاميم المستخدمة اليوم تعود إلى هذا القرن. يشهد هذا الوضع، من ناحية، على الأفكار الرائعة للعلماء في ذلك الوقت، ومن ناحية أخرى، على الصعوبات التي تنشأ عند تطوير نماذج جديدة.
هناك أشياء قليلة جيدة جدًا بحيث لا يمكن تحسينها. تنطبق هذه القاعدة أيضًا على البطاريات - فقد تم تعديل نماذج القرن العشرين عدة مرات حتى اتخذت شكلها الحالي. وهذا ينطبق أيضا على خلايا Leclanche.
رابط التحسين
تم تغيير تصميم الكيميائي الفرنسي كارل غاسنر إلى نموذج مفيد حقًا: رخيص الإنتاج وآمن للاستخدام. ومع ذلك، لا تزال هناك مشاكل - حيث يتآكل طلاء الزنك الخاص بالعنصر عند ملامسته للإلكتروليت الحمضي الذي يملأ الوعاء، وقد يؤدي تناثر المحتويات العدوانية إلى إتلاف الجهاز الذي يعمل بالطاقة. وأصبح الحل اندماج السطح الداخلي لجسم الزنك (طلاء الزئبق).
ملغم الزنك عمليا لا يتفاعل مع الأحماض، ولكنه يحتفظ بجميع الخصائص الكهروكيميائية للمعدن النقي. ومع ذلك، نظرًا للوائح البيئية، يتم استخدام هذه الطريقة لإطالة عمر الخلية بشكل أقل فأقل (قد تجد أو على خلايا خالية من الزئبق) (1).
2. رسم تخطيطي للخلية القلوية: 1) السكن (الكاثود الرصاص)، 2) الكاثود الذي يحتوي على ثاني أكسيد المنغنيز، 3) فاصل القطب، 4) الأنود الذي يحتوي على KOH وغبار الزنك، 5) محطة الأنود، 6) ختم الخلية (عازل القطب) . .
هناك طريقة أخرى لزيادة متانة الخلية وعمرها وهي الإضافة كلوريد الزنك ZnCl2 للمعجون لملء الأكواب. غالبًا ما تسمى الخلايا بهذا التصميم بـ Heavy Duty (كما يوحي الاسم) وهي مصممة لتزويد المزيد من الأجهزة المتعطشة للطاقة بالطاقة.
حدث الاختراق في مجال البطاريات التي يمكن التخلص منها في عام 1955. خلية قلوية. اختراع مهندس كندي لويس أوري، الذي تستخدمه شركة Energizer الحالية، له بنية مختلفة قليلاً عن بنية خلية Leclanche.
أولًا، لن تجد كاثودًا من الجرافيت أو كوبًا من الزنك هناك. يتم تصنيع كلا القطبين على شكل معاجين مبللة ومنفصلة (مكثفات بالإضافة إلى الكواشف: يتكون الكاثود من خليط من ثاني أكسيد المنغنيز والجرافيت، ويتكون الأنود من غبار الزنك مع خليط من هيدروكسيد البوتاسيوم)، وتتكون أطرافهما من معدن (2). ومع ذلك، فإن التفاعلات التي تحدث أثناء العملية تشبه إلى حد كبير تلك التي تحدث في خلية ليكلانش.
المهمة. قم بإجراء "تشريح كيميائي" للخلية القلوية لتحديد أن محتوياتها قلوية بالفعل (3). تذكر أن نفس الاحتياطات تنطبق على تفكيك خلية ليكلانش. لتحديد الخلية القلوية، راجع حقل رمز البطارية.
3. "قطع" الخلية القلوية يؤكد المحتوى القلوي.
بطاريات محلية الصنع
4. بطاريات Ni-MH وNi-Cd المحلية.
الخلايا التي يمكن إعادة شحنها بعد استخدامها كانت هدف المصممين منذ فجر علم الكهرباء، ومن هنا تعددت أنواعها.
حاليًا، أحد النماذج المستخدمة لتشغيل الأجهزة المنزلية الصغيرة هو بطاريات النيكل والكادميوم. ظهر النموذج الأولي الخاص بهم في عام 1899، عندما قام مخترع سويدي بذلك. إرنست جونغنر قدمت براءة اختراع لبطارية النيكل والكادميوم التي يمكن أن تنافس البطاريات المستخدمة بالفعل على نطاق واسع في صناعة السيارات. بطارية الرصاص الحمضية.
أنود الخلية هو الكادميوم ، والكاثود مركب نيكل ثلاثي التكافؤ ، والإلكتروليت هو محلول هيدروكسيد البوتاسيوم (في التصميمات الحديثة "الجافة" ، عجينة رطبة من مكثفات مشبعة بمحلول KOH). تحتوي بطاريات Ni-Cd (هذا هو تعيينها) على جهد تشغيل يبلغ 1,2 فولت تقريبًا - وهذا أقل من تلك الموجودة في الخلايا التي يمكن التخلص منها ، والتي ، مع ذلك ، لا تمثل مشكلة بالنسبة لمعظم التطبيقات. الميزة الكبيرة هي القدرة على استهلاك تيار كبير (حتى بضعة أمبير) ومجموعة واسعة من درجات حرارة التشغيل.
5. قبل الشحن، تحقق من متطلبات الأنواع المختلفة من البطاريات.
عيب بطاريات النيكل والكادميوم هو "تأثير الذاكرة" المرهق. يحدث هذا عندما يتم إعادة شحن بطاريات Ni-Cd المفرغة جزئيًا بشكل متكرر: يتصرف النظام كما لو أن سعته تساوي فقط الشحنة التي يتم تجديدها أثناء إعادة الشحن. في بعض أنواع أجهزة الشحن، يمكن تقليل "تأثير الذاكرة" عن طريق شحن الخلايا في وضع خاص.
لذلك، يجب شحن بطاريات النيكل والكادميوم الفارغة في دورة كاملة: أولاً قم بتفريغها بالكامل (باستخدام وظيفة الشاحن المناسبة) ثم قم بشحنها. كما أن إعادة الشحن المتكررة تقلل أيضًا من عمر التصميم الذي يتراوح بين 1000 و1500 دورة (وهذا هو عدد الخلايا التي يمكن التخلص منها والتي سيتم استبدالها ببطارية واحدة طوال عمرها الافتراضي، وبالتالي فإن تكلفة الشراء الأعلى ستدفع تكاليفها عدة مرات، ناهيك عن وضع ضغط أقل بكثير على البطارية). بطارية). البيئة مع إنتاج الخلايا والتخلص منها).
تم استبدال خلايا Ni-Cd التي تحتوي على الكادميوم السام بطاريات هيدريد معدن النيكل (تعيين Ni-MH). يشبه هيكلها بطاريات Ni-Cd، ولكن بدلاً من الكادميوم، يتم استخدام سبيكة معدنية مسامية (Ti، V، Cr، Fe، Ni، Zr، معادن أرضية نادرة) مع القدرة على امتصاص الهيدروجين (4). يبلغ جهد تشغيل خلية Ni-MH أيضًا حوالي 1,2 فولت، مما يسمح باستخدامها بالتبادل مع بطاريات Ni-Cd. قدرة خلايا هيدريد معدن النيكل أكبر من قدرة خلايا النيكل والكادميوم من نفس الحجم. ومع ذلك، فإن أنظمة NiMH تقوم بالتفريغ الذاتي بشكل أسرع. وهناك بالفعل تصميمات حديثة ليس بها هذا العيب، ولكنها أغلى بكثير من النماذج القياسية.
لا تُظهر بطاريات هيدريد معدن النيكل "تأثير الذاكرة" (يمكن إعادة شحن الخلايا المفرغة جزئيًا). ومع ذلك، يجب عليك دائمًا التحقق من متطلبات الشحن لكل نوع في تعليمات الشاحن (5).
في حالة بطاريات Ni-Cd وNi-MH، لا ننصح بتفكيكها. أولا، لن نجد فيها أي شيء مفيد. ثانيا، النيكل والكادميوم ليست عناصر آمنة. لا تتحمل مخاطر غير ضرورية واترك التخلص منها للمهنيين المدربين.
ملك البطاريات...
6. "ملك البطاريات" في العمل.
...بطارية الرصاص الحمضيةتم بناؤه عام 1859 على يد عالم فيزياء فرنسي غاستونا بلانتيغو (نعم ، نعم ، سيبلغ عمر الجهاز 161 عامًا هذا العام!). يتكون المحلول الكهربائي للبطارية من حوالي 37٪ من محلول حامض الكبريتيك (VI) ، وتكون الأقطاب الكهربائية عبارة عن قطب كهربائي (أنود) ومغلف بطبقة من ثاني أكسيد الرصاص PbO.2 (الكاثود). أثناء التشغيل، يتكون راسب من كبريتات الرصاص (II)(II)PbSO على الأقطاب الكهربائية4. عند الشحن، تحتوي خلية واحدة على جهد يزيد عن 2 فولت.
بطارية الرصاص في الواقع، لديه كل العيوب: الوزن الكبير، والحساسية للتفريغ ودرجات الحرارة المنخفضة، والحاجة إلى التخزين في حالة مشحونة، وخطر التسرب الشديد للكهارل واستخدام المعدن السام. بالإضافة إلى ذلك، يتطلب الأمر معالجة دقيقة: التحقق من كثافة المنحل بالكهرباء، وإضافة الماء إلى الغرف (استخدم فقط الماء المقطر أو منزوع الأيونات)، التحكم في الجهد (انخفاض أقل من 1,8 فولت في غرفة واحدة قد يؤدي إلى تلف الأقطاب الكهربائية) ووضع شحن خاص.
فلماذا لا يزال الهيكل القديم قيد الاستخدام؟ يمتلك "ملك البطاريات" ما هو سمة للحاكم الحقيقي - القوة. استهلاك تيار مرتفع وكفاءة طاقة عالية تصل إلى 75٪ (يمكن استرداد هذه الكمية من الطاقة المستخدمة للشحن أثناء التشغيل) ، فضلاً عن التصميم البسيط وتكلفة الإنتاج المنخفضة ، مما يعني ذلك بطارية الرصاص يستخدم ليس فقط لبدء تشغيل محركات الاحتراق الداخلي، ولكن أيضًا كعنصر من عناصر إمداد الطاقة في حالات الطوارئ. على الرغم من تاريخها الممتد لـ 160 عامًا، إلا أن بطارية الرصاص لا تزال تعمل بشكل جيد ولم يتم استبدالها بأنواع أخرى من هذه الأجهزة (ومعها الرصاص نفسه، والذي يعد بفضل البطارية أحد المعادن المنتجة في أكبر كميات). وطالما استمرت المحركات المعتمدة على محركات الاحتراق في التطور، فمن المرجح ألا يكون موقعها مهددًا (6).
لم يتوقف المخترعون أبدًا عن محاولة إنشاء بديل لبطارية الرصاص الحمضية. أصبحت بعض النماذج شائعة ولا تزال تستخدم في صناعة السيارات. في مطلع القرنين التاسع عشر والعشرين، تم إنشاء تصميمات لم يتم فيها استخدام محلول H.2SO4لكن الشوارد القلوية. ومن الأمثلة على ذلك بطارية Ernst Jungner المصنوعة من النيكل والكادميوم الموضحة أعلاه. في عام 1901 توماس الفا اديسون تم تغيير التصميم لاستخدام الحديد بدلاً من الكادميوم. بالمقارنة مع البطاريات الحمضية، فإن النماذج القلوية أخف بكثير، ويمكن أن تعمل في درجات حرارة منخفضة وليس من الصعب التعامل معها. ومع ذلك، فإن إنتاجها أكثر تكلفة وكفاءة الطاقة أقل.
إذن ، ماذا بعد؟
بالطبع ، المقالات المتعلقة بالبطاريات لا تستنفد الأسئلة. لا يناقشون ، على سبيل المثال ، خلايا الليثيوم ، التي تُستخدم أيضًا بشكل شائع لتشغيل الأجهزة المنزلية مثل الآلات الحاسبة أو اللوحات الأم للكمبيوتر. يمكنك معرفة المزيد عنها في مقال يناير حول جائزة نوبل في الكيمياء للعام الماضي ، ومن الناحية العملية - في غضون شهر (بما في ذلك الهدم والخبرة).
هناك آفاق جيدة للخلايا، وخاصة البطاريات. أصبح العالم متنقلًا بشكل متزايد، وهذا يعني الحاجة إلى الاستقلال عن كابلات الطاقة. ويشكل ضمان إمدادات الطاقة الفعالة للسيارات الكهربائية تحديًا كبيرًا أيضًا. - حتى يتمكنوا من منافسة السيارات ذات محرك الاحتراق الداخلي أيضًا من حيث الكفاءة.
بطارية المجمع
لتسهيل تحديد نوع الخلية، تم إدخال رمز أبجدي رقمي خاص. بالنسبة للأنواع الأكثر شيوعًا في منازلنا للأجهزة الصغيرة، فهي على شكل رقم-حرف-حرف-رقم.
وذلك:
- الرقم الأول هو عدد الخلايا ؛ تجاهله للخلايا المفردة ؛
- يشير الحرف الأول إلى نوع الخلية. عندما يكون مفقودًا ، فأنت تتعامل مع رابط Leclanche. يتم تصنيف أنواع الخلايا الأخرى على النحو التالي:
C - خلية الليثيوم (النوع الأكثر شيوعًا) ،
H - بطارية Ni-MH ،
K - بطارية النيكل والكادميوم ،
L - خلية قلوية
- يشير الحرف التالي إلى شكل الرابط:
F - طبق،
R - إسطواني،
P - التسمية العامة للوصلات ذات الشكل غير الأسطواني ؛
- الشكل النهائي أو الأشكال تشير إلى حجم الارتباط (قيم الكتالوج أو تشير مباشرة إلى الأبعاد) (7).
7. أبعاد الخلايا والبطاريات الشعبية.
أمثلة على الوسم:
RX450
- خلية جرافيت من الزنك بحجم الإصبع الصغير. تعيين آخر هو AAA أو.
LR6 - خلية قلوية بحجم الإصبع. تعيين آخر هو AA أو.
HR14 - بطارية Ni-MH ؛ يستخدم الحرف C أيضًا للإشارة إلى الحجم.
KR20 - بطارية Ni-Cd ، والتي تم تمييز حجمها أيضًا بالحرف D.
3LR12 - بطارية مسطحة بجهد 4,5 فولت ، تتكون من ثلاث خلايا قلوية أسطوانية.
6F22 - بطارية 9 فولت ، تتكون من ست خلايا Leclanchet مسطحة.
CR2032 - خلية الليثيوم بقطر 20 مم وسمك 3,2 مم.
انظر أيضا:
