تاريخ البطارية
البطارية.. خلية «قديمة» لحياة «عصرية»
بقدر ما غدا الإنسان عاجزاً عن تصور حياته دون الأجهزة الإلكترونية من ساعات وجوالات وأجهزة تحكم عن بُعد وحواسيب محمولة وصولاً إلى المعدات الكبيرة، ترتبط حياة هذه الأجهزة بقطعة أساسية تتحكم بأدائها وفعاليتها. وتلك القطعة التي تكمن داخل كل جهاز أكان صغيراً أم كبيراً، هي البطارية، خزان الطاقة ومصدرها المتنقل، بأحجام مختلفة وأنواع متعددة. في هذا المقال تجول الباحثة زينب أباحسين، في عالم البطاريات من تاريخ اكتشافها وطريقة عملها وأنواعها والفروق بينها وصولاً إلى واقعها وما يخبئه المستقبل لها.
تُعرَّف البطارية بأنها خلية أو عدة خلايا كهروكيميائية، تقوم بتحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية. ولا يزال العلماء وشركات ومصانع البطاريات، يعملون على تطوير البطاريات واختراع أشكال جديدة تتوافق مع متطلبات اليوم، لكن مبدأ العمل هو نفسه ذلك الذي اكتشفه الأولون.
ففي عام 1888م، تم إنتاج أولى البطاريات للاستخدام التجاري في أمريكا تحت اسم «بطارية كولمبيا الجافة»، صنعتها «شركة الكربون الوطنية» التي تحوَّل اسمها إلى (The Eveready Battery Company)، وفي العقود اللاحقة توسعت هذه الصناعة حتى غدت قطاعاً اقتصادياً مهماً يقدَّر بـ 4.8 مليار دولار سنوياً، وفق إحصاءات عام 2005م.
اكتشاف البطارية يرجع اختراع البطارية إلى تاريخ اكتشاف التيار الكهربائي، أو الكهرباء المتحركة عام 1780م على يد العالم لويجي جلفاني. وتُروى طريقة اكتشافه لها كقصة طريفة حدثت صدفة في مختبره حينما لامست ساق ضفدع شريحتين معدنيتين مختلفتين، فظهر فيها أثر كهربائي مستمر. في البداية، ظن جلفاني، أن هذه الكهرباء أتت من جسم الضفدع وربط ذلك بالأعصاب، وسمَّى هذه الظاهرة باسم «الكهرباء الحيوانية». إلا أن هذه الظاهرة فسَّرها من بعده أليسندرو فولتا، إذ اكتشف أن الكهرباء أتت من شرائح المعدن وليس من ساق الضفدع. وخلال الأعوام التالية عمل فولتا على تطوير ما يعرف بخلية «جلفاني» (نسبة إلى العالم جلفاني وتكريماً له).
وتتكون «الخلية الجلفانية» في مبدأ عملها البسيط، من جزءين: كل جزء يحتوي على معدن مغموس في محلول ملحي للمعدن نفسه، ويتم وصل الجزءين بجسر ملحي. كل محلول يكون متعادلاً كهربائياً وتتساوى فيه الأيونات السالبة مع الأيونات الموجبة، لكن عند حدوث الأكسدة والاختزال تتحلل جزيئات المعدن أو تختزل إلى أيونات موجبة وأيونات سالبة، فيصبح المحلول في كل خلية غير متعادل كهربائياً.
وهكذا عند وصل القطبين أو المعدنين بسلك، فإن الإلكترونات تنتقل من المحلول ذي الشحنة السالبة إلى المحلول ذي الشحنة الموجبة من أجل الوصول إلى حالة التعادل، أي أنه في نصف الخلية الذي تحصل فيه الأكسدة، ستتكون الأيونات السالبة وستتكتل عند اللوح المعدني وستبدأ بتفريغ الشحنات السالبة فيه، فيسمى اللوح بـ «المِصعَد» أو «القطب الموجب». أما النصف الآخر من الخلية، فيحدث فيه الاختزال وتتكون فيه الأيونات الموجبة، ويسمى اللوح المعدني فيه بـ «المِهبَط» أو «القطب السالب» الذي يستقبل الإلكترونات.
البطارية الأولى ما بين عاميّ 1799 و1800م، توصل فولتا نتيجة لملاحظته وتجاربه، إلى اختراع أول بطارية تعطي تياراً مستمراً ولمدة طويلة نسبياً سُميت باسم مركم (من التراكم) فولتا. ووجد أنه عند رصِّ (مراكمة) معدنين مختلفين بعضهما فوق بعض مع الفصل بينهما بطبقة من القماش أو الورق المقوى المشبع بالمياه المالحة، فإننا نحصل على تيار كهربائي. ولهذا صمم فولتا بطارية المركم (سميت بعدها مركم فولتا أو بطارية فولتا) عن طريق تكديس أزواج متناوبة من أقراص النحاس أو الفضة مع أقراص الزنك لتكون هذه الأقراص عبارة عن الأقطاب الكهربائية. وقام بفصلها بعضها عن بعض بورق مُقوَّى مشبع بمحلول ملحي ليعمل محل المنحل (electrolyte) الكهربائي ثم ربط الجزء العلوي من البطارية بالجزء السفلي بسلك ليحصل على تيار كهربائي مستمر.
قفزة عملاقة وفي عام 1836م، كانت القفزة العملاقة في تاريخ البطاريات عندما طوَّر العالم الإنجليزي فريدريك دانيل بطارية عُرفت باسم «خلية دانيل» أو بطارية الجاذبية. وهذه الخلية عبارة عن قارورة أو وعاء زجاجي توضع في أسفلها شريحة النحاس التي تمثِّل مهبط الإلكترونات، ثم يتم وضع محلول كبريتات النحاس حتى منتصف الوعاء، ثم يتم تعليق مصعد الإلكترونات المتمثل بشريحة الزنك ويضاف محلول كبريتات الزنك. ومع أن السائلين لا يمتزجان نظراً لاختلاف كثافتهما، فقد توضع أحياناً طبقة عازلة من الزيت بين المحلولين. وعند وصل الشريحتين بسلك ناقل، فإن الإلكترونات تنتقل من المصعد للمهبط لنحصل على تيار كهربائي.
كان من السهل معرفة عمر البطارية بمجرد النظر إليها، وكان بالإمكان إعادة تعبئتها والحصول على التيار مجدداً لكنها كانت تصلح فقط للاستخدام الثابت، لأن تحريكها يؤدي إلى خلط مكوناتها مما يؤدي إلى توقفها من العمل. لقد تم استخدام هذه البطارية من قبل شبكة التلغراف البريطانية الأمريكية حينذاك.
أنواع البطاريات وأشكالها للبطاريات أنواع وأشكال وأحجام مختلفة، تتفاوت ما بين بطاريات ساعات اليد وبطارية السيارة الكهربائية، وهي تقسم إلى نوعين أساسين تتفرع منهما الأشكال المختلفة للبطاريات هما: البطاريات الأولية، وهي بطاريات لا يمكن إعادة شحنها وتُستخدم لمرة واحدة ثم يتم التخلص منها، إذ تنتهي فعاليتها بانتهاء التفاعلات الكيميائية فيها. وهذا النوع يفقد ما بين 8 و%20 من طاقته سنوياً، نتيجة ظاهرة فقد الطاقة الذاتي. أما الشكل الثاني، فيعرف بالبطاريات الثانوية، وهي بطاريات قابلة للشحن وتستخدم مرات عدة، لأن التفاعل الكيميائي فيها يمكن عكسه فتعود إلى حالتها الأولى لدى وصلها بمصدر كهربائي. لهذا النوع من البطاريات عمر محدود، كما أن فعاليتها تتناقص مع مرور الوقت. وتظهر في بعض أنواع هذه البطاريات، خاصية تُعرف بالذاكرة وهي ظاهرة تحدث عندما يتم إعادة شحنها قبل نفاد الطاقة وقبل أن تستهلك كل الطاقة في البطارية.
وتقسم البطاريات حسب نوع المواد المكوِّنة لخلاياها، إلى جافة ورطبة. ويقتصر حالياً، استخدام البطاريات الرطبة على المختبرات والمعاهد والمدارس كوسائل شرح بسبب سهولة تركيبها، وهي لا تصلح إلا للاستخدام الثابت نظراً إلى صعوبة التحكم بها واحتمال سكب مكوناتها بخطأ غير مقصود بسهولة. أما البطاريات الجافة فسهلة الاستخدام وتصلح للأجهزة المتحركة.
أما أنواع البطاريات من حيث طريقة التفاعل فتقسم إلى ما يلي: • بطاريات الزنك والكربون: هذا النوع نجده في البطاريات الجافة من نوع AAA وAA وD وC وهي ذات جهد 1.5 فولت. في هذه البطاريات يكون الزنك هو القطب الموجب أو المصعد وثاني أكسيد المنجنيز هو القطب السالب أو المهبط، ويكون المنحل الكهربائي أو المؤكسد إما كلوريد الزنك أو كلوريد الألمنيوم. • البطاريات القلوية: هذا النوع نجده في البطاريات الجافة من نوع AA وC وD. وسميت بـ «القلوية» بسبب استخدام مادة هيدروكسيد البوتاسيوم كمؤكسد أو منحل كهربائي. وفي هذا النوع، يتكون القطب السالب أو المهبط من خليط ثاني أكسيد المنجنيز ويستخدم مسحوق الزنك كمصعد أو كقطب سالب. • بطارية الرصاص الحمضية أو المركم الرصاصي: هي بطارية السيارة العادية التي يمكن إعادة شحنها، وتكون الأقطاب فيها عبارة عن أكسيد الرصاص والرصاص المعدني ويكون حمض الكبريتيك هو المنحل الكهربائي. • بطاريات النيكل والكادميوم: هي من البطاريات التي يمكن إعادة شحنها بعكس التفاعل، وتُعد أول بطارية قابلة لإعادة الشحن تتنشر بشكل واسع. وفي هذا النوع، تكون الأقطاب الكهربائية عبارة عن هيدروكسيد أكسيد النيكل والكادميوم، بحيث يكون الكادميوم هو القطب السالب بينما الهيدروكسيد هو القطب الموجب. وتتوافر هذه البطارية بعدة أشكال وأحجام. وفي الوقت الحاضر، قل استخدامها بسبب خاصية الذاكرة مما يجعل شحنها وتفريغها مؤذ وغير فعال. • بطاريات هيدريد النيكل المعدني: هي بطاريات يمكن إعادة شحنها، وتشبه بطارية النيكل والكادميوم، لكنها تستخدم الهيدروجين في القطب السالب بدلاً من الكادميوم وتتميز عنها بطول عمرها وقدرتها العالية. وتُعد هذه البطاريات من أكثر البطاريات انتشاراً، إلا أن نسبة مبيعاتها قلت مع تطور بطاريات أيونات الليثيوم. • بطاريات أيونات الليثيوم: هذه البطاريات يمكن إعادة شحنها، وغالباً ما نجدها في أجهزة مثل الهواتف المحمولة والسيارات الكهربائية وبعض الأجهزة الإلكترونية المتطورة أو عالية الأداء كالكاميرات الرقمية والحواسيب المحمولة. وتدخل في صناعة هذا النوع من البطاريات، أنواع كثيرة من المواد المختلفة لعل أهمها أكسيد الكوبالت ليثيوم والكربون.
وبحسب المواد المستخدمة، تتغير فعالية بطاريات الليثيوم وسعتها وعمرها الافتراضي، وهذا محل اهتمام العلماء الذين يُجرون أبحاثاً وتجارب بهدف الوصول إلى المكونات الأفضل لصنع بطاريات أكثر فعالية.
وفي عام 1991م، أطلقت شركة «سوني» و«اشي كاسي»، أول بطارية من هذا النوع تجارياً، وفي عام 1996م تم تطويرها بإدخال فوسفات حديد الليثيوم كعنصر أكثر فعالية في صنع المهبط.
وفي عام 2002م، تمكن العلماء من زيادة فعالية البطارية عن طريق إضافة منشطات مثل الألمنيوم. وفي عام 2004م، تم تحسين أداء البطاريات عن طريق تقليل كثافة فوسفات حديد الليثيوم وجعلها 100 جزء في النانومتر، مما زاد من مساحة سطح المهبط، وبالتالي تحسنت فعاليتها وشهدت انتشاراً أوسع في الأسواق لأسباب عدة أبرزها: • أنها تعطي طاقة كبيرة مقارنة بالبطاريات الأخرى، إذ تخزن حوالي 150 واط ساعة / كيلوجرام، بينما تخزن ببطارية الرصاص الحمضية 25 واط – ساعة/ كيلوجرام. • إنها خفيفة الوزن مقارنة بالأنواع الأخرى من الحجم نفسه. • عمرها أطول من الأنواع الأخرى، إذ تفقد %5 فقط من قدرة شحنها كل شهر، مقارنة بـ %20 للبطاريات الأخرى. ومن مميزاتها أيضاً، أنها ليس لها خاصية التذكر ولا تحتاج إلى إفراغ كلي قبل الشحن، إضافة إلى أنها آمنة للاستخدام وللبيئة.
وعلى الرغم من هذه المميزات، إلا أن لهذه البطاريات مساوئ ومشكلات يسعى العلماء إلى حلّها ومنها: • أن البطارية القديمة لا تُشحن بنفس مقدار البطارية الجديدة، أي أنها تخزن طاقة أقل مع الوقت. كما أنها تبدأ بفقد الطاقة الجانبي حال خروجها من المصنع حتى لو لم يتم استخدامها، وهذا يجعل عمر البطارية بين سنتين و3 سنوات. • حساسة لدرجات الحرارة العالية التي تقلِّل من قدرتها بمرور الوقت، سواء كانت الحرارة ناتجة عن عمليات الشحن والتفريغ أم كانت بسب الوسط الخارجي (البيئة المحيطة). • كثرة شحن البطارية أو تفريغها بشكل كامل تؤدي إلى تلفها، ولذلك تحتاج إلى شريحة إلكترونية ذكية تنظِّم الشحن والتفريغ، وهذا ما يزيد من تكلفتها.
بطاريات المستقبل إن تطور البطاريات بطيء جداً مقارنة بالتقنيات الأخرى، إذ نلاحظ أن البطاريات التي يعاد شحنها تتضاعف في الحجم والقدرة كل سنوات عشر بدلاً من سنتين. ومهما ارتفع أداء الأجهزة مثل الحواسيب المحمولة أو اللوحية أو الهواتف النقالة ومهما تطورت، فإنها تستخدم البطارية نفسها التي استخدمت في الأجيال الأقدم منها، ولذلك تبقى إمكانية هذه الأجهزة محدودة ضمن كفاءة هذه البطارية التي تُعد متأخرة أساساً لأن الأجهزة المتطورة تستخدم بطاريات من جيل أجدادها.
إلا أن مستقبل البطاريات يحمل خيارات أكثر تطوراً تعتمد على تقنيات متنوعة. ففي عام 2008م، أطلقت بطاريات ليثيوم جديدة من نوع بوليمرات أيونات الليثيوم أو ليثيوم بولي، تتميز بغلاف خارجي مكون من صفائح البوليمر المرنة، كما أن شكلها كصفيحة وليست أسطوانية، ووزنها أخف بنسبة %20 من بطاريات أيونات الليثيوم العادية، ودورة حياتها أكبر وعمرها الافتراضي أطول.
وفيما أعلن في السنوات الأخيرة عن بطاريات يتجاوز عدد دورات شحنها وتفريغها 500 دورة قبل أن تنخفض قدرتها إلى %80، نجح العلماء في الوصول ببطاريات أفلام الليثيوم الرقيقة إلى 10 آلاف دورة شحن. وكذلك يطوِّر العلماء بطاريات من نوع كبريتات الليثيوم تعطي طاقات عالية بالنسبة إلى حجمها وبمكونات رخصية، مقارنة ببطاريات الليثيوم الحالية. وهناك بطاريات رغوة الكربون الحمضية التي تعطي طاقة أعلى بنسبة 30 إلى %40 من البطاريات العادية كما أن دورة حياتها طويلة، في حين تأتي بطاريات أيونات البوتاسيوم لتعطي دورات شحن وتفريغ تصل إلى مليون دورة بفضل ثباتها الكيميائي العالي جداً.
وهناك محاولات حالية لتطوير وتحسين نوع من البطاريات يسمى بطاريات الزنك والفضة تستخدم تفاعلات كيميائية أساسها الماء، وهذه التفاعلات أكثر أماناً وأكثر قوة. ومن مميزاتها أيضاً أنها خالية من الزئبق، وبالتالي فإن التفاعلات المائية تحمي البطارية من التنفيس عند ارتفاع درجة الحرارة مما يقلل احتمالية الانصهار. وهذا يجعل هذا النوع من البطاريات متفوقاً على الأنواع الأخرى، إضافة إلى أنها صديقة للبيئة لأن نفاياتها محدودة للغاية ومعظم المواد المستخدمة في إنتاجها قابلة للتدوير، كما يمكن فك البطارية لإعادة صناعتها وتركيبها من جديد.
أما فيما يتعلق بقوتها، فتزيد بنسبة %40 عن بطاريات أيونات الليثيوم، وبدأت محاولات إنتاج أحجام وأشكال من هذه البطاريات لتكون صالحة للاستخدام التجاري. لكن العائق الأساسي أمام تطوير هذه البطارية وتسهيل انتشارها، هو ارتفاع تكلفة مكوناتها خصوصاً الفضة وهي متوافرة كتوافر الليثيوم، وسعرها ليس رخيصاً أيضاً، وهذا ما يجعل خيارات هذه البطارية محدودة بالأجهزة الصغيرة كالساعات.
ومن الخيارات المتاحة أيضاً، الاعتماد عل تقنية خلايا الوقود بدلاً من فكرة تطوير البطاريات التقليدية، وثمة شركات تعمل على تطوير أجهزة ذات أحجام مناسبة وصغيرة يمكن بواسطتها إعادة شحن البطارية في أي مكان. وتُعد هذه التقنية من التقنيات الواعدة، ومبدأ عملها مشابه لمبدأ عمل البطاريات إذ نحصل على الطاقة أو الكهرباء عن طريق تفاعلات كهروكيميائية بعضها يعتمد على تحويل الهيدروجين والأكسجين إلى ماء؛ أي أن التفاعلات تقوم على الماء، إلا أن هذه التقنية لا تزال أقرب إلى التنظير منها للواقع، ولا يزال التقدم فيها بطيئاً جداً.
هناك أيضاً تقنية النانو كخيار آخر لتطوير البطاريات، ويتوقع كثير من العلماء الحصول على بطاريات خارقة باستخدام أنابيب الكربون النانونية لتخزين الطاقة الشمسية أو الهيدروجينية، وكذلك لصنع بطاريات جديدة مثل بطاريات أنابيب الكربون والنيكل. وإضافة إلى ذلك، نجح العلماء باستخدام الجرافين ومكونات ذات حجم نانوني من صنع بطاريات أيونات الليثيوم عالية الكفاءة وذات طاقة كبيرة.
في الوقت الحاضر، لا توجد إجابة شافية للسؤال عن مستقبل البطاريات وما يمكن أن تصبح عليه في ظل استمرار اعتماد البطارية على مبدأ العمل نفسه وهو تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية. ومع أن البطاريات لا تزال غالية نسبياً فإننا أمام حاجة ماسة لتحسين البطاريات وتطوير أدائها أو إيجاد حل بديل يؤدي إلى تحسين أداء الأجهزة وبالتالي تحسين طريقة حياتنا.
المصدر - مجلة القافلة