شغف العلم الذي لا ينتهي

ماذا تعرف عن كيمياء البطاريات ؟ - ساينسوفيليا


سلسلة ( تطبيقات الكيمياء الكهربية في حياتنا اليومية)

١- البطاريات.

ماذا تعرف عن كيمياء البطاريات ؟ - ساينسوفيليا


بقلم / محمد حماده الشافعي

مراجعة / د هبة هاشم 

 

البطاريات من الأمور التي أصبحت جزءًا  أساسيًا لا يتجزء من الحياة اليومية لبني الإنسان. فلقد أصبحت حياة الناس في هذا العصر لا تستطيع أن تُفارق التكنولوجيا الحديثة وتطبيقاتها العظيمة كالسيارات، وأجهزة الكومبيوتر والحاسوب، والهواتف المحمولة، والساعات، ......إلخ. وهذه التطبيقات الحديثة لا يمكن استخدامها بدون بطاريات تَبُثُ التيار والطاقة اللازمة لتشغيل هذا التطبيق.

ولقد كُنّا ونحن صغار نفتح بطارية الموبايل ونمزقها؛ لنرى ما بداخلها، فرأينا فيها سواد دامس لم نكن نعرف ماذا يمثل هذا الشحم الأسود؟ ربما لأننا لم نكن على دراية وعلم في هذا الوقت من العمر. وبعد القراءة والبحث عرفنا أنَّ بطاريات السيارة عبارة عن معمل كيميائي مُحكم!.  نعم، لا عجب في ذلك! فالبطاريات التي تُستعمل في شحن الهاتف المحمول أو السيارات أو الساعات أو كذا إلى آخره، إنما هي عبارة عن خلية تُسمى

"بالخلية الجلفانية Glvanic Cell"، وسُميت هذه الخلية بهذا الاسم؛ نسبة إلى العالم الذي اخترعها كان يُدعى " جلفاني Glvane". فما هي الخلية الجلفانية إذا؟

 

الخلية الجلفانية Glvanic Cell

هي خلية تعمل على تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربية من خلال سلسلة من تفاعلات الأكسدة والإختزال بشكل تلقائي فلا تحتاج لمصدر خارجي لشحنها. هذه الخلية الجلفانية تنقسم إلى نوعين: خلية أولية،وخلية ثانوية.

1.      الخلية الأولية: يتم فيها تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربية من خلال تفاعلات فقد واكتساب غير إنعكاسي (Ir reversiable)، أي؛ لا يمكن إعادة شحنها مرة أخرى، مثل: بطارية الزئبق، وبطارية الوقود.

2.      الخلية الثانوية: خلية ذات تفاعلات إنعكاسية (reversiable)، وذلك يعني: أنه يمكن إعادة شحنها مرات ومرات بخلاف الخلية الأولية، مثل: بطاريات الرصاص ( السيارة) وبطارية الليثيوم (الموبايل).

وعلم البطاريات علم كبير ومعقد في فرع الكيمياء الكهربية، وكل يوم في بحث و تجديد وزيادة، وتتوافد على العلماء المنشغلين بهذا الفن جوائز نوبل كثيرا؛ لأنه مجال مهم لا غناء عنه أبدًا.

وإليك سرد بعض أنواع البطاريات التي نستخدمها في حياتنا اليومية مع ذكر تكوينها ومميزاتها وعيوبها؛ حتى ندرك عن كَثب أهمية العلم والتعليم في حياتنا وأنه لا مناص ولا مخرج مما نحن فيه الآن إلا بالعلم والتعليم والبحث العلمي والإستبحار الثقافي والإنفجار المعرفي.

فكرة عمل البطاريات عموما.

بإختصار شديد تتكون أي بطارية من قطبين:  قطب سالب (الأنود Anode )، وقطب موجب (الكاثود Cathode)، ويُغمر هذان القطبان في محلول إلكتروليتي، ومن خلال الجهد الكهربي تنتقل الإلكترونات من القطب السالب إلى القطب الموجب فيتولد التيار الكهربي الذي يعمل على تشغيل التطبيق اللازم.

والأنود (القطب السالب) يحدث عنده عملية أكسدة (فقد إلكترونات) فتتحول الذرة إلى أيون وتتحرر إلكترونات.

الكاثود(القطب الموجب) يحدث عنده عملية إختزال (اكتساب) للإلكترونات المتحررة من الأنود كي تعوض عجز الأيونات الموجوده في الكاثود. وتتكرر هذه العملية (الأكسدة والإختزال) ليستمر توليد التيار الكهربي.

 

١- بطارية السيارة

البطارية المستخدمة في شحن وتشغيل السيارات عباره عن بطارية من الرصاص،  تتكون هذه البطارية من قطب موجب (ثاني أكسيد الرصاص Pb2O) وقطب سالب (رصاص)، يُفصل هذه الأقطاب عن بعضها بعوازل، هذه الأقطاب مغمورة في إلكتروليت سائل حامضي (حمض الكبريتيك المخفف H2SO4 ثم توضع هذه الأقطاب والالكتروليت في وعاء من مادة كيميائية تسمى (البولي سترين)؛ وذلك لأن البولي سترين لا يتفاعل  مع حمض الكبريتيك ويتحمل الحرارة.

وتسمى بطارية السيارة أيضا بالبطارية السائلة؛ نظرا للالكتروليت السائل، وتسمى كذلك بالبطارية الحامضية؛ وذلك لأن  الالكتروليت عبارة عن حمض الكبريتيك.

ماذا تعرف عن كيمياء البطاريات ؟ - ساينسوفيليا


تتكون بطارية الرصاص (السيارة) من ((6 أعمدة متصلة مع بعضها على التوالي (بجانب بعض)  والقوة الدافعة لكل عمود(2 فولت) وبالحساب تكون القوة الدافعه الكهرببة لبطارية السيارة (emf) تساوي (12 فولت).

ويقل جهد البطارية بعد فترة من تشغيلها. وميزة هذه البطارية أنه يمكن إعادة شحنها؛ وذلك لأنها خلية جلفانية ثانوية كما ذكرنا سابقا.

٢- بطارية الهاتف المحمول

بطاريات الموبايل تُعرف ببطاريات "أيون الليثيوم"، وهي عبارة عن خلية جلفانية ثانوية، خفيفة الوزن، وتعمل على تخزين طاقة عالية.

 

ماذا تعرف عن كيمياء البطاريات ؟ - ساينسوفيليا

 هذه الخلية الجلفانية (أيون الليثيوم) يتكون غلافها المعدني من ثلاث رقائق ملفوفة مع بعضها بشكل حلزوني: القطب السالب أو الأنود (جرافيت الليثيوم LiC6)، القطب الموجب أو الكاثود (أكسيد الليثيوم كوبلت LiCoO2 )، العازل وهو عبارة عن شريحة من البلاستيك تعمل على عزل القطب الموجب عن القطب السالب وتسمح للأيونات بالمرور من خلالها. تغمر الرقائق الثلاثة في إلكتروليت غير مائي من مادة (سداسي فلورو فوسفيد الليثيوم LiPF6). وهذه البطارية يمكن إعادة شحنها أيضا؛ لأنها عبارة عن خلية جلفانية ثانوية إنعكاسية تقوم بدور الشحن والتفريغ.

٣- بطاريات الساعات

تُعرف بطارية الساعة "بخلية الزئبق". وهي خلية جلفانية أولية غير إنعكاسية لا يمكن إعادة شحنها تتكون من قطبين: أحدهما الأنود (الخارصين Zn)، والآخر الكاثود (أكسيد الزئبق HgO)، ويُغمر  هذان القطبان في إلكتروليت من (هيدروكسيد البوتاسيوم KOH). يفصل الأنود عن الكاثود حاجزُ مسامي، وتوضع هذه المكونات كلها في وعاء صلب وهو الذي نراه. والقوة الدافعة الكهربية (جهد الخلية) لهذا النوع من الخلايا الجلفانية تساوي( 1.35 فولت) تقريبا.

بطارية ساعة اليد وألات التصوير (خلية الزئبق) تتكون من عنصر الزئبق وهو عنصر سام لذا يجب التخلص من هذه البطارية بعد إستخدامها، وعدم تمزيقها وفتحها.

٤- بطاريات الوقود

بطارية الوقود هي" خلية الوقود " التي تندرج تحت الخلايا الجلفانية الأولية، وهذه الخلية لها مميزات خاصة بخلاف غيرها كما سنذكر لاحقا.

تتركب خلية الوقود من قطبين كل منهما على هيئة وعاء مجوف مبطن بطبقة من الكربون المسامي؛ حتى يسمح بالإتصال بين الحجرة الداخلية للخلية وبين المحلول الإلكتروليتي الموجود بها وهو هيدروكسيد ا(لبوتاسيوم KOH).

القطب السالب أو الأنود يمثل (وعاء مجوف يمرر عليه غاز الهيدروجين H2 ). القطب الموجب أو الكاثود يمثل (وعاء مجوف يمرر عليه غاز الأكسجين O2 ). القوة الدافعة لهذه البطارية (emf )تساوي (1.23 فولت).

تلعب خلية أو بطارية الوقود دورا هاما في مركبات الفضاء ؛ حيث الوقود المستخدم في إطلاق الصواريخ هو نفسه الوقود المستخدم في الخلية ؛كذلك بخار الماء الناتج منها يمكن إعادة تكثيفه للإستفادة منه كمياه للشرب لرواد الفضاء .

وعيب هذه الخلية أنها لا تختزن الطاقة ؛ لأن عملها يتطلب إمدادها المستمر بالوقود من مصدر خارجي.

ماذا تعرف عن كيمياء البطاريات ؟ - ساينسوفيليا

·        البطارية القلم

البطارية القلم التي نستخدمها في تشغيل ساعات الحائط ورمود التلفاز وغير ذلك من الإستخدامات، هي عبارة عن خلية جلفانية جافة أولية غير إنعكاسية لا يمكن إعادة شحنها،  تتكون من الأنود - القطب السالب- الذي يمثل "الخارصين Zn"، ومن الكاثود -القطب الموجب- الذي يمثل "الكربونC "، وتغمر هذين القطبين محلولُ إلكتروليتي من ماده "كلوريد الأمونيوم NH4Cl" .

الخلاصة

البطاريات التي نستخدمها في حياتنا اليومية  عبارة عن معمل كيميائي وكهربي، تدور داخل هذا المعمل أو هذه البطارية مجموعة من تفاعلات الأكسدة والإختزال التلقائية سواء الإنعكاسية أو غير الإنعكاسية. وفكرة عمل هذه البطاريات هو وجود قطبين موجب وسالب ومحلول إلكتروليتي معين سواء سائل أو جاف، محيط بهذين القطبين، وتنتقل الإلكترونات من القطب السالب إلى القطب الموجب وعندئذ يتولد التيار.

المراجع

TR Crompton."Mercury batteries".in book: battery Reference book(2000):1-4. doi:10.1016/B978-075064625-3/50038-X

Nanjan Sugumaran,Paul Everil , Steven W. Swogger , D.P. Dubey." Lead acid battery performance and cycle life increased through addition of discrete carbon nanotubes to both electrodes". Journal of Power Sources 279 (2015): 281-293.

Da Deng." Li-ion batteries: basics, progress, and challenges". Energy Science and Engineering 3/5 ( 2015):385-418. doi:10.1002/ese3.95

Oliver Groger,Hubert A. Gasteiger, and Jens-Peter Suchsland. "Review—Electromobility: Batteries or Fuel Cells?". Journal of The Electrochemical Society, 162/14 (2015). doi: 10.1149/2.0211514jes

 

 

هناك تعليقان (2):

  1. Hey! Great post I just came across, your blog and I love it!
    I really enjoyed to read that all i will always follow You thanks for the great article.
    protien characterizations

    ردحذف