اختراع البطاريات

البطارية... ما هو السحر الكامن وراء هذا الاختراع الرائع الذي سهل حياتنا إلى درجة لا توصف... الكمبيوتر المحمول والهواتف المحمولة... ألعاب الأطفال... الأضواء ... و.و.و... قد نحتاج إلى مئات الصفحات لكي نحصر تطبيقات هذا الاختراع الرائع... ولكن هل سألتم أنفسكم يوماً ماهي البطارية ... كيف تعمل... من أين جاءت فكرتها... كيف تطورت أجيالها... وما الفرق بين أنواعها الكثيرة... في سلسلة تعليمية رائعة سنقوم نحن في الباحثون السوريون بنقلك إلى عالم البطاريات لتتعرف أكثر على هذا الاختراع الرائع... وسنبدأ اليوم هذه السلسلة بجزئها الأول.

في هذا الجزء ستتعرفون إلى نشأة البطاريات ومراحل تطورها .. إضافة إلى التعرف على أهم أسواق البطاريات العالمية ثم سنتعرف على أهم مميزات البطارية من جهد وتيار وقدرة وكيميائية وسعة وغيها من الأمور الرائعة التي ستجدونها في تفاصيل هذا المقال على رابط موقع الباحثون السوريون.

اختراع البطاريات:

إن أحد أكثر الاختراعات الرائعة والمبتكرة في الـ400 سنة أخيرة كان اختراع الكهرباء. وهنا جدَّ السؤال، "هل كانت الكهرباء حولنا كل هذه المدة الطويلة؟" والجواب بالطبع نعم، وربما أطول بكثير من ذلك، ولكن الاستعمال العملي لها كان تحت تصرفنا من أواسط إلى أواخر العام 1800م، وعلى نحو محدود في بادئ الأمر، هناك واحدة من أقرب الأشغال العامة التي شغلت الانتباه وكانت إضاءة 250،000 مصباح في العرض الكولومبي "عالم شيكاغو"، وإضاءة جسر على الشبكة النهرية خلال المعرض العالمي في باريس في العام 1900م.

إن استخدام الكهرباء له تاريخ طويل، وذلك أثناء إنشاء السكة الحديدية قرب بغداد في العام 1936م، حيث أزل العمال الستار على ما بدا أنه بطارية ما قبل التاريخ، والتي تعرف أيضاً بالبطارية الفارسية، هذه المادة تعود إلى الفترة الفارسية ويعتقد أنها بعمر حوالي 2000 عام. هذه البطارية تكونت من جرة طين ملأت بمحلول الخل مغمس فيه قضيب حديدي محاط بأُسطوانة نحاسية تم إدخالها. هذه التجهيزة أنتجت جهداً بحدود 0.2-1.1 فولت من الكهرباء. والشكل 1.1 يبين شكل هذه البطارية الفارسية:

ليس كل العلماء يقبلون بفكرة أن البطارية الفارسية هي مصدر للطاقة، حيث من المحتمل أن التجهيزة استخدمت لعملية الطلي الكهربي، كإضافة طبقة من الذهب أو من معادن ثمينة أخرى إلى السطح الخارجي لمادة ما. قيل بأن المصريين طلوا الأنتيمون على النحاس قبل 4300 سنة. الدلائل الأثرية تشير إلى ان البابليين هم أول من اكتشفوا واستخدموا التقنية الغلفانية في صناعة المجوهرات باستخدام محلول كهربائي أساسه عصير العنب من أجل صنع طلي الذهب على الأواني الفخارية. والفرس الذين حكموا بغداد "250 عام قبل الميلاد"، لربما استعملوا البطاريات لطلي الفضة.

كانت هناك نظرية واحدة تعد من أقرب النظريات لتوليد الكهرباء في الأزمنة الحديثة ألا وهي توليد الشحنة الساكنة. في العام 1660،أنشأ العالم " Otto von Guericke" ماكينة كهربائية مستخدماً كرة كبريتية ضخمة، والتي عند فركها وتدويرها، فإنها كانت تقوم بجذب الريش وقصاصات الورق. كان Guericke قادراً على إثبات أن الشرارات التي تم توليدها كانت شرارات كهربائية طبيعية.

إن الاستخدام العملي الأول للكهرباء الساكنة كان "المسدس الكهربائي"، والذي اخترعه العالم الإيطالي

" Alessandro Volta " بين الأعوام "1745م-1827م". هو فكر بتوفير اتصالات على مسافات بعيدة، ولو حتى أنه بت منطقي واحد. سلك حديدي مدعّم بأقطاب خشبية تم شدّه من كومو إلى ميلان، في إيطاليا. وفي الطرف المستقبل، توضع نهاية السلك في جرة مليئة بغاز الميتان. لتوليد إشارة مشفرة مثلاً، فإن إشارة كهربائية يتم إرسالها عبر السلك من أجل تفجير المسدس الكهربائي. إن رابط الاتصال هذا لم يتم بناؤه مطلقاً. والشكل 2.1 يظهر رسم بقلم رصاص عائد لـ" Alessandro Volta".

في العام 1791، وأثناء العمل في جامعة بولونيا، اكتشف العالم لويجي غلفاني " Luigi Galvani" بأن عضلة ساق الضفدع تنجذب عند مسها بجسم معدني. هذه الظاهرة أصبحت تعرف باسم "الكهرباء الحيوانية". مدفوعاً بهذه التجارب، بدأ فولتا بسلسلة تجارب مستخدماً الزنك، الرصاص، القصدير، والحديد كصفائح موجبة (قطب سالب:Cathode) ومستخدماً النحاس، الفضة، الذهب، والغرافيت كصفائح سالبة (قطب موجب: Anode). وبذلك أصبح الاهتمام بالكهرباء الغلفانية مشهوراً على نطاق واسع.

البطاريات الأولية:

في العام 1800م، اكتشف فولتا أول خلية فولتية، والتي تعرف يشكل عام باسم "البطارية". فولتا اكتشف أكثر من ذلك حيث تبين له أن الجهد سيزداد عند تكديس الخلايا الفولتية فوق بعضها. والشكل 3.1 يبين مثل هذا الاتصال التسلسلي:

في هذا الشكل فإن المعادن الموجودة في البطارية لها تأثير كهربائي مختلف. لاحظ فولتا أن فولطية الجهد للمواد المتباينة أصبحت أقوى مما لو كانت من نفس المواد مع بعضها.

تحدد المعادن فولتية البطارية، حيث يتم فصلهم باستخدام أوراق رطبة مشبعة بالماء الملحي.

فرنسا كانت من أولى الأمم التي تعترف رسمياً باكتشافات فولتا. وهذا كان في زمن اقتربت فيه فرنسا من الارتفاع في التقدم العلمي وكانت الأفكار الجديدة مرحب بها برحابة صدر، وذلك من أجل دعم البرنامج السياسي للبلاد. عن طريق الدعوة، راسل فولتا معهد فرنسا الأول بسلسلة من المحاضرات، مع العلم أن نابليون بونابرت كان أحد أعضاء هذا المعهد. حيث يبين الشكل 4.1 تجارب فولتا في المعهد الفرنسي:

اختراع البطارية القابلة للشحن:

في العام 1836م، الصيدلاني الانجليزي " John F. Daniel " قام بتطوير بطارية محسَّنة والتي تنتج تياراً أكثر ثباتاً من التجهيزات السابقة. حتى هذا الوقت، كل البطاريات كانت أولية. يعني أنها غير قابلة للشحن. في العام 1859م، الفيزيائي الفرنسي " Gaston Planté" اخترع أول بطارية قابلة للشحن. وقد اخترعها على أساس حامض الرصاص، وهذا النظام مازال مستخدماً حتى يومنا هذا.

في العام 1899، العالم السويدي " Waldmar Jungner " اخترع بطارية نيكل-كاديوم (NiCd)، والتي استخدمت النيكل كالكترود موجب (مهبط) والكاديوم كالكترود سالب (مصعد). إن الكلفة العالية لهذه المواد مقارنة ببطارية Lead-Acid حد من استخدامها، وبعد عامين، قام العالم توماس إديسون " Thomas Edison " بإنتاج تصميم بديل باستبداله الكاديوم بالحديد. ولكن انخفاض نوعية الطاقة، والأداء الضعيف عند درجات الحرارة المنخفضة، إضافةً إلى التفريغ الذاتي، كل هذا أدى للحدّ من نجاح بطارية نيكل-حديد NiFe. لم تدم هذه الحال طويلاً، ففي العام 1932م أنجز العالمان "Shlecht & Ackermann" تيارات حمل عالية، وحسنوا من عمر بطاريات NiCd عن طريق اختراع الصفيحة القطبية المتكدسة. في العام 1947م، نجح جورج نيومان في إثبات مصداقية الخلية.

لسنوات عدة، كان بطاريات NiCd البطاريات الوحيدة القابلة لإعادة الشحن من أجل التطبيقات المحمولة. في العام 1990م، علماء البيئة الأوروبيون أصبحوا قلقين بشأن التلوث البيئي إذا ما استمر تدوير بطاريات NiCd بشكل مهمل. لذا هم باشروا بحصار هذه التقنية الكيمائية وطالبوا قطاع المستهلكين بالانتقال لاستعمال بطاريات هدريد النيكل المعدني NiMH، وهي بطارية أكثر صداقة للبيئة، إن بطارية NiMH مشابهة لبطارية NiCd، والعديدون يتوقعون أن تصبح بطاريات NiMH طريق الوصول لبطاريات ليثيوم-آيون Li-ion أكثر ديمومة.

معظم نشاطات الأبحاث اليوم تدور حول تحسين الأنظمة التي أساها من الليثيوم. بالإضافة إلى تشغيل الهواتف الخلوية، الأجهزة المحمولة، الكاميرات الرقمية، التجهيزات الكهربائية والطبية، فإن الــLi-ion تستخدم في العربات الكهربائية. هذه البطارية لديها العديد من الفوائد، وبشكل خاص، نوعية الطاقة العالية، تقنية الشحن البسيطة، الصيانة المنخفضة، والأهم كونها صديقة للبيئة.

تطورات البطارية:

الاختراعات بين الأعوام 1700م-2002م موثقة بشكل جيد. الجدول 1.1 يلخص تطور علم المدخرات إضافة إلى أبرز الأسماء اللامعة في هذا المجال:

2 الحصول على المعرفة بالبطاريات (Battery Knowledge):

تملي علينا البطاريات إيقاع محدد في حياتنا، فالبطارية تحدد السرعة التي تحدد بدورها قابلية الحركة، ومن المهم ملاحظة أن تزايد في تحسين مصدر الطاقة المحمول هذا سيفتح لنا أبواب جديدة للعديد من التطبيقات. بالنتيجة، "البطارية الأفضل تكافئ الحرية الأكبر لنا في الحركة".

بالإضافة إلى حشر مزيد من الطاقة في البطاريات، فإن المهندسين أيضاً قاموا بخطوات واسعة لتخفيض استهلاك الطاقة في الأجهزة المحمولة. هذا التقدم يتماشى يداً بيد مع زمن تشغيل أطول ولكنه غالباً ما يصطدم بمطلب الميزات الإضافية واستهلاك أكثر للطاقة. النتيجة النهائية "أزمنة تشغيل متشابهة ولكن مع تحسن في الأداء".

لم تتطور البطاريات بالسرعة نفسها كما في علم الالكترونيات الدقيقة، ولم تحقق الصناعة أكثر من( 8-10) % من قدرة البطاريات في السنة الواحدة خلال العقدين الأخيرين. وهذا بعيد جداً عن قانون مور الذي يحدد مضاعفة عدد الترانزستورات المشكلة على الرقاقة المتكاملة في كل سنتين تقريباً، وبدلاً من سنتان، فإن بطارية ليثيوم-أيون تحتاج عشر سنوات من أجل مضاعفة القدرة لديها.

يريد الناس مصدر طاقة لا ينضب، يتم وضعه في رزمة صغيرة الحجم، وسعرها زهيد، آمنة ونظيفة و الحصول على نظام تخزين ثوري جديد سيكون وحده القادر إرواء العطش الكبير لهذه القدرة المتنقلة، وهذا تخمين أي منا فيما إذا كان هذا النظام هو نظام ليثيوم-هواء، أو بعض مولدات القدرة المضادة للجاذبية الأرضية، كالانشطار الذري، ولكن لمعظمنا، فإن الحصول على هكذا نظام ربما لن يكون في المدى القريب المنظور.

1.2.1 التقاء التوقعات:

العديد من هواة البطاريات، يجادلون، وبشكل خاطئ، أن جميع أنظمة البطاريات المتقدمة هي ذات كثافات طاقيّة عالية، وتسطيع إنجاز آلاف دورات الشحن/التفريغ، كما أنها تكون صغيرة الحجم، والصحيح، أن بعض هذه الخواص ممكن تحقيقه، لكن بعض الخواص الأخرى صعبة التحقيق طالما أن لها ذلك البعد الكيميائي.

يمكن تصميم البطاريات من أجل تحقيق قدرة أعلى وحجم أصغر، ولكن دورة حياتها تكون صغيرة. هنالك بطاريات أخرى تبنى من أجل أحمال عالية القدرة ولها ديمومة عمل أكبر، وهذه الخلايا ضخمة وثقيلة. الحزمة الثالثة لها قدرة عالية وزمن خدمة أطول، ولكن كلفة التصنيع لمثل هذه البطاريات قد لا يستطيع تحقيقها سوى قلة قليلة من الناس. منتجو البطاريات مدركون جيداً لحاجات المستخدم ويستجيبون لذلك بتوفير منتجات تناسب التطبيقات التي يحتاجها هؤلاء المستهلكون. إن صناعة الهواتف النقالة هي مثال عن هذا التكيف الذكي. حيث هنا يتم التأكيد على الحجم الصغير، الكثافة الطاقية العالية، والسعر المنخفض، وكل ذلك على حساب عمر التشغيل الذي يأخذ الحيز الأقل أهمية.

هنالك العديد من التساؤلات التي يتم طرحها. مثلاً، ماهي أفضل بطارية من أجل سيارة متحكم بها عن بعد؟، أو من أجل خلية شمسية محمولة، أو من أجل سيارة كهربائية؟. والجواب، بالطبع لا يوجد بطارية عامة تستطيع تحقيق كل تلك الاحتياجات وتلبي كل هذه التطبيقات الفريدة. على الرغم من أن الليثيوم-أيون في حالات عديدة تكون هي الخيار المرغوب، ولكن السعر المرتفع، إضافة إلى حاجتها لدارة حماية، يجعل العديد من الهواة ومنتجي البطاريات الصغار بعيداً عن اختيارها. وبالتالي فإن حذف هذا الخيار من حساباتنا بشأن تأمين البطارية الأنسب يقودنا نحو الخلف باتجاه خيارات النيكل وتوابعه والبطاريات الحمضية. إن المنتجات الاستهلاكية استفادت كثيراً من تطور البطاريات، وهذه الاستفادة جعلت بطاريات الليثيوم أرخص نسبياً.

هل ستحل البطاريات مكان محرك الاحتراق الداخلي للسيارات؟، قد يكون الجواب مفاجئاً بأنه لغاية هذه اللحظة، لا توجد بطارية اقتصادية تسمح لنا بقيادة السيارة لمسافات طويلة وتدوم كما تدوم عندنا السيارة. تعمل البطاريات بشكل جيد من أجل التطبيقات المحمولة، مثل الهواتف الخلوية، الحواسيب المحمولة، الكاميرات الرقمية، وساعات اليد. القدرة المنخفضة تحقق لنا سعراً اقتصادياً، إن حياة البطارية القصير نسبياً، مقبول في المنتجات الاستهلاكية، ونحن نستطيع العيش مع زمن تشغيل متناقص. ولكن القدرة الباهتة يمكن أن تكون مزعجة، ولكنها لا تعرضنا للخطر، كما هو الحال مع الكهرباء المنزلية.

عند فحصُ خصائص أنظمةِ البطارية ومقارنتها مع مصادر كهربائيةَ بديلة، مثل خليةِ الوقود ومحرك الاحتراق الداخلي (IC)، فإننا نُدركُ بأنّ البطاريةَ مناسبة بشكل أفضل للأنظمةِ النقّالةِ والثابتةِ

باختصار: لو طبق قانون مور على البطاريات لاستطعنا في ظرف سنتين الحصول على بطارية سيارة بحجم عملة معدنية.

3. أسواق البطاريات العالمية

إن سوق البطاريات يتوسع يوماً بعد يوم، والإيرادات العالمية لها في العام 2009 بغلت حداً هائلاً تجاوز 47.5$ بليون دولار. ومع نمو الطلب المتزايد على الالكترونيات المحمولة والرغبة في العمل والاتصال الانترنت بدون التوصيل بالشبكة الكهربائية العامة، فإن الخبراء يتوقعون أن يصل هذا الرقم إلى حوالي 74$ بليون دولار في العام 2015.

نظرة عامة حول أنواع البطاريات:

تقسم البطاريات إلى صنفين: أساسية وثانوية. في العام 2009، حققت البطاريات الأساسية ما مجموعه 23.6% من السوق العالمية. وتشير توقعات كبرى الشركات ومراكز البحث العالمية ومنها شركتي "Frost & Sullivan" هبوطاً في هذه النسبة لهذه البطاريات بحدود 7.4% بحلول العام 2015. البطاريات الاساسية تستخدم في (الساعات، المفاتيح الالكترونية، أجهزة التحكم عن بعد، ألعاب الأطفال، وبعض أجهزة الإضاءة، إضافة إلى التجهيزات العسكرية...الخ).

النمو الحقيقي يمكن في البطاريات الثانوية. تقول شركتي "Frost & Sullivan" أن نسبة سيطرة البطاريات القابلة للشحن على السوق العالمية تقدر بحوالي 76.4%، وهذا الرقم يتوقع أن يزداد إلى حوالي 82.6% بحلول العام 2015. يمكن تصنيف البطاريات أيضاً عن طريق كيميائيتها وأكثر أنواع أنظمة البطاريات الكيميائية شيوعاً هي أنظمة بطاريات حمض الرصاص ، الليثيوم، و النيكل. الشكل 5.1 يبين تصنيف كيميائية كل من هذه الأنواع.

تعد بطارية Li-ion هي الخيار المفضل لدى المستهلكين، ولا يوجد أي أنظمة بطاريات أخرى تهدد هيمنة هذه البطاريات في الوقت الحالي. كما أن سوق بطاريات Lead-acid مشابه لسوق بطاريات Li-ion. وهنا تقسم تطبيقاتها إلى بطاريات البدء SLI التي تقدم الآلية، والثبات لأنظمة إسناد القدرة، وبطاريات الدورة العميقة Deep-Cycle من أجل أنظمة النقل المدولبة مثل سيارات الغولف، كراسي المعوقين ومقصات التوصيلات. لبطاريات Lead-acid تموضع متين وقوي، استطاعت تحقيقه طوال المئة سنة الماضية. لا يوجد أي أنظمة أخرى تهدد بعزل هذه الكيمياء الرخيصة والمتسامحة في الوقت الراهن.

إن نوعية الطاقة العالية والتخزين الطويل جعل البطاريات القلوية أكثر شعبية من بطاريات كريون-زنك، والتي اخترعها جورج ليكلانشي في العام 1868م. بيئياً فإن بطاريات هدريد النيكل المعدني تستمر بحجز دور مهم لها. وذلك كونها بدات تحل مكان العديد من التطبيقات التي خدمتها بطاريات NiCd. على أية حال، فإن هذه البطاريات لا تشارك سوى بما مجموعه 3% من السوق العالمية، وبالتالي فإن بطاريات NiMH تعد بمثاية لاعب ثانوي في عالم البطاريات ومن المحتمل أن يتخلى عن موقعه لصالح سوق الـLi-ion بحلول العام 2015.

الدول النامية ستساهم في مبيعات البطاريات المستقبلية، والاسواق الجديدة هي أسواق الدراجات الكهربائية في آسيا وبطاريات التخزين لدعم الطاقة الكهربائية للتحكم بالاتصالات في إفريقيا و الأجزاء الأخرى من العالم. التوربينات الريحية، الطاقة الشمسية ومصادر الطاقة المتجددة الأخرى تستخدم أيضاً البطاريات من أجل مساواة الأحمال. إن شبكات بطاريات التخزين الضخمة المستخدمة في تشغيل وتسوية الأحمال تقوم بالتقاط الطاقة من المصادر المتجددة الأخرى خلال الأنشطة المرتفعة وتقوم بتزويد قدرة إضافية من أجل متطلبات الاستخدام الضخمة.

أثناء الخمس سنوات الأخيرة، لم يظهر أي نظام بطاريات جديد استطاع أن يقدم تمهيداً لتقنية جديدة. على الرغم من تنفيذ العديد من الأبحاث، لا يوجد اية تطورات جديدة جاهزة كي تدخل إلى سوق العمل حتى هذا التاريخ، ولا يوجد أية تطورات قريبة من اختراق هذه النقطة بعد. هناك العديد من الأسباب التي تقف وراء هذا الكساد الظاهر في تقدم هذه الأنظمة، منها قلة المنتجات التي تبحث عن متطلبات صارمة للطاقة لا توجد سوى في البطاريات. على سبيل المثال: فإن مستخدمي البطاريات يرغبون بالسعر المنخفض، عمر تشغيل طويل، نوعية طاقة عالية، تشغيل آمن وصيانة قليلة. بالإضافة، فإن البطاريات يجب ان تعمل عند درجات الحرارة المختلفة "المرتفعة والباردة"، وتوفر قدرة عالية بناءً على الطلب وتتمتع بقابلية الشحن السريع. وفقط بعض هذه الخواص يمكن إنجازه مع تقنيات البطاريات المختلفة هذه.

معظم المستهلكين راضين عن أداء البطاريات في الأجهزة المحمولة. هذه الأيام فإن تقنيات البطاريات أيضاً تقوم بخدمة أنظمة استرداد الطاقة والأنظمة المدولبة المتنقلة بشكل معقول إلى حد ما. إن استخدام تقنية بطاريتنا الحالية من أجل أنظمة القدرة المستجرة في السيارات، على أية حال، ربما صعبة المنال حالياً، وذلك بسبب التأثيرات طويلة المدى على البيئة التي لم يتم فهمها بشكل كامل. إن التغيير إلى مصدر قدرة البطاريات يقدم جزءاً من الطاقة الحركية مقارنة مع الطاقة الوقود المستخرج فإنها تجذب سائقي سيارت السباق والذين يسعون دائماً للحصول على عربات أكبر مع قدرة أكبر.

التقدم في البطاريات:

تتقدم البطاريات على جبهتين، وهذه التطورات تعكس نفسها جلياً في نوعية الطاقة المتزايدة في أزمنة تشغيل أطول وفي تحسين القدرة النوعية من أجل تسليم قدرة جيدة بناءً على الطلب. الشكل 6.1 يبين كثافات الطاقة والقدرة لبطاريات lead acid، nickel-cadmium (NiCd)، nickel-metal-hydride (NiMH) وعائلة (Li-ion).

إن الطاقة النوعية هي قدرة البطارية في تخزين الاستطاعة الزمنية بالنسبة لواحدة الوزن أي Wh/kg. وأما القدرة النوعية فهي قدرة البطارية على توصيل القدرة بالواط لكل كيلو غرام W/kg.

تم تقديم بطاريات الليثيوم المعدنية Li-metal إلى الملأ في العام 1980م، ولكن عدم استقرار بالليثيثوم المعدني على القطب الموجب دفع بسحبها من السوق في العام 1990م.ولكن طاقتها النوعية العالية وكثافة قدرتها الجيدة كانت تتحدى المتجين من أجل إعادة إحياء كيمياء هذه التقنية مرة أخرى. يمكن توفير أمان محسن عن طريق دمج الليثيوم المعدني مع القصدير والسيليكون. إن بطاريات الليثيوم المعدنية Li-metal تنجز ما مجموعه 300 Wh/kg، وهي الطاقة الأنسب من أجل تشغيل الحافلات الكهربائية.

4. مقارنة البطاريات مع مصادر الطاقة الأخرى

تخزين الطاقة:

تخزن البطاريات الطاقة بشكل جيد ولوقت طويل نسبياً. البطاريات الأولية (غير القابلة للشحن) تختزن طاقة أكبر من البطاريات القابلة للشحن، كما أن التفريغ الذاتي لها أقل. تعتبر الخلايا القلوية جيدة جداً لمدة عشر سنوات استخدام بأقل خسائر ممكنة في خصائصها. البطاريات التي أساسها الرصاص، أو النيكل، أو الليثيوم، تحتاج لعملية إعادة شحن دورية من أجل تعويض القدرة الضائعة.

نوعية الطاقة (القدرة):

يمكن للبطارية أن تختزن طاقة كافية كي تستعملها أثناء تنقلك، لكن لا يمكن تحويل هذه الطاقة بشكل جيد من أجل الأنظمة النقالة والثابتة الكبيرة. على سبيل المثال، فإن بطارية بوزن 100 Kg (220 lb) تنتج بحدود 10 kWh من الطاقة، محرك الاحتراق الداخلي له نفس وزن هذه البطارية يستطيع إنتاج 100 kWh.

الاستجابة:

تمتلك البطاريات أفضلية ضخمة على مصادر الطاقة الأخرى من حيث قدرتها على الجهوزية العالية لتأمين الطاقة خلال زمن قصير جداً، وهذا ما لا تستطيع تحقيقه محركات الاحتراق الداخلي مثلاً، والتي تحتاج إلى عدة ثواني من أجل تأمين القدرة للتشغيل، وخلية الوقود تحتاج إلى عدة دقائق، ومحركات البخار البارد تحتاج إلى ساعات من أجل تأمين نفس كمية الطاقة.

سعة إرسال القدرة:

البطاريات القابلة لإعادة الشحن تمتلك مجال واسع لإعادة إرسال القدرة، النوعية التي تتشارك بها مع محركات الديزل. بالمقارنة، إن سعة إرسال خلية الوقود ضئيلة وهي تعمل بشكل أفضل مع الأحمال الخاصة (النوعية). المحركات النفاثة لديها أيضاً سعة إرسال محدودة.

البيئة:

تعمل البطاريات بشكل نظيف وتحافظ على حرارتها بشكل معتدل إلى حد كبير نسبياً، الخلايا المغلفة ليس لها عادم، هادئة ولا تصدر ضجيجاً. وهذا تباين حاد مع محركات الاحتراق الداخلي وخلايا الوقود الأكبر التي تتطلب ضواغط صاخبة ومراوح تبريد. أيضاً فإن محرك الاحتراق الداخلي يتطلب الهواء وينفث الغازات السامة.

الكفاءة:

تمتلك البطاريات كفاءة عالية. فالشحن تحت نسبة 70%، يعطي كفاءة شحن قريبة من 100% وضياعات التفريغ تكون بحدود عدة أجزاء من المئة. بالمقارنة، فإن كفاءة الطاقة لخلية الوقود تتراوح من 20%-60%، والمحركات الحرارية بحدود من %(25-30).

التركيب:

تعمل البطاريات المغلفة في أية وضعية وتوفر قدرة جيدة على امتصاص الصدمة وتحمل جيد للاهتزاز. هذه الفائدة لا يمكن استخدامها في البطاريات العائمة (السائلة) التي يجب أن تثبت وضعية قائمة. معظم محركات الاحتراق الداخلي يجب تثبيتها بوضعية قائمة وأن تتمتع بالقدرة على تحمل الصدمات من أجل خفض الضجيج. المحركات الحرارية تحتاج أيضاً إلى الهواء وإلى وجود العادم.

تكلفة التشغيل:

إن البطاريات التي أساسها النيكل أو الليثيوم هي الخيار الأنسب من أجل التجهيزات المحمولة. وتعد بطاريات Lead-Acid اقتصادية من أجل التطبيقات الثابتة ووسائل النقل المدولبة. إن الكلفة والوزن تجعلان البطاريات غير عملية من أجل استجرار الطاقة الكهربائية في العربات الضخمة. إن تكلفة بطارية لها استطاعة بحدود 1000 kWh تبلغ حوالي 1000$ أي 75000 ليرة سورية، كما أن لديها عمر تشغيل حوالي 2500 ساعة تشغيل. يضاف إلى ذلك كلفة الصيانة التي تبلغ 0.40$/hour وتكلفة الشحن من مصدر الطاقة المتناوب بحدود 0.10$/kWh. إن الكلفة لكل كيلو واط ساعي تبلغ نحو 0.50$. إن محركات الاحتراق الداخلي لديها كلفة تشعيل أقل لكل كيلو واط ساعي ولديها عمر تشغيلي يبلغ نحو 4000 ساعة. وهذا يقدم ربحا من أجل كيلو واط ساعي واحد بحدود 0.34$.

الصيانة:

باستثناء تشريب البطاريات الحامضية المشبعة، وباستثناء من ضياع بيانات "ذاكرة الحاسب" عن طريق تفريغ شحن بطاريات Ni-Cd، فإن البطاريات القابلة لإعادة الشحن تتطلب صيانة أقل. تتضمن الخدمة تنظيف التآكل المتزايد على النهاية الطرفية الخارجية إضافة إلى تطبيق عمليات مراقبة الأداء بشكل دوري.

حياة الخدمة:

البطاريات القابلة لإعادة الشحن لها أعمار تشغيل وخدمة قصيرة نسبياً حتى لو لم تستخدم. غن فترة التشغيل والحياة المناسبة للمستهلك هي من 3-5 سنوات، وهذا بالطبع غير مقبول من أجل البطاريات الأكبر المستخدمة في الصناعة، كما أن صانعي العربات الكهربائية والعربات الهجينة يقدمون كفالة تشغيلية تتراوح من 8-10 سنوات. تقم خلية الوقود ساعات تشغيل من 2000-5000 ساعة تشغيل، وبالنظر إلى الاعتماد على الحرارة، والاستقرار الكبير، فإن البطاريات تعتبر جيدة لما بين 5-20 سنة.

الحدود الحرارية:

كما هو الحال بالنسبة للدبس، أيضاً درجات الحرارة المنخفضة تبطئ من العمليات الكيميائية، كما أن البطاريات لا تؤدي بشكل جيد في درجات التجمد. إن خلية الوقود تتمتع بالمشكلة نفسها، لكن محرك الاحتراق الداخلي يعمل بشكل جيد عند تشغيله في أي درجة حرارة. إن عملية الشحن للبطاريات يجب تنفيذها دائماً فوق درجة التجمد، كما أن التشغيل عند درجات الحرارة الأعلى يقدم أداء أفضل ولكنه أيضاً يسبب تقصيراً في عمر البطارية بسبب الإجهاد الإضافي عليها.

زمن الشحن:

هناك أمر في غاية الأهمية ولا يتم التركيز عليه بشكل كافي، ألا وهو زمن الشحن، فأنظمة بطاريات الليثيوم والنيكل تستغرق من 1 إلى 3 ساعات من أجل شحنها، وبطاريات Lead-acid تحتاج بشكل نموذجي إلى 14 ساعة شحن. بالمقارنة، فإن ملئ سيارة بالوقود يستغرق لعدة دقائق. وعلى الرغم من أن بعض الحافلات الكهربائية تستغرق أقل من ساعة كي تشحن 80% من قدرتها على مخرج كهربائي عالي القدرة، فإن مستخدمي الحافلات الكهربائية يحتاجون لإجراء العديد من التعديلات على عملية الشحن كي تصبح مثالية.

التخلص من البطارية:

إن بطاريات Ni-Cd وبطاريات Lead-acid تحتوي على مواد سامة خطرة لا يمكن التخلص منها في مكبات القمامة العادية. أما بطاريات NiMH و أنظمة الليثيوم فهي صديقة للبيئة ويمكن التخلص منها برميها مع قمامة المنزل في الأماكن المخصصة لرمي النفايات، وتنصح السلطات دائماً بان يتم إعادة تدوير جميع البطاريات، من أجل تحقيق استقرار بيئي أفضل.

5.1 مميزات البطاريات (Battery Definitions):

للبطاريات أشكال وأنواع لا يمكن حصرها، ويمكن التمييز فيما بينها عن طريق الكيمياء، الفولطية، الحجم، الطاقة النوعية (القدرة)، القدرة المسلّمة وأكثر من ذلك. يمكن للبطارية أن تعمل كخلية وحيدة لتشغل هاتفاً جوالاً مثلاً، أو أن يتم وصلها في سلسلة ما لتسلم مئات الفولتات لأجهزة UPS (أنظمة عدم انقطاع القدرة) ولأقطرة الطاقة الكهربائية في الحافلات. بعض البطاريات لها قدرة مرتفعة ولكن لها لا تستطيع تقديم جزء صغير منها، بينما بطاريات بدء التشغيل ذات القدرة المنخفضة نسبياً تستطيع تحريك محرك وبتيار 300 A.

إن أنظمة البطاريات الأكبر تستخدم من أجل التخزين الشبكي وذلك من أجل خزن وتسليم الطاقة المستمدة من منابع القدرة المتجددة كتوربينات الرياح وأنظمة الطاقة الشمسية. مثلاً محطة ريحية بقدرة 30 MWatt تستخدم بطارية تخزين بحدود 15 MWatt. وهذا يكافئ 20000 بطارية بدء تشغيل وبتكلفة تقدر بـ 10$ ملايين دولار أمريكي. وللعلم فإن ميغا واط واحد قادر على تغذية 50 منزل دفعة واحدة أو سوق تجاري ضخم.

الكيميائية:

أكثر المواد الكيميائية شيوعاً للبطاريات هي الرصاص ، النيكل، الليثيوم. ولكل نظام خوارزمية شحن خاصة به. لا يمكن تغييرها ما لم يتم وضع شروط محددة لتغيير قواعد شحن هذه الأنظمة، إن الكيميائيات المختلفة للبطاريات تجعل من المستحيل شحن جميع أنواع البطاريات بنفس الشاحن. كما يجب مراقبة كيميائية البطارية أثناء الشحن وعند التخلص النهائي منها، حيث ان كل نوع له متطلبات تنظيمية مختلفة.

الفولطية (الجهد):

تشير الفولطية المطبوعة على السطح الخارجي للبطارية إلى القيمة الاسمية لفولطية البطارية. يجب دائماً ملاحظة الفولطية الصحيحة عند الوصل مع الحمل أو الشاحن. حيث يمنع إكمال العمليات السابقة إذا كانت الفولطية المراد تحقيقها مختلفة عن الفولطية الاسمية، إن فولطية الدارة المفتوحة للبطارية في حالة عدم التحميل وفي وضعية الشحن القصوى يمكن أن تكون أعلى قليلاً من الفولطية الاسمية لها، وفولطية الدارة المغلقة للبطارية أثناء التحميل أو الشحن ستكون متفاوتة وفقاً لكل حالة.

القدرة (السعة):

تمثل السعة أو القدرة طاقة البطارية في الأمبير-ساعة Ah. إن مصنعي البطاريات في الغالب يبالغون في تقييم البطاريات المصنعة وفقاً للسعة بإعطائهم أمبير ساعي أعلى من الأمبير الساعي الذي يمكن للبطارية نفسها توفيره. يمكن استعمال البطاريات مع أمبير ساعي مختلف ولكن مع جهد صحيح نظامي، حيث أن القيم المقدرة تكون كافية تماماً من أجل الأمبير الساعي. الشواحن بشكل عام لديها بعض التحمل للبطاريات مختلفة الأمبير الساعي. فالبطارية الأضخم ستأخذ زمناً أطول في الشحن من البطارية الأصغر.

البرودة التي تحرك الأمبير (CCA):

إن المعيار CCA يحدد قابلية البطارية لسحب أعلى تيار حمل في الدرجة 18 C بالنسبة لبطاريات بدء التشغيل. المعايير المختلفة تحدد أزمنة تحميل متباينة و نهايات جهود مختلفة.

نوعية الطاقة والكثافة الطاقية:

إن نوعية الطاقة أو الكثافة الطاقية تحدد قدرة (سعة) البطارية بالسنبة لوزنها Wh/kg. الكثافة الطاقية الحجمية تعطى بالنسبة للحجم Wh/I.البطارية تملك طاقة نوعية عالية ولكن تفتقر إلى القدرة النوعية (سعة التحميل)، كما هو الحال في البطاريات القلوية. بدلاً من ذلك، البطارية ربما يكون لديها طاقة نوعية منخفضة ولكن لديها القدرة على تسليم قدرة نوعية عالية، وهذا ممكن مع السعويات الخارقة (البطاريات ذات سعة التخزين فوق الطبيعية). الطاقة النوعية هي مصطلح مرادف لسعة البطارية وزمن التشغيل.

القدرة النوعية:

إن نوعية القدرة تشير إلى قابلية التحميل، أو كمية التيار التي يمكن للبطارية توفيرها. البطاريات الخاصة بتجهيزات القدرة تبدي قدرة نوعية عالية ولكن على حساب سعتها (قدرتها الطاقية). القدرة النوعية مرادفة للمقاومة الداخلية المنخفضة وقدرة التسليم.

معدلات C:

إن معدلات C تحدد تيارات الشحن والتفريغ. عند النسبة 1C، البطارية تقوم بالشحن والتفريغ عند تيار معدل يحدد مع معدلات Ah المؤشرة على سطح البطارية. عند النسبة 0.5C التيار يكون نصف قيمة Ah. وعند النسبة 0.1C يكون واحد بالعشرة من Ah. عند الشحن، النسبة 1C يمكنها شحن بطارية بشكل جيد خلال ساعة واحدة، والنسبة 0.5C تأخذ ساعتي شحن، والنسبة 0.1C تأخذ ما بين 10-14 ساعة شحن.

الحمل:

الحمل هو الذي يقوم بسحب الطاقة من البطارية، مقاومة البطارية الداخلية واستنزاف حالة الشحن يسبب هبوط جهد البطارية. يتم قياس مقدار الطاقة المستخدمة خلال واحدة الزمن بالواط-ساعة Wh.

الواط والفولت أمبير (Watts & VA):

إن القدرة المسحوبة من البطارية يعبر عنها الواط W أو بالفولط أمبير VA. الواط هي الاستطاعة الفعلية التي يمكن قياسها، الــVA هي الاستطاعة الظاهرية التي تحدد ضبط توزيع الأسلاك إضافة إلى تحديد قواطع الدارة. في حالة حمل مقاوم صرف، فالنسبتين السابقتين تقرآن مثل بعضهما، أما في حالة حمل ردي كمحرك تحريضي أو لمبة فلورنست فإن ذلك يتسبب في هبوط معامل القدرة من حالته المثالية (1) إلى النسبة 0.7 أو أقل. على سبيل المثال، معامل قدرة بنسبة 0.7 هذا يعني كفاءة كهربائية قدرها 70%.

المصدر: