بطاريات الليثيوم، ماهي؟

يمكنكم الاستماع إلى العمل عبر الرابط:

في عالم أصبح يعتمد على التكنولوجيا المتنقلة اعتمادًا كبيرًا، ونظرًا إلى التطور الكبير في التكنولوجيا المحمولة؛ كان لا بدَّ من إيجاد بديل للبطاريات التقليدية الكبيرة الحجم والقليلة السعة، بديل ملائم للتقنيات الجديدة، وهنا ظهرت بطاريات الليثيوم، وأصبحت جزءًا مهمًا من التكنولوجيا، ومن ثم وبدأ كثيرون بالعمل على تطويرها وتحسينها.

قبل الحديث عن بطاريات الليثيوم، نشرح كيفية عمل البطاريات عمومًا؟

تخزِّن البطاريات الطاقة الكهربائية لإمكانية الحصول على هذه الطاقة فيما بعد عن طريق عدة تفاعلات إلكترو- كيميائية يمكن التحكم بها، وتتألف البطاريات من خلية أو مجموعة خلايا موصولة على التسلسل أو التفرع، وكل خليةٍ مكونة رئيسًا من كاثود (قطب موجب) وأنود (قطب سالب) وإلكترود (موصل كهربائي)؛ إذ عند الوصل بين القطبين الموجب والسالب بواسطة سلك ما تنتقل الإلكترونات عبر هذا السلك من الأنود إلى الكاثود، في حين تنتقل الأيونات الموجبة عن طريق الوسيط. وبواسطة المواد التي تُختار في صنع الأنود والكاثود والوسيط، تُحدد خواص هذه البطارية؛ مثل السعة (كمية الطاقة المخزّنة) والجهد وعمر البطارية (1).

والآن لنتعرف معًا إلى بطاريات الليثيوم

تتألف خلية بطارية الليثيوم من أنود وكاثود ووسيط، لكنَّها تحتوي على عازل ومجمع تيار موجب وآخر سالب أيضًا، ويُخزن كلٌّ من القطبين الموجب والسالب الليثيوم (2)، إضافةً إلى ذلك؛ توجد عدة مواد تستخدم في صنع هذه الأقطاب، أكثرها شيوعًا أوكسيد الليثيوم كوبالت لتشكيل الكاثود، والغرافيت لتشكيل الأنود، وهذا التصميم الأكثر انتشارًا في الأجهزة المحمولة، أمَّا في السيارات الهجينة يُصنع الكاثود من أوكسيد الليثيوم منغنيز، وغالبًا يكون الوسيط المستخدَم هو الإيثر (3،4).

مبدأ العمل:

دورة التفريغ: تتأين ذرات الليثيوم في الأنود وتُفصل عن إلكتروناتها ثم تنتقل هذه الأيونات من الأنود وعبر الوسيط إلى الكاثود مخلَّفة إلكترونات حرة في الأنود، هذه الإلكترونات تشكل شحنةً في مجمع التيار الموجب، ومن ثم يتدفق التيار بواسطة الجهاز الموصول إلى البطارية، تنتقل الإلكترونات -بسبب حركة التيار- من الأنود إلى الكاثود لتعود وتتحد مع أيونات الليثيوم، وبذلك تعود ذرات الليثيوم إلى حالتها حيادية الشحنة، وتكون مهمة العازل في البطارية هي منع مرور الإلكترونات عبر الوسيط إلى الكاثود؛ أي ضمن البطارية (2،4).

دورة الشحن: تحدث عملية الشحن عن طريق التفاعلات الإلكترو- كيميائية نفسها لكن على نحوٍ معكوس، وذلك عن طريق وصل البطارية إلى مصدر طاقة كبير يعمل على إعادة تأيين ذرات الليثيوم وإعادتها إلى الأنود عن طريق الوسيط، ثم إنَّه يُعيد الإلكترونات إلى الأنود لتعود البطارية إلى حالتها قبل التفريغ (2،4).

إيجابيات بطاريات الليثيوم:

تقدم بطاريات الليثيوم جهدًا أكبر مقارنة بأنواع البطاريات الأخرى؛ إذ تنتج خلية ليثيوم آيون جهد بقيمة 3.6 فولت وأعلى حسب نوع المادة الداخلة في صنع الكاثود، وقيمة الجهد الدنيا التي تنتجها خلية الليثيوم أكبر بمرتين ممَّا تنتجه خلية بطارية قلوية (4،3).

وأكثر ما يميز بطاريات الليثيوم عن غيرها هي كثافة طاقتها العالية؛ إذ تصل إلى ضعف كثافة بطاريات نيكل - كادميوم NiCad؛ أي أنَّ بطارية ليثيوم بنصف حجم بطارية NiCad تعطي كمية الطاقة ذاتها، وبسبب كثافة طاقتها العالية ووزنها الخفيف، فإن الليثيوم بإمكانه حمل شحنات موجبة في مساحة صغيرة جدًّا ومن ثَم حجم أقل للبطاريات، ولذلك تستخدم بطاريات الليثيوم في السيارات الكهربائية (4،3).

ثم إنَّ بطاريات الليثيوم لا تنقص سعتها عند عمليات الشحن والتفريغ الجزئية؛ وذلك لعدم امتلاكها ما يعرف تأثير الذاكرة في البطارية، وتمتلك معدل تفريغ ذاتي منخفض (1.5-2% في الشهر) (3).

مساوئ بطاريات الليثيوم:

على الرغم من المستقبل الواعد لهذه البطاريات، لكنَّها لا تزال تعاني عدة مشكلات وخاصة من ناحية الأمان؛ إذ تميل هذه البطاريات إلى ارتفاع درجة حرارتها ارتفاعًا مفرطًا، ثم إنها قد تتضرر عند الجهود العالية مما قد يؤدي إلى حدوث تفريغ حراري أو الاحتراق (3)، وتقل كفاءتها مع زيادة عمرها؛ أي أنها تفقد جزءًا من سعتها وقد لا تعمل في بعض الأحيان، إضافةً إلى ارتفاع تكلفتها التي تزيد عن تكلفة بطاريات نيكل - كادميوم بنسبة 40 % (3).

وبسبب هذه المشكلات تتطلب هذه البطاريات عديدًا من الإجراءات لجعلها آمنة، ولكن هذه الإجراءات تؤثر في سعتها أو حجمها وفي بعض الحالات قد تؤثر في عملها (3)؛ لذلك لا يزال العلماء يبحثون حتى اليوم عن طرائق لتفادي هذه السلبيات وتطوير هذه البطاريات لتصبح أكثر أمانًا و ذات سعات و قدرات أكبر.

المصادر: