أصناف البطاريات

أكيد كل واحد مننا بيتعامل بشكل شبه يومي مع البطاريات ... ويمكن خلال كل فترة ببدل بطارية خاصة بجهاز محدد ... بطاريات الجوال ، بطاريات ساعة الحيط، بطاريات جهاز التحكم بالتلفزيون...الخ كلها بطاريات من أنواع مختلفة وتطبيقات مختلفة، بالجزء الماضي من سلسلة البطاريات حكينا عن قصة نشأة واختراع البطاريات وعن أهم الأسواق العالمية إلها... اليوم رح نتابع معكم بالحديث عن هالاختراع الرائع ورح نقدم بها لجزء شرح وافي عن أهم اصناف البطاريات من حيث "الحجم، الكيميائية وقابلية الشحن ...الخ" وغيرها من المميزات إضافة للحديث عن البطاريات الذكية وأنواع خلايا البطاريات وأنظمة البطاريات البديلة...تعالو نتعرف سوا على الجزء الثاني من سلسلة "البطاريات كما لم تعرفها من قبل".

أصناف البطاريات

سنقدم في هذا الجزء شرحاً وافياً عن أصناف البطاريات من حيث الحجم والكيميائية وقابلية الشحن وغيرها من المميزات، إضافة للحديث عن البطاريات الذكية وأنواع خلايا البطاريات وأنظمة البطاريات البديلة.

1.2 أصناف البطاريات (Battery Classes):

يمكن تقسيم البطاريات إلى عدة أصناف وذلك حسب (النوع، الحجم، الاستخدام، السعة، الكيميائية،...الخ). حيث تقسم من ناحية صنفها إلى صنفين: أولية وثانوية. ومن حيث الكيميائية فلا يمكن حصرها بنوع واحد، أما من حيث الحجم فلها أنواع عديدة ومقاسات متنوعة مثل (AA،AAA،C،D،E،F…)، ومن حيث قابلية الشحن فتقسم لنوعين: أولية غير قابلة للشحن، وثانوية قابلة للشحن.

البطاريات الأولية (الأساسية):

مع أن البطاريات الثانوية القابلة للشحن آخذة بالنمو بشكل كبير، مع ذلك لا تزال البطاريات غير القابلة للشحن (الأولية) لها أهمية على حد سواء مع الثانوية. فهي لاتزال تملأ الفجوة التجارية بشكل مهم وفي العديد من التطبيقات مثل ساعات اليد، أجهزة التحكم عن بعد، المفاتيح الالكترونية وألعاب الاطفال. البطاريات الأساسية أيضاً مهمة ومساعدة عندما يكون الشحن مستحيلاً أو لا يحقق الجانب العملي له، كما في المعارك العسكرية، مهمات الإنقاذ وعمليات إطفاء حرائق الغابات. التطبيقات الأخرى للبطاريات الأساسية هي مقاييس ضغط إطارات السيارات والشاحنات، أجهزة التعقب الخاصة بالحيوانات، منظمات الضغط لمرضى القلب، قطع التثقيب الذكية للحفر والتنقيب، إضافة إلى مشاعل الإنارة ومحطات التكرار البعيد. نوعية الطاقة العالية، أزمنة التخزين الطويل، وسهولة التشغيل تجعل هذه البطاريات مناسبة للعديد من التطبيقات. ويمكن حملها إلى الأماكن البعيدة أثناء الرحلات ويمكن استخدامها مباشرة، حتى بعد تخزين طويل الأمد. معظم هذه البطاريات رخيصة الثمن، متوفرة بسهولة، وملائمة للبيئة.

الكربون-زنك والتي تعرف أيضاً بخلية لوكلانشيه، هي أرخص البطاريات الأساسية وتلحق بتجهيزات المستخدم التي تحتاج للعمل على البطاريات. إن بطاريات الأغراض العامة هذه تستعمل للتطبيقات ذات تصريف القدرة المنخفض، مثل أجهزة التحكم عن بعد، والمصابيح الكاشفة، ألعاب الأطفال، وساعات الحائط. إن أكثر البطاريات الأساسية شيوعاً للمستهلكين هي بطارية المنغنيز القلوي، أو البطارية القلوية باختصار، وهذه البطارية اخترعها لويس أوري في العام 1949 أثناء عمله في مختبرات شركة Eveready للبطاريات في بارما، ولاية أوهايو الأمريكية. إن البطاريات القلوية تسلم طاقة أكبر عند تيارات الحمل العالية أكثر من بطاريات كربون-زنك، حيث أنها أفضل أنواع البطاريات الأساسية، فهذه البطاريات لا تسرب السائل داخلها عند نفاذ قدرتها، كما تفعل بطاريات كربون-زنك. ولكن بالنسبة للوجه السلبي لها، فهو أن ثمنها أغلى من ثمن بطارية كربون-زنك.

إن البطاريات الأساسية لها إحدى أكثر الكثافات الطاقية ارتفاعاً. وعلى الرغم من أن البطاريات الثانوية تطورت بشكل أفضل، فإن البطارية القلوية المنزلية تعطي 50% طاقة أكثر من طاقة بطاريات Li-ion. إن أكثر كثافات الطاقية للبطاريات بشكل رئيسي هي بطارية الليثيوم المصنوعة لآلات التصوير والمعارك العسكرية. فهي تحتفظ بطاقة أعلى بثلاث مرات من بطاريات Li-ion وتأتي في امتزاجات وأنماط مختلفة. مثل الليثيوم المعدني، أكسيد منغنيز الليثيوم، كلوريد الليثيوم القصديري، أوكسيجين الليثيوم وأنماط أخرى، الشكل 1.2 يبين الكثافات الطاقية المثالية لبطارية Lead-acid، NiMH، Li-ion، alkaline، وبطاريات الليثيوم الأساسية.

الشكل1.2 : يبين مقارنة بين الطاقة النوعية للبطاريات الأولية والثانوية،

بشكل عام فإن البطاريات الثانوية تصنف نموذجياً بالنسبة 1C، البطارية القلوية تستخدم تيارات تفريغ أخفض.

الطاقة النوعية تحدد الطاقة التي تستطيع البطارية الاحتفاظ بها. وهذا، بكل الأحوال، لا يضمن عملية التسليم للقدرة. تميل البطاريات الأساسية إلى امتلاك مقاومة داخلية عالية، والتي تحد من تفريغ الأحمال الخفيفة مثل أجهزة التحكم عن بعد، مصابيح الكشف وأدوات الترفيه المتنقلة. وبالتالي لا يمكن مثلاً تشغيل الكاميرات الرقمية أو أجهزة التثقيب باستخدام بطارية قلوية.

إن مصنعي البطاريات الأساسية يحددون فقط الطاقة النوعية، أما القدرة النوعية (القابلية لتسليم القدرة) فلا يتم تحديدها من قبلهم. بينما معظم البطاريات الثانوية يتم تقديرها بتيار تفريغ ذو نسبة من 1C، إن قدرة البطاريات الأولية يتم قياسها عن طريق تفريغها عند تيار منخفض جداً من رتبة 25mA، أو من نسبة المعامل C. بالإضافة لذلك، يسمح لكل بطارية أن يحصل لها هبوط جهد يقدر بــ0.8V لكل خلية. إن طريقة التقييم هذه تزودنا بقراءات رائعة على الورق ولكن هذه النتائج تكون متدنية وسيئة عند طلب التحميل بشكل أكبر.

الشكل 2.2 يقارن أداء كل من البطاريات الثانوية والأولية عند نسبة تفريغ 1C. والنتائج هنا مشار إليها بشكل فعلي وتقديري. حيث أن الفعلي هو نسبة Wh/kg المسلمة عند نسبة تفريغ 1C، وأما المقدرة هي النسبة Wh/kg التي يحددها المصنعون عند تفريغها بتيار صغير جداً. البطاريات الأولية تعمل بشكل جيد عند التفريغ الذي يمثله جهاز الترفيه، البطاريات الثانوية لها سعة أقل ولكن عندها مرونة أكبر عند التحميل بنسبة 1C.

الشكل 2.2: يبين مقارنة الطاقة تحت التحميل بين نوعي البطاريات

النسبة "Rated" تشير إلى تفريغ معتدل، والنسبة "Actual" تشير إلى الحمل عند النسبة 1C. والمقاومة الداخلية العالية للبطارية القلوية تحد قدرتها على إضاءة الأحمال.

إن السبب وراء هذا الأداء الحاد والهابط للبطاريات الثانوية هو المقاومة الداخلية العالية، والتي تسبب هبوط الجهد أثناء التحميل. إن هذه المقاومة تزداد أثناء تفريغ البطارية. الشكل 2 يبين التناقض الأكبر بين النسبيتين "Rated" و "Actual" في البطاريات القلوية. إن بطارية قلوية ذات عمر طويل "لم تظهر في الشكل" بالطبع سوف تقدم نتائج أفضل .

الجدول 1.2 يبين سعة البطاريات القلوية القياسية مع الأحمال والتي تكون نموذجياً للتجهيزات الترفيهية الشخصية أو من أجل الكشافات الضوئية الصغيرة. إن التفريغ عند نسب C جزئية يولد سعات عالية. وزيادة نسبة التفريغ سوف يخفض هذه النسبة بشكل شديد.

جدول 1.2: يبين المواصفات القلوية، إن التفريغ مشابه لتجهيزة كهربائية مع حمل صغير

إن استعمال البطاريات الأولية قد يكون غالياً، وعدم قابلية الشحن تزيد كلفة القدرة بحوالي 30 طية على البطاريات الثانوية. وتصبح قضية التسعير حادة لدرجة كبيرة إذا تم استبدال مجموعة البطاريات بعد كل عملية، بغض النظر عن طول الخدمة، التخلص الجزي الذي باستخدام البطاريات شائع إلى درجة ما، خصوصاً في التطبيقات السريعة والمهمات الحرجة. فهي أكثر أماناً وسهولة بالنسبة للقوات التي تعمل بعيداً عن قواعدها. وتشير تقارير وزارة الدفاع الأمريكية إلى أن نصف البطاريات التي يتخلص منها في الولايات المتحدة تستفيد منها وزارة الدفاع في إعادة تصنيعها للعسكريين الذين يخدمون بعيداً عن قواعدهم العسكرية.

إن تخمين حالة شحن البطارية قد يساعدنا، ولكن مثل هذه التجهيزات باهظة الثمن وغير دقيقة. إن الطريقة الأكثر استخداماً وصحة للقياس هي قياس جهد الدارة المفتوحة وقراءة المقاومة الداخلية عن طريق تطبيق حمل بسيط، ومن ثم التأكد من هبوط الجهد عليه. وإن فرق الجهد الكبير مرتبط بارتفاع قيمة المقاومة، وهذا تلميح إلى انتهاء عمر البطارية، هناك طريقة أكثر دقة وهي قياس الطاقة المتدفقة الخارجة، وهذا القياس يعرف أيضاً بحساب coulomb، ولكن هذا يتطلب مجموعة دوائر غالية الثمن.

الشكل 3.2 يبين أنواع البطاريات الأولية.

1.2.2 اختيار البطاريات الأولية:

البطاريات سابقاً كانت تستخدم بشكل رئيسي للأغراض التجريبية. حيث كانت الفولطيات تتقلب تحت الحمل مما جعل عملها مستحيلاً مع أغلب التطبيقات. في العام 1836، جون إف.دانييل، كيميائي إنكليزي، طور بطارية محسنة تقدم تيار مستقراً أكبر وكانت مناسبة من أجل تزويد شبكات الإبراق بالقدرة الكهربائية حيث أن شبكات التوزيع الكهربائية لم تكن معروفة في تلك الآونة. هذه البطاريات المبكرة كانت بطاريات أساسية غير قابلة للشحن وبقيت كذلك حتى العام 1859م، حيث قام الفيزيائي الفرنسي "غاستون بلانتي" باختراع أول بطارية قابلة للشحن مبنية على كيميائية Lead-acid.

الكربون-زنك، المعروفة أيضاً ببطارية لوكلانشيه، كانت واحدة من أولى البطاريات التجارية. إن خلية لوكلانشيه الأولى في العام 1876م كانت سائلة، وأما الجافة فقام بتطويرها في العام 1886م. أول مستهلكي بطارية كربون-زنك من أجل الكواشف الضوئية ظهر في العام 1898م، والتطورات في البطاريات أسهمت في تشكيل شركة بطاريات Eveready. إن بطارية كربون-زنك هي أرخص البطاريات، وتأتي بشكل اعتيادي مع تجهيزات المستهلك. إن بطاريات الأغراض العامة هذه تستخدم للتطبيقات ذات تصريف الطاقة المنخفض، مثل أجهزة التحكم عن بعد، الكواشف الضوئية، ألعاب الأطفال، وساعات الحائط.

إن أكثر البطاريات الأولية شيوعاً عند المستهلكين هي بطاريات المنغنيز القلوي، أو القلوية باختصار. وهي تقدم طاقة أكبر من طاقة كربون-زنك عند تيارات الحمل الأعلى، كما أنها ضد التسريب، رغم أنها لا تمنع التسريب بشكل كلي، إن تفريغ هذه البطارية يولد غاز الهيدروكسيد. جميع البطاريات الأولية تولد غازات أثناء تفريغها. إن الأجهزة المحمولة العاملة على هذه البطاريات يجب أن تمتلك فتحة تنفيس لهذه الغازات.

إن بطارية Li-FeS2 أو ثنائي كبريت الليثيوم الحديدي، هي منضم جديد إلى عائلة البطاريات الأولية كما أنها تقدم أداءً أفضل. إن بطاريات الليثيوم بشكل عام تقدم جهداً قدره 3V أو أعلى، ولكن بطارية Li-FeS2 تنتج 1.5V وبالتالي تحل بدلاً من البطاريات القلوية وبطاريات كربون-زنك في العائلتين AA و AAA. فهي لديها سعة أعلى ومقاومة داخلية أقل من القلوية. وهذا يمكِّن حالة معتدلة للأحمال الثقيلة ومثالي لآلات التصوير الرقمية. الفوائد الأخرى لها هي تحسين الأداء الحراري المنخفض، التغلب على مقاومة التسريب، إضافة إلى حالة تفريغ ذاتي صغيرة، والقدرة على التخزين لـ15 عام عند درجات الحرارة الطبيعية. ولا ننسى الوزن الصغير والسمية المنخفضة هي أيضاً من فوائد هذه البطاريات.

أما سيئات بطاريات Li-FeS2 هي السعر المرتفع، وقضايا النقل وذلك لأن معدن الليثيوم محتوى في القطب الموجب لها. وهذا يسبب تقييداً في الشحن الهوائي. في العام 2004، منعت إدارة الطيران الاتحادية في الولايات المتحدة الأمريكية FAA شحنات معظم بطاريات الليثيوم الأساسية على رحلات السفر، ولكن مسافري شركة الطيران سمح لهم بحمل هذه البطاريات في لوحة صغيرة أو في حقائبهم الشخصية. إن كل بطارية Li-FeS2 ذات الحجم AA تحتوي على 0.98 g من الليثيوم. إن الحدود الجوية المسموحة لبطاريات الليثيوم الأولية هي غرامان فقط (و8 غرامات من أجل بطاريات Li-ion). وهذا يحدد لكل مسافر خليتين فقط، على أي حال، فإن الاستثناءات دائماً موجودة وفي الحقيقة يسمح بحمل 12 بطارية لكل مسافر.

إن بطاريات Li-FeS2 تتضمن تجهيزات أمان تتجلى في قاطع حراري PTC مهمته تحديد التيار عند درجات الحرارة العالية. إن خلية Li-FeS2 غير قابلة للشحن كما هو ممكن مع بطاريات NiMH في النماذج AA و AAA. عند إعادة الشحن، يجب الانتباه غلى عدم استخدام أكثر من نوع من البطاريات مع بعضها البعض كي لا يسبب ذلك حدوث تسريب للتيار أو حتى انفجار.

الأشكال 4.2 و 5.2 تقارن بين فولطية التفريغ والمقاومة الداخلية لكل من البطاريات القلوية وبطاريات Li-FeS2 عند حمل نبضي قدره 50mA. حيث يظهر منحني جهد مستوي مع منحني المقاومة الداخلية المنخفضة لليثيوم ، يظهر منحني القلوي هبوطاً تدريجياً في الجهد و زيادة دائمة في المقاومة مع الاستعمال. وهذا يقصر من زمن التشغيل، وخصوصاً عند الأحمال المرتفعة.

إن النماذج AA و AAA هي أكثر أنماط الخلايا شيوعاً. وتعرف باسم بطاريات "Penlight" أو القلم الخفيف. إن النموذج AA أصبح متوفراً للعامة في العام 1915م وكان يستخدم كأداء تجسس أثناء الحرب العالمية الأولى، وحد معهد المعايير القومي الأمريكي هذا النموذج في العام 1947م. النموذج AAA تم تطويره في العام 1954م وذلك من أجل تصغير حجم كاميرات "Kodak" و "Polaroid" ومن أجل تقليص حجم الأدوات المحمولة الأخرى. في العام 1990م، فرع من بطارية 9V أنتج النموذج AAAA من أجل المؤشرات الليزرية، إبر الحاسوب، ومكبرات سماعة الرأس.

الجدول 2.2: يبين يقارن بطاريات Carbon-zinc، alkaline، lithium، NiCd، NiMH و nickel-zinc و أحجام خلايا AA و AAA.

إن سعة النموذج AA هي ضعف سعة AAA عند نفس السعر، إن كلفة تخزين الطاقة لــAAA هي أكبر مرتين من النموذج ِAA.

**: السعة مقدرة بالـmAh، تيار التفريغ أقل من 500mA.

*:الأسعار المقدرة في الولايات متحدة الأمريكية.

تحتوي خلية AAA تقريبياً نصف القدرة التي تملكها خلية AA عند نفس السعر. جوهرياً، كلفة الطاقة للــAAA هي أكبر بمرتين من AA. إن كلفة الطاقة تأخذ عادة المرتبة الثانية ومصنعي الأجهزة يفضلون استعمال AAA الأصغر على AA الأكبر. تساعد اعتبارات التصميم الصحيحة في حماية البيئة عن طريق توليد نفايات أقل.

إن أسعار البطاريات القلوية بالمفرَّق تتفاوت، وكذلك هو أداؤها، وأكد ذلك مؤسسة هندسية أمريكية اسمها "Exponent"، حيث تحققت من سعة ثمانية أصناف تجارية للبطاريات القلوية في مجموعة AA، واكتشفت تناقضاً بين أفضل وأسوأ أداء بحدود 800%. إن المقياس العملي لاختبار البطاريات هو حساب عدد اللقطات التي يمكن أن تلتقطها كاميرا رقيمة تمتلك مجموعة خلايا. إن نبضات التيار المرتفعة نسبياً للكاميرا الرقمية تجهد البطارية أكثر مما يفعله جهاز التحكم عن بعد أو ساعة المطبخ. عند توقف عمل البطارية القلوية النظامية في الكاميرات الرقمية، فغن الطاقة المتبقية تستطيع تشغيل جهاز تحكم عن بعد، أو تشغيل ساعة مطبخ لسنتين متتاليتين.

الشكل 6.2 يشرح عدد اللقطات الممكن التقاطها بكاميرا رقمية مع نبضات تفريغ باستطاعة 1.3 Watts على بطاريات الـAlkaline، NiMH، الليثيوم و Li-FeS2 في حزم AA. (يتم وضع خليتين تسلسلياً لإنتاج جهد 3V، 1.3W، وتيار 433mA). على الرغم من أن كيميائيات البطاريات الثلاث المختبرة لديها نفس القدرة، فإن النتائج التي على شكل نبضات تُحصي تفاوتاً كبيراً. والفائز الواضح هنا هو Li-FeS2 مع 690 نبضة وتيار 3Ah، الثاني هو NiMH مع 520 نبضة وتيار 2.5Ah، والثالث بعيد تماماً عنهم هو القلوية القياسية حيث تنتج 85 نبضة وتيار 3Ah فقط.

إن السعة المقدرة يمكن اعتبارها كمؤشر أداء وهو مفيد جداً عند تيارات تفريغ منخفضة، يلعب معامل القدرة دوراً مهماً عند الأحمال المرتفعة. إن العلاقة بين سعة الطاقة والقدرة على تسليم التيار يمكن تصويرها بشكل أفضل عن طريق مخطط "Ragone" نسبة للعالم " David V. Ragone"، إن مخطط "Ragone" يقيم تجهيزات تخزين القدرة على أساس الطاقة والقدرة.

3.2 البطاريات الثانوية (Secondary Batteries):

1.3.2جدول مقارنة البطاريات الثانوية:

تلعب البطاريات الثانوية دوراً مهماً في حياتنا، والعديد من الأعمال الروتينية اليومية ستكون مستحيلة بدون شحن بطارياتنا، إن مجال الاهتمام بهذه البطاريات يكمن في الطاقة النوعية، سنوات الخدمة، مميزات الحمل، الأمان، التفريغ الذاتي، القضايا البيئية، متطلبات الصيانة، وكيفية التخلص منها.

إن نظام Lead-acid هو واحد من أقدم أنظمة البطاريات القابلة للشحن، اقتصادي في السعر، ويملك طاقة نوعية منخفضة، ودورة حياة محدودة. إن هذا النظام يستخدم لكراسي المعوقين، سيارات الغولف، ناقلات الجنود، أضواء الطوارئ، وأنظمة عدم انقطاع القدرة (UPS).

بطاريات NiCd عملها مفهوم بشكل جيد، وتستخدم لأمد خدمة طويل، وتيار تفريغها عالي، ولها درجة حرارة مفرطة، وسعر اقتصادي يعطيها المزيد من الأهمية. بسبب الاعتبارات البيئية، بُدِأ استبدال بطاريات NiCd مكان الكيميائيات الأخرى، التطبيقات الرئيسية لها هي، أدوات القدرة، الراديوهات المزدوجة، الطائرات ووحدات UPS.

بطاريات NiMH هي البديل العملي لبطاريات NiCd، حيث تمتلك طاقة نوعية أعلى ومعادن سامة أقل. تستخدم هذه البطاريات في التجهيزات الطبية، السيارات الهجينة والتطبيقات الصناعية. وهذه البطارية في خلايا من قياس AA و AAA للاستهلاك المحلي.

بطاريات Li-ion هي أكثر أنظمة البطاريات الواعدة، تستخدم في منتجات المستهلك المحمولة بشكل جيد ومنافس لما يفعله القطر الكهربائي للعربات، ولكنها أكثر غلاءً من أنظمة Lead-acid والـNickel وتحتاج إلى دارة حماية من أجل الأمان.

إن عائلة ليثيوم-أيون Li-ion مقسمة لثلاث أنواع بطاريات رئيسية، كذلك فهي تسمى بأكاسيد أقطابها السالبة "الكاثودية"، والتي هي الكوبالت، المنغنيز، والفوسفات. إن خصائص أنظمة Li-ion هذه هي كالآتي:

- كوبالت أيون الليثيوم LiCoO2، وتتميز بطاقة نوعية عالية وسعات حمل معتدلة وحياة خدمة معتدلة. تطبيقاتها تشمل الهواتف الخلوية، أجهزة الحاسب المحمولة، الكاميرات الرقمية...الخ.

- منغنيز أيون الليثيوم أو منغنيز الليثيوم LiMn2O4، وتتميز بقدرة تيارات شحنها وتفريغها العالية ولكن طاقتها النوعية منخفضة وعمر خدمتها معتدل، وتستخدم لأدوات القدرة، الآلات الطبية، وأنظمة استجرار الطاقة الكهربائية.

- فوسفات الليثيوم LiFePO4 وهي مشابهة لمنغنيز الليثيوم، جهدها الاسمي 3.3V للخلية الواحدة، دورة عملها طويلة، أمانها جيد، ولكن لديها تفريغ ذاتي أعلى من باقي أنظمة الليثيوم.

هناك العديد من أنظمة الليثيوم الأخرى، لا يمكن حصرها جميعها، ومنها بطاريات بوليمير الليثيوم Li-Polymer. بما أن أنظمة الليثيوم أخذت أسمائها من المعادن الفريدة المشكلة لمهبطها، فإن أنظمة ليثيوم بوليمير تتميز بمعماريتها الفريدة، وهنا ننوه أنه لم يتم ذكر أي نظام ليثيوم-معدني قابل للشحن. وهذه البطاريات Li-metal تتطلب تطويرات أخرى لتستطيع التحكم بعملية النمو المتشجرة والمتفرعة لها، والتي يمكن تسويتها وحلها بأمان. وعند حلها، فإن بطاريات Li-metal ستصبح بديلاً عن البطاريات الأخرى مع طاقة نوعية عالية فوق المستوى الطبيعي "خارقة" وقدرة نوعية جيدة.

الجدول 3.2 يقارن خصائص أربعة أنظمة بطاريات قابلة لإعادة الشحن، مشيراً إلى تقديرات الأداء المتوسطة.

هذا الجدول مبيني على أساس معدلات تقريبية للبطاريات التجارية، إن المعدلات التقريبية للبطاريات التجريبية تم استثنائها من الجدول أعلاه.

1 إن المقاومة الداخلية لمجموعة البطاريات تتفاوت بمعدلات الميللي أمبير الساعي mAh، وتوزيع الأسلاك وعدد الخلايا. تضيف دارة الحماية لبطارية Li-ion حوالي 100mW.

2 مستندة على أساس حجم الخلية 18650، حيث أن تصميم وحجم الخلية يحددان المقاومة الداخلية.

3 إن دورة الحياة للبطارية تعتمد على إجراء الصيانة المنتظمة لها.

4 دورة الحياة معتمدة على عمق التفريغ. فعمق التفريغ الضحل يحسن عمر البطارية.

5 التفريغ الذاتي يرتفع يكون في أعلاه بعد الشحن. فبطاريات NiCd تخسر 10% من قدرتها خلال الـ 24 ساعة الأولى، ثم تنحدر إلى 10% كل 30 يوم. حيث أن الحرارة العالية تزيد من التفريغ الذاتي.

6 تستهلك دارات الحماية النموذجية 3% من الطاقة المختزنة كل شهر.

7 الجهد التقليدي 1.25V، ولكن 1.2V هو الأكثر استخداماً بشكل عام.

8 إن المقاومة الداخلية المنخفضة تخفض من هبوط الجهد تحت تأثير الحمل، وبطاريات Li-ion تقدر في أغلب الأحيان بـ3.6V للخلية. الخلايا التجارية 3.7V أو 3.8V تكون متوافقة تماماً مع الـ 3.6V.

9 إن قدرة نبضات التيار المرتفعة، تحتاج زمناً ليتم استعادتها.

10 لا تقم بشحن بطاريات Li-ion النظامية تحت درجة التجمد.

11 الصيانة تكون على شكل موازنة أو شحن فائق لمنع تشكل الكبريت.

12 فرق الجهد يكون أقل من 2.2V أو أكثر من 4.30V في معظم بطاريات Li-ion، إن أوضاع الجهود المختلفة يتم تطبيقها على بطاريات "فوسفات حديد الليثيوم" LiFePO4.

1.3.2 البطاريات التي أساسها الرصاص:

هذه البطاريات اخترعها الفيزيائي الفرنسي "غاستون بلانتي" في العام 1859، حيث كانت بطارية Lead-acid أو بطارية قابلة لإعادة الشحن للاستخدام التجاري. بالرغم من عمرها المتقدم، فإن كيميائية الرصاص تتابع تقدمها نحو الاستخدام الواسع لها هذه الأيام، وهناك بالطبع عدة أسباب تقف وراء شعبيتها الكبيرة، فبطاريات Lead-acid موثوقة ورخيصة الثمن. هناك بضعة بطاريات فقط قادرة على تسليم قدرتها بشكل أعظمي بشكل رخيص كما في بطاريات Lead-acid، وهذا يجعل سعرها فعّالاً لوسائل النقل، سيارات الغولف، الرافعات، و مزودات القدرة غير المنقطعة (UPS).

ولكن لهذه البطاريات أيضاً العديد من الأضرار، فهي ثقيلة الوزن ودورة عملها أقل بمرتين من أنظمة بطاريات النيكل والليثيوم. وعملية التفريغ الكامل لها تسبب إجهاداً وكل عملية شحن/تفريغ دائمة للبطارية تنتزع منها قدرة "سعة" صغيرة. وهذه الخسارة تكون صغيرة في حال توفر شروط التشغيل الجيدة، وهذا الذبول يزداد عندما يهبط الأداء إلى نصف سعة البطارية الاسمية. إن خصائص الاهتراء هذه تنطبق على جميع البطاريات في درجات حرارة متفاوتة.

اعتماداً على عمق عملية التفريغ، فإن الـ Lead-acid من أجل تطبيقات دورية عميقة تزودنا بحدود 200-300 دورة شحن/تفريغ. إن الأسباب الرئيسية لقصر دورة حياتها نسبياً هي تآكل الشبكة على الالكترود الموجب، إن نضوب المادة النشطة وتمدد الطبقات الموجبة. وهذه التغييرات الأكثر سواداً "وجوداً" هي عند درجات حرارة التشغيل المرتفعة وعند عمليات تفريغ التيار العالية الشدة.

إن شحن بطاريات Lead-acid هي عملية بسيطة ولكن حدود الجهد الصحيحة يجب أخذها بالحسبان، وهنا توجد هذه المساومات، إن اختيار حدود جهد منخفضة يحمي البطارية ولكن هذا يخلّف أداءً سيئاً ويعزز من عملية التكبرت على الطبقة السالبة. أيضاً اختيار الجهد المرتفع يزيد في الأداء ولكن على حساب تشكل تآكل شبكي على الطبقة الموجبة. طالما أن التكبرت يمكن إبطاله أو تغييره إذا تمت معالجته في الوقت المناسب، فإن التآكل يكون دائم.

لا تعتبر بطارية Lead-acid بطارية سريعة الشحن ومثل أكثر أنواع بطاريات فئتها، فإنها تستغرق ما بين 14-16 ساعة شحن. وهنا يجب التنويه إلى الحفاظ على شحن البطارية بشكل كامل ودائم. فالشحن المنخفض يسبب التكبرت. وهو حالة تسبب انخفاض أداء البطارية. إن إضافة الكربون على الصفيحة السالبة يقلل من هذه المشكلة ولكن يقلل أيضاً من الطاقة النوعية.

لبطاريات Lead-acid فترة حياة معتدلة. إن الاحتفاظ بالشحن يكون أفضل بين البطاريات القابلة للشحن. بينما بطاريات NiCd تخسر تقريباً 40% من طاقتها المختزنة خلال ثلاثة أشهر، والتفريغ الذاتي لبطاريات Lead-acid يكون نفسه خلال السنة الواحدة. وهي تعمل بشكل جيد عند درجات الحرارة الباردة وهي تتفوق على بطاريات Li-ion في شروط التشغيل تحت الدرجة 0°C.

بطاريات Lead-acid المغلقة:

إن أول ظهور لبطارية Lead-acid مغلقة ومتحررة من عملية الصيانة الدورية كان في منتصف عام 1970م، حيث كان الجدل يدور بين المهندسين عن أن تعبير "بطارية Lead-acid مغلقة" هو تعبير خاطئ لأنه لا يمكن وجود بطارية Lead-acid مغلقة بشكل كامل. وهذا الجدل انقلب إلى حقيقة خطأ هذا التعبير حيث يقوم مصممو هذه البطاريات دائماً بإضافة صمام للسيطرة على تصريف الغازات عمليات الشحن المرهق والتفريغ السريع. وبدلاً من غمر الطبقات "الصفائح" بالسائل، فإن الالكترود يكون مشبع بفاصل مبلل. وهو تصميم يشبه أنظمة النيكل والليثيوم. وهذا يمكن البطارية من العمل في أي تغير فيزيائي بدون وجود تسريب.

البطاريات المغلقة تمتلك الكترودات أقل من النمط العائم، لذلك فإن التعبير "Acid-Starved" أو الحامض الناقص ربما يكون أكثر المزايا الهامة لهذه البطاريات في قدرتها على دمج الهيدروجين والأوكسيجين لتشكيل الماء ومنع خسارته. إن إعادة الاتحاد أو الدمج هذه تتشكل عند ضغط معتدل من قيمة 0.14bar (2psi). الصمام يعمل كمنفس آمن عند زيادة الغازات أثناء زيادة الشحن أكثر من اللازم أو عند التفريغ المرهق. التنفيس المتكرر يؤدي إلى جفاف الخلية.

بالاعتماد على هذه الفوائد، أنواع عديدة من البطاريات الحامضية المغلقة ظهرت وأكثرها شيوعاً النمط الهلامي، والتي تعرف أيضاً بـ "VRLA" أو بطارية حامض الرصاص ذات منظم الصمام، و أيضاً تعرف بالحصية الزجاجية الممتصة "ِAGM". إن هذه الخلية الهلامية تحتوي على نوع من الجيل اسمه السليكا والذي يقوم بتثبيت أو تعليق الالكترود في المعجون. المجموعات الأصغر منها لها سعة تصل حتى 30A وتسمى SLA (Sealed Lead acid). ويتم تعبئتها في حاويات بلاستيكية، وهذه البطاريات تستخدم من أجل أجهزة UPS الصغيرة، أضواء الطوارئ، أجهزة التهوية للعناية بالصحة، وكراسي المعوقين. بسبب سعرها الاقتصادي، موثوقية خدمتها وصيانتها المنخفضة، فإن بطاريات SLA تبقى الخيار المفضل للعناية الصحية والطب الحيوي في المشافي وغيرها. أما الـ VRLA فهي عبارة هلام أضخم مختلف يستخدم كمصدر قدرة احتياطي من أجل أبراج البث الخلوية، مراكز الانترنت، البنوك، المستشفيات، المطارات، وغيرها من المواقع.

إن الـ AGM هو تصميم جديد، يوفر العديد من الفوائد لأنظمة Lead-acid، من ضمنها الشحن السريع وتيارات الحمل العالية الفورية عند الطلب. الـAGM تعمل بشكل أفضل كبطارية بمجال وسطي مع سعات من 30-100Ah وهي لا تناسب الأنظمة الضخمة، كأجهزة UPS. الاستخدام النموذجي هو بطاريات بدء التشغيل في الدراجات النارية، ووظيفة الانطلاق والتوقف في السيارات الهجينة الصغيرة.

مع فائدتي العمر والتدوير، فإن قدرة الـ AGM بدأت تبهت بشكل تدريجي، وعلى الجانب الآخر، الهلام، له منحني أداء يشبه القبة ويبقى في مجال أداء مرتفع لزمن أطول ولكن فجأة ينخفض وينتهي عمره التشغيلي. الــAGM أكثر غلاءً من البطاريات العائمة، ولكنها أرخص من البطاريات الهلامية.

على خلاف البطاريات العائمة، فإن البطاريات المغلقة الحمضية مصممة من أجل إمكانية تحمل زيادة الجهد وذلك من أجل منع البطارية من أن تصل لحالة إمكانية توليد غازها اثماء الشحن. إن زيادة الشحن تسبب تسمماً بالغاز، إن التنفيس ونضوب الماء لاحقاً والجفاف. لذلك، الهلام، وجزئياً أيضاً الـAGM، لا يمكن شحنها إلى طاقتها الكاملة وحدود جهد الشحن يجب أن يتم ضبطها بشكل أخفض من نظيرتها العائمة. إن الشحن العائم عند الشحن الكامل يجب خفضه أيضاً. فيما يتعلق بالشحن، فإن الهلام والــ AGM ليسوا بدائل مباشرة للنمط العائم. إذا لم يتوفر شاحن معين مع إعدادات جهد منخفضة، قم بفصل الشاحن بعد 24 ساعة شحن. وهذا سيمنع التسمم بالغاز بسبب الفولطية العالية جداً.

إن درجة حرارة التشغيل القصوى لبطاريات VRLA هي 25°C، كل 8°C درجات تزيد فوق عتبة درجة الحرارة هذه فإنها ستنقص عمر البطارية إلى النصف. يقدر شحن بطاريات Lead-acid بــ 5 ساعات أي 0.2C وتفريغها يقدر بحوالي 20ساعة أي 0.05C. والبطارية تؤدي بشكل أفضل عند تفريغها بشكل بطيء كما أن قراءات السعة تكون أعلى بشكل خاص عند نسبة التفريغ البطيئة. تستطيع بطاريات Lead-acid بكل الأحوال، تسليم تيارات نبضية عالية لعدة نسب C وذلك فقط بضع ثواني، وهذا يجعلها مناسبة كبطاريات بدء التشغيل. والتي تعرف أيضاً بمحرك البدء الأولي Starter Light-Ignition أو اختصاراً "SLI". إن المستوى العالي للرصاص ولحمض الكبريت يجعل بطاريات Lead-acid غير صديقة للبيئة.

الفقرات التالية تظهر المعماريات المختلفة بين عائلة بطاريات الـ Lead-acid ولماذا وجود نوع واحد من فئاتها لا يغني عن جميع أنواعها.

المصدر: هنا

مصدر الصورة: هنا