البطاريات الذكية

اليوم رح ننتقل معكم لموضوع جديد بعالم البطاريات ... موضوع شيق جداً... الموضوع صراحة بيتعلق بشكل أساسي بحياتكن اليومية مع الأجهزة المحمولة.. من حواسيب شخصية وأجهزة ذكية... شي مرة سألتو حالكن شو الفرق بين بطارية اللابتوب وغير أنواع البطاريات ليش بطارية اللابتوب ما إلها قطبين فقط... ليش وليش وليش... هاي الليش رح تعرفاو جوابها اليوم مع الجزء الرابع من سلسلة "البطاريات لم لم تعرفوها من قبل" واليوم حديثنا رح يكون عن البطاريات الذكية مكوناتها، عملها، تطبيقاتها، ورح ننتقل معكم للحديث عن أهم أنواع خلايا البطاريات يلي منشوفها بحياتنا اليومية. بعدها رح ننتقل للحديث عن أنظمة البطاريات البديلة.

4.2 البطاريات الذكية (Smart Batteries):

1.4.2 طريقة العمل الداخلي للبطاريات الذكية:

يمكننا اعتبار البطارية كحيوان بري يقوم الذكاء الصناعي بترويضه، إن التدجين يتطلب معرفة حرارة البطارية، لأن البطارية العادية ليس لديها أسلوب عمل صريح. فالوزن واللون والحجم لا يقدمون لنا حالة شحنها مثلاً أو حالتها الكيميائية. فشحن البطارية بشكل مبسط لا يتضمن زمن التشغيل المتوقع لها.

إن معظم بطاريات الحواسيب المحمولة والأجهزة المماثلة هي بطاريات "ذكية"، وهذا يعني بأن بعض الاتصالات تجري بين البطارية، الجهاز والمستخدم. إن تعريف "الذكاء" يتفاوت بين المصنعين والهيئات التنظيمية. فالبعض يعتبر أن ذكاء البطارية هو ذكاء الرقاقة التي تقوم بضبط خوارزمية شحن البطارية. إن منتدى أنظمة البطاريات الذكية SBS يفرض على البطارية الذكية أن تزود المستخدم بمؤشرات تدل على حالة الشحن دون استخدام شاحن.

إن تزايد أعداد البطاريات القابلة للشحن يجعلها تتحلى ببعض الذكاء. فذكاء البطارية يعني بأن على مجموعة البطارية أن تتضمن بعض من مستوى الذكاء. معظم البطاريات تعمل على مبدأ حساب كولمب، وهي نظرية تعود لـ 250 عام عندما قام ((تشارلز أوغستين دي كولمب)) بتأسيس "قاعدة كولمب". الشكل 1 يبين مقياس وقود والذي يقوم بقياس الطاقات الداخلة والخارجة، حيث تمثل الطاقة المختزنة حالة الشحن.

هناك العديد من أنواع البطاريات الذكية، كل منها يقدم تعقيدات مختلفة وتكاليف متفاوتة. إن أكثر البطاريات الذكية بساطة قد تحتوي على لا شيء أكثر من رقاقة تقوم بضبط الشاحن على خوارزمية الشحن الصحيحة. ولكن في نظر منتديات أنظمة البطاريات الذكية، فإن هذه البطاريات لا يمكن تسميتها ببطاريات ذكية، وبالتالي ما هو الشيء الذي يجعل البطارية ذكية.

تتفاوت التعاريف بين المصنعين والمنظمات. حيث أن منتديات أنظمة البطاريات الذكية SBS تفرض على البطارية الذكية أن تزود المستخدم بمؤشرات تدل على حالة الشحن دون استخدام شاحن، وفي العام 1990، كانت شركة Benchmarq أولى الشركات التي قدمت تكنولوجيا خلايا الوقود. اليوم يعرض عدّة منتجون رقائق (IC) في أنظمة السلك الوحيد وأنظمة السلكين، وهذا ما يعرف بممر إدارة النظام SMB.

ممر السلك الوحيد:

إن أنظمة السلك الوحيد توفر إمكانية الاتصال من خلال سلك واحد. بكل حال، فإن البطارية لا تزال تستخدم ثلاثة أسلاك. يشمل ذلك خط البيانات والذي يزودنا أيضاً بمعلومات زمنية، ونهايتي البطارية السالب والموجب. ومن أجل اعتبارات الأمان، يقوم المصنعون بإضافة سلك رابع كحساس لدرجة الحرارة. الشكل 2 يظهر تخطيط نظام السلك الوحيد.

يخزن نظام السلك الوحيد شيفرة البطارية ويتعقّب قراءات البطارية التي تتضمّن نموذجياً معلومات عن الفولطية والتيار ودرجة الحرارة وحالة الشحن. وبسبب كلفة الأجهزة المنخفضة نسبياً، فإن نظام السلك الوحيد يستخدم مع المنتجات الأقل تعقيداً والأعلى قيمة مثل الراديوهات المزدوجة، الكاميرات والأجهزة المحمولة.

ممر إدارة النظام:

إن هذا النظام يمثل جهد مشترك بين صناعة الالكترونيات من أجل توحيد برتوكول اتصالات وحيد ومجموعة بيانات واحدة. إن نظام البطارية الذكية Duracell/Intel المستخدم اليوم تم توحيده في العام 1993 حيث يتألف من خطين مفصولين أحدهما للبيانات والآخر لنبضات الساعة، الشكل 3 يبين تخطيط نظام SMB ثنائي الأسلاك.

تحتوي بطارية SMBus على بيانات دائمة ومؤقتة. حيث يقوم المصنعون ببرمجة البيانات الدائمة في البطارية، والتي تتضمن ID البطارية، نوع البطارية، اسم المصنع، الرقم التسلسلي وتاريخ التصنيع.

المعلومات المؤقتة تتم إضافتها خلال الاستخدام وتتضمن عداد الدورات، نموذج الاستخدام ومتطلبات الصيانة. بعض المعلومات تحفظ كي تسجل، في حين يتم تجديد معلومات أخرى خلال حياة البطارية.

يتم تقسيم SMBus في ثلاثة مستويات:

 المستوى الأول تم إيقافه لأنه لا يوفر كيميائية شحن مستقلة. فهو يدعم كيميائية واحدة فقط.

 المستوى الثاني يعمل مع دارة الشحن الداخلية، والحاسب المحمول الذي يخدّم البطارية خير مثال على ذلك.

 المستوى الثالث يدعم شواحن SMBus الخارجية.

إن معظم شواحن SMBus الخارجية من المستوى الثالث ذات كلفة تصنيع مرتفعة. إن مصنعي بطاريات SMBus لا يدعمون هذا الاختصار بسبب اعتبارات الأمان، التطبيقات مثل التجهيزات البيوطبية، أجهزة جمع البيانات وتجهيزات المسح تميل نحو شواحن المستوى الثالث مع دعم كامل لبروتوكولاته.

إن فلسفة التصميم الأصلية اتي تقف وراء بطارية SMBus هي إزالة التحكم بالشحن من الشاحن وضمها ضمن البنية الداخلية للبطارية.

إن خوارزميات مستقبل كيميائيات البطاريات ستغير بعض إعدادات الشواحن ولكن لن تفقد الشواحن موقعها المميز. فخلال العام 1990م، العديد من بطاريات SMBus تم دمجها، متضمناً ذلك بطاريات الأنواع 202 و 35 (الشكل 4). والتي يتم تصنيعها من قبل شركات مثل Sony، Hitachi، GP وآخرون، هذه البطاريات يمكنها أن تعمل علة جميع الاجهزة المحمولة المصممة لهذا النظام SMBus.

المزايا والسيئات لبطاريات SMBus:

بعض الإرشادات حول استخدام البطاريات الذكية:

 قم بفحص أو تعيير البطارية الذكية بتطبيق تفريغ كامل وشحن كامل كل 3 أشهر أو بعد 40 دورة جزئية.

 ليست جميع الشواحن متوافقة مع البطاريات الذكية، ولا جميع البطاريات يمكنها أن تشحن بشاحن واحد. لذا يجب استبدال البطارية بنفس فئتها أو مكافئ لها. ويجب دوماً فحص البطارية والشاحن قبل الاستعمال.

 يجب دوماً أخذ الحيطة والحذر مع البطاريات الذكية التي لا تظهر حالة الشحن بشكل صحيح، لأنها قد تكون معيبة أو غير متوافقة مع التجهيزة.

5.2 أنواع خلايا البطاريات (Types of Battery Cells):

البطاريات البدائية كانت عبارة عن جرار، لكن الإنتاج الكبير غير نمط التجميع إلى التصميم الأسطواني.

تم تدشين الخلايا الضخمة نمط F في العام 1896 للفوانيس، ثم تبعتها الخلية D في العام 1898م والخلية C في العام 1900 والخلية AA الشعبية والتي ظهرت في العام 1907م.

إن معايير اعتبارات تصميم والكلفة تطلبت أشكال بطاريات جديدة والتي تقدم مزايا فريدة من تلك التي يقدمها التصميم الأسطواني.

1.5.2 الخلية الأسطوانية Cylindrical Cell:

إن الخلايا الأسطوانية استمرت في كونها أكثر أنماط مجموعات البطاريات الأزلية والثانوية استخداماً بشكل واسع.

تجلت المزايا في سهولة التصنيع والاستقرار الميكانيكي الجيد. الإسطوانة الأنبوبية لديها القدرة على تحمل الضغط بدون حصول تشويه في شكلها.

الشكل 17.2 يبين مقطع عرضي لخلية ليثيوم أسطوانية.

لدى الخلية الأسطوانية قدرة تدوير جيدة، وتوفر حياة خدمة طويلة، كما أنها اقتصادية ولكن ثقيلة وكثافة مجموعتها قليلة.

إن التطبيقات النموذجية للخلية الأسطوانية هي أدوات القدرة، المعدات الطبية، الحواسيب المحمولة. إن أضخم الخيارات التي نجدها في خلايا البطاريات موجودة في بطاريات النيكل التي تقدم خيارات متفاوتة لخلاياها.

للسماح بالتفاوت مع الحجم المعطى، يستخدم المصنعون طول خلية محدد، مثل الأشكال النصف والثلاثة أرباع.

إن المعايير المصممة لبطاريات النيكل لم تلحق مع الليثيوم وكيميائيتها تمتلك صيغتها الخاصة بها.

إن أكثر مجموعات الخلايا شعبية هي 18650 الموضحة في الشكل 18.2. حيث لها قطر بحدود 18مم وطول 65مم.

إن نسخة Li-MnO4 للـ 18650 لديها سعة 1200-1500 mAh. الإصدار Li-Co لديه سعة 2400-3000mAh. إن الخلايا الأضخم 26650 لديها قطر بحوالي 26mm ولها الطول 65mm وتسلم سعة قدرها حوالي 3200mAh، في إصدار المنغنيز فإن صيغة أو شكل الخلية يستخدم في أدوات القدرة وبعض العربات الهجينة.

إن الأسطوانة المعدنية يمكن قياسها بـ 18mm للقطر و 65mm للطول، حيث أن الخلية 26650 الأضخم تقاس بـ 26mm للقطر.

تأتي بطاريات الحمض-رصاص في شكلين جاف وسائل. الإصدارات المحمولة يتم حزمها في تصميم موشوري يشبه أو يحاكي صندوق مستطيل مصنوع من البلاستيك.

بعض أنظمة الحمض-رصاص أيضاً تستخدم التصميم الأسطواني عن طريق تكييف تقنية اللف، حيث تقدم استقرار خلية محسن، تيارات التفريغ أعلى والاستقرار الحراري أفضل من التصميم الموشوري التقليدي.

2.5.2 الخلية الزر Button Battery:

إن التجهيزات الأصغر تتطلب تصميم خلية أكثر موثوقية وفي العام 1980 ظهرت البطارية الزر لتلبي تلك المتطلبات، وتم الحصول على الجهد المطلوب بتكديس الخلايا في أنبوب، تستخدم هذه البطاريات في الهواتف اللاسلكية، التجهيزات الطبية، الأبواب الأمنية في المطارات.

بالرغم من أنها صغيرة ورخيصة البناء فإن خلية الزر المكدسة منخفضة الأداء، والتصاميم الجديدة تعود إلى أكثر ترتيبات البطاريات التقليدية.

إن العائق الذي يقف أمام هذه الخلايا هو "التورم" أو التضخم عند الشحن المستمر الزائد لها. إن معظم خلايا الزر المستخدمة اليوم غير قابلة للشحن ويمكن إيجادها في الأجهزة الطبية الدقيقة، أجهزة السمع المساعدة، مفاتيح السيارات، واستعادة الذاكرة.

الشكل 19.2 يبين الخلية الزر مع مقطع عرضي.

الخلايا الزر تعرف أيضاً بالخلايا النقدية حيث توفر حجماً صغيراً وسهولة في التكديس ولا تسمح بعملية الشحن السريع. وعظم أنواع هذه البطاريات التجارية لهذا النوع غير قابلة للشحن.

3.5.2 الخلية الموشورية Prismatic Cell:

ظهرت هذه الخلايا في العام 1990م حيث لبت هذه البطاريات الطلب على الأحجام الصغيرة وكلف التصنيع المنخفضة. إن لف هذه البطاريات في حزم رشيقة يشبه صندوق علكة أو شريط شوكولا صغير، إن الخلايا الموشورية تؤمن استخداماً مثالياً للفراغ المحيط بها عن طريق استخدام التقارب الطبقي. هذه الخلايا توجد بشكل كبير في الهواتف الخلوية مع الليثيوم أيون. ولا توجد أشكال جامدة أو عالمية لها حيث أن كل مصنّع يصنع تصميمه الخاص به. هذه البطاريات تصنع أيضاً تجاوزات حرجة في أشكالها الأكبر حجماً. هذه الخلية تؤمن سعة من Ah 20-30 وتستخدم بشكل أساسي في استجرار القدرة الكهربائية في العربات الكهربائية والهجينة، الشكل 20.2 يظهر الخلية الموشورية.

تتطلب الخلايا الموشورية جداراً نحيفاً لحد ما وحجم مناسب يعوض تناقص الاستقرار الميكانيكي أكثر من التصميم الأسطواني، والنتيجة هبوط السعة يكون صغيراً. إن الاستخدام الأمثل للفراغ هو الذي يحقق هذا الهبوط الصغير ، وإن سعة هذه الخلايا من أجل الأجهزة المحمولة تتراوح بين 400mAh-2000mAh.

4.5.2 الخلية الكيس Pouch Cell:

ظهرت هذه الخلية في العام 1995 حيث شكلت مفاجأة كبيرة بشكلها الثوري وبتصميمها الجديد، حيث بدل استعمال الأسطوانة المعدنية ونظام التغذية الكهربائي زجاج-معدن للعزل، فإنه يتم إجراء لحام قصديري للالكترود، والكيس المغلف يحمل نهايتان موجبة وسالبة خارج الكيس. الشكل 21.2 يبين مثل هذه الخلية الكيسية.

لهذه الخلايا مردود يبلغ من 90-95%، وهي أكبر نسبة بين مجموعات البطاريات.

إن إزالة المعدن الداخلي يقلل الوزن ولكن الخلية تحتاج دعماً بديلاً لتلافي حصول قصر للبطارية.

تستخدم هذه الخلايا في الاستهلاك المنزلي، العسكري وأيضاً في التطبيقات الآلية ولا يوجد معيار يحكم هذه الخلية فكل مصنّع يبني هذه الخلايا من أجل تطبيقات خاصة به.

إن مجموعات الكيس هي بشكل عام من نوع Li-Polymer فطاقتها النوعية عادة أخفض وهذه الخلية أقل متانة من الليثيوم أيون في المجموعة الأسطوانية.

إن التورم أو الانتفاخ واللذان هما نتيجة توليد الغاز خلال الشحن والتفريغ، يجب أخذهم بعين الاعتبار، حيث يجب إبعاد هذه البطارية عن الحرارة أو النار لأن الغازات الهاربة يمكن أن تشتعل. الشكل 22.2 يظهر خلية كيسية منتفخة.

لمنع حدوث الانتفاخ يقوم المصنعون بإضافة فيلم زائد لخلق "حقيبة غازية" خارج الخلية. خلال الشحن الأول تهرب الغازات إلى الحقيبة الغازية وعندها تغلق الحقيبة والمجموعة لتنتهي عملية تفريغ الغازات بذلك.

مزايا وسيئات خلايا البطاريات:

 إن الخلية في الحالة المعدنية الأسطوانية تملك قدرة تدوير جيدة، وتوفر حياة تقويمية طويلة، كما أنها اقتصادية في التصنيع ولكنها ثقيلة وكثافة حزمتها منخفضة.

 إن الحالة المعدنية الموشورية حسنت من كثافة التحزيم ولكنها أكثر كلفة في التصنيع وأقل كفاءة من ناحية الإدارة الحرارية ولديها حياة دورة أقصر.

 المجموعة الكيسية الموشورية خفيفة وكلفتها تؤثر في عملية تصنيعها، حيث إن تعرضها للرطوبة العالية والحرارة المرتفعة يمكن أن يقصران من حياة الخدمة لها. إن معامل الانتفاخ من 8-10% فوق 500 دورة هو معامل طبيعي.

6.2 أنظمة البطاريات البديلة (Alternative Battery Systems):

تتحدث الوسائط الإعلامية اليوم عن بطاريات جديدة غاية في الروعة تم البدء بتطويرها، وهذه البطاريات تعد بزمن تشغيل أطول وسماكتها بسماكة ورقة الكتابة A4، عالية الأداء، متينة، رخيصة وصديقة للبيئة.

طالما أن هذه المجموعات التجريبية لها القابلية لإنتاج الجهد، فإن الجوانب السلبية هي نادرة الحدوث. باختصار فإن سعات الحمل الضعيفة وحياة الدورة القصيرة هي العائق الرئيسي حالياً.

إن استخدام مياه البحر كالكترود تمت تجربته أيضاً، فالبحر يمكنه إنتاج قدرة كهربائية غير محدودة، ولكن الطاقة المسترجعة منه جيدة فقط لإنارة أنوار الكشافات، والتآكل الذي تسببه مياه البحر يقلل من حياة خدمتها. بالابتعاد عن الحديث عن بطاريات الليثيوم والنيكل والحمض-رصاص، فإن الأنظمة الأخرى تظهر أنها أنظمة واعدة، وسنرى الآن بعض من هذه الأنظمة.

1.6.2 النيكل الحديدي Ni-iron:

إن بطاريات الحديد-النيكل NiFe تستخدم مهبط هيدروكسيد-أوكسيد ومصعد حديدي من الكترود هيدروكسيد البوتاسيوم وتنتج جهد خلية اسمي بحدود 1.2V.

بطارية NiFe تتمتع بمرونة تجاه زيادة الشحن وزيادة التفريغ ويمكنها البقاء لـ 20 عام في التطبيقات الاحتياطية الجاهزة.

إن مقاومة الضجيج والحرارة العالية جعل هذه البطارية الخيار الأنسب لمناجم الفحم في أوروبا، وخلال الحرب العالمية الثانية زودت هذه البطاريات صواريخ V-2 الألمانية بالقدرة التشغيلية.

لهذه البطاريات طاقة نوعية منخفضة تبلغ حوالي 50Wh/kg، ولها أداء حراري منخفض جداً، كما لديها تفريغ ذاتي مرتفع جداً بحدود 20-40% شهرياً، بالإضافة إلى كلفة التصنيع المرتفعة التي تجعل البيئة الصناعية ملتزمة ببطاريات حمض-رصاص.

2.6.2 النيكل-زنك Nickel-Zinc:

هذه البطارية مشابهة لنيكل كادميوم في استخدامها الكترود قلوي والكترود نيكل، ولكن تختلف عنها في الفولطية، فهذه البطارية تزودنا بجهد 1.6V/cell وهذا أكثر من الجهد الذي تقدمه بطارية NiCd البالغ 1.2V/cell.

تم تطوير هذه البطارية في العام 1920م ولكنها عانت من حياة دورتها القصير نسبياً والذي سببه النمو التفرعي الشجري، وهذا الأخير سبب قصراً كهربائياً للبطارية.

التحسينات في الالكترود خفضت من هذه المشكلة، وبدأت بطارية NiZn تأخذ مكانها مجدداً في الاستخدام التجاري.

الكلفة المنخفضة، خرج القدرة العالي ومجال التشغيل الحراري الجيد جعل من كيميائية هذه البطارية جذابة. يتم شحن هذه البطاريات عند تيار ثابت بجهد 1.9V/cell ولا يمكن شحنها بالتقطير. الطاقة النوعية مشابهة لباقي أنظمة بطاريات النيكل، ويمكن تدوير هذه البطارية من 200-300 مرة، ولا تحتوي على مواد سامة ويمكن ببساطة إعادة تدويرها وبعها متوفر في المقاس AA.

3.6.2 هيدروجين النيكل Nickel Hydrogen:

عندما بدأت الأبحاث حول الـ NiMH في العام 1967م، كانت المشاكل المتعلقة باستقرارها وراء التوجه نحو تطوير بطارية NiH.

تستخدم هذه البطارية علبة فولاذية لتخزين غاز الهيدروجين عند ضغط 200psi، تحتوي الخلية على الكترودات نيكل صلبة، الكترودات هيدروجينية، الكترودات وستائر "حواجز" غازية. هذه المركبات مغلفة في وعاء مكيف الضغط.

لهذه البطاريات جهد اسمي يبلغ 1.25V وقدرة نوعية تبلغ 40-75Wh/kg ومن مزاياها: حياة الخدمة الطويلة حتى مع دورات تفريغ كاملة وحياة تقويمية جيدة ويعود ذلك للتآكل المنخفض، تفريغ ذاتي صغير وأداء حراري يتراوح بين -28ºC-54ºC. هذه الميزات تجعل بطاريات NiH مناسبة للاستخدام الفضائي في الأقمار الصناعية.

لقد طور العلماء هذه البطاريات من أجل الاستخدام على سطح الأرض، وتوقعوا أملين أن تزود هذه البطاريات السوق العالمية بأنظمة تحزين طاقة جيدة وعربات كهربائية جيدة. أما سلبيات NiH فتتمثل في الطاقة النوعية المنخفضة والتكلفة المرتفعة، فالخلية الواحدة المستخدمة من أجل قمر صناعي تكلف 3725$.

4.6.2 الهواء-زنك Zinc-Air:

إن هذه البطارية تولد قدرة كهربائية عن طريق عملية أكسدة الزنك والأكسجين الجوي. وتستطيع الخلية إنتاج جهد 1.65V، بكل حال، الجهود عند 1.40V أو أقل تحقق زمن حياة أطول لعمل البطارية.

إن أغلب المستخدمين يزيلون غطاء التغليف الذي يفعّل تدفق الهواء وبالتالي البطارية تصل لحالة جهد التشغيل الكامل خلال 5 ثواني فقط، ولكن عند تشغيلها، لا يمكن للبطارية العودة ثانية إلى مستوى الجهوزية الأساسي لها، فكيميائيتها تنضب بشكل مستمر كما أن للبطارية حياة قصيرة. وعند إعادة الغطاء يتوقف تدفق الهواء وبالتالي يبطئ من انحطاط قدرة البطارية.

تعتبر هذه البطارية من البطاريات الأولية، بكل حال، يوجد منها عدة نسخ قابلة للشحن من أجل التطبيقات عالية القدرة. لهذه البطارية طاقة نوعية عالية بحدود 300-400W/kg لكن سعتها منخفضة. كم أن كلفة تصنيعها منخفضة في حالة تغليفها ولديها تفريغ ذاتي يبلغ 2% كل عام، وهي حساسة لدرجات الحرارة المتطرفة والتلوث، والرطوبة العالية تؤثر أيضاً في أدائها، كما أن أوكسيد الكربون المرتفع يقلل من الأداء عن طريق زيادة المقاومة الداخلية.

إن التطبيقات النموذجية لهذه البطارية تتضمن المساعدة السمعية. والنسخ عالية القدرة منها تشغل إشارات سكك الحديد عن بعد، واللمبات الآمنة في المواقع الإنشائية.

5.6.2 الزنك-فضة Silver-Zinc:

هذه البطارية تخدم الحالات الحرجة من أجل التطبيقات الدفاعية والفضائية، تماماً مثل الكاميرات التلفزيونية والمعدات الاحترافية الأخرى. فهي تحتاج إلى كلفة مرتفعة لتحقيق زمن تشغيل إضافي وحياة دورة أقصر. وهذه الأمور تمنع البطارية من تسويقها تجارياً. إن الكترود الزنك والفاصل الخلوي كانوا السبب الرئيسي وراء الفشل في التصميم الأصلي، الكترود الزنك ينخفض تدريجياً باستمرار عند تدويره. ولكن التحسينات في الكترود الزنك والفاصل تعدنا بحياة خدمة أطول وبطاقة نوعية أعلى بـ 40% من الليثيوم أيون. إن بطارية Si-Zn آمنة وليس لها أي سمية ويمكن إعادة تدويرها، ولكن استخدام الفضة يجعل صناعتها غالية بعض الشيء.

6.6.2 كبريت الصوديوم Sodium-Sulfur:

بطاريات الصوديوم أو ما يعرف ببطارية الملح المائع أو البطارية الحرارية. لها نسختين: واحدة أولية وأخرى ثانوية حيث تستخدم البطارية الملح المائع كالكترود وتعمل عند درجات حرارة من 400-700ºC. والتصاميم الجديدة تعمل عند درجات حرارة أخفض من 245-350ºC.

إن بطاريات كبريت الصوديوم NaS القابلة للشحن أخذت اهتماماً وانتباهاً عالمياً خلال الفترة ما بين 1970م-1980م، ولكن حياة الخدمة القصيرة والكلفة المرتفعة قلل من الاتجاه نحوها. ولكن هذا الإحباط تلاشى مع ظهور بطارية كلوريد النيكل-صوديوم والمعروفة أيضاً باسم ZEBRA*، حيث أنقذت هذه التقنية بطارية NaS واليوم تستخدم هذه البطارية بشكل ناجح في العديد من التطبيقات.

للـ ZEBRA جهد خلية اسمي من 2.58V وطاقة نوعية من 90-120 Wh/kg وهذا المستوى يمكن مقارنته مع مستويات فوسفات الليثيوم ومنغنيز الليثيوم.

تبلغ حيادة خدمة هذه البطاريات حوالي ثمان سنوات وتملك 3000 دورة ويمكن شحنها بسرعة، غير سامة والمواد الخامة متوفرة بكثرة مما يجعل كلفتها منخفضة.

تأتي بطاريات ZEBRA في أحجام كبيرة من 10 kWh أو أعلى والتطبيقات النموذجية لها هي الرافعات وسكك الحديد، السفن، الغواصات، والسيارات الكهربائية.

لهذه البطاريات مزايا عديدة عند تشغيلها في درجات حرارة متطرفة وهذه البطاريات مستخدمة في التطبيقات التي تتطلب استمرارية كسيارات التاكسي وخانات تسليم البضائع.

يجب أن يتم إحماء بطاريات ZEBRA إلى حرارة 270ºC-350ºC وهي درجة حرارة أخفض من بطارية كبريت الصوديوم. وعلى الرغم من الاعتقاد السائد بأن العزل الخاص يقلل الضياع الحراري فإن الحرارة الزائدة تستهلك 14% من طاقة البطارية خلال اليوم، والذي ينتج عنه تفريغ ذاتي بحدود 18%.

تتطلب هذه البطاريات من 3-4 أيام لكي تبرد، وإعادة إحماءها تتطلب حوالي يومين بناءً على حالة الشحن عند زمن إيقاف تشغيلها. الفشل الشائع لهذه البطارية يتضمن القصر الكهربائي بسبب تآكل العازلية وبالتالي تصبح نواقل والنمو التفرعي للنواقلية الذي يزيد من التفريغ الذاتي.

7.6.2 البطاريات القلوية القابلة لإعادة الاستعمال Reusable Alkaline:

تم 1992م، إن البطاريات القلوية العادية ربما تولد غاز الهيدروجين والذي يمكن أن يسبب خطر الانفجار. إن معظم مستخدمي هذه البطاريات يقومون تفريغها وإعادة شحنها عند الضرورة، حيث إن قدرة هذه البطاريات أقل من قدرة بطاريات NiCd، ولها نفس أسلوب دورات العمل، وهذا ينتج عنه ضياعات سعة أكبر.

إن تيار التفريغ بحدود 200mA عند نسبة 0.2C أو 0.5C ونهاية عتبة التفريغ يتم ضبطها على 1V/cell.

إن الاستخدامات المحددة لبطاريات Reusable Alkaline هي تيارات الأحمال الجائزة المنخفضة البالغة 4000mA (حيث إن القيم الأقل تقدم نتائج أفضل).

الجدول 12.2 يقارن الطاقة النوعية، الجهد، التفريغ الذاتي، وزمن التشغيل للعديد من البطاريات المتوفرة في المقاسات AA & AAA والمقاسات الأخرى، وهذه الخلايا يمكن استخدامها في التجهيزات المحمولة المصممة من أجل هذه المعايير.

بالرغم من أن فولطيات الخلايا متنوعة ، فإن جهود انتهاء التفريغ الذاتي هي جهود مشتركة، والتي هي نموذجياً 1V/cell، إن اعتبارات الأمان وعدم توافقية الجهود يمنع بيع بطاريات Li-ion بالأحجام AA & AAA

*ZEBRA: تسمى أيضاً بطارية Zeolite.

**Eneloop: ماركة تجارية مسجلة لشركة SANYO وهي بطارية مبنية على أساس NiMH.

7.2 البطاريات القابلة للشحن التجريبية (Experimental Battery):

هذه البطاريات لا توجد في السوق وإنما في المختبرات المشددة الحراسة، وتتصل أخبارها مع العالم الخارجي بواسطة بعض التقارير الواردة عن هذه المختبرات. بعض هذه الأنظمة تظهر جهدا وإمكانية تحمل جيدة، ولكنها تحتاج لسنوات عدة حتى تدخل الميدان التجاري. والبعض الآخر تختفي في المختبرات بشكل غامض دون حتى أن نعلم بوجودها. في الفقرات التالية سنظهر بعضاً من هذه البطاريات الواعدة التجريبية وذلك حسب ترتيبها الهجائي.

1.7.2بطارية هواء-الليثيوم Lithium-air:

تستعير هذه البطاريات فكرتها من بطاريات هواء-زنك ومن خلايا الوقود والذين يعملون عن طريق نفث الهواء. البطارية تستعمل كاثود هوائي كعامل مساعد يقوم بتزويدها بالأوكسيجين. والالكترود وأنود الليثيوم. يتوقع العلماء بإمكانية خزن الطاقة من 5 إلى 10 مرات أكبر من الليثيوم العادية ولكنهم يتوقعون أن هذه التقنية تحتاج إلى عقدين على الأقل قبل أن تصبح واقعاً. بالاعتماد على المواد المستعملة، بطارية Li-ion-air تنتج جهداً بين 1.7-2.3V/cell. إن الشركات مثل IBM، Excellatron، Liox Power، Lithion-Yardney، Poly Plus، Rayovac. وآخرون يقومون بتطوير هذه التقنية. إن الطاقة النوعية النظرية لبطاريات الليثيوم هي 13Wh/kg.

2.7.2 بطارية معدن-الليثيوم Li-metal:

معظم هذه البطاريات غير قابلة للشحن، ولكن شركة Moli Energy of Vancouver كانت أولى المصنعين لبطارية ليثيوم-معدن قابلة للشحن من أجل الهواتف النقالة. ولكن القصر العرضي الناتج عن التفرعات الشجرية في بطارية الليثيوم سبب فاقداً حرارياً ولذا تم سحب هذه البطاريات في العام 1989م. تمتلك هذه البطاريات طاقة نوعية عالية جداً. في العام 2010م، تم فحص بطارية Li-metal-polymer تجريبية بسعة قدرها 300Wh/kg في عربة كهربائية تجريبية (كانت هذه العربة هي سيارة من شركة نيسان ذات سعة بطارية 80Wh/kg). شركة DBM Energy المصنعة لهذه البطارية حققت 2500 دورة، أزمنة شحن قصيرة وسعراً تنافسياً. وحتى إذا استطاعت إنتاجها بشكل واسع، فإن مشكلة الأمان تبقى هي لب المشاكل.

3.7.2 بطارية كبريت الليثيوم Li-S:

بالنظر إلى الوزن الذري المنخفض لليثيوم والوزن المعتدل للكبريت، فإن بطاريات كبريت الليثيوم تقدم طاقة نوعية عالية جداً من 550Wh/kg، اي أكبر بثلاث مرات من بطاريات الليثيوم أيون العادية، وقدرة كهربائية كامنة من 2500W/kg. خلال التفريغ، يذوب الليثيوم من طبقة المصعد، ويعكس نفسه أثناء الشحن عن طريق توضعه على سطح المصعد. لبطاريات كبريت الليثيوم خصائص تفريغ جيدة في الحارة الباردة ويمكن إعادة شحنها عند الدرجة

-60°C. ولكن التحديات التي تواجهها هذه البطاريات هي حياة دورتها المحدودة والتي تبلغ من 40-50 دورة شحن/تفريغ والاستقرار السيء عند الحرارة العالية. منذ العام 2007، بدأ مهندسو جامعة Stanford بإجراء تجارب على أسلاك نانوية لاستعمالها في البطاريات، وهذه التقنية تعد واعدة إلى حد كبير. لخلية Li-S جهد 2.10V/cell وهي صديقة للبيئة. كما أن الكبريت كمكون متوفر جداً في السوق العالمية.

4.7.2 أقطاب نانوية مكونة من سيليكون-كربون لبطاريات الليثيوم Li-Si-C Nano:

طور الباحثون هيكلية قطب موجب جديدة عالية الأداء من أجل بطاريات الليثيوم وهذه التقنية مبنية على أساس مواد نانوية من الكربون والسيليكون. هذه المادة تحتوي على دوائر سيليكون صلبة ومتينة مع قنوات شاذة من أجل تطوير خاصية التقبل لبطاريات الليثيوم ذات الكتلة الجزيئية. مع وجود أقطاب الغرافيت الموجبة، فإن الأبحاث توصلت إلى أداء مستقر وسعة أكبر بـ 5 مرات من بطاريات الليثيوم العادية. حيث يتحدث المصنعون عن أنها ستكون بسيطة ومنخفضة الكلفة، وآمنة وقابلة للتطبيق على مجال واسع. على أي حال، فإن حياة الدورة محدودة بسبب المشاكل البنيوية المتمثلة بإدخال وانتزاع الليثيوم في الأحجام المرتفعة.

المصدر: هنا

مصدر الصورة: هنا