أنواع البطارية وخصائصها وردود الفعل - كيمياء - 2026

في السوق يمكنك الحصول على مختلف أنواع البطاريات مع بهم الخاصة خصائص. البطاريات ، التي ليست أكثر من خلايا فولتية ، توفر للمستهلكين ميزة أخذ الكهرباء معهم في أي مكان (طالما أن الظروف ليست قاسية).

يمكن شراء البطاريات بشكل عام معزولة ؛ ولكن ، يتم تحقيقها أيضًا مقترنة ببعضها البعض في سلسلة أو متوازية ، والتي تأتي مجموعتها لتكون ما يسمونه البطاريات. وبالتالي ، يتم أحيانًا استخدام مصطلحي "البطاريات" و "البطاريات" دون تمييز ، حتى عندما لا يكونان متماثلين.

البطاريات القلوية: من أشهر أنواع البطاريات. المصدر: Pexels.

يمكن أن تأتي الأكوام بألوان وأشكال وأحجام لا حصر لها ، تمامًا كما يمكن صنعها من مواد أخرى. وبالمثل ، والأهم من ذلك ، فإن هيكلها الداخلي ، حيث تحدث التفاعلات الكيميائية التي تولد الكهرباء ، يعمل على تمييزها عن بعضها البعض.

على سبيل المثال ، تُظهر الصورة أعلاه ثلاث بطاريات قلوية ، واحدة من أكثر البطاريات شيوعًا. يشير المصطلح القلوي إلى حقيقة أن الوسط الذي يحدث فيه إطلاق وتدفق الإلكترونات أساسي ؛ أي أن الرقم الهيدروجيني له أكبر من 7 و OH ^- الأنيونات والشحنات السالبة الأخرى هي السائدة.

الترتيب العام

قبل معالجة بعض الأنواع المختلفة من البطاريات الموجودة هناك ، من الضروري معرفة أن هذه البطاريات مصنفة عالميًا على أنها أساسية أو ثانوية.

ابتدائي

البطاريات الأساسية هي البطاريات التي يجب التخلص منها أو إعادة تدويرها بمجرد استهلاكها ، لأن التفاعل الكيميائي الذي يعتمد عليه التيار الكهربائي لا رجوع فيه. لذلك ، لا يمكن إعادة شحنها.

يتم استخدامها بشكل أساسي في التطبيقات التي يكون فيها إعادة شحن الطاقة الكهربائية غير عملي ؛ كما هو الحال في الأجهزة العسكرية ، في وسط ساحة المعركة. وبالمثل ، فهي مصممة للمعدات التي تستخدم القليل من الطاقة ، بحيث تستمر لفترة أطول ؛ على سبيل المثال ، أجهزة التحكم عن بعد أو وحدات التحكم المحمولة (مثل Gameboy و Tetris و Tamagotchi).

البطاريات القلوية ، على سبيل المثال لا الحصر ، تنتمي أيضًا إلى النوع الأساسي. عادة ما يكون لها أشكال أسطوانية ، على الرغم من أن هذا لا يعني أن البطاريات الأسطوانية لا يمكن أن تكون ثانوية أو قابلة لإعادة الشحن.

المدارس الثانوية

على عكس البطاريات الأساسية ، يمكن إعادة شحن البطاريات الثانوية بمجرد نفاد طاقتها.

وذلك لأن التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخلها قابلة للعكس ، وبالتالي ، بعد تطبيق جهد معين ، تتسبب أنواع المنتج في التفاعل مرة أخرى ، وبالتالي بدء التفاعل مرة أخرى.

عادة ما تكون بعض الخلايا الثانوية (تسمى البطاريات) صغيرة ، مثل الخلايا الأولية ؛ ومع ذلك ، فهي مخصصة للأجهزة التي تستهلك المزيد من الطاقة والتي يكون استخدام البطاريات الأولية لها غير عملي اقتصاديًا وحيويًا. على سبيل المثال ، تحتوي بطاريات الهواتف المحمولة على خلايا ثانوية.

أيضًا ، تم تصميم الخلايا الثانوية للمعدات أو الدوائر الكبيرة ؛ على سبيل المثال ، بطاريات السيارات ، والتي تتكون من عدة بطاريات أو خلايا فولتية.

إنها عمومًا أغلى ثمناً من الخلايا والبطاريات الأولية ، ولكن للاستخدام طويل المدى ينتهي بها الأمر إلى أن تكون خيارًا أكثر ملاءمة وفعالية.

الجوانب الأخرى

يتم تصنيف الأكوام على أنها إما أساسية أو ثانوية ؛ ولكن تجاريًا أو شعبيًا ، يتم تصنيفها عادةً وفقًا لشكلها (أسطواني ، مستطيل ، نوع الزر) ، الجهاز المقصود (الكاميرات ، المركبات ، الآلات الحاسبة) ، أسمائها (AA ، AAA ، C ، D ، N ، A23 ، إلخ.) ، ورموز IEC و ANSI الخاصة بهم.

كما أن خصائص مثل الفولتية (1.2 إلى 12 فولت) ، بالإضافة إلى عمرها الإنتاجي وأسعارها ، هي المسؤولة عن منحها تصنيفًا معينًا في نظر المستهلك.

قائمة أنواع البطاريات

-كربون-زنك

تعد بطاريات الكربون والزنك (المعروفة أيضًا باسم خلايا Leclanché أو البطاريات المالحة) واحدة من أكثر البطاريات بدائية ، وتعتبر حاليًا غير مستعملة تقريبًا مقارنة بالبطاريات الأخرى ؛ على وجه الخصوص ، بالمقارنة مع البطاريات القلوية ، والتي على الرغم من أنها باهظة الثمن قليلاً ، إلا أنها تتمتع بعمر أطول وجهد كهربائي.

كما يوحي اسمها ، تتكون أقطابها الكهربائية من علبة الزنك وقضيب الجرافيت ، المقابل للأنود والكاثود ، على التوالي.

في القطب الأول ، الأنود ، تنشأ الإلكترونات عن طريق أكسدة الزنك المعدني. ثم تمر هذه الإلكترونات عبر دائرة خارجية تغذي الجهاز بالطاقة الكهربائية ، ثم تنتهي عند كاثود الجرافيت ، حيث تكتمل الدورة بتقليل ثاني أكسيد المنغنيز الذي يُغمر فيه.

تفاعلات

المعادلات الكيميائية للتفاعلات التي تحدث عند الأقطاب الكهربائية هي:

Zn (s) → Zn ²⁺ (ac) + 2e ^- (الأنود)

2 MnO ₂ (s) + 2e ^- + 2 NH ₄ Cl (aq) → Mn ₂ O ₃ (s) + 2 NH ₃ (aq) + H ₂ O (l) + 2 Cl ^- (aq) (كاثود)

تشبه هذه البطاريات إلى حد كبير البطاريات القلوية: كلاهما أسطواني (مثل تلك الموجودة في الصورة). ومع ذلك ، يمكن تمييز بطاريات الكربون والزنك من خلال قراءة الخصائص الموضحة من الخارج بالتفصيل ، أو إذا كان رمز IEC مسبوقًا بالحرف R.

- قلوي

البطاريات القلوية تشبه إلى حد بعيد نوع الكربون والزنك ، مع اختلاف أن الوسط الذي توجد فيه الأقطاب الكهربائية يحتوي على OH ^- الأنيونات. يتكون هذا الوسط من إلكتروليتات قوية من هيدروكسيد البوتاسيوم ، KOH ، الذي يساهم في OH ^- التي تشارك و "تتعاون" في هجرة الإلكترونات.

يأتي بأحجام وجهود مختلفة ، على الرغم من أن الأكثر شيوعًا هو 1.5 فولت. ربما تكون البطاريات الأكثر شهرة في السوق (Duracell ، على سبيل المثال).

التفاعلات التي تحدث عند الأقطاب الكهربائية هي:

Zn (s) + 2OH ^- (aq) → ZnO (s) + H ₂ O (l) + 2e ^- (الأنود)

2MnO ₂ (s) + H ₂ O (l) + 2e ^- → Mn ₂ O ₃ (s) + 2OH ^- (aq) (كاثود)

كلما زادت درجة الحرارة ، زادت سرعة حدوث التفاعلات وزادت سرعة تفريغ البطاريات. ومن المثير للاهتمام ، انتشار الشائعات الشائعة لوضعها في الثلاجة لزيادة عمرها الافتراضي ؛ ومع ذلك ، عند تبريده ، قد يخضع محتواه لتصلب محتمل قد يؤدي إلى عيوب أو مخاطر لاحقة.

الزئبق

بطارية زئبقية محتملة يمكن الخلط بينها وبين بطارية أكسيد الفضة. المصدر: Multicherry.

تعتبر بطاريات الزئبق مميزة جدًا نظرًا لشكلها الفريد من الأزرار الفضية (الصورة أعلاه). سيتعرف عليها الجميع تقريبًا للوهلة الأولى. وهي أيضًا قلوية ، لكن كاثودها يشتمل ، بالإضافة إلى الجرافيت وثاني أكسيد المنغنيز ، وأكسيد الزئبق ، و HgO ؛ والذي ، بعد اختزاله ، يتحول إلى زئبق معدني:

Zn (s) + 2OH ^- (aq) → ZnO (s) + H ₂ O (l) + 2e ^-

HgO (s) + H ₂ O + 2e ^- → Hg (s) + 2OH ^-

ملاحظة كيف OH ^- يتم استهلاك الأنيونات ومجدد في ردود الفعل هذه الخلية.

نظرًا لكونها بطاريات صغيرة ، فهي مخصصة للأجهزة الصغيرة ، مثل الساعات والآلات الحاسبة وأدوات التحكم في الألعاب وما إلى ذلك. أي شخص استخدم أيًا من هذه الأشياء سوف يدرك أنه ليس من الضروري تغيير البطاريات إلى "الأبد" تقريبًا ؛ أي ما يعادل 10 سنوات تقريبًا.

أكسيد الفضة

بطاريات أكسيد الفضة. المصدر: Lukas A، CZE.

العيب الرئيسي لبطاريات الزئبق هو أنه عند التخلص منها فإنها تمثل مشكلة خطيرة على البيئة ، بسبب الخصائص السامة لهذا المعدن. ربما هذا هو السبب في أنها تفتقر إلى رموز IEC و ANSI. بالنسبة لبطاريات أكسيد الفضة ، فإن رمز IEC الخاص بها مسبوق بالحرف S.

تتوافق إحدى بدائل بطاريات الزئبق مع بطارية أكسيد الفضة ، وهي أغلى ثمناً ، ولكنها ذات تأثير بيئي أقل (الصورة العلوية). كانت تحتوي في الأصل على الزئبق لحماية الزنك من التآكل القلوي.

إنه متوفر بجهد 1.5 فولت ، وتطبيقاته تشبه إلى حد بعيد تطبيقات بطارية الزئبق. في الواقع ، للوهلة الأولى تبدو كلتا البطاريتين متطابقتين ؛ على الرغم من أنه قد يكون هناك أكوام أكبر بكثير من أكسيد الفضة.

التفاعلات في أقطابها هي:

Zn (s) + 2OH ^- (aq) → Zn (OH) ₂ (s) + 2 e ^-

Ag ₂ O (s) + 2H ⁺ (aq) + 2e ^- → 2Ag (s) + H ₂ O (l)

يخضع الماء بعد ذلك للتحليل الكهربائي ، ويتحلل إلى H ⁺ و OH ^- أيونات.

لاحظ أنه بدلاً من الزئبق ، يتم تشكيل الفضة المعدنية على الكاثود.

النيكل والكادميوم (NiCad)

بطارية NiCd. المصدر: LordOider.

من هذه النقطة يتم النظر في الخلايا أو البطاريات الثانوية. مثل بطاريات الزئبق ، تعتبر بطاريات النيكل والكادميوم ضارة بالبيئة (للحياة البرية والصحة) بسبب معدن الكادميوم.

وهي تتميز بتوليد تيارات كهربائية عالية ويمكن إعادة شحنها عدة مرات. في الواقع ، يمكن إعادة شحنها 2000 مرة ، وهو ما يعادل متانة غير عادية.

تتكون أقطابها من هيدروكسيد أكسيد النيكل ، NiO (OH) للكاثود ، والكادميوم المعدني للأنود. يبقى الأساس المنطقي الكيميائي ، في جوهره ، كما هو: يفقد الكادميوم (بدلاً من الزنك) الإلكترونات ، ويكسبها الكادميوم NiO (OH).

تفاعلات نصف الخلية هي:

Cd (s) + 2OH ^- (aq) → Cd (OH) ₂ (s) + 2e ^-

2NiO (OH) (s) + 2H ₂ O (l) + 2e ^- → 2Ni (OH) ₂ (s) + OH ^- (aq)

OH ^- الأنيونات ، مرة أخرى ، تأتي من المنحل بالكهرباء KOH. وبالتالي ، تنتهي بطاريات NiCad بتوليد هيدروكسيدات معدن النيكل والكادميوم.

يتم استخدامها منفردة أو مقترنة في عبوات (مثل الحزمة باللون الأصفر ، الصورة أعلاه). لذلك يأتون في عبوات كبيرة أو صغيرة. يجد الصغار استخدامًا في اللعب ؛ لكن الكبيرة منها تستخدم للطائرات والمركبات الكهربائية.

- هيدريد معدن النيكل (Ni-HM)

بطاريات Ni-HM. المصدر: Ramesh NG من Flickr (https://www.flickr.com/photos/rameshng/5645036051)

خلية أو بطارية أخرى معروفة ، والتي تتجاوز NiCad في قدرات الطاقة ، هي Ni-HM (النيكل وهيدريد المعدن). يمكن أن تأتي في شكل أسطواني (بطاريات تقليدية ، الصورة أعلاه) ، أو مقترنة ببطارية.

كيميائيًا ، لها نفس خصائص بطاريات NiCad تقريبًا ، مع الاختلاف الرئيسي هو القطب السالب: الكاثود ليس كادميوم ، ولكنه سبيكة بين المعادن من الأرض النادرة والمعادن الانتقالية.

هذه السبيكة مسؤولة عن امتصاص الهيدروجين المتكون أثناء الشحن ، وتوليد هيدريد معدني معقد (ومن هنا جاء الحرف H في اسمه).

على الرغم من أن بطاريات Ni-HM توفر مزيدًا من الطاقة (حوالي 40٪ أكثر) ، إلا أنها أغلى ثمناً ، وتتبلى بسرعة أكبر ، ولا يمكن إعادة شحنها بنفس عدد مرات شحن بطاريات NiCad ؛ أي أن عمر استخدامها أقصر. ومع ذلك ، فإنها تفتقر إلى تأثير الذاكرة (فقدان أداء البطاريات بسبب عدم تفريغها بالكامل).

ولهذا السبب لا ينبغي استخدامها في الآلات التي تعمل على المدى الطويل ؛ على الرغم من أنه تم تخفيف هذه المشكلة باستخدام بطاريات LSD-NiHM. وبالمثل ، تتمتع خلايا أو بطاريات Ni-HM بخصائص حرارية مستقرة للغاية ، حيث يمكن تشغيلها في نطاق واسع من درجات الحرارة دون أن تمثل خطرًا.

تفاعلات

التفاعلات التي تحدث عند الأقطاب الكهربائية هي:

Ni (OH) ₂ (s) + OH ^- (aq) ⇌ NiO (OH) (s) + H ₂ O (l) + e ^-

H ₂ O (l) + M (s) + e ^- OH ^- (aq) + MH (s)

- أيون الليثيوم

بطارية ليثيوم أيون لجهاز كمبيوتر محمول. المصدر: كريستوفر من ويكيبيديا.

في خلايا وبطاريات الليثيوم ، تعتمد على هجرة أيونات Li ⁺ ، والتي يتم نقلها من القطب الموجب إلى الكاثود ، وهو منتج من التنافر الإلكتروستاتيكي بسبب زيادة الشحنة الموجبة.

يمكن إعادة شحن بعضها ، مثل بطاريات الكمبيوتر المحمول (الصورة العلوية) ، والبعض الآخر ، لا يمكن إعادة شحن البطاريات الأسطوانية والمستطيلة (LiSO ₂ أو LiSOCl ₂ أو LiMnO ₂).

تتميز بطاريات الليثيوم أيون بأنها خفيفة للغاية وحيوية ، مما يسمح باستخدامها في العديد من الأجهزة الإلكترونية ، مثل الهواتف الذكية والأجهزة الطبية. وبالمثل ، فإنها بالكاد تعاني من تأثير الذاكرة ، وكثافة شحنتها تتجاوز تلك الموجودة في خلايا وبطاريات NiCad و Ni-HM ، وتستغرق وقتًا أطول لتفريغها.

ومع ذلك ، فهي حساسة جدًا لدرجات الحرارة المرتفعة ، وحتى الانفجار ؛ بالإضافة إلى أنها تميل إلى أن تكون أكثر تكلفة مقارنة بالبطاريات الأخرى. ومع ذلك ، يُنظر إلى بطاريات الليثيوم بشكل إيجابي في السوق ، ويصنفها العديد من المستهلكين على أنها الأفضل.

-حمض الرصاص

بطارية حمض الرصاص النموذجية للسيارات. المصدر: Tntflash

وأخيرًا ، لا تحتوي بكتيريا حمض الرصاص ، كما يوحي اسمها ، على OH ^- ولكن H ⁺ أيونات ؛ على وجه التحديد ، محلول مركز من حامض الكبريتيك. تم العثور على الخلايا الفولتية داخل صناديقها (الصورة العلوية) ، حيث يمكن ربط ثلاثة أو ستة منهم في سلسلة ، مما يعطي بطارية 6 أو 12 فولت ، على التوالي.

إنها قادرة على توليد كميات كبيرة من الشحنات الكهربائية ، ولأنها ثقيلة جدًا ، فهي مخصصة للتطبيقات أو الأجهزة التي لا يمكن نقلها يدويًا ؛ على سبيل المثال ، السيارات والألواح الشمسية والغواصات. هذه البطارية الحمضية هي الأقدم وما زالت موجودة في صناعة السيارات.

أقطابها مصنوعة من الرصاص: PbO ₂ للكاثود ، والرصاص المعدني الإسفنجي للأنود. ردود الفعل التي تحدث فيها هي:

Pb (s) + HSO ^- ₄ (aq) → PbSO ₄ (s) + H ⁺ (aq) + 2e ^-

PbO ₂ (s) + HSO ^- ₄ (aq) + 3H ⁺ (aq) + 2e ^- → PbSO ₄ (s) + 2H ₂ O (l)

المراجع

1. ويتن ، ديفيس ، بيك وستانلي. (2008). كيمياء. (الطبعة الثامنة). سينجاج ليرنينج.
2. Odunlade إيمانويل. (24 يوليو 2018). أنواع البطاريات المختلفة وتطبيقاتها. ملخص الدائرة. تم الاسترجاع من: circuitdigest.com
3. اختبار. (سادس). أنواع البطاريات. تم الاسترجاع من: prba.org
4. إيسيدور بوخمان. (2019). ما هي أفضل بطارية؟ جامعة باتري. تم الاسترجاع من: batteryuniversity.com
5. شركات ماكجرو هيل. (2007). الفصل الثاني عشر: البطاريات.. تم الاسترجاع من: oakton.edu
6. شابلي باتريشيا. (2012). أنواع البطاريات الشائعة. جامعة إلينوي. تم الاسترجاع من: butane.chem.uiuc.edu
7. الموقف البيئي. (22 يناير 2017). أنواع البطاريات: دليل كامل مع البطاريات الموجودة. تم الاسترجاع من: actitudecologica.com