بطارية قلوية

البطارية القلوية (رمز IEC: L) هي نوع من البطاريات الأولية حيث يكون للإلكتروليت ( هيدروكسيد البوتاسيوم في أغلب الأحيان ) قيمة pH أعلى من 7. عادةً ما تستمد هذه البطاريات الطاقة من التفاعل بين معدن الزنك وثاني أكسيد المنغنيز .

بالمقارنة مع بطاريات الزنك والكربون ، تتمتع البطاريات القلوية بكثافة طاقة أعلى وعمر تخزين أطول، ومع ذلك فهي توفر نفس الجهد.

تُسمى البطارية القلوية بهذا الاسم لأنها تستخدم محلولاً إلكتروليتياً قلوياً من هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) بدلاً من محلول كلوريد الأمونيوم الحمضي (NH₄Cl ₎ أو كلوريد الزنك (ZnCl₂ ₎ المستخدم في بطاريات الزنك والكربون. تستخدم أنظمة بطاريات أخرى أيضاً محاليل إلكتروليتية قلوية، لكنها تستخدم مواد فعالة مختلفة للأقطاب الكهربائية.

اعتبارًا من عام 2011،شكّلت البطاريات القلوية 80% من البطاريات المصنّعة في الولايات المتحدة، وأكثر من 10 مليارات وحدة فردية تم إنتاجها عالميًا. وفي اليابان، بلغت نسبة مبيعات البطاريات القلوية 46% من إجمالي مبيعات البطاريات الأولية. أما في سويسرا، فبلغت 68%، وفي المملكة المتحدة 60%، وفي الاتحاد الأوروبي 47% من إجمالي مبيعات البطاريات، بما في ذلك البطاريات الثانوية. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

تحتوي البطاريات القلوية على الزنك (Zn) وثاني أكسيد المنغنيز (MnO2 ₎ ، وهو مادة سامة للأعصاب تتراكم في الجسم وقد تكون سامة عند التركيزات العالية. ومع ذلك، بالمقارنة مع أنواع البطاريات الأخرى، فإن سمية البطاريات القلوية معتدلة. ^{[ 6 ]}

تُستخدم البطاريات القلوية في العديد من الأدوات المنزلية مثل مشغلات الوسائط المحمولة والكاميرات الرقمية والألعاب والمصابيح اليدوية وأجهزة الراديو .

طُوِّرت البطاريات ذات الإلكتروليت القلوي (بدلاً من الحمضي) لأول مرة على يد فالديمار يونغر عام 1899، ثم قام توماس إديسون بتطويرها بشكل مستقل عام 1901. أما البطارية الجافة القلوية الحديثة، التي تستخدم كيمياء ثاني أكسيد الزنك/المنغنيز ، فقد اخترعها المهندس الكندي لويس أوري في خمسينيات القرن العشرين في كندا، قبل أن يبدأ العمل في قسم بطاريات إيفريدي التابع لشركة يونيون كاربايد في كليفلاند، أوهايو ، مستندًا إلى أعمال إديسون السابقة. ^{[ 7 ] [ 8 ]} في 9 أكتوبر 1957، قدّم أوري وكارل كوردش وبي إيه مارسال طلب براءة اختراع أمريكية (2,960,558) للبطارية القلوية. مُنحت البراءة عام 1960 وسُجِّلت باسم شركة يونيون كاربايد. ^{[ 9 ]}

عندما طُرحت البطاريات القلوية في أواخر الستينيات، كانت أقطابها الزنكية (كما هو الحال في خلايا الكربون والزنك الشائعة آنذاك) مغطاة بطبقة سطحية من ملغم الزئبق . وكان الغرض من هذه الطبقة هو التحكم في التفاعل الإلكتروليتي للشوائب الموجودة في الزنك؛ إذ أن هذا التفاعل الإلكتروليتي غير المرغوب فيه كان من شأنه أن يقلل من مدة صلاحية البطارية ويزيد من احتمالية التسرب . وعندما فرضت تشريعات مختلفة تخفيضات في محتوى الزئبق، أصبح من الضروري تحسين نقاء الزنك وتجانسه بشكل كبير. ^{[ 10 ]}

في البطارية القلوية، يكون القطب السالب هو الزنك والقطب الموجب هو ثاني أكسيد المنغنيز (MnO₂ ₎ . لا يُستهلك محلول هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) القلوي أثناء التفاعل، نظرًا لتساوي كميات أيونات الهيدروكسيد ⁽ OH⁻ ) المُستهلكة والمُنتجة في نصفي التفاعل اللذين يحدثان عند الأقطاب . يُستهلك الزنك وثاني أكسيد المنغنيز فقط أثناء التفريغ. من حيث حالة الأكسدة الرسمية _، يُحوّل تفريغ البطارية الزنك من حالة الأكسدة 0 (فلزية) إلى +2، ويُحوّل المنغنيز من حالة الأكسدة +4 إلى +3.

التفاعلان النصفيان هما:

• يحدث تفاعل الأكسدة عند المصعد، الذي يحمل شحنة سالبة نتيجة استقباله للإلكترونات من ^العامل المختزل في الخلية:
  Zn(s) + 2OH⁻ ⁽ aq ) → Zn(OH) _₂ (s) + 2e⁻ ^→ ZnO(s) + H₂O ₍ l) + 2e⁻ ( E _° ^ox =                    +1.28  فولت )
• يحدث تفاعل الاختزال عند المهبط، الذي يحمل شحنة موجبة نتيجة إعطاء الإلكترونات ^{للمؤكسد} في الخلية:
  2MnO ₂ (s) + 2H ₂ O(l) + 2 e ⁻ → 2MnO(OH)(s) + 2OH ⁻ (aq) ^{[ 11 ]}        

التفاعل الكلي (مجموع التفاعلات الأنودية والكاثودية) هو:

تعتمد سعة البطارية القلوية بشكل كبير على الحمل. قد تبلغ السعة الفعالة لبطارية قلوية بحجم AA حوالي3000 مللي أمبير في الساعة  عند استهلاك منخفض، ولكن عند حمل1 أمبير  ، وهو أمر شائع في الكاميرات الرقمية، ويمكن أن تكون السعة ضئيلة مثل700  مللي أمبير في الساعة . ^{[ 12 ]} ينخفض ​​جهد البطارية بشكل مطرد أثناء الاستخدام، لذا فإن إجمالي السعة القابلة للاستخدام يعتمد على جهد القطع للتطبيق.

الجهد الاسمي لخلية قلوية جديدة، كما هو محدد من قبل معايير الشركة المصنعة، هو1.5  فولت . يتراوح جهد البطارية القلوية الجديدة الفعلي عند عدم وجود حمل بينيتراوح الجهد بين 1.50 و1.65  فولت ، وذلك تبعًا لنقاء ثاني أكسيد المنغنيز المستخدم ومحتوى أكسيد الزنك في المحلول الإلكتروليتي. ينخفض ​​الجهد المُوَصَّل إلى الحمل مع ازدياد التيار المسحوب ومع تفريغ الخلية. تُعتبر الخلية مُفرَّغة تمامًا عندما ينخفض ​​الجهد إلى حوالي0.9  فولت . ^{[ 13 ]} الخلايا المتصلة على التوالي تنتج جهدًا يساوي مجموع جهود كل خلية (على سبيل المثال، تولد ثلاث خلايا حوالي 4.5  فولت عندما تكون جديدة).

تتناسب كمية التيار الكهربائي الذي يمكن أن توفره بطارية قلوية تقريبًا مع حجمها الفيزيائي. ويعود ذلك إلى انخفاض المقاومة الداخلية مع زيادة مساحة السطح الداخلي للخلية. ويمكن القول بشكل عام أن بطارية قلوية من نوع AA يمكنها توفير700  مللي أمبير دون أي تسخين ملحوظ. يمكن للخلايا الأكبر حجمًا، مثل خلايا C وD، توفير تيار أعلى. تتطلب التطبيقات التي تحتاج إلى تيارات تصل إلى عدة أمبيرات، مثل أجهزة الصوت المحمولة عالية الطاقة، خلايا من الحجم D لتحمل الحمل المتزايد.

بالمقارنة، يمكن لبطاريات الليثيوم أيون وبطاريات النيكل-معدن الهيدريد التعامل مع2  أمبير بسهولة على حجم AA القياسي. ^{[ 15 ]}

تُصنع البطاريات القلوية بأشكال أسطوانية قياسية قابلة للتبديل مع بطاريات الزنك والكربون، وبأشكال دائرية. ويمكن توصيل عدة خلايا فردية لتشكيل "بطارية" حقيقية، مثل بطارية 9 فولت بحجم PP3 .

تحتوي الخلية على علبة أسطوانية الشكل مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ ، وهي بمثابة وصلة الكاثود . يتكون خليط القطب الموجب من معجون مضغوط من ثاني أكسيد المنغنيز مضاف إليه مسحوق الكربون لزيادة التوصيلية. يمكن ضغط المعجون داخل العلبة أو تشكيله على هيئة حلقات مصبوبة مسبقًا. يُبطّن التجويف المركزي للكاثود بفاصل يمنع تلامس مواد القطب وحدوث قصر في الدائرة الكهربائية للخلية. يُصنع الفاصل من طبقة غير منسوجة من السليلوز أو بوليمر صناعي. يجب أن يكون الفاصل موصلًا للأيونات ومستقرًا في محلول الإلكتروليت عالي القلوية. ^{[ 16 ]}

يتكون القطب السالب من مسحوق الزنك المنتشر في هلام يحتوي على محلول هيدروكسيد البوتاسيوم. يوفر مسحوق الزنك مساحة سطح أكبر لحدوث التفاعلات الكيميائية، مقارنةً بالعلبة المعدنية، مما يقلل المقاومة الداخلية للخلية. ولمنع انبعاث الغازات من الخلية في نهاية عمرها الافتراضي، يُستخدم ثاني أكسيد المنغنيز بكمية أكبر من اللازم للتفاعل مع كل الزنك. كما تُضاف عادةً حشية بلاستيكية لزيادة مقاومة التسرب. ^{[ 17 ]}

ثم تُغلّف الخلية بورق الألمنيوم ، أو غشاء بلاستيكي، أو نادراً، بالكرتون، والذي يعمل كطبقة نهائية للحماية من التسرب، فضلاً عن توفير سطح يمكن طباعة الشعارات والملصقات عليه. ^{[ 18 ]}

عند وصف بطاريات AAA وAA وC وsub-C وD ، يُوصل القطب السالب بالطرف المسطح، بينما يكون الطرف الموجب هو الطرف ذو الزر البارز. وينعكس هذا الترتيب عادةً في بطاريات الأزرار، حيث يكون الطرف الأسطواني المسطح هو الطرف الموجب.

صُممت بعض البطاريات القلوية لإعادة الشحن عدة مرات، وتُعرف باسم البطاريات القلوية القابلة لإعادة الشحن . قد تؤدي محاولات إعادة شحن البطاريات القلوية العادية إلى تمزقها أو تسرب سوائل خطرة تُسبب تآكل الجهاز. مع ذلك، تشير التقارير إلى إمكانية إعادة شحن البطاريات القلوية العادية عدة مرات (عادةً لا تتجاوز عشر مرات)، وإن كان ذلك بانخفاض سعتها بعد كل شحنة؛ وتتوفر أجهزة الشحن تجاريًا. أفادت منظمة "ويتش؟" البريطانية لحماية المستهلك أنها اختبرت جهازَي شحن من هذا النوع مع بطاريات إنرجايزر القلوية، ووجدت أن سعة البطارية انخفضت في المتوسط ​​إلى 10% من قيمتها الأصلية، مع تباينات كبيرة، بعد دورتين (دون تحديد مدى انخفاض سعتها قبل إعادة الشحن). ^{[ 19 ]}

في عام 2017، نشر غوتام جي. ياداف أبحاثًا تفيد بإمكانية إعادة شحن البطاريات القلوية المصنوعة من خلال دمج أيونات النحاس بين طبقاتها لأكثر من 6000 دورة، وذلك بفضل السعة الإلكترونية الثانية النظرية لثاني أكسيد المنغنيز. ^{[ 20 ] [ 21 ]} وقد ذُكر أن كثافة الطاقة لهذه البطاريات القابلة لإعادة الشحن، والتي تحتوي على ثاني أكسيد المنغنيز المُدمج بالنحاس، تتجاوز160 واط/لتر  ، وهو الأفضل بين التركيبات الكيميائية المائية. ^{[ 21 ]} قد يكون قادرًا على تحقيق كثافات طاقة مماثلة لبطاريات الليثيوم أيون (على الأقل250  واط/لتر ) إذا تم تحسين استخدام الزنك في البطاريات. ^{[ 20 ]}

تُعدّ البطاريات القلوية عرضةً لتسريب هيدروكسيد البوتاسيوم ، وهو مادة كاوية قد تُسبب تهيجًا في الجهاز التنفسي والعينين والجلد. ^{[ ملاحظة 1 ]} يُمكن تقليل خطر التسريب بتخزين البطاريات في مكان جاف وفي درجة حرارة الغرفة. كما يُمكن الحدّ من أضرار التسريب بإزالة البطاريات عند تخزين الأجهزة. يُمكن أن يزيد تطبيق تيار عكسي (مثل إعادة شحن الخلايا غير القابلة لإعادة الشحن، أو خلط بطاريات من أنواع أو حالات شحن مختلفة في الجهاز نفسه) من خطر التسريب.

تفرغ جميع البطاريات شحنتها تدريجيًا (سواء كانت مثبتة في جهاز أم لا)، وتتسرب البطاريات التالفة في نهاية المطاف. كما يمكن أن تتسبب درجات الحرارة المرتفعة للغاية في انفجار البطاريات وتسربها (كما هو الحال في السيارات خلال فصل الصيف)، بالإضافة إلى تقليل عمرها الافتراضي.

يعود سبب التسرب إلى أن كيمياء خلايا البطاريات تتغير أثناء تفريغها - سواءً بالاستخدام أو بالتفريغ الذاتي التدريجي - مما يؤدي إلى توليد غاز الهيدروجين. يزيد هذا التسرب من الضغط داخل البطارية. وفي نهاية المطاف، يؤدي الضغط الزائد إما إلى تمزق العوازل في نهاية البطارية، أو الغلاف المعدني الخارجي، أو كليهما. إضافةً إلى ذلك، مع مرور الوقت، قد يتآكل الغلاف المعدني الخارجي للبطارية أو يصدأ تدريجيًا، مما قد يزيد من احتمالية فشل الاحتواء.  

بمجرد حدوث تسرب نتيجة لتآكل الغلاف الفولاذي الخارجي، يمتص هيدروكسيد البوتاسيوم ثاني أكسيد الكربون من الهواء ليشكل بنية بلورية ريشية من كربونات البوتاسيوم تنمو وتنتشر من البطارية بمرور الوقت، وتتبع الأقطاب المعدنية إلى لوحات الدوائر حيث تبدأ في أكسدة مسارات النحاس والمكونات الأخرى، مما يؤدي إلى تلف دائم في الدوائر.

يمكن أن تظهر التكتلات البلورية المتسربة أيضًا من الفواصل حول أغطية البطارية لتشكل طبقة فروية خارج الجهاز، مما يؤدي إلى تآكل أي أجسام ملامسة للجهاز المتسرب.

قد تحتوي البطاريات القلوية المصنعة قبل عام ١٩٩٦ على الزئبق، وتُصنف ضمن النفايات الخطرة. ورغم خلوها من الزئبق، لا تزال هذه البطاريات تحتوي على معادن ثقيلة أخرى ومواد كيميائية أكالة، مما قد يُسبب مشاكل في مكبات النفايات. ^{[ ٢٢ ] [ ٢٣ ]} ويمكن أن تُسبب هذه البطاريات حرائق أو انفجارات، مما يُهدد سلامة عمال النظافة. كما يُمكن أن تُسرّب البطاريات الموجودة في مكبات النفايات مواد كيميائية سامة إلى التربة والمياه. وتُساهم إعادة التدوير أيضًا في تقليل كمية المواد والطاقة الجديدة اللازمة لصناعة البطاريات وغيرها من المنتجات، مما يُقلل من الأضرار البيئية الناجمة عن التعدين والإنتاج. ^{[ ٢٤ ]}

تختلف إجراءات التخلص من البطاريات باختلاف المناطق. فمثلاً، تعتبر ولاية كاليفورنيا جميع البطاريات نفايات خطرة عند التخلص منها، وقد حظرت التخلص منها مع النفايات المنزلية. ^{[ 25 ]} أما في أوروبا، فيخضع التخلص من البطاريات لتوجيهات نفايات المعدات الكهربائية والإلكترونية وتوجيهات البطاريات ، وبالتالي لا يجوز التخلص من البطاريات القلوية مع النفايات المنزلية. وفي الاتحاد الأوروبي، يُلزم القانون معظم المتاجر التي تبيع البطاريات بقبول البطاريات القديمة لإعادة تدويرها.

ينمو سوق البطاريات أحادية الاستخدام بمعدل 5.5% سنويًا. ^{[ 26 ]} في السابق ، كانت البطاريات المستعملة تُرمى في مكبات النفايات، ولكن في عام 2004، حظرت لائحة صادرة عن الاتحاد الأوروبي التخلص من البطاريات القلوية في مكبات النفايات. ^{[ 27 ]} في عام 2006، التزم الاتحاد الأوروبي بإعادة تدوير 45% من جميع البطاريات بحلول عام 2016. ^{[ 28 ]} في عام 2023، حددت لائحة جديدة هدفًا يتمثل في إعادة تدوير 63% بحلول عام 2027 و73% بحلول عام 2036. ^{[ 29 ]} توصي وكالة حماية البيئة الأمريكية بإعادة تدوير البطاريات القلوية عن طريق شركات إعادة تدوير البطاريات أو التخلص منها محليًا. ^{[ 30 ]}

في الولايات المتحدة، تُلزم ولاية كاليفورنيا فقط بإعادة تدوير جميع البطاريات القلوية. مع ذلك، تُطبّق ولاية فيرمونت برنامجًا على مستوى الولاية لجمع البطاريات القلوية. ^{[ 31 ]} تقبل العديد من متاجر التجزئة البطاريات لإعادة تدويرها، مثل Batteries Plus و Home Depot و Staples [ ^{24 ]} و IKEA . ^{[ 32 ]} لكن بعض المتاجر التي تُعلن عن إعادة تدوير البطاريات، مثل Best Buy ، لا تقبل سوى البطاريات القابلة لإعادة الشحن، ولا تقبل عمومًا البطاريات القلوية. كما يُمكن شراء مجموعات إعادة تدوير البطاريات لشحنها إلى مراكز إعادة التدوير. ^{[ 32 ] تُدرج مواقع قواعد بيانات إعادة التدوير ،} مثل Call2Recycle وGreener Gadgets و Earth911 وGreen Citizen، أماكن إعادة تدوير البطاريات. ^{[ 24 ]}

عند إعادة تدويرها، يتم فصل المعادن من البطاريات القلوية المسحوقة ميكانيكياً، ويتم معالجة الكتلة السوداء المتبقية كيميائياً لفصل الزنك وثاني أكسيد المنغنيز وهيدروكسيد البوتاسيوم. ^{[ 33 ]}

• ليندن، ديفيد الثالث؛ ريدي، توماس ب.، محرران. (2002). دليل البطاريات (  الطبعة الثالثة). نيويورك: ماكجرو هيل. ISBN 978-0-07-135978-8.

• بيانات السلامة الخاصة ببطاريات دوراسيل القلوية (ملف PDF)
• البطاريات القلوية
• مواصفات بطاريات قلوية محايدة العلامة التجارية، بناءً على معايير ANSI
• نظرة عامة على معايير البطاريات واختبارها