تاريخ البطارية

📅 آخر تحديث: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 11 صور
الموسوعة الحرة

عمود فولطائي ، أول بطارية كيميائية

كانت البطاريات المصدر الرئيسي للكهرباء قبل تطوير المولدات الكهربائية وشبكات الكهرباء في أواخر القرن التاسع عشر. وقد سهّلت التحسينات المتتالية في تكنولوجيا البطاريات تحقيق تقدم كبير في مجال الكهرباء، بدءًا من الدراسات العلمية المبكرة وصولًا إلى ظهور التلغراف والهواتف ، مما أدى في النهاية إلى ظهور أجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف المحمولة والسيارات الكهربائية والعديد من الأجهزة الكهربائية الأخرى.

كانت بطاريات "الخلايا الرطبة" تستخدم حاويات مفتوحة تحتوي على إلكتروليت سائل وأقطاب معدنية . وكان من الممكن استبدال الأقطاب والإلكتروليت عند تفريغ البطارية. لكن الحاويات المفتوحة غير مناسبة للاستخدامات المتنقلة أو المحمولة. استُخدمت الخلايا الرطبة تجاريًا في أنظمة التلغراف والهاتف. واستخدمت السيارات الكهربائية الأولى خلايا رطبة شبه مغلقة. أما الأجهزة الكهربائية المحمولة واليدوية فقد أصبحت ممكنة بفضل "الخلايا الجافة"، حيث كان الإلكتروليت على شكل معجون مقاوم للانسكاب أو التسرب.

يُعدّ تصنيف دورة حياة البطاريات أحد أهم التصنيفات. فالبطاريات "الأولية" تُنتج التيار فور تركيبها، ولكن بمجرد استهلاك عناصرها النشطة، لا يُمكن إعادة شحنها كهربائيًا. وقد أتاح تطوير بطارية الرصاص الحمضية، وما تلاها من أنواع "ثانوية" أو "قابلة للشحن"، إمكانية استعادة الطاقة إلى الخلية، مما أطال عمر الخلايا المُجمّعة بشكل دائم. كما ساهم إدخال بطاريات النيكل والليثيوم في النصف الثاني من القرن العشرين في جعل تطوير عدد لا يُحصى من الأجهزة الإلكترونية المحمولة ممكنًا، بدءًا من المصابيح اليدوية القوية وصولًا إلى الهواتف المحمولة. وتُستخدم البطاريات الثابتة الكبيرة جدًا في تخزين الطاقة الكهربائية ، مما يُساعد على استقرار شبكات توزيع الطاقة الكهربائية.

اختراع

منذ منتصف القرن الثامن عشر، وقبل اختراع البطاريات، استخدم المجربون جرار ليدن لتخزين الشحنة الكهربائية. وباعتبارها شكلاً مبكراً من أشكال المكثفات ، كانت جرار ليدن، على عكس الخلايا الكهروكيميائية، تخزن شحنتها بشكل مادي وتطلقها دفعة واحدة. وقد لجأ العديد من المجربين إلى توصيل عدة جرار ليدن معاً لتوليد شحنة أقوى، وربما كان المخترع الأمريكي بنجامين فرانكلين ، الذي عاش في الحقبة الاستعمارية، أول من أطلق على هذه المجموعة اسم "البطارية الكهربائية" ، وهو تلاعب بالمصطلح العسكري الذي يُطلق على الأسلحة التي تعمل معاً. [ 1 ] [ 2 ]

استنادًا إلى بعض نتائج لويجي غالفاني ، لاحظ أليساندرو فولتا ، صديقه وزميله العالم، أن الظواهر الكهربائية تنتج عن معدنين مختلفين متصلين بمادة وسيطة رطبة. وقد تحقق من هذه الفرضية من خلال التجارب ونشر النتائج عام ١٧٩١. وفي عام ١٨٠٠، اخترع فولتا أول بطارية حقيقية، تخزن وتطلق الشحنة من خلال تفاعل كيميائي بدلًا من التفاعل الفيزيائي، والتي عُرفت فيما بعد باسم " الكومة الفولتية" . تتكون الكومة الفولتية من أزواج من أقراص النحاس والزنك مكدسة فوق بعضها البعض، يفصل بينها طبقة من القماش أو الورق المقوى المشبع بمحلول ملحي (أي الإلكتروليت ). وعلى عكس جرة ليدن ، أنتجت الكومة الفولتية كهرباء مستمرة وتيارًا ثابتًا، وفقدت القليل من الشحنة بمرور الوقت عند عدم استخدامها، على الرغم من أن نماذجه الأولى لم تكن قادرة على إنتاج جهد كهربائي قوي بما يكفي لإحداث شرارات. [ ٣ ] وقد جرب فولتا معادن مختلفة ووجد أن الزنك والفضة أعطيا أفضل النتائج.

اعتقد فولتا أن التيار ناتج عن تلامس مادتين مختلفتين، وهو ما أسماه التوتر التلامسي ، وليس نتيجة تفاعلات كيميائية. [ 4 ] ونتيجة لذلك، اعتبر تآكل ألواح الزنك عيبًا منفصلاً يمكن إصلاحه بتغيير المواد بطريقة ما. مع ذلك، لم ينجح أي عالم في منع هذا التآكل. في الواقع، لوحظ أن التآكل كان أسرع عند سحب تيار أعلى. يشير هذا إلى أن التآكل جزء لا يتجزأ من قدرة البطارية على توليد التيار. وقد أدى هذا جزئيًا إلى رفض منهج فولتا لصالح النظرية الكهروكيميائية. (تجدر الإشارة إلى أن مصطلح فولتا هو أحد مكونات عملية ذات صلة تُسمى التكهرب التلامسي ، وهي مهمة لعلوم أخرى. [ 5 ] ) تحتوي رسومات فولتا لتاج الكؤوس وعموده الفولتائي على أقراص معدنية إضافية، ثبت الآن عدم ضرورتها، في كل من الجزء العلوي والسفلي. الشكل المرتبط بهذا القسم، الخاص بالعمود الفولتائي المصنوع من الزنك والنحاس، له تصميم حديث، مما يشير إلى أن "التوتر التلامسي" ليس مصدر القوة الدافعة الكهربائية للعمود الفولتائي.

كانت نماذج فولتا الأصلية للبطاريات تعاني من بعض العيوب التقنية، منها تسرب الإلكتروليت وحدوث ماس كهربائي نتيجة ضغط وزن الأقراص على القماش المشبع بالمحلول الملحي. وقد حلّ رجل اسكتلندي يُدعى ويليام كروكشانك هذه المشكلة بوضع العناصر أفقيًا في صندوق بدلًا من تكديسها. عُرفت هذه البطارية باسم بطارية الحوض . [ 6 ] ابتكر فولتا نفسه نموذجًا بديلًا يتكون من سلسلة من الأكواب المملوءة بمحلول ملحي، موصولة ببعضها بواسطة أقواس معدنية مغموسة في السائل. عُرف هذا النموذج باسم تاج الأكواب. صُنعت هذه الأقواس من معدنين مختلفين (مثل الزنك والنحاس) ملحومين معًا. أثبت هذا النموذج أيضًا كفاءة أعلى من نماذجه الأصلية، [ 7 ] على الرغم من أنه لم يحظَ بشعبية كبيرة.

كومة فولطية من الزنك والنحاس

من المشاكل الأخرى التي واجهتها بطاريات فولتا قصر عمرها (ساعة واحدة كحد أقصى)، ويعود ذلك إلى ظاهرتين. الأولى هي أن التيار الكهربائي الناتج يُحلل محلول الإلكتروليت، مما يؤدي إلى تكوّن طبقة من فقاعات الهيدروجين على النحاس ، الأمر الذي يزيد تدريجيًا من المقاومة الداخلية للبطارية (يُعرف هذا التأثير بالاستقطاب ، ويتم التغلب عليه في الخلايا الحديثة بإجراءات إضافية). أما الثانية فهي ظاهرة تُسمى التأثير الموضعي ، حيث تتشكل دوائر قصر دقيقة حول الشوائب الموجودة في الزنك، مما يؤدي إلى تدهوره. وقد حُلّت هذه المشكلة الأخيرة عام 1835 على يد المخترع الإنجليزي ويليام ستورجون ، الذي اكتشف أن الزنك المدمج، الذي عُولج سطحه ببعض الزئبق ، لا يعاني من التأثير الموضعي. [ 8 ]

على الرغم من عيوبها، توفر بطاريات فولتا تيارًا أكثر استقرارًا من جرار ليدن، وقد أتاحت إجراء العديد من التجارب والاكتشافات الجديدة، مثل أول تحليل كهربائي للماء من قبل الجراح الإنجليزي أنتوني كارلايل والكيميائي الإنجليزي ويليام نيكلسون .

أولى البطاريات العملية

تمثيل تخطيطي للخلية الأصليةلدانييل

خلية دانييل

وجد أستاذ الكيمياء الإنجليزي جون فريدريك دانييل حلاً لمشكلة فقاعات الهيدروجين في خلية فولطية باستخدام إلكتروليت ثانٍ لاستهلاك الهيدروجين الناتج عن الأول. في عام ١٨٣٦، اخترع دانييل خلية دانييل ، التي تتكون من وعاء نحاسي مملوء بمحلول كبريتات النحاس ، مغمور فيه وعاء فخاري غير مزجج مملوء بحمض الكبريتيك وقطب كهربائي من الزنك. يتميز الحاجز الفخاري بمساميته، مما يسمح بمرور الأيونات مع منع اختلاط المحلولين.

مثّلت خلية دانييل نقلة نوعية مقارنةً بالتقنية المستخدمة في بدايات تطوير البطاريات ، وكانت أول مصدر عملي للكهرباء. فهي توفر تيارًا أطول وأكثر موثوقية من خلية فولتايك، كما أنها أكثر أمانًا وأقل عرضة للتآكل. ويبلغ جهد تشغيلها حوالي 1.1 فولت. وسرعان ما أصبحت المعيار الصناعي، لا سيما مع شبكات التلغراف الجديدة .

كما تم استخدام خلية دانييل كأول معيار عمل لتعريف الفولت ، وهي وحدة القوة الدافعة الكهربائية . [ 9 ]

خلية الطائر

اخترع الطبيب غولدينغ بيرد، من مستشفى غاي، نسخة من خلية دانييل عام 1837، مستخدماً حاجزاً من الجبس لفصل المحاليل. وكانت تجارب بيرد على هذه الخلية ذات أهمية بالغة لعلم الكهروكيميائية المعدنية الناشئ آنذاك .

خلية وعاء مسامية

خلية وعاء مسامية

اخترع جون دانسر ، صانع الأدوات من ليفربول، خلية دانييل ذات الوعاء المسامي عام ١٨٣٨. تتكون هذه الخلية من مصعد زنك مركزي مغمور في وعاء فخاري مسامي يحتوي على محلول كبريتات الزنك . يُغمر الوعاء المسامي بدوره في محلول كبريتات النحاس الموجود في علبة نحاسية، والتي تعمل كمهبط للخلية . يسمح استخدام حاجز مسامي بمرور الأيونات مع منع اختلاط المحلولين.

خلية الجاذبية

رسم توضيحي لخلية جاذبية يعود تاريخه إلى عام 1919. يُعرف هذا النوع تحديدًا أيضًا باسم خلية قدم الغراب نظرًا للشكل المميز للأقطاب الكهربائية.

في ستينيات القرن التاسع عشر، اخترع الفرنسي كالود نسخةً معدلةً من خلية دانييل تُسمى خلية الجاذبية . استغنت هذه النسخة المبسطة عن الحاجز المسامي، مما قلل المقاومة الداخلية للنظام، وبالتالي، أنتجت البطارية تيارًا أقوى. وسرعان ما أصبحت البطارية المفضلة لشبكات التلغراف الأمريكية والبريطانية، واستُخدمت على نطاق واسع حتى خمسينيات القرن العشرين.

تتكون خلية الجاذبية من وعاء زجاجي، يوضع فيه قطب نحاسي سالب في الأسفل، ويعلق قطب زنك موجب أسفل حافته. تُوزع بلورات كبريتات النحاس حول القطب السالب، ثم يُملأ الوعاء بالماء المقطر. عند مرور التيار، تتشكل طبقة من محلول كبريتات الزنك في الأعلى حول القطب الموجب. تبقى هذه الطبقة العلوية منفصلة عن طبقة كبريتات النحاس السفلية بفضل كثافتها المنخفضة وقطبية الخلية.

تتميز طبقة كبريتات الزنك بشفافيتها مقارنةً بطبقة كبريتات النحاس الزرقاء الداكنة، مما يُمكّن الفني من قياس عمر البطارية بنظرة سريعة. مع ذلك، يعني هذا التصميم أن البطارية لا يمكن استخدامها إلا في الأجهزة الثابتة، وإلا ستختلط المحاليل أو تتسرب. ومن عيوبها الأخرى ضرورة استمرار سحب التيار الكهربائي لمنع اختلاط المحلولين بالانتشار، مما يجعلها غير مناسبة للاستخدام المتقطع.

خلية بوغندورف

تغلب العالم الألماني يوهان كريستيان بوغندورف على مشكلة فصل الإلكتروليت ومزيل الاستقطاب باستخدام وعاء فخاري مسامي عام 1842. في خلية بوغندورف ، التي تُسمى أحيانًا خلية غرينيه نسبةً إلى أعمال يوجين غرينيه حوالي عام 1859، يكون الإلكتروليت حمض كبريتيك مخفف، ومزيل الاستقطاب حمض كروميك. يختلط الحمضان معًا، مما يُغني عن استخدام الوعاء المسامي. يتكون القطب الموجب (الكاثود) من لوحين من الكربون، بينهما لوح من الزنك (القطب السالب أو الأنود). ونظرًا لميل خليط الحمض للتفاعل مع الزنك، وُضعت آلية لرفع قطب الزنك بعيدًا عن الأحماض.

تُنتج هذه الخلية جهدًا مقداره 1.9 فولت. وقد لاقت رواجًا بين الباحثين لسنوات عديدة نظرًا لجهدها العالي نسبيًا، وقدرتها الفائقة على إنتاج تيار ثابت، وانعدام انبعاثاتها، إلا أن هشاشة غلافها الزجاجي الرقيق نسبيًا، وضرورة رفع صفيحة الزنك عند عدم استخدامها، أديا في النهاية إلى تراجع شعبيتها. عُرفت هذه الخلية أيضًا باسم "خلية حمض الكروميك"، ولكنها اشتهرت باسم "خلية ثنائي الكرومات". وقد جاء هذا الاسم الأخير من طريقة إنتاج حمض الكروميك بإضافة حمض الكبريتيك إلى ثنائي كرومات البوتاسيوم، على الرغم من أن الخلية نفسها لا تحتوي على ثنائي الكرومات.

طُوِّرت خلية فولر من خلية بوغندورف. ورغم أن التركيب الكيميائي متشابه من حيث المبدأ، إلا أن الحمضين يُفصلان مرة أخرى بواسطة وعاء مسامي، ويُعالج الزنك بالزئبق لتكوين ملغم .

خلية غروف

اخترع الويلزي ويليام روبرت غروف خلية غروف عام 1839. تتكون هذه الخلية من مصعد من الزنك مغموس في حمض الكبريتيك ، ومهبط من البلاتين مغموس في حمض النيتريك ، يفصل بينهما فخار مسامي. توفر خلية غروف تيارًا عاليًا وجهدًا يقارب ضعف جهد خلية دانييل، مما جعلها الخلية المفضلة لشبكات التلغراف الأمريكية لفترة من الزمن. مع ذلك، تنبعث منها أبخرة أكسيد النيتريك السامة أثناء التشغيل. كما ينخفض ​​الجهد بشكل حاد مع تناقص الشحنة، وهو ما أصبح عيبًا مع ازدياد تعقيد شبكات التلغراف. كان البلاتين ولا يزال باهظ الثمن.

خلية دن

ألفريد دان 1885، حمض النيترو-مورياتيك ( أكوا ريجيس ) – الحديد والكربون:

في العنصر الجديد، يمكن استخدام محاليل ذات قدرة عالية على إزالة الاستقطاب عند تركيزها، كمذيب مُثير، مما يُحقق إزالة الاستقطاب كيميائيًا بالكامل دون الحاجة إلى زيادة مساحة سطح الكربون. يُفضل استخدام الحديد كقطب موجب، وحمض النيترو ميورياتيك ( أكوا ريجيس )، وهو مزيج من حمضي المورياتيك والنيتريك، كمذيب مُثير. يُستخدم حمض النيترو ميورياتيك، كما ذُكر سابقًا، لملء الخليتين. يُستخدم مُركزًا أو مُخففًا قليلًا جدًا لخلايا الكربون، بينما يُستخدم مُخففًا جدًا للخلايا الأخرى (حوالي عُشر التركيز، أو عُشر التركيز على الأكثر). يبقى العنصر الذي يحتوي على الكربون وحمض النيترو ميورياتيك مُركزًا في إحدى الخليتين، والحديد وحمض النيترو ميورياتيك مُخففًا في الخلية الأخرى، ثابتًا لمدة عشرين ساعة على الأقل عند استخدامه في الإضاءة الكهربائية المتوهجة. [ 10 ]

البطاريات القابلة لإعادة الشحن والخلايا الجافة

حمض الرصاص

رسم توضيحي من القرن التاسع عشر لخلية حمض الرصاص الأصلية لبلانتي

حتى ذلك الحين، كانت جميع البطاريات الموجودة تُستنزف نهائيًا عند استنفاد جميع المواد الكيميائية المتفاعلة فيها. في عام ١٨٥٩، اخترع غاستون بلانتيه بطارية الرصاص الحمضية ، وهي أول بطارية على الإطلاق يمكن إعادة شحنها بتمرير تيار عكسي عبرها. تتكون خلية الرصاص الحمضية من مصعد من الرصاص ومهبط من ثاني أكسيد الرصاص مغمورين في حمض الكبريتيك. يتفاعل كلا القطبين مع الحمض لإنتاج كبريتات الرصاص ، ولكن التفاعل عند مصعد الرصاص يُطلق إلكترونات بينما يستهلكها التفاعل عند ثاني أكسيد الرصاص، مما يُنتج تيارًا كهربائيًا. يمكن عكس هذه التفاعلات الكيميائية بتمرير تيار عكسي عبر البطارية، وبالتالي إعادة شحنها.

تألف النموذج الأول لبلانت من صفيحتين من الرصاص تفصل بينهما شرائط مطاطية، ملفوفتين بشكل حلزوني. [ 11 ] استُخدمت بطارياته في البداية لتشغيل أضواء عربات القطارات أثناء توقفها في المحطة. في عام 1881، اخترع كاميل ألفونس فور نسخة محسّنة تتكون من شبكة رصاصية يُضغط فيها معجون أكسيد الرصاص لتشكيل صفيحة. يمكن تكديس عدة صفائح لزيادة الأداء. هذا التصميم أسهل في الإنتاج بكميات كبيرة.

بالمقارنة مع البطاريات الأخرى، تُعد بطارية بلانتي ثقيلة وكبيرة الحجم نسبيًا مقارنةً بكمية الطاقة التي يمكنها تخزينها. ومع ذلك، فهي قادرة على إنتاج تيارات عالية بشكل ملحوظ في فترات الذروة، نظرًا لمقاومتها الداخلية المنخفضة جدًا، مما يعني إمكانية استخدام بطارية واحدة لتشغيل دوائر كهربائية متعددة. [ 8 ]

لا تزال بطارية الرصاص الحمضية تُستخدم حتى اليوم في السيارات وغيرها من التطبيقات التي لا يُمثل فيها الوزن عاملاً مهماً. لم يتغير المبدأ الأساسي منذ عام 1859. في أوائل ثلاثينيات القرن العشرين، استُخدم إلكتروليت هلامي (بدلاً من السائل) مُنتَج بإضافة السيليكا إلى خلية مشحونة في بطارية الجهد المنخفض لأجهزة الراديو المحمولة ذات الصمامات المفرغة . في سبعينيات القرن العشرين، شاعت النسخ "المغلقة" (المعروفة باسم " الخلية الهلامية " أو " SLA ")، مما سمح باستخدام البطارية في أوضاع مختلفة دون عطل أو تسريب.

تُصنّف الخلايا اليوم إلى نوعين: "أولية" إذا كانت تُنتج تيارًا كهربائيًا حتى استنفاد المواد الكيميائية المتفاعلة فيها ، و"ثانوية" إذا أمكن عكس التفاعلات الكيميائية بإعادة شحن الخلية. وكانت خلية الرصاص الحمضية أول خلية "ثانوية".

ليكلانشي سيل

رسم توضيحي لخلية ليكلانشيه يعود لعام 1912

في عام 1866، اخترع جورج ليكلانشيه بطارية تتكون من مصعد من الزنك ومهبط من ثاني أكسيد المنغنيز مغلف بمادة مسامية، مغمورة في وعاء من محلول كلوريد الأمونيوم . يحتوي مهبط ثاني أكسيد المنغنيز على كمية قليلة من الكربون، مما يحسن التوصيلية والامتصاص. [ 12 ] وقد وفرت هذه البطارية جهدًا كهربائيًا قدره 1.4 فولت. [ 13 ] حققت هذه الخلية نجاحًا سريعًا في التلغراف والإشارات وأجراس الكنائس الكهربائية.

استُخدمت الخلايا الجافة لتشغيل الهواتف القديمة، عادةً من صندوق خشبي مُلحق مُخصص للبطاريات، قبل أن تتمكن الهواتف من سحب الطاقة من خط الهاتف نفسه. لا تستطيع خلية ليكلانشيه توفير تيار مستمر لفترة طويلة. ففي المحادثات المطولة، تنفد البطارية، مما يجعل المحادثة غير مسموعة. [ 14 ] ويعود ذلك إلى أن بعض التفاعلات الكيميائية داخل الخلية تزيد من المقاومة الداخلية، وبالتالي تخفض الجهد.

خلية الزنك والكربون، أول خلية جافة

حاول العديد من الباحثين تثبيت الإلكتروليت في الخلية الكهروكيميائية لتسهيل استخدامها. تُعدّ كومة زامبوني لعام 1812 بطارية جافة عالية الجهد، لكنها قادرة على توليد تيارات ضئيلة للغاية. أُجريت تجارب متنوعة باستخدام السليلوز ، ونشارة الخشب ، والزجاج المغزول ، وألياف الأسبستوس ، والجيلاتين . [ 15 ]

في عام 1886، حصل كارل غاسنر على براءة اختراع ألمانية [ 16 ] لنسخة معدلة من خلية ليكلانشيه، والتي عُرفت لاحقًا بالخلية الجافة لعدم احتوائها على إلكتروليت سائل حر. فبدلًا من ذلك، يُخلط كلوريد الأمونيوم مع جبس باريس لتكوين عجينة، مع إضافة كمية صغيرة من كلوريد الزنك لإطالة عمرها الافتراضي. يُغمس قطب ثاني أكسيد المنغنيز السالب في هذه العجينة، ويُغلّف كلاهما بغلاف من الزنك، الذي يعمل أيضًا كقطب موجب. وفي نوفمبر 1887، حصل على براءة اختراع أمريكية رقم 373064 لنفس الجهاز.

على عكس البطاريات الرطبة السابقة، تتميز بطارية غاسنر الجافة بصلابة أكبر، ولا تحتاج إلى صيانة، ولا تتسرب منها السوائل، ويمكن استخدامها بأي وضعية. وتوفر جهدًا كهربائيًا قدره 1.5 فولت. كان أول نموذج يُنتج بكميات كبيرة هو بطارية كولومبيا الجافة، التي سوّقتها شركة ناشيونال كاربون لأول مرة عام 1896. [ 17 ] حسّنت شركة ناشيونال كاربون نموذج غاسنر باستبدال الجبس بالكرتون الملفوف ، وهو ابتكار أتاح مساحة أكبر للكاثود وجعل تجميع البطارية أسهل. كانت هذه أول بطارية عملية متاحة للجميع، وجعلت الأجهزة الكهربائية المحمولة عملية، وأدت مباشرةً إلى اختراع المصباح اليدوي .

لا تزال بطارية الزنك والكربون (كما أصبحت تُعرف) تُصنع حتى اليوم.

في الوقت نفسه، قام ويلهلم هيليسن في عام 1887 بتطوير تصميمه الخاص للخلايا الجافة. وقد زُعم أن تصميم هيليسن سبق تصميم غاسنر. [ 18 ]

في عام 1887، تم تطوير بطارية جافة بواسطة ساكيزو ياي (屋井 先蔵) من اليابان، ثم تم تسجيل براءة اختراعها في عام 1892. [ 19 ] [ 20 ] في عام 1893، تم عرض بطارية ساكيزو ياي الجافة في المعرض الكولومبي العالمي وحظيت باهتمام دولي كبير.

بطارية النيكل والكادميوم، أول بطارية قلوية

في عام 1899، اخترع العالم السويدي فالديمار يونغر بطارية النيكل والكادميوم ، وهي بطارية قابلة لإعادة الشحن تحتوي على أقطاب من النيكل والكادميوم مغمورة في محلول هيدروكسيد البوتاسيوم ؛ وكانت أول بطارية تستخدم إلكتروليتًا قلويًا . تم تسويقها تجاريًا في السويد عام 1910 ووصلت إلى الولايات المتحدة عام 1946. تميزت النماذج الأولى بمتانتها وكثافة طاقتها العالية مقارنةً ببطاريات الرصاص الحمضية، ولكنها كانت أغلى ثمنًا بكثير.

القرن العشرون: التقنيات الجديدة والانتشار الواسع

مقاسسنة الإصدار
د1898
AA1907
AAA1911
9 فولت1956

حديد النيكل

بطاريات النيكل والحديد المصنعة بين عامي 1972 و1975 تحت العلامة التجارية "إكسيد"، والتي طورها توماس إديسون في الأصل عام 1901
مجموعة من البطاريات الحديثة

حصل فالديمار يونغر على براءة اختراع لبطارية النيكل والحديد عام 1899، وهو نفس العام الذي حصل فيه على براءة اختراع بطارية النيكل والكادميوم، لكنه وجدها أقل كفاءة من نظيرتها المصنوعة من الكادميوم، ونتيجة لذلك، لم يكلف نفسه عناء تطويرها. [ 21 ] كانت تنتج كمية أكبر بكثير من غاز الهيدروجين عند شحنها، مما يعني أنه لا يمكن إحكام إغلاقها، وكانت عملية الشحن أقل كفاءة (مع أنها كانت أرخص).

إدراكًا منه لإمكانية تحقيق الربح في سوق بطاريات الرصاص الحمضية شديدة التنافس، عمل توماس إديسون في تسعينيات القرن التاسع عشر على تطوير بطارية قلوية يمكنه الحصول على براءة اختراع لها. اعتقد إديسون أنه إذا أنتج بطارية خفيفة الوزن ومتينة، ستصبح السيارات الكهربائية هي المعيار، وستكون شركته المورد الرئيسي للبطاريات. بعد العديد من التجارب، وربما بالاستفادة من تصميم يونغر، حصل على براءة اختراع لبطارية نيكل-حديد قلوية في عام 1901. [ 22 ] ومع ذلك، وجد العملاء أن النموذج الأول من بطارية النيكل-حديد القلوية عرضة للتسرب مما يؤدي إلى قصر عمرها، كما أنها لم تتفوق على خلية الرصاص الحمضية بشكل ملحوظ. على الرغم من أن إديسون تمكن من إنتاج نموذج أكثر موثوقية وقوة بعد سبع سنوات، إلا أن سيارة فورد موديل تي الرخيصة والموثوقة كانت قد جعلت سيارات محركات البنزين هي المعيار بحلول ذلك الوقت. ومع ذلك، حققت بطارية إديسون نجاحًا كبيرًا في تطبيقات أخرى مثل مركبات السكك الحديدية الكهربائية والديزل-كهربائية، حيث وفرت طاقة احتياطية لإشارات عبور السكك الحديدية، أو لتوفير الطاقة للمصابيح المستخدمة في المناجم. [ 23 ] [ 24 ]

البطاريات القلوية الشائعة

حتى أواخر الخمسينيات، ظلت بطارية الزنك والكربون شائعة الاستخدام كبطارية أولية، إلا أن عمرها القصير نسبيًا أعاق مبيعاتها. كُلِّف المهندس الكندي لويس أوري ، الذي كان يعمل لدى شركة يونيون كاربايد ، أولًا في شركة ناشونال كاربون في أونتاريو، ثم في مختبر بارما للأبحاث التابع للشركة نفسها في كليفلاند ، أوهايو ، عام ١٩٥٥ ، بإيجاد طريقة لإطالة عمر بطاريات الزنك والكربون. [ ٢٥ ] واستنادًا إلى أعمال سابقة لإديسون، قرر أوري أن البطاريات القلوية أكثر جدوى. [ ٢٦ ] وحتى ذلك الحين، كانت البطاريات القلوية طويلة الأمد باهظة الثمن بشكل غير عملي. تتكون بطارية أوري من مهبط من ثاني أكسيد المنغنيز ومصعد من مسحوق الزنك مع إلكتروليت قلوي. يمنح استخدام مسحوق الزنك المصعد مساحة سطح أكبر. طُرحت هذه البطاريات في الأسواق عام ١٩٥٩.

النيكل-هيدروجين والنيكل-هيدريد المعدن

دخلت بطارية النيكل والهيدروجين السوق كنظام فرعي لتخزين الطاقة لأقمار الاتصالات التجارية . [ 27 ] [ 28 ]

ظهرت أولى بطاريات النيكل-معدن الهيدريد (NiMH) المخصصة للاستخدامات الاستهلاكية الصغيرة في الأسواق عام 1989 كنوع معدل من بطاريات النيكل-هيدروجين التي ظهرت في سبعينيات القرن الماضي . [ 29 ] تتميز بطاريات NiMH بعمر أطول من بطاريات NiCd (ويستمر عمرها في الازدياد مع تجربة الشركات المصنعة لسبائك جديدة)، ولأن الكادميوم مادة سامة، فإن بطاريات NiMH أقل ضرراً بالبيئة.

بطاريات أيونات المعادن القلوية

بطارية ليثيوم أيون
منذ عام 1991، انخفضت تكلفة بطاريات الليثيوم أيون بنسبة 99%. في المتوسط، انخفض السعر بنحو 19% لكل مضاعفة في السعة المركبة. [ 30 ]

الليثيوم هو المعدن القلوي الأقل كثافةً والأعلى جهدًا كهروكيميائيًا وأعلى نسبة طاقة إلى وزن . كما أن انخفاض وزنه الذري وصغر حجم أيوناته يُسرّعان انتشاره، مما يجعله على الأرجح مادة مثالية للبطاريات. [ 31 ] بدأت التجارب على بطاريات الليثيوم عام 1912 على يد الكيميائي الفيزيائي الأمريكي جيلبرت ن. لويس ، لكن بطاريات الليثيوم التجارية لم تُطرح في الأسواق حتى سبعينيات القرن العشرين في صورة بطارية أيون الليثيوم . [ 32 ] [ 33 ] لا تزال خلايا الليثيوم الأولية ذات جهد 3 فولت، مثل نوع CR123A، وخلايا الأزرار ذات جهد 3 فولت تُستخدم على نطاق واسع، خاصةً في الكاميرات والأجهزة الصغيرة جدًا.

شهدت بطاريات الليثيوم ثلاثة تطورات مهمة في ثمانينيات القرن العشرين. ففي عام 1980، اكتشف الكيميائي الأمريكي جون بي. غودينوف مهبط LiCoO₂ ( أكسيد الليثيوم والكوبالت ) (القطب الموجب)، واكتشف الباحث المغربي رشيد يزامي مصعد الجرافيت (القطب السالب) باستخدام الإلكتروليت الصلب. وفي عام 1981، اكتشف الكيميائيان اليابانيان طوكيو يامابي وشيزكوني ياتا مادة نانوية جديدة من البولياسين [ 34 ] ، ووجدا أنها فعالة للغاية كمصعد في الإلكتروليت السائل التقليدي. [ 35 ] [ 36 ] وقد دفع هذا فريقًا بحثيًا بقيادة أكيرا يوشينو من شركة أساهي كيميكال اليابانية إلى بناء أول نموذج أولي لبطارية أيونات الليثيوم في عام 1985، وهي نسخة قابلة لإعادة الشحن وأكثر استقرارًا من بطارية الليثيوم. قامت شركة سوني بتسويق بطارية الليثيوم أيون في عام 1991. [ 37 ] وفي عام 2019، مُنح جون غودينوف، وستانلي ويتينغهام ، وأكيرا يوشينو جائزة نوبل في الكيمياء ، لتطويرهم بطاريات الليثيوم أيون. [ 38 ]

في عام ١٩٩٧، أطلقت شركتا سوني وأساهي كاساي بطارية الليثيوم بوليمر . تتميز هذه البطاريات باحتفاظها بالإلكتروليت في مركب بوليمر صلب بدلاً من مذيب سائل، كما أن الأقطاب الكهربائية والفواصل مُلصقة ببعضها. يتيح هذا الاختلاف الأخير تغليف البطارية بغلاف مرن بدلاً من غلاف معدني صلب، مما يسمح بتصميمها خصيصاً لتناسب جهازاً معيناً. وقد ساهمت هذه الميزة في ترجيح استخدام بطاريات الليثيوم بوليمر في تصميم الأجهزة الإلكترونية المحمولة، مثل الهواتف المحمولة والمساعدات الرقمية الشخصية ، والطائرات المُسيّرة لاسلكياً ، حيث تسمح هذه البطاريات بتصميم أكثر مرونة وصغراً. وتتميز عموماً بكثافة طاقة أقل من بطاريات الليثيوم أيون التقليدية.

أدت التكاليف المرتفعة والمخاوف بشأن استخراج المعادن المرتبطة بكيمياء الليثيوم إلى تجديد الاهتمام بتطوير بطاريات أيونات الصوديوم ، مع إطلاق منتجات السيارات الكهربائية المبكرة في عام 2023. [ 39 ]

انظر أيضاً

ملاحظات ومراجع

  1. ↑ أليراند، أ. (2018). "من اخترع أول بنك مكثفات ("بطارية" جرار ليدن)؟ الأمر معقد". وقائع معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات . 106 (3): 498-500 . doi : 10.1109/JPROC.2018.2795846 .
  2. ↑ ""بطارية كهربائية" من جرار ليدن، 1760-1769" .
  3. ↑ فين، برنارد س. (سبتمبر 2002). "أصل الطاقة الكهربائية" . المتحف الوطني للتاريخ الأمريكي . تم الاسترجاع في 29 أغسطس 2012 .
  4. ↑ ويليم هاكمان. "لغز "التوتر التلامسي" لفولتا وتطوير "الكومة الجافة"( PDF) . ppp.unipv.it.
  5. ↑ "تأثير فولتا كسبب للتكهرب الساكن" . وقائع الجمعية الملكية في لندن. السلسلة أ. العلوم الرياضية والفيزيائية . 205 (1080): 83-103 . 22-01-1951. doi : 10.1098/rspa.1951.0019 . ISSN 0080-4630 . 
  6. ↑ معهد ومتحف تاريخ العلوم. "بطارية الأحواض" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 15 يناير 2007 .
  7. ↑ ديكر، فرانكو (يناير 2005). "فولتا و'الكومة'"موسوعة الكيمياء الكهربائية . جامعة كيس ويسترن ريزيرف. مؤرشفة من الأصل بتاريخ 16 يوليو 2012. تم الاطلاع عليها بتاريخ 30 نوفمبر 2012 .
  8. 1 2 كالفيرت، جيمس ب. (2000). "التلغراف الكهرومغناطيسي" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 2007-08-04 . تم الاسترجاع بتاريخ 2007-01-12 .
  9. ↑ http://seaus.free.fr/spip.php?article964 تاريخ الوحدات الكهربائية ، تم الاطلاع عليه بتاريخ 23 فبراير 2018
  10. ↑ مواصفات ورسومات براءات الاختراع المتعلقة بالكهرباء ... ، المجلد 34
  11. ↑ "غاستون بلانتي (1834-1889)" . أطباء التآكل . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29-08-2012 .
  12. ↑ "بطاريات الزنك والكربون" . التعبيرات الجزيئية . تم الاسترجاع في 29-08-2012 .
  13. ↑ كتاب "الفتى الكهربائي" بقلم جيه دبليو سيمز، عضو معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (الصفحة 61)
  14. ↑ "خلية ليكلانشيه" . حقائق عن البطاريات . تم الاسترجاع في 9 يناير 2007 .{{cite web}}: CS1 maint: deprecated archiveal service ( link )
  15. ↑ دبليو إي أيرتون، الكهرباء العملية؛ دورة عملية ومحاضرات لطلاب السنة الأولى ... 1897، طبعة مُعاد طباعتها، دار ريد بوكس، 2008، رقم ISBN 1-4086-9150-7، الصفحة 458
  16. ↑ براءة اختراع ألمانية رقم 37758 ، كارل جاسنر الابن، صدرت في 8 أبريل 1886 
  17. ↑ "بطارية كولومبيا الجافة" . المعالم الكيميائية التاريخية الوطنية . الجمعية الكيميائية الأمريكية . تم الاطلاع عليه بتاريخ 21 فبراير 2014 .
  18. ↑ الطاقة في داس ، جيتي ثورندال. تم الوصول إليه آخر مرة في 26 يونيو 2007 أرشفة 28 سبتمبر 2007 في آلة Wayback .
  19. ↑ "بطارية ياي الجافة" . تاريخ البطارية . جمعية البطاريات اليابانية. مؤرشف من الأصل بتاريخ 1 سبتمبر 2017. تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 أغسطس 2012 .
  20. ^ "" 乾電池の発明者は日本人だった 理大ゆかりの屋井先蔵" . جامعة طوكيو للعلوم. 2004-07-07. مؤرشف من الأصل بتاريخ 14-03-2012 . تم الاسترجاع 2012/08/29 .
  21. ↑ بيتر ج. ديمار، النيكل والحديد: هذه التقنية شبه المنسية لها مكانة بالغة الأهمية لدى المستخدمين الذين يرغبون في عمر طويل جدًا وقدرة على تحمل الاستخدام القاسي في أنظمة بطارياتهم، أبحاث واختبار البطاريات، أوسويغو، نيويورك، الولايات المتحدة الأمريكية، صفحة 1
  22. ↑ سيث فليتشر، البرق المعبأ: البطاريات الفائقة، والسيارات الكهربائية، واقتصاد الليثيوم الجديد، دار نشر فارار، ستراوس وجيرو، 10 مايو 2011، الصفحات 14-16
  23. ↑ "التصميم المنهجي لقاطرة هجينة ذاتية القيادة | EUrailmag" . eurailmag.com. مؤرشف من الأصل بتاريخ 17 أغسطس 2018. تم الاطلاع عليه بتاريخ 17 أبريل 2013 .
  24. ↑ "مشروع ماغما رقم 10" . azrymuseum.org. 15-05-2012 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 17-04-2013 .
  25. ↑ "Science.ca : Lew Urry" . 
  26. ↑ بيرد، غابرييل (3 أغسطس 2011). "توماس إديسون قدّم للو أوري شرارة فكرة لبطارية قلوية أفضل: ابتكارات كليفلاند الكبرى" . cleveland.com . تاريخ الاسترجاع: 17 نوفمبر 2014 .
  27. ↑ بوش، د.م. (27-09-2011). "بطارية نيكل/هيدروجين لأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية". مجلة أنظمة الفضاء والإلكترونيات التابعة لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات . 5 (8). IEEE Xplore: 27-30 . doi : 10.1109/62.59267 . S2CID 30996543 . 
  28. ↑ "تقنية بطاريات النيكل والهيدروجين - التطوير والوضع الراهن" (ملف PDF) . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 18 مارس 2009. تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 أغسطس 2012 .
  29. ↑ "بحثاً عن البطارية المثالية" . مجلة الإيكونوميست . Economist.com. 2008-03-06 . تاريخ الاسترجاع: 2012-08-29 .
  30. ↑ ريتشي، هانا؛ روزادو، بابلو (مارس 2026). "انخفضت تكاليف البطاريات بنسبة 99% خلال العقود الثلاثة الماضية، مما جعل النقل الكهربائي حقيقة واقعة" . عالمنا في بيانات (OWID). مؤرشف من الأصل في 27 يونيو 2026. انخفضت أسعار بطاريات الليثيوم أيون بنسبة 19% في كل مرة تضاعف فيها الإنتاج التراكمي العالمي.
  31. ↑ وينتر، مارتن؛ بارنيت، برايان؛ شو، كانغ (30 نوفمبر 2018). "قبل بطاريات أيونات الليثيوم". مراجعات كيميائية . 118 (23): 11433-11456 . doi : 10.1021/acs.chemrev.8b00422 . PMID 30500179. S2CID 54615265 .  
  32. ↑ سكروساتي، برونو (4 مايو 2011). "تاريخ بطاريات الليثيوم". مجلة الكيمياء الكهربائية للمواد الصلبة . 15 ( 7-8 ): 1623-1630 . doi : 10.1007/s10008-011-1386-8 . S2CID 98385210 . 
  33. ↑ فينسنت، سي (1 أكتوبر 2000). "بطاريات الليثيوم: منظور 50 عامًا، 1959-2009". أيونيات الحالة الصلبة . 134 ( 1-2 ): 159-167 . doi : 10.1016/S0167-2738(00)00723-2 .
  34. ↑ يامابي، ت.؛ تاناكا، ك.؛ أوزيكي، ك.؛ ياتا، س. (1982). "البنية الإلكترونية لمتعدد الأسينات: جرافيت أحادي البعد". اتصالات الحالة الصلبة . 44 (6). إلسيفير بي في: 823-825 . رمز Bibcode : 1982SSCom..44..823Y . doi : 10.1016/0038-1098(82)90282-4 . ISSN 0038-1098 . 
  35. ↑ إس. ياتا، براءة اختراع أمريكية رقم 4,601,849
  36. ^ ياتا، شيزوكوني؛ تاناكا، كازويوشي؛ يامابي، طوكيو (1997). “بطاريات البولياسين (PAS)”. وقائع MRS . 496 . مطبعة جامعة كامبريدج (CUP). دوى : 10.1557/proc-496-15 . ردمك 1946-4274 . 
  37. ↑ نوفاك، بيتر؛ مولر، كلاوس؛ سانثانام، كيه إس في؛ هاس، أوتو (1997). "بوليمرات نشطة كهروكيميائيًا للبطاريات القابلة لإعادة الشحن". مراجعات كيميائية . 97 (1). الجمعية الكيميائية الأمريكية (ACS): 272. doi : 10.1021/cr941181o . ISSN 0009-2665 . PMID 11848869 .  
  38. ↑ "جائزة نوبل في الكيمياء 2019" . NobelPrize.org . تم الاطلاع عليه بتاريخ 28-10-2019 .
  39. ↑ "شركة هينا للبطاريات تصبح أول شركة مصنعة للبطاريات تستخدم بطاريات أيونات الصوديوم في السيارات الكهربائية في الصين" . batteriesnews.com . 23 فبراير 2023. تاريخ الاطلاع: 23 فبراير 2023 .
  1. "التطورات في بطاريات الحالة الصلبة: المواد، والواجهات، والخصائص، والأجهزة." نشرة جمعية أبحاث المواد ، 16 يناير 2024، link.springer.com/article/10.1557/s43577-023-00649-7.
  2. فول، آدم. "بطارية الحالة الصلبة | التعريف والتاريخ والحقائق". بريتانيكا ، www.britannica.com/technology/solid-state-battery.