بطارية قابلة للشحن

مجموعة بطاريات تُستخدم لتوفير الطاقة غير المنقطعة في مركز البيانات
بطارية نوكيا BP-6M، وهي بطارية ليثيوم بوليمر قابلة لإعادة الشحن للأجهزة المحمولة
شاحن بطاريات منزلي شائع الاستخدام لبطاريات AA و AAA القابلة لإعادة الشحن

البطارية القابلة لإعادة الشحن ، أو بطارية التخزين ، أو الخلية الثانوية (المعروفة رسميًا باسم مُراكم الطاقة )، ​​هي نوع من البطاريات الكهربائية التي يمكن شحنها وتفريغها في حمل كهربائي، ثم إعادة شحنها عدة مرات، على عكس البطارية غير القابلة لإعادة الشحن أو البطارية الأولية ، التي تُزود مشحونة بالكامل وتُتلف بعد الاستخدام. تتكون البطارية من خلية كهروكيميائية واحدة أو أكثر . يُستخدم مصطلح "مُراكم" لأنها تُراكم الطاقة وتخزنها من خلال تفاعل كهروكيميائي عكسي . تُصنع البطاريات القابلة لإعادة الشحن بأشكال وأحجام متنوعة، بدءًا من البطاريات الصغيرة جدًا وصولًا إلى أنظمة الميغاواط المتصلة لتثبيت شبكة توزيع الكهرباء . تُستخدم تركيبات مختلفة من مواد الأقطاب الكهربائية والإلكتروليتات ، بما في ذلك الرصاص الحمضي ، والزنك الهوائي ، والنيكل الكادميوم (NiCd)، والنيكل هيدريد المعدن (NiMH)، والليثيوم أيون (Li-ion)، وفوسفات حديد الليثيوم (LiFePO4 ) ، وبوليمر أيون الليثيوم (Li-ion polymer).

عادةً ما تكون تكلفة البطاريات القابلة لإعادة الشحن أعلى في البداية من تكلفة البطاريات غير القابلة لإعادة الشحن، ولكنها تتميز بتكلفة إجمالية أقل بكثير وأثر بيئي أقل ، إذ يمكن إعادة شحنها مرات عديدة بتكلفة زهيدة قبل الحاجة إلى استبدالها. تتوفر بعض أنواع البطاريات القابلة لإعادة الشحن بنفس الأحجام والفولتيات المستخدمة في البطاريات غير القابلة لإعادة الشحن، ويمكن استخدامها بدلاً منها. تُستثمر مليارات الدولارات في الأبحاث حول العالم لتحسين البطاريات، حيث يركز قطاع الصناعة على تطوير بطاريات أفضل. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]

التطبيقات

خلية أسطوانية (18650) قبل التجميع. تشكل عدة آلاف منها ( أيونات الليثيوم ) بطارية سيارة تسلا موديل إس (انظر مصنع جيجا ).
إلكترونيات مراقبة بطاريات الليثيوم أيون (الحماية من التفريغ الزائد والتفريغ الكامل)
بطاريات هواتف محمولة منتفخة من نوع الليثيوم أيون، ربما تكون قد تضررت بسبب خلل في إلكترونيات المراقبة.

تشمل الأجهزة التي تستخدم بطاريات قابلة لإعادة الشحن: بادئات تشغيل السيارات ، والأجهزة الاستهلاكية المحمولة، والمركبات الخفيفة (مثل الكراسي المتحركة الكهربائية ، وعربات الغولف ، والدراجات الكهربائية ، والرافعات الشوكية الكهربائية )، ومركبات الطرق (السيارات، والشاحنات الصغيرة، والشاحنات، والدراجات النارية)، والقطارات، والطائرات الصغيرة، والأدوات، ووحدات تزويد الطاقة غير المنقطعة ، ومحطات تخزين الطاقة بالبطاريات . وتساهم التطبيقات الناشئة في المركبات الهجينة التي تعمل بالاحتراق الداخلي والبطاريات والمركبات الكهربائية في دفع هذه التقنية نحو تقليل التكلفة والوزن والحجم، وزيادة العمر الافتراضي. [ 4 ]

تفرغ البطاريات القابلة لإعادة الشحن القديمة شحنتها ذاتيًا بسرعة نسبية وتتطلب الشحن قبل الاستخدام الأول؛ بعض بطاريات NiMH الأحدث ذات معدل التفريغ الذاتي المنخفض تحتفظ بشحنتها لعدة أشهر، وعادة ما تُباع مشحونة من المصنع إلى حوالي 70٪ من سعتها المقدرة.

تستخدم محطات تخزين الطاقة بالبطاريات بطاريات قابلة لإعادة الشحن لموازنة الأحمال (تخزين الطاقة الكهربائية في أوقات انخفاض الطلب لاستخدامها خلال فترات الذروة) ولتطبيقات الطاقة المتجددة (مثل تخزين الطاقة المولدة من الألواح الكهروضوئية خلال النهار لاستخدامها ليلاً). تُقلل موازنة الأحمال من الحد الأقصى للطاقة التي يجب أن تكون المحطة قادرة على توليدها، مما يُخفض التكاليف الرأسمالية والحاجة إلى محطات توليد الطاقة الاحتياطية .

وفقًا لتقرير صادر عن مؤسسة "Research and Markets"، يتوقع المحللون أن ينمو سوق البطاريات القابلة لإعادة الشحن العالمي بمعدل نمو سنوي مركب قدره 8.32% خلال الفترة 2018-2022. [ 5 ]

تُستخدم البطاريات الصغيرة القابلة لإعادة الشحن لتشغيل الأجهزة الإلكترونية المحمولة ، والأدوات الكهربائية، والأجهزة المنزلية، وغيرها. أما البطاريات عالية الأداء فتُستخدم لتشغيل المركبات الكهربائية ، بدءًا من الدراجات البخارية الصغيرة وصولًا إلى القاطرات والسفن . وتُستخدم هذه البطاريات في أنظمة توليد الكهرباء الموزعة وفي أنظمة الطاقة المستقلة .

الشحن والتفريغ

شاحن يعمل بالطاقة الشمسية لبطاريات AA القابلة لإعادة الشحن

أثناء الشحن، تتأكسد المادة الفعالة الموجبة ، مطلقةً إلكترونات ، بينما تختزل المادة السالبة ، ممتصةً إلكترونات. تشكل هذه الإلكترونات التيار الكهربائي في الدائرة الخارجية . قد يعمل الإلكتروليت كعازل بسيط لتدفق الأيونات الداخلي بين الأقطاب ، كما هو الحال في خلايا أيونات الليثيوم وخلايا النيكل والكادميوم ، أو قد يكون مشاركًا فعالًا في التفاعل الكهروكيميائي ، كما هو الحال في خلايا الرصاص الحمضية .

عادةً ما تُستمد الطاقة المستخدمة لشحن البطاريات القابلة لإعادة الشحن من شاحن بطاريات يعمل بالتيار المتردد ، مع أن بعض الشواحن مُجهزة لاستخدام منفذ الطاقة المستمر 12 فولت في السيارة. يجب أن يكون جهد المصدر أعلى من جهد البطارية لضمان تدفق التيار إليها، ولكن ليس بفارق كبير جدًا حتى لا تتلف البطارية.

تستغرق الشواحن من بضع دقائق إلى عدة ساعات لشحن البطارية. الشواحن البطيئة "البسيطة" التي لا تحتوي على مستشعرات للجهد أو درجة الحرارة، تشحن البطارية بمعدل منخفض، وعادةً ما تستغرق 14 ساعة أو أكثر للشحن الكامل. أما الشواحن السريعة، فتستطيع شحن الخلايا عادةً في غضون ساعتين إلى خمس ساعات، حسب الطراز، بينما تستغرق أسرعها 15 دقيقة فقط. يجب أن تحتوي الشواحن السريعة على عدة طرق للكشف عن اكتمال شحن الخلية (مثل تغير جهد الأطراف، أو درجة الحرارة، إلخ) لإيقاف الشحن قبل حدوث شحن زائد أو ارتفاع درجة الحرارة. غالبًا ما تتضمن أسرع الشواحن مراوح تبريد لمنع ارتفاع درجة حرارة الخلايا. قد تحتوي حزم البطاريات المصممة للشحن السريع على مستشعر حرارة يستخدمه الشاحن لحماية الحزمة؛ ويحتوي هذا المستشعر على نقطة توصيل كهربائية إضافية واحدة أو أكثر.

تتطلب أنواع البطاريات المختلفة طرق شحن مختلفة. على سبيل المثال، يمكن إعادة شحن بعض أنواع البطاريات بأمان من مصدر جهد ثابت. بينما تحتاج أنواع أخرى إلى الشحن بمصدر تيار منظم يتناقص تدريجيًا مع وصول البطارية إلى جهد الشحن الكامل. قد يؤدي شحن البطارية بشكل غير صحيح إلى تلفها؛ وفي الحالات القصوى، قد ترتفع درجة حرارة البطاريات بشكل مفرط، أو تشتعل فيها النيران، أو تنفجر محتوياتها.

مقارنة بين القطب الموجب والقطب السالب مقابل المصعد والمهبط في بطارية ثانوية

معدل التدفق

غالبًا ما تُناقش معدلات شحن وتفريغ البطاريات بالإشارة إلى معدل التيار "C". يُمثل معدل C التيار الذي يُفترض أن يشحن البطارية أو يُفرغها بالكامل في ساعة واحدة. على سبيل المثال، قد يتم الشحن البطيء بمعدل C/20 (أو معدل "20 ساعة")، بينما قد يحدث الشحن والتفريغ العاديان بمعدل C/2 (ساعتان للوصول إلى السعة الكاملة). تختلف السعة المتاحة للخلايا الكهروكيميائية تبعًا لمعدل التفريغ. يُفقد جزء من الطاقة في المقاومة الداخلية لمكونات الخلية (الألواح، والإلكتروليت، والوصلات البينية)، ويُحد من معدل التفريغ سرعة حركة المواد الكيميائية داخل الخلية. بالنسبة لخلايا الرصاص الحمضية، تُوصف العلاقة بين الزمن ومعدل التفريغ بقانون بيوكيرت ؛ فقد تظل خلية الرصاص الحمضية التي لم تعد قادرة على الحفاظ على جهد طرفي قابل للاستخدام عند تيار عالٍ، تمتلك سعة قابلة للاستخدام، إذا تم تفريغها بمعدل أقل بكثير. غالبًا ما تُدرج بيانات الخلايا القابلة لإعادة الشحن سعة التفريغ على أساس 8 ساعات أو 20 ساعة أو أي مدة زمنية أخرى مُحددة. قد يتم تصنيف خلايا أنظمة إمداد الطاقة غير المنقطعة على أنها قادرة على التفريغ لمدة 15 دقيقة.

لا يكون جهد طرفي البطارية ثابتًا أثناء الشحن والتفريغ. تتميز بعض الأنواع بجهد ثابت نسبيًا أثناء التفريغ على امتداد معظم سعتها. تُخرج خلايا البطاريات القلوية وخلايا الزنك والكربون غير القابلة لإعادة الشحن جهدًا قدره 1.5 فولت عند شرائها جديدة، لكن هذا الجهد ينخفض ​​مع الاستخدام. تُصنف  معظم خلايا NiMH من نوع AA و AAA بجهد 1.2 فولت، لكن منحنى تفريغها يكون أكثر استواءً من البطاريات القلوية، ويمكن استخدامها عادةً في الأجهزة المصممة لاستخدام البطاريات القلوية . 

غالباً ما تشير الملاحظات الفنية لمصنعي البطاريات إلى جهد الخلية الواحدة (VPC) للخلايا الفردية المكونة للبطارية. على سبيل المثال، لشحن  بطارية رصاص حمضية 12 فولت (تحتوي على 6 خلايا،  كل منها 2 فولت) بجهد 2.3 فولت لكل خلية، يلزم جهد 13.8  فولت بين طرفي البطارية.

الضرر الناتج عن انعكاس الخلية

يؤدي تعريض خلية فارغة لتيار كهربائي في الاتجاه الذي يميل إلى تفريغها أكثر، إلى النقطة التي تتبادل فيها الأقطاب الموجبة والسالبة القطبية، إلى حالة تسمىانعكاس الخلية . بشكل عام، يؤدي تمرير التيار عبر خلية مُفرغة بهذه الطريقة إلى حدوث تفاعلات كيميائية غير مرغوب فيها وغير قابلة للانعكاس، مما ينتج عنه تلف دائم للخلية. يمكن أن يحدث انعكاس الخلية في ظل عدد من الظروف، وأكثرها شيوعًا هما:

  • عندما يتم توصيل البطارية أو الخلية بدائرة الشحن بشكل خاطئ.
  • عندما يتم تفريغ بطارية مكونة من عدة خلايا متصلة على التوالي بشكل كامل.

في الحالة الأخيرة، تنشأ المشكلة نتيجة لاختلاف سعات خلايا البطارية اختلافًا طفيفًا. فعندما تصل إحدى الخلايا إلى مستوى التفريغ قبل باقي الخلايا، تدفع الخلايا المتبقية التيار عبر الخلية الفارغة.

تحتوي العديد من الأجهزة التي تعمل بالبطاريات على خاصية قطع التيار عند انخفاض الجهد لمنع حدوث تفريغ عميق قد يؤدي إلى انعكاس شحنة الخلية. أما البطارية الذكية، فتتضمن دوائر مدمجة لمراقبة الجهد.

قد يحدث انعكاس قطبية الخلية حتى قبل تفريغها بالكامل، وذلك في حالة الخلايا ضعيفة الشحن. فإذا كان تيار تفريغ البطارية مرتفعًا بما يكفي، فإن المقاومة الداخلية للخلية قد تُحدث انخفاضًا في الجهد المقاوم أكبر من القوة الدافعة الكهربائية الأمامية للخلية . وينتج عن ذلك انعكاس قطبية الخلية أثناء مرور التيار. [ 6 ] [ 7 ] وكلما زاد معدل التفريغ المطلوب للبطارية، كلما كان من الأفضل أن تكون الخلايا متطابقة بشكل أفضل، سواء من حيث نوع الخلية أو حالة الشحن، وذلك لتقليل احتمالية انعكاس قطبية الخلية.

في بعض الحالات، مثل تصحيح بطاريات النيكل والكادميوم التي تم شحنها بشكل زائد سابقًا، [ 8 ] قد يكون من المستحسن تفريغ البطارية بالكامل. ولتجنب التلف الناتج عن انعكاس قطبية الخلايا، من الضروري التعامل مع كل خلية على حدة: حيث يتم تفريغ كل خلية بشكل فردي عن طريق توصيل مشبك تحميل بين طرفيها، مما يمنع انعكاس قطبية الخلايا.

التلف أثناء التخزين في حالة التفريغ الكامل

إذا تم تفريغ بطارية متعددة الخلايا بالكامل، فغالبًا ما تتلف بسبب ظاهرة انعكاس قطبية الخلايا المذكورة سابقًا. مع ذلك، من الممكن تفريغ البطارية بالكامل دون حدوث هذه الظاهرة، إما بتفريغ كل خلية على حدة، أو بالسماح للتسرب الداخلي لكل خلية بتفريغ شحنتها تدريجيًا.

حتى لو تم تفريغ البطارية بالكامل دون إعادة شحنها، فقد يحدث تلف بمرور الوقت لمجرد بقائها في حالة التفريغ. ومن الأمثلة على ذلك التكلس الذي يحدث في بطاريات الرصاص الحمضية التي تُترك على الرف لفترات طويلة. لهذا السبب، يُنصح عادةً بشحن البطارية المراد تخزينها، والحفاظ على مستوى شحنها عن طريق إعادة شحنها دوريًا. ونظرًا لاحتمالية حدوث تلف أيضًا في حالة الشحن الزائد، فإن مستوى الشحن الأمثل أثناء التخزين يتراوح عادةً بين 30% و70%.

عمق التصريف

يُعبّر عن عمق التفريغ (DOD) عادةً كنسبة مئوية من السعة الاسمية بالأمبير-ساعة؛ حيث تعني نسبة 0% عدم وجود تفريغ. ولأن السعة القابلة للاستخدام لنظام البطارية تعتمد على معدل التفريغ والجهد المسموح به في نهاية التفريغ، يجب تحديد عمق التفريغ لتوضيح طريقة قياسه. ونظرًا للاختلافات التي تحدث أثناء التصنيع والتقادم، قد يتغير عمق التفريغ اللازم للتفريغ الكامل بمرور الوقت أو عدد دورات الشحن . وبشكل عام، يتحمل نظام البطارية القابلة لإعادة الشحن عددًا أكبر من دورات الشحن/التفريغ إذا كان عمق التفريغ أقل في كل دورة. [ 9 ] يمكن لبطاريات الليثيوم أن تُفرغ إلى حوالي 80 إلى 90% من سعتها الاسمية، بينما يمكن لبطاريات الرصاص الحمضية أن تُفرغ إلى حوالي 50-60%، في حين يمكن لبطاريات التدفق أن تُفرغ بنسبة 100%. [ 10 ]

العمر الافتراضي واستقرار الدورة

إذا استُخدمت البطاريات بشكل متكرر حتى مع الاستخدام السليم، فإنها تفقد سعتها مع ازدياد عدد دورات الشحن، إلى أن تُعتبر في نهاية المطاف قد وصلت إلى نهاية عمرها الافتراضي. وتختلف آليات تآكل أنظمة البطاريات المختلفة. فعلى سبيل المثال، في بطاريات الرصاص الحمضية، لا تُستعاد جميع المواد الفعالة إلى الألواح في كل دورة شحن/تفريغ؛ وفي النهاية، يُفقد ما يكفي من هذه المواد مما يُقلل من سعة البطارية. أما في بطاريات الليثيوم أيون، وخاصةً عند التفريغ العميق، فقد يتشكل بعض معدن الليثيوم النشط أثناء الشحن، والذي لا يعود متاحًا للمشاركة في دورة التفريغ التالية. وقد تفقد البطاريات المغلقة الرطوبة من محلولها الإلكتروليتي السائل، خاصةً إذا تم شحنها بشكل زائد أو تشغيلها في درجة حرارة عالية. وهذا يُقلل من عمرها الافتراضي. [ 11 ]

وقت إعادة الشحن

سيارة أجرة BYD e6 ، يتم شحنها في 15 دقيقة إلى 80 بالمائة

يُعدّ وقت إعادة الشحن عاملاً هاماً لمستخدمي المنتجات التي تعمل ببطاريات قابلة للشحن. فحتى لو كان مصدر الطاقة كافياً لتشغيل الجهاز وإعادة شحن البطارية، يبقى الجهاز موصولاً بمصدر طاقة خارجي أثناء الشحن. بالنسبة للمركبات الكهربائية المستخدمة في الصناعة، قد يكون الشحن خلال فترات الراحة مقبولاً. أما بالنسبة للمركبات الكهربائية المستخدمة على الطرق السريعة، فالشحن السريع ضروري لإتمام عملية الشحن في وقت معقول.

لا يمكن إعادة شحن البطارية القابلة لإعادة الشحن بمعدل عالٍ بشكل عشوائي. فالمقاومة الداخلية للبطارية تُنتج حرارة، وارتفاع درجة الحرارة المفرط يُتلفها أو يُدمرها. في بعض الأنواع، يكون الحد الأقصى لمعدل الشحن محدودًا بسرعة انتشار المادة الفعالة عبر الإلكتروليت السائل. قد تؤدي معدلات الشحن العالية إلى زيادة الغازات في البطارية، أو إلى تفاعلات جانبية ضارة تُقلل سعتها بشكل دائم. وبشكل عام، مع وجود العديد من الاستثناءات والتحفظات، يُعتبر استعادة السعة الكاملة للبطارية في ساعة واحدة أو أقل شحنًا سريعًا. يشتمل نظام شاحن البطارية على دوائر تحكم واستراتيجيات شحن أكثر تعقيدًا للشحن السريع، مقارنةً بالشاحن المصمم للشحن البطيء.

المكونات النشطة

المكونات النشطة في الخلية الثانوية هي المواد الكيميائية التي تُشكل المواد النشطة الموجبة والسالبة، بالإضافة إلى الإلكتروليت . يتكون القطب الموجب من مادة مختلفة، بينما يمتلك القطب السالب جهد اختزال ، ويمتلك القطب السالب جهد أكسدة . مجموع الجهود الناتجة عن نصفي التفاعل هو جهد الخلية القياسي أو الفولتية .

في الخلايا الأولية، يُعرف القطب الموجب والقطب السالب بالكاثود والأنود على التوالي. ورغم أن هذا الاصطلاح يُطبّق أحيانًا على الأنظمة القابلة لإعادة الشحن، وخاصةً مع خلايا أيونات الليثيوم نظرًا لأصلها من خلايا الليثيوم الأولية، إلا أن هذه الممارسة قد تُسبب التباسًا. ففي الخلايا القابلة لإعادة الشحن، يكون القطب الموجب هو الكاثود عند التفريغ والأنود عند الشحن، والعكس صحيح بالنسبة للقطب السالب.

الأنواع

مخطط راغون للأنواع الشائعة

الأنواع التجارية

تُعدّ بطارية الرصاص الحمضية ، التي اخترعها الفيزيائي الفرنسي غاستون بلانتيه عام 1859 ، أقدم أنواع البطاريات القابلة لإعادة الشحن. ورغم انخفاض نسبة الطاقة إلى الوزن ونسبة الطاقة إلى الحجم فيها، فإن قدرتها على توفير تيارات عالية عند بدء التشغيل تعني أن خلاياها تتمتع بنسبة طاقة إلى وزن عالية نسبيًا . هذه الميزات، إلى جانب تكلفتها المنخفضة، تجعلها خيارًا جذابًا للاستخدام في المركبات لتوفير التيار العالي اللازم لمحركات بدء تشغيل السيارات .

اخترع السويدي فالديمار يونغنر بطارية النيكل -كادميوم (NiCd) عام 1899. وتستخدم هذه البطارية أكسيد هيدروكسيد النيكل والكادميوم المعدني كأقطاب كهربائية . يُعد الكادميوم عنصرًا سامًا، وقد حظره الاتحاد الأوروبي في معظم الاستخدامات عام 2004. وقد حلت بطاريات النيكل-هيدريد المعدني (NiMH) محل بطاريات النيكل-كادميوم بشكل شبه كامل.

طُوِّرت بطارية النيكل والحديد (NiFe) أيضًا على يد فالديمار يونغر عام 1899، وسُوِّقت تجاريًا على يد توماس إديسون عام 1901 في الولايات المتحدة الأمريكية لاستخدامها في المركبات الكهربائية وأنظمة إشارات السكك الحديدية . وهي تتكون من عناصر غير سامة فقط، على عكس أنواع كثيرة من البطاريات التي تحتوي على الزئبق أو الكادميوم أو الرصاص السام.

أصبحت بطارية النيكل-معدن الهيدريد (NiMH) متاحة في عام 1989. [ 12 ] وهي الآن من الأنواع الشائعة الاستخدام في المنازل والصناعات. تحتوي هذه البطارية على سبيكة ماصة للهيدروجين في القطب السالب بدلاً من الكادميوم .

طُرحت بطارية الليثيوم أيون في الأسواق عام ١٩٩١، وهي الخيار الأمثل لمعظم الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية، لما تتمتع به من كثافة طاقة عالية وفقدان شحن بطيء للغاية عند عدم استخدامها. إلا أنها لا تخلو من العيوب، ولا سيما خطر الاشتعال المفاجئ الناتج عن الحرارة المتولدة من البطارية. [ ١٣ ] هذه الحوادث نادرة، ووفقًا للخبراء، يمكن تقليلها إلى أدنى حد "من خلال التصميم والتركيب والإجراءات المناسبة، بالإضافة إلى طبقات متعددة من الضمانات"، مما يجعل المخاطرة مقبولة. [ ١٤ ]

تتميز بطاريات الليثيوم أيون بوليمر (LiPo) بخفة وزنها، وتوفر كثافة طاقة أعلى قليلاً من بطاريات الليثيوم أيون، ولكن بتكلفة أعلى قليلاً، ويمكن تصنيعها بأي شكل. وهي متوفرة [ 15 ] ، ولكنها لم تحل محل بطاريات الليثيوم أيون في السوق. [ 16 ] يُستخدم LiPo بشكل أساسي في تشغيل السيارات والقوارب والطائرات التي يتم التحكم فيها عن بُعد. وتتوفر حزم LiPo بسهولة في السوق الاستهلاكية، بتكوينات مختلفة، تصل إلى 44.4  فولت، لتشغيل بعض المركبات التي يتم التحكم فيها عن بُعد والمروحيات أو الطائرات بدون طيار. [ 17 ] [ 18 ] تحذر بعض تقارير الاختبار من خطر نشوب حريق عند استخدام البطاريات بشكل لا يتوافق مع التعليمات. [ 19 ] وتناقش مراجعات مستقلة لهذه التقنية خطر نشوب حريق وانفجار من بطاريات الليثيوم أيون في ظل ظروف معينة، نظرًا لاستخدامها إلكتروليتات سائلة. [ 20 ]

أنواع تجريبية أخرى

يكتبالجهد أكثافة الطاقة بباور سيE/$ eالتخلص الذاتي .كفاءة الشحندورات gالحياة ح
(V)(ميغا جول/كيلوغرام)(واط ساعة/كجم)(أبيض/أسود)(واط/كجم)(Wh/$)(٪/شهر)(%)(#)(سنين)
الليثيوم والكبريت [ 21 ]2.00.94–1.44 [ 22 ]400–500 [ 23 ] [ 24 ]350~1400 [ 25 ]
المغنيسيوم والكبريت1.7
أيون الصوديوم [ 26 ]3.60.27–0.7275–200303.3أكثر من 5000الاختبار
الليثيوم ذو الأغشية الرقيقة؟1.1300 [ 27 ]959 [ 27 ]6000 [ 27 ]؟ ص [ 27 ]40000 [ 27 ]
الزنك والبروم1.80.27–0.3175–85
الزنك والسيريوم2.5 [ 28 ]قيد الاختبار
تفاعلات الأكسدة والاختزال للفاناديوم1.15–1.550.09–0.1325–35 [ 29 ]20% [ 30 ]20,000 [ 31 ] [ 32 ]25 سنة [ 32 ]
الصوديوم والكبريت0.5415089-92%2500–4500
الملح المنصهر2.580.25–1.0470–290 [ 33 ]160 [ 34 ]150–2204.54 [ 35 ]أكثر من 3000≤ 20
الفضة والزنك1.860.47130240
النيكل والزنك1.6570–90 [ 36 ]8000 [ 36 ]
البطارية الكمومية (أشباه الموصلات الأكسيدية) [ 37 ] [ 38 ]1.5–35008000 (W/L)100,000

‡ يلزم ذكر المراجع لهذه المعايير

ملحوظات
  • أ- الجهد الاسمي للخلية بالفولت.
  • ب- كثافة الطاقة = الطاقة/الوزن أو الطاقة/الحجم، معطاة بثلاث وحدات مختلفة
  • ج- القدرة النوعية = القدرة/الوزن بوحدة واط/كجم
  • سعر الطاقة /المستهلك بالواط/ساعة / الدولار الأمريكي (تقريبًا)
  • معدل الخروج الذاتي ( %  ) شهرياً
  • g متانة الدورة بعدد الدورات
  • متانة زمنية بالسنوات
  • تتضمن بطاريات الرصاص الحمضية المنظمة بالصمام (VRLA) أو البطاريات المعاد تركيبها بطاريات الجل والألياف الزجاجية الممتصة
  • إنتاج تجريبي

تم تطوير أنواع عديدة من بطاريات الليثيوم-الكبريت ، وأثبتت العديد من المجموعات البحثية والمنظمات أن البطاريات القائمة على الليثيوم-الكبريت تتميز بكثافة طاقة أعلى من تقنيات الليثيوم الأخرى. [ 39 ] فبينما توفر بطاريات الليثيوم أيون كثافة طاقة تتراوح بين 150 و 260  واط/كجم، يُتوقع أن تصل كثافة الطاقة في بطاريات الليثيوم-الكبريت إلى 450-500 واط /  كجم، كما أنها تُغني عن استخدام الكوبالت والنيكل والمنغنيز في عملية الإنتاج. [ 23 ] [ 40 ] علاوة على ذلك، ورغم أن بطاريات الليثيوم-الكبريت عانت في البداية من مشاكل في الاستقرار، فقد حققت الأبحاث الحديثة تقدماً ملحوظاً في تطوير بطاريات ليثيوم-كبريت ذات دورات شحن وتفريغ مماثلة (أو أطول) من البطاريات القائمة على تقنيات الليثيوم أيون التقليدية. [ 41 ]

تُعدّ بطارية الأغشية الرقيقة (TFB) تطويرًا لتقنية أيونات الليثيوم من شركة إكسيلاترون. [ 42 ] ويدّعي مطوّروها زيادةً كبيرةً في دورات الشحن لتصل إلى حوالي 40,000 دورة، ومعدلات شحن وتفريغ أعلى، بمعدل شحن لا يقل عن 5C. كما تتميز البطارية بمعدل تفريغ مستدام يبلغ 60C ومعدل تفريغ ذروة يصل إلى 1000C ، بالإضافة إلى زيادة ملحوظة في الطاقة النوعية وكثافة الطاقة. [ 43 ]

تُستخدم بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم في بعض التطبيقات.

تُعدّ بطارية UltraBattery ، وهي بطارية هجينة من الرصاص الحمضي ومكثف فائق، من ابتكار منظمة CSIRO الأسترالية للعلوم ، وقد أظهرت أداءً مذهلاً في عشرات الآلاف من دورات الشحن الجزئي، متفوقةً على خلايا الرصاص الحمضي والليثيوم وNiMH التقليدية عند مقارنتها في الاختبارات التي أُجريت في هذا الوضع مع مراعاة أنماط الطاقة المتغيرة. [ 44 ] تُستخدم بطاريات UltraBattery في منشآت بقدرات كيلوواط وميغاواط في أستراليا واليابان والولايات المتحدة. كما خضعت لاختبارات مكثفة في المركبات الكهربائية الهجينة، وثبت أنها تدوم لأكثر من 100,000 ميل في اختبارات تجارية على الطرق في مركبة توصيل. يُزعم أن عمر هذه التقنية يتراوح بين 7 إلى 10 أضعاف عمر بطاريات الرصاص الحمضي التقليدية عند استخدامها بمعدلات عالية في دورات الشحن الجزئي، مع مزايا أمان وبيئية تفوق منافسيها مثل بطاريات الليثيوم أيون. وتشير الشركة المصنعة إلى أن معدل إعادة تدوير المنتج يقارب 100%.

توفر بطارية أيونات البوتاسيوم حوالي مليون دورة شحن وتفريغ، وذلك بفضل الاستقرار الكهروكيميائي الاستثنائي لمواد إدخال/استخراج البوتاسيوم مثل الأزرق البروسي . [ 45 ]

صُممت بطارية أيونات الصوديوم لتخزين الطاقة الثابت، وهي تنافس بطاريات الرصاص الحمضية. تهدف هذه البطارية إلى خفض التكلفة الإجمالية للملكية لكل كيلوواط ساعة من التخزين، ويتحقق ذلك من خلال عمرها الطويل والمستقر. يتجاوز عدد دورات الشحن والتفريغ الفعال 5000 دورة، كما أنها لا تتأثر بالتفريغ العميق. مع ذلك، فإن كثافة الطاقة فيها منخفضة نسبيًا، أقل بقليل من كثافة طاقة بطاريات الرصاص الحمضية.

البدائل

البطارية القابلة لإعادة الشحن ليست سوى نوع واحد من بين عدة أنواع من أنظمة تخزين الطاقة القابلة لإعادة الشحن. [ 46 ] توجد بدائل عديدة للبطاريات القابلة لإعادة الشحن، أو هي قيد التطوير. في تطبيقات مثل أجهزة الراديو المحمولة ، يمكن استبدال البطاريات القابلة لإعادة الشحن بآليات ميكانيكية تُشحن يدويًا، لتشغيل مولدات كهربائية ، مع العلم أن هذا النظام يُستخدم لشحن البطارية فقط وليس لتشغيل الراديو مباشرةً. كما يمكن تشغيل المصابيح اليدوية بواسطة مولد كهربائي. أما في وسائل النقل، وأنظمة تزويد الطاقة غير المنقطعة، والمختبرات، فتُخزن أنظمة تخزين الطاقة باستخدام دولاب الموازنة الطاقة في دوار دوار لتحويلها إلى طاقة كهربائية عند الحاجة؛ ويمكن استخدام هذه الأنظمة لتوفير نبضات طاقة كبيرة قد تكون غير مقبولة على شبكة الكهرباء العامة.

تُستخدم المكثفات الفائقة أيضًا؛ ففي عام 2007، طُرح مفك براغي كهربائي يُشحن في 90 ثانية ويُمكنه ربط نصف عدد البراغي التي يُمكن لجهاز يستخدم بطارية قابلة لإعادة الشحن ربطها، [ 47 ] كما تم إنتاج مصابيح يدوية مماثلة. وتماشيًا مع مفهوم المكثفات الفائقة، يُمكن استخدام بطاريات بيتافولتية كوسيلة لتوفير شحن بطيء لبطارية ثانوية، مما يُطيل عمر نظام البطارية المستخدم ويزيد من سعته بشكل كبير؛ ويُشار إلى هذا النوع من الترتيب غالبًا باسم "مصدر طاقة بيتافولتية هجين" في هذا المجال. [ 48 ]  

يجري تطوير المكثفات الفائقة لقطاع النقل، حيث تُستخدم مكثفات كبيرة لتخزين الطاقة بدلاً من بطاريات الشحن المستخدمة في المركبات الهجينة . من عيوب المكثفات مقارنةً بالبطاريات انخفاض جهدها الطرفي بسرعة؛ فالمكثف الذي يحتوي على 25% من طاقته الأولية سيحتفظ بنصف جهده الأولي. في المقابل، تميل أنظمة البطاريات إلى امتلاك جهد طرفي لا ينخفض ​​بسرعة إلا عند اقترابها من النفاد. يُعقّد هذا الانخفاض في الجهد الطرفي تصميم إلكترونيات الطاقة المستخدمة مع المكثفات الفائقة. مع ذلك، توجد فوائد محتملة في كفاءة دورة الشحن والتفريغ، والعمر الافتراضي، والوزن مقارنةً بأنظمة الشحن. بدأت الصين باستخدام المكثفات الفائقة في خطين من خطوط الحافلات التجارية عام 2006؛ أحدهما الخط رقم 11 في شنغهاي . [ 49 ]

تُعاد شحن بطاريات التدفق ، المستخدمة في تطبيقات متخصصة، عن طريق استبدال سائل الإلكتروليت. ويمكن اعتبار بطارية التدفق نوعًا من خلايا الوقود القابلة لإعادة الشحن .

انظر أيضاً

مراجع

  1. «الاتحاد الأوروبي يوافق على مساعدات حكومية بقيمة 3.2 مليار يورو لأبحاث البطاريات» . رويترز . 9 ديسمبر 2019.
  2. "StackPath" . www.tdworld.com . 5 نوفمبر 2019.
  3. ستيفنز، بيبا (30 ديسمبر 2019). "عقد البطاريات: كيف يمكن لتخزين الطاقة أن يُحدث ثورة في الصناعات خلال السنوات العشر القادمة" . سي إن بي سي . تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 سبتمبر 2021 .
  4. ديفيد ليندن، توماس ب. ريدي (محرران). دليل البطاريات، الطبعة الثالثة. ماكجرو هيل، نيويورك، 2002، رقم ISBN 0-07-135978-8الفصل 22.
  5. "سوق البطاريات القابلة لإعادة الشحن العالمية 2018-2022" . researchandmarkets.com. أبريل 2018. مؤرشف من الأصل في 14 أبريل 2021. تم الاطلاع عليه في 18 أبريل 2019 .
  6. سيكويرا، سي إيه سي، بطاريات الحالة الصلبة ، مؤرشفة في 17 سبتمبر 2014 في آلة Wayback ، منظمة حلف شمال الأطلسي ، قسم الشؤون العلمية، الصفحات 242-247، 254-259
  7. مختبر الكيمياء والفيزياء، شركة الفضاء، إل سيغوندو، كاليفورنيا. انعكاس خلية بطارية النيكل والكادميوم الناتج عن تأثيرات الشبكة المقاومة: محاكاة حاسوبية لحالة قصر الدائرة على مجموعة متنوعة من تكوينات البطاريات. مؤرشف في 3 مارس 2016 على موقع Wayback Machine ، موقع DTIC الإلكتروني.
  8. زاون، جيمس أ. بطاريات النيكل والكادميوم لا تحتوي على "ذاكرة" مؤرشفة في 30 ديسمبر 2015 في Wayback Machine ، موقع RepairFAQ.org، 24 سبتمبر 1996.
  9. ريدي، دليل البطاريات، الصفحات 22-20
  10. "البطاريات الشمسية: هل هي مجدية؟" . 19 فبراير 2020.
  11. برادان، إس كيه؛ تشاكرابورتي، بي. (1 يوليو 2022). "استراتيجيات إدارة البطاريات: مراجعة أساسية لتقنيات مراقبة حالة البطارية" . مجلة تخزين الطاقة . 51 104427. Bibcode : 2022JEnSt..5104427P . doi : 10.1016/j.est.2022.104427 . ISSN 2352-152X . 
  12. كاترينا إي. أيفانتيس وآخرون، بطاريات الليثيوم عالية الكثافة الطاقية: المواد، والهندسة، والتطبيقات، وايلي-في سي إتش، 2010، رقم ISBN 3-527-32407-0الصفحة 66
  13. فاولر، سوزان (21 سبتمبر 2016). "استدعاء سامسونج - مشكلة بطاريات الليثيوم أيون" . صحيفة نيويورك تايمز . نيويورك. مؤرشف من الأصل في 5 سبتمبر 2016. تم الاطلاع عليه في 15 مارس 2016 .
  14. شويبر، بيل (4 أغسطس 2015). "بطاريات الليثيوم: الإيجابيات والسلبيات" . غلوبال سبيك . مؤرشف من الأصل في 16 مارس 2017. تم الاطلاع عليه في 15 مارس 2017 .
  15. all-battery.com: بطاريات الليثيوم بوليمر (مؤرشفة في 7 فبراير 2015 على موقع Wayback Machine)
  16. "بطارية ليبو تاتو آر-لاين 4 إس 1300 مللي أمبير 95~190 سي" . Genstattu.com. مؤرشفة من الأصل بتاريخ 30 أغسطس 2016. تم الاطلاع عليها بتاريخ 6 سبتمبر 2016 .
  17. "معلومات عن شحن/تفريغ بطاريات الليثيوم بوليمر والسلامة" . ماكسامبس . 2017. مؤرشف من الأصل في 16 مارس 2017. تم الاطلاع عليه في 15 مارس 2017. احتفظ بمطفأة حريق جافة قريبة أو دلو كبير من الرمل الجاف، فهو مطفأة حريق رخيصة وفعالة .
  18. "بطاريات - ليثيوم بوليمر" . تراك باور . هوبيكو، إنك. مؤرشف من الأصل في 16 مارس 2017. تم الاسترجاع في 15 مارس 2017. الفولتية وعدد الخلايا والسعات مناسبة تمامًا لنوع سباقك... معدلات تفريغ من 50C إلى 100C... متوازنة لعمر أطول وتحقيق أقصى جهد 4.2 فولت/خلية
  19. دان، تيري (5 مارس 2015). "دليل البطاريات: أساسيات بطاريات الليثيوم بوليمر" . تم اختباره . شركة ويلروك للصناعات. مؤرشف من الأصل في 16 مارس 2017. تم الاطلاع عليه في 15 مارس 2017. لم أسمع بعد عن بطارية ليثيوم بوليمر اشتعلت فيها النيران أثناء التخزين . جميع حوادث الحريق التي أعرفها حدثت أثناء شحن البطارية أو تفريغها. في معظم هذه الحالات، حدثت المشاكل أثناء الشحن. في معظم هذه الحالات، كان الخطأ عادةً إما في الشاحن أو في الشخص الذي كان يستخدمه... ولكن ليس دائمًا.
  20. براغا، إم إتش؛ غرونديش، إن إس؛ مورتشيسون ، إيه جيه؛ غودينوف، جيه بي (9 ديسمبر 2016). "استراتيجية بديلة لبطارية قابلة لإعادة الشحن آمنة". الطاقة والعلوم البيئية . 10. الطاقة والعلوم البيئية : 331-336 . doi : 10.1039/C6EE02888H .
  21. الليثيوم والكبريت، مؤرشف بتاريخ 14 ديسمبر 2007 في أرشيف الإنترنت
  22. "طائرة تعمل بالطاقة الشمسية تحقق رقماً قياسياً في الطيران" . بي بي سي نيوز . 24 أغسطس 2008. مؤرشف من الأصل في 25 يوليو 2010. تم الاطلاع عليه في 10 أبريل 2010 .
  23. 1 2 بطاريات الليثيوم أيون للسيارات: الوضع الحالي والآفاق المستقبلية (تقرير). وزارة الطاقة الأمريكية. 1 يناير 2019. ص 26. تم الاطلاع عليه في 15 مارس 2021 . 
  24. براءة الاختراع رقم 6358643 ، موقع PolyPlus.com الإلكتروني. مؤرشف بتاريخ 18 مارس 2009 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine).
  25. أخبار البحث: عمر أطول لبطاريات الليثيوم والكبريت مؤرشف في 19 يناير 2016 في Wayback Machine ، موقع Fraunhofer.de الإلكتروني، أبريل 2013.
  26. بوليس، كيفن (18 فبراير 2014). "كيفية صنع بطارية رخيصة لتخزين الطاقة الشمسية | مراجعة تكنولوجيا معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا" . Technologyreview.com.
  27. 1 2 3 4 5 "الشركة" . إكسيلاترون. مؤرشف من الأصل بتاريخ 8 أغسطس 2012. تم الاطلاع عليه بتاريخ 14 أغسطس 2012 .
  28. شي، ز.؛ ليو، ك.؛ تشانغ، ز.؛ تشانغ، ش. (2013). "تطورات وتحديات خلية السيريوم النصفية في بطارية تدفق الأكسدة والاختزال للزنك والسيريوم لتخزين الطاقة". مجلة Electrochimica Acta . 90 : 695-704 . doi : 10.1016/j.electacta.2012.12.066 .
  29. "بطارية الفاناديوم المؤكسدة والمختزلة" . Vrb.unsw.edu.au. تم الاطلاع عليه بتاريخ 14 أغسطس 2012 .{{cite web}}: CS1 maint: deprecated archiveal service ( link )
  30. رابط معطل
  31. ميزة الفاناديوم: بطاريات التدفق تُعزز طاقة الرياح ( مؤرشف في 7 سبتمبر 2008 على موقع Wayback Machine)
  32. ١ ٢ https://www.avalonbattery.com/product/ بطارية أفالون فاناديوم فلو
  33. «شركة سوميتومو تدرس تسويق بطارية إلكتروليت جديدة تعمل بدرجة حرارة منخفضة باستخدام الأملاح المنصهرة لشركات صناعة السيارات الكهربائية والهجينة» . مؤتمر السيارات الخضراء. 11 نوفمبر 2011. مؤرشف من الأصل في 18 مايو 2012.
  34. "mpoweruk.com: مقارنات بين البطاريات والمراكم (ملف PDF)" (ملف PDF) . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 29 مارس 2018. تم الاطلاع عليه بتاريخ 14 أغسطس 2012 .
  35. "مقال مميز من EVWORLD: ثورة في مجال خلايا الوقود - الجزء الثاني: خلايا وقود بروكس | CARB | ARB | هيدروجين | زيبرا | EV | كهربائية" . Evworld.com. مؤرشف من الأصل بتاريخ 25 مايو 2012. تم الاطلاع عليه بتاريخ 14 أغسطس 2012 .
  36. 1 2 ليسترود، إيفيند. "تصميم وأداء بطاريات النيكل والزنك كبيرة الحجم" (ملف PDF) . تم الاطلاع عليه بتاريخ 27 يوليو 2024 .
  37. "دراسة أشباه موصلات البطاريات الثانوية" (ملف PDF) . جامعة هيروشيما. 25 نوفمبر 2011. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 21 يناير 2014. تم الاطلاع عليه في 18 يناير 2014 .
  38. «إشعار بتطوير تقنية الإنتاج الضخم للبطاريات الثانوية القائمة على تقنية الكم» (ملف PDF) . شركة ميكرونيكس اليابانية. ١٩ نوفمبر ٢٠١٣. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ ١٦ يناير ٢٠١٤. تم الاطلاع عليه بتاريخ ١٨ يناير ٢٠١٤ .
  39. تشانغ، شينغ س (2013). "بطارية الليثيوم/الكبريت ذات الإلكتروليت السائل: الكيمياء الأساسية، والمشاكل، والحلول". مجلة مصادر الطاقة . 231 : 153-162 . doi : 10.1016/j.jpowsour.2012.12.102 .
  40. «شركة زيتا إنرجي تعلن عن بطاريات خالية من الجرافيت والكوبالت، تستهدف الوصول إلى 450 واط/كغ وأكثر من ألف دورة شحن بحلول عام 2025» . بي آر نيوزواير. 16 نوفمبر 2023. تم الاطلاع عليه بتاريخ 16 نوفمبر 2023 .
  41. سالفاتيرا، رودريغو ف؛ جيمس، داستن ك؛ تور، جيمس م (2022). غوبتا، رام ك (محرر). بطاريات الليثيوم والكبريت: المواد والتحديات والتطبيقات . أمستردام: إلسيفير. ص 241-270. ISBN  978-0-323-91934-0.
  42. "إكسيلاترون" . إكسيلاترون. 2 يونيو 2010. مؤرشف من الأصل في 6 أغسطس 2012. تم الاطلاع عليه في 14 أغسطس 2012 .
  43. "الشركة" . إكسيلاترون. مؤرشف من الأصل في 12 سبتمبر 2012. تم الاطلاع عليه في 14 أغسطس 2012 .
  44. "اختبار وتقييم دورة حياة أجهزة تخزين الطاقة" (ملف PDF) . مختبرات سانديا الوطنية . 2 يناير 2011. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 26 ديسمبر 2014. تم الاطلاع عليه في 26 ديسمبر 2014 .
  45. افتخاري، ع. جيان، Z .؛ جي، إكس. (2017). “بطاريات البوتاسيوم الثانوية”. المواد والواجهات التطبيقية لـ ACS . 9 (5): 4404– 4419. بيب كود : 2017AAMI....9.4404E . دوى : 10.1021/acsami.6b07989 . بميد 27714999 . 
  46. ميلر، تشارلز ر. (2012). دليل مصور لقانون الكهرباء الوطني . سينجايج ليرنينج. ص 445. ISBN  978-1-133-41764-4.
  47. "مفك براغي كهربائي يعمل بمكثف، 2007" . Ohgizmo.com. 24 يوليو 2005. مؤرشف من الأصل في 7 مارس 2012. تم الاطلاع عليه في 14 أغسطس 2012 .
  48. مرحبًا بكم في مختبرات المدينة. مؤرشف بتاريخ 15 فبراير 2016 في آلة Wayback ، موقع CityLabs.net.
  49. 超级电容公交车专题 (موضوعات الحافلات ذات المكثفات الفائقة) ، موقع 52Bus.com، أغسطس 2006 (باللغة الصينية، صفحة مؤرشفة).

للمزيد من القراءة