أ البطارية، وهي في الواقع خلية كهربائية ، هي جهاز ينتج الكهرباء من تفاعل كيميائي. بالمعنى الدقيق للكلمة ، تتكون البطارية من خليتين أو أكثر متصلة في سلسلة أو متوازية ، ولكن يستخدم المصطلح بشكل عام لخلية واحدة. تتكون الخلية من قطب سالب. المنحل بالكهرباء ، الذي ينقل أيونات. فاصل ، وموصل أيوني أيضا ؛ وقطب موجب. ال بالكهرباء قد تكون مائية (تتكون من الماء) أو غير مائية (لا تتكون من الماء) ، في شكل سائل أو معجون أو صلب. عندما يتم توصيل الخلية بحمل خارجي ، أو جهاز ليتم تشغيله ، يوفر القطب السالب تيارًا من الإلكترونات التي تتدفق عبر الحمل ويتم قبولها بواسطة القطب الموجب. عند إزالة الحمل الخارجي ، يتوقف التفاعل.
البطارية الأساسية هي البطارية التي يمكنها تحويل موادها الكيميائية إلى كهرباء مرة واحدة فقط ثم يجب التخلص منها. تحتوي البطارية الثانوية على أقطاب كهربائية يمكن إعادة تكوينها بتمرير الكهرباء من خلالها ؛ وتسمى أيضًا بطارية تخزين أو بطارية قابلة لإعادة الشحن ، يمكن إعادة استخدامها عدة مرات.
تستخدم هذه البطارية أكسيد النيكل في قطبها الموجب (الكاثود) ، ومركب الكادميوم في القطب السالب (الأنود) ، ومحلول هيدروكسيد البوتاسيوم كمحلل إلكتروليتي. بطارية النيكل كادميوم قابلة لإعادة الشحن ، لذلك يمكن تدويرها بشكل متكرر. تعمل بطارية النيكل والكادميوم على تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية عند التفريغ وتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة كيميائية عند إعادة الشحن. في بطارية NiCd مفرغة بالكامل ، يحتوي الكاثود على هيدروكسيد النيكل [Ni (OH) 2] وهيدروكسيد الكادميوم [Cd (OH) 2] في الأنود. عندما يتم شحن البطارية ، يتم تحويل التركيب الكيميائي للكاثود ويتغير هيدروكسيد النيكل إلى أوكسي هيدروكسيد النيكل [NiOOH]. في الأنود ، يتحول هيدروكسيد الكادميوم إلى كادميوم. أثناء تفريغ البطارية ، يتم عكس العملية ، كما هو موضح في الصيغة التالية.
يمكن اعتبار بطارية النيكل - الهيدروجين هجينة بين بطارية النيكل والكادميوم وخلية الوقود. تم استبدال قطب الكادميوم بقطب غاز الهيدروجين. تختلف هذه البطارية بصريًا كثيرًا عن بطارية Nickel-Cadmium لأن الخلية عبارة عن وعاء ضغط ، والذي يجب أن يحتوي على أكثر من ألف رطل لكل بوصة مربعة من غاز الهيدروجين. وهو أخف بكثير من النيكل والكادميوم ، ولكن يصعب تعبئته ، مثل صندوق البيض.
يتم الخلط بين بطاريات النيكل والهيدروجين في بعض الأحيان مع بطاريات النيكل ميتال هيدريد ، والبطاريات الموجودة عادة في الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة. يستخدم النيكل - الهيدروجين ، وكذلك بطاريات النيكل والكادميوم نفس المنحل بالكهرباء ، وهو محلول من هيدروكسيد البوتاسيوم ، والذي يُطلق عليه عادةً اسم الغسول.
تأتي حوافز تطوير بطاريات النيكل / هيدريد المعدنية (Ni-MH) من المشاكل الصحية والبيئية الملحة للعثور على بدائل لبطاريات النيكل / الكادميوم القابلة لإعادة الشحن. نظرًا لمتطلبات سلامة العامل ، فإن معالجة الكادميوم للبطاريات في الولايات المتحدة هي بالفعل قيد الإلغاء التدريجي. علاوة على ذلك ، فإن التشريع البيئي لعقد التسعينيات والقرن الحادي والعشرين سيجعل من الضروري على الأرجح الحد من استخدام الكادميوم في البطاريات لاستخدام المستهلكين. على الرغم من هذه الضغوط ، بجانب بطارية الرصاص الحمضية ، لا تزال بطارية النيكل / الكادميوم تمتلك الحصة الأكبر من سوق البطاريات القابلة لإعادة الشحن. تأتي الحوافز الإضافية للبحث في البطاريات التي تعتمد على الهيدروجين من الاعتقاد العام بأن الهيدروجين والكهرباء سيحلان محل أ جزء كبير من المساهمات الحاملة للطاقة لموارد الوقود الأحفوري ، لتصبح الأساس لنظام طاقة مستدام يعتمد على الطاقة المتجددة مصادر. أخيرًا ، هناك اهتمام كبير بتطوير بطاريات Ni-MH للسيارات الكهربائية والمركبات الهجينة.
يمكن للكهارل KOH أن ينقل OHons فقط ، ولموازنة نقل الشحنة ، يجب أن تدور الإلكترونات عبر الحمل الخارجي. تم بحث قطب أوكسي هيدروكسيد النيكل (المعادلة 1) وتمييزه على نطاق واسع ، وقد ثبت تطبيقه على نطاق واسع في كل من التطبيقات الأرضية والفضائية. تضمنت معظم الأبحاث الحالية في بطاريات Ni / Metal Hydride تحسين أداء أنود هيدريد المعادن. على وجه التحديد ، يتطلب هذا تطوير قطب هيدريد بالخصائص التالية: (1) طويلة دورة الحياة ، (2) سعة عالية ، (3) معدل شحن وتفريغ عالي بجهد ثابت ، و (4) احتجاز سعة.
تختلف هذه الأنظمة عن جميع البطاريات المذكورة سابقًا ، حيث لا يتم استخدام الماء في المنحل بالكهرباء. يستخدمون إلكتروليتًا غير مائي بدلاً من ذلك ، والذي يتكون من السوائل العضوية وأملاح الليثيوم لتوفير الموصلية الأيونية. يحتوي هذا النظام على جهد خلية أعلى بكثير من الأنظمة بالكهرباء المائية. بدون الماء ، يتم القضاء على تطور غازات الهيدروجين والأكسجين ويمكن للخلايا أن تعمل مع إمكانات أوسع بكثير. كما أنها تتطلب تجميعًا أكثر تعقيدًا ، حيث يجب أن يتم ذلك في جو جاف تمامًا تقريبًا.
تم تطوير عدد من البطاريات غير القابلة لإعادة الشحن لأول مرة باستخدام معدن الليثيوم كأنود. خلايا العملة التجارية المستخدمة لبطاريات الساعة اليوم هي في الغالب كيمياء ليثيوم. تستخدم هذه الأنظمة مجموعة متنوعة من أنظمة الكاثود الآمنة بما يكفي لاستخدام المستهلكين. تصنع الكاثودات من مواد مختلفة ، مثل مونو فلوريد الكربون ، وأكسيد النحاس ، أو خامس أكسيد الفاناديوم. جميع أنظمة الكاثود الصلبة محدودة في معدل التفريغ الذي ستدعمه.
للحصول على معدل تصريف أعلى ، تم تطوير أنظمة الكاثود السائل. يتفاعل الإلكتروليت في هذه التصميمات ويتفاعل عند الكاثود المسامي ، الذي يوفر مواقع تحفيزية وجمع تيار كهربائي. تتضمن العديد من الأمثلة على هذه الأنظمة كلوريد الليثيوم-ثيونيل وثاني أكسيد الليثيوم الكبريت. يتم استخدام هذه البطاريات في الفضاء والتطبيقات العسكرية ، وكذلك منارات الطوارئ على الأرض. وهي غير متاحة بشكل عام للجمهور لأنها أقل أمانًا من أنظمة الكاثود الصلبة.
يعتقد أن الخطوة التالية في تكنولوجيا بطارية أيونات الليثيوم هي بطارية بوليمر الليثيوم. تستبدل هذه البطارية المنحل بالكهرباء السائل إما بالكهرباء المنحلة أو بالكهرباء الصلبة الحقيقية. من المفترض أن تكون هذه البطاريات أخف وزنًا من بطاريات أيونات الليثيوم ، ولكن لا توجد خطط حاليًا لنقل هذه التكنولوجيا في الفضاء. كما أنه ليس متاحًا بشكل شائع في السوق التجاري ، على الرغم من أنه قد يكون قاب قوسين أو أدنى.
في وقت لاحق ، لقد قطعنا شوطا طويلا منذ التسرب مصباح يدوي بطاريات الستينات ، عندما ولدت رحلة الفضاء. هناك مجموعة واسعة من الحلول المتاحة لتلبية الطلبات العديدة لرحلات الفضاء ، 80 تحت الصفر إلى درجات الحرارة العالية لذبابة شمسية. من الممكن التعامل مع الإشعاع الهائل ، وعقود الخدمة ، والأحمال التي تصل إلى عشرات الكيلووات. سيكون هناك تطور مستمر لهذه التكنولوجيا والسعي المستمر نحو تحسين البطاريات.