لماذا تأتي البطاريات بأحجام وأشكال عديدة؟

إذا بحثت في درج المرافق الخاص بك مؤخرًا، فربما لاحظت الأشكال والأحجام والأنواع المختلفة للبطاريات التي تشغل أجهزتك الإلكترونية.أولاً، هناك خلايا الأزرار المستديرة غير القابلة لإعادة الشحن لساعاتك وأغراضك الصغيرة.هناك أيضًا البطاريات الأسطوانية AA وAAA المشهورة للآلات الحاسبة والساعات وأجهزة التحكم عن بعد.ثم لديك بطاريات الليثيوم أيون القابلة لإعادة الشحن في أجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف الخاصة بك.ولا تنسَ بطارية الرصاص الحمضية الموجودة في سيارتك.

أنا أستاذ الذي يدرس البطاريات والكيمياء الكهربائية.لفهم سبب ظهور البطاريات كثيرًا أحجام وأشكال مختلفة - وتخدم العديد من الأغراض - انظر إلى الماضي، وكيف نشأت البطاريات وكيف تطورت على مر السنين.

تم تصنيع البطاريات الأولى في القرن التاسع عشر، وكانت بسيطة للغاية.إحدى المظاهرات الأولى كانت أ سلسلة من الأقراص المعدنية المنقوعة في محلول ملحي, والتي وجدها العالم الإيطالي أليساندرو فولتا تولد تيارًا كهربائيًا.تم تصنيع أول بطارية حمض الرصاص من أ بضع قطع من الرصاص في وعاء من حامض الكبريتيك.الإصدارات الحديثة لا تختلف كثيرا.إنها أسهل في التصنيع وتحتوي على إضافات مختلفة لتحسين الأداء.

وفي جميع الحالات، تعمل البطاريات بنفس الطريقة:ينتج فرق الجهد بين قطبين كهربائيين مختلفين تيارًا كهربائيًا يمكن تفريغه لتشغيل الجهاز.يمكن للبطاريات القابلة لإعادة الشحن عكس هذا التيار لإعادة الشحن.داخل البطارية، يرافق التيار الكهربائي تدفق الأيونات من خلال السائل، المنحل بالكهرباء.

يصاحب مرور كل إلكترون في التيار نقل أيون واحد عبر المنحل بالكهرباء.الأقطاب الكهربائية التي يمكنها تخزين المزيد من الأيونات تؤدي إلى بطاريات يمكنها الاحتفاظ بشحنة أكبر وبالتالي تدوم لفترة أطول بشحنة واحدة.الأقطاب الكهربائية المصممة لتخزين الأيونات بشكل أسرع تؤدي إلى بطاريات يمكن تفريغها بشكل أسرع لتطبيقات الطاقة العالية.وأخيرًا، فإن القدرة على الشحن والتفريغ عدة مرات دون أن تتحلل تؤدي إلى عمر افتراضي طويل للبطاريات.

بطاريات الرصاص الحمضية

كانت بطارية الرصاص الحمضية أول بطارية قابلة لإعادة الشحن تم اختراعها في عام 1859 بواسطة جاستون بلانت, ، الذي جرب ألواح الرصاص في محلول حمضي ووجد أنه يمكن عكس تدفق التيار الكهربائي وتخزينه.

يجب أن تكون بطارية الرصاص الحمضية كبيرة بما يكفي لتوفير شحن كافٍ لبدء تشغيل السيارة.كما يجب أن تكون قابلة للاستخدام في المناخات الباردة وأن تستمر لسنوات عديدة.نظرًا لأن المنحل بالكهرباء عبارة عن حمض أكال، يجب أن يكون الغلاف الخارجي قويًا لحماية الأشخاص وأجزاء السيارة من أي ضرر محتمل.بمعرفة كل هذا، فمن المنطقي أن تكون بطاريات الرصاص الحمضية الحديثة ممتلئة بالحيوية وثقيلة.

البطاريات القلوية

من ناحية أخرى، يمكن للأجهزة المنزلية مثل الآلات الحاسبة والموازين الرقمية استخدام بطاريات أصغر لأنها لا تتطلب الكثير من الشحن.هذه هي في المقام الأول بطاريات قلوية غير قابلة لإعادة الشحن تم استخدامها لعقود من الزمن.أحجام الخلايا القياسية هي AAAA وAAA وAA وC وD، بالإضافة إلى خلايا الأزرار والعملات المعدنية وغيرها الكثير.وترتبط الأحجام بكمية الشحن التي تخزنها - فكلما كانت البطارية أكبر، زادت قدرتها على التحمل - وأحجام الأجهزة التي تشغلها.

في بعض الأحيان، قد تجد البطاريات القلوية تباع في أشكال مستطيلة، مثل بطاريات 9 فولت الشائعة، ولكن افتح الغلاف الخارجي وستجد أنها مجرد عدد قليل من الخلايا الأسطوانية المتصلة ببعضها البعض في الداخل.لقد كانت البطاريات الأسطوانية موجودة منذ فترة طويلة وتستخدم على نطاق واسع لدرجة أنه ليس من المنطقي أن تقوم الشركات بتصنيع أي شيء مختلف - حيث سيتطلب الأمر استثمارًا لتغيير مرافق التصنيع الخاصة بها، وهو أمر لا يفضلون القيام به.

بطاريات ليثيوم أيون

كانت بطاريات النيكل والكادميوم أول بطاريات قابلة لإعادة الشحن مستخدمة على نطاق واسع للإلكترونيات المنزلية وكانت شائعة حتى نهاية القرن العشرين.لكن كان لديهم عيوبهم.الكادميوم مادة سامة للغاية، وعانت البطاريات من "تأثير الذاكرة"، مما أدى إلى انخفاض عمرها الافتراضي.

لعدة عقود، تمت دراسة الليثيوم للاستخدام المحتمل في البطاريات القابلة لإعادة الشحن بسبب خصائصه الفريدة كمعدن خفيف الوزن يخزن الكثير من الطاقة.سوني أولا تسويق بطارية الليثيوم أيون في عام 1991.

قامت الشركة بتصنيع خلايا أسطوانية لأنها كانت الأسهل في التصنيع.في التسعينيات، كانت شركة Sony تصنع الكثير من كاميرات الفيديو والأشرطة، وبالتالي كان لديها الكثير من المعدات اللازمة لتصنيعها تصنيع لفة إلى لفة.كان من الطبيعي إعادة استخدام هذه المعدات لإنتاج لفات من أقطاب البطارية، والتي يتم تصنيعها عن طريق صب الأفلام على صفائح من النحاس أو الألومنيوم ثم لفها في أسطوانة "جيلي رول".

الغلاف السميك لهذه خلايا اسطوانية قوي ميكانيكيًا، ولإضافة طبقة أخرى من الأمان، لديهم صمام تخفيف الضغط.وبسرعة كبيرة، استحوذت خلايا أيون الليثيوم المبكرة على سوق الإلكترونيات المحمولة، وخاصة لأجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف المحمولة، لأنها تخزن طاقة أكبر وتدوم لفترة أطول من بطاريات النيكل والكادميوم القابلة لإعادة الشحن.

العوامل التي تشكل البطاريات

يتم تصنيع البطاريات بأحجام وأشكال معينة لأسباب تتعلق بالتكلفة وقابلية التصنيع، ولكن في حالات أخرى بسبب عمليات التصنيع القديمة.يلعب طلب السوق أيضًا دورًا.

على سبيل المثال، لم تنطلق السيارات الكهربائية إلا بعد أن بدأت شركة تسلا في تصنيع سيارات تستخدم خلايا بطاريات الليثيوم أيون الأسطوانية بدلاً من الأكياس المستطيلة أو الخلايا المنشورية التي استخدمها صانعو السيارات الكهربائية الأخرى.يمكن تجميع الخلايا الحقيبةية والمنشورية بشكل وثيق معًا، ولكن لأن الخلايا الأسطوانية كانت كذلك يجري بالفعل إنتاجها بكميات كبيرة بالنسبة للإلكترونيات المحمولة، تمكنت تسلا من صنع سيارات كهربائية منخفضة التكلفة في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين.

إن الأشكال والأحجام التي ستتخذها البطاريات في المستقبل لا تعتمد فقط على كمية الطاقة التي تخزنها، ولكن أيضًا على اقتصاديات السوق - مدى سهولة صنع كل نوع من الخلايا، وتكلفة تصنيعها، وفيم يتم استخدامها. ل.وهذه العوامل هي مزيج من الابتكار والتاريخ.