ما هو العنصر المستخدم في البطاريات؟ تعمل البطاريات على تشغيل كل شيء نستخدمه في الوقت الحاضر تقريبًا - من الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة إلى السيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الشبكة واسعة النطاق. ولكن هل سبق لك أن توقفت حقاً وسألت نفسك ما هي العناصر التي تجعل البطارية تعمل بالفعل؟ مثل، ما هي حقاً في الداخل ذلك الصندوق الذي يتيح لك تخزين الطاقة وإطلاقها كلما احتجت إليها؟
عندما تفهم التركيب الكيميائي للبطاريات، فإنك لا تكتفي بإشباع فضولك فحسب، بل تكتسب نظرة ثاقبة على أدائها وسلامتها والتحديات الحقيقية التي تجلبها في مجال الاستدامة.
يستكشف هذا الدليل العناصر الرئيسية التي تدخل في أنواع مختلفة من البطاريات، وسبب أهمية هذه المواد المحددة، وكيفية تأثيرها على وظيفة البطارية وسلامتها، وما هي البدائل التي يطورها العلماء الآن لتخزين الطاقة في المستقبل. إذا كنت تريد أن تعرف ليس فقط ما بالداخل ولكن لماذا هذه المواد مهمة، فأنت على موعد مع قراءة مفيدة.
بطارية أيونات الصوديوم بقوة 12 فولت 200 أمبير
بطارية صوديوم منزلية من كامادا باور 10 كيلو وات/ساعة
ما هي العناصر الرئيسية المستخدمة في البطاريات؟
تخزن البطاريات الطاقة كيميائيًا وتطلقها في صورة كهرباء من خلال تفاعلات كهروكيميائية بين قطبين - الأنود والكاثود - مع وجود إلكتروليت بينهما. لكن إليك الأمر: إن العناصر التي تشكّل تلك الأقطاب الكهربائية تشكل تماماً مدى جودة عمل البطارية.
إذن، ما هي العناصر التي تستخدمها بطاريات اليوم عادةً؟ تظهر هذه العناصر أكثر من غيرها:
- الليثيوم (Li): هذه هي نجمة بطاريات الليثيوم أيون. إنها خفيفة للغاية وتحمل الكثير من الطاقة لكل جرام.
- الرصاص (Pb): ستجدها في بطاريات الرصاص الحمضية من الطراز القديم، والتي غالباً ما تستخدم في السيارات أو في أجهزة الطاقة الاحتياطية.
- النيكل (ني): يعزز هذا المعدن عمر الدورة والمتانة في بطاريات NiCd و NiMH.
- الكوبالت (Co): فهي تعمل على استقرار العديد من كاثودات أيونات الليثيوم وتعزز طاقتها - ولكن ذلك يأتي بتكلفة.
- المنجنيز (Mn): يساعد في تقليل التكلفة ويجعل بطاريات الليثيوم أكثر أماناً.
- الكادميوم (Cd): كان شائعًا في بطاريات NiCd، ولكن يتم تجنبه الآن لأنه سام.
- الزنك (Zn): وهي رخيصة وآمنة، وتستخدم عادةً في البطاريات القلوية وبطاريات الزنك والهواء.
- الجرافيت (C): يشكل هذا الأنود في بطاريات الليثيوم أيون.
- الكبريت (S): مادة كاثود أحدث لبطاريات الليثيوم والكبريت، مع الكثير من إمكانات الطاقة.
- الصوديوم (Na): باحثون مثل هذه البطاريات لبطاريات أيونات الصوديوم. إنها موجودة في كل مكان وتكلفتها أقل.
كل عنصر من هذه العناصر له دور محدد للغاية في كيفية أداء البطارية، ومدة استمرارها، ومدى أمانها، وتكلفتها. الخيارات ليست عشوائية - إنها استراتيجية.
الجدول 1: عناصر البطارية الشائعة وخصائصها الرئيسية
| العنصر | أنواع البطاريات الأساسية | المزايا الرئيسية | الشواغل الرئيسية |
|---|
| الليثيوم | ليثيوم أيون | كثافة طاقة عالية وخفيفة | التعدين الأخلاقي، التكلفة |
| الرصاص | حمض الرصاص | منخفضة التكلفة، وارتفاع التيار العالي | ثقيلة وسامة |
| نيكل | NiCd، NiMH | متانة ودورة حياة جيدة | السمية (Cd في NiCd)، التكلفة |
| كوبالت | كاثودات أيونات الليثيوم - أيونات الليثيوم | استقرار القطب السالب، الطاقة | التكلفة العالية والقضايا الأخلاقية |
| المنجنيز | كاثودات أيونات الليثيوم - أيونات الليثيوم | السلامة وخفض التكاليف | كثافة طاقة معتدلة |
| الكادميوم | NiCd | متينة | شديد السمية |
| الزنك | قلوي، زنك-هوائي-قلوي، زنك-هوائي | رخيصة وآمنة | إمكانية إعادة الشحن المحدودة |
| الجرافيت | أنود ليثيوم أيون الليثيوم | إقحام الليثيوم المستقر | سعة محدودة |
| الكبريت | ليثيوم كبريت الليثيوم | طاقة نظرية عالية جدًا | مشكلات دورة الحياة |
| الصوديوم | صوديوم-أيون | وفيرة ومنخفضة التكلفة | كثافة طاقة أقل |
كيف تستخدم أنواع البطاريات المختلفة عناصر مختلفة
تتغير كيمياء البطارية مع كل حالة استخدام - اعتمادًا على التكلفة والطلب على الطاقة واحتياجات الأداء. لنستعرض الأنواع الأكثر شيوعاً والعناصر التي تدخل في تركيبها:
1. بطاريات ليثيوم أيون (ليثيوم أيون)
العناصر المتضمنة: الليثيوم، والكوبالت، والنيكل، والنيكل، والمنغنيز، والجرافيت
ويستخدم الناس الآن بطاريات الليثيوم أيون في كل شيء بدءًا من الهواتف وحتى السيارات الكهربائية، وذلك لأنها توفر كثافة طاقة عالية (150-250 واط/كجم) وعمر دورة جيد. وتنتقل أيونات الليثيوم بين أنود الجرافيت وكاثود مصنوع من مواد مثل أكسيد الليثيوم الكوبالت (LiCoO₂) أو أكسيد الليثيوم النيكل المنغنيز الكوبالت (NMC) أو فوسفات الليثيوم الحديد (LFP).
- ويساعد الكوبالت في تثبيت الكاثود، على الرغم من أنه يثير مشكلات تتعلق بالتكلفة وحقوق الإنسان.
- يعزز النيكل سعة الطاقة وتخزينها.
- يعمل المنجنيز على تحسين السلامة من خلال زيادة مقاومة الحرارة.
- يعمل الجرافيت كقاعدة ثابتة لأيونات الليثيوم أثناء الشحن.
على الرغم من أن هذه التركيبات تعمل بشكل جيد، إلا أن الصناعة تحاول الآن تقليل استخدام الكوبالت من حيث التكلفة والأخلاقيات.
2. بطاريات الرصاص الحمضية
العناصر المتضمنة: رصاص، حمض الكبريتيك
لا يزال الناس يعتمدون على بطاريات الرصاص الحمضية لبدء تشغيل محركات السيارات وتشغيل البطاريات الاحتياطية في حالات الطوارئ - ويرجع ذلك في الغالب إلى أنها رخيصة الثمن ويمكن الاعتماد عليها. يستخدم كاثودها ثاني أكسيد الرصاص، ويستخدم أنودها الرصاص الإسفنجي في حمض الكبريتيك.
على الرغم من قدمها، إلا أن المستخدمين يتمسكون بها لمدى قابليتها لإعادة التدوير وسعرها المعقول.
3. بطاريات النيكل والكادميوم (NiCd)
العناصر المتضمنة: النيكل، الكادميوم
يمكن لبطاريات NiCd أن تدوم لفترة طويلة وتتحمل الاستخدام الشاق، ولكن سمية الكادميوم تجعلها ضارة. ولهذا السبب، فإن معظم الصناعات تبتعد عنها ببطء.
العناصر المتضمنة: النيكل، المعادن الأرضية النادرة
حلت بطاريات NiMH محل NiCd في العديد من الأجهزة الإلكترونية والهجينة. فهي أكثر أماناً وصديقة للبيئة، حيث تستخدم أقطاب هيدروكسيد النيكل وهيدريد الفلز.
5. بطاريات قلوية
العناصر المتضمنة: الزنك، ثاني أكسيد المنغنيز
هذه هي البطاريات المستخدمة في أشياء مثل أجهزة التحكم عن بعد والمصابيح الكهربائية. وهي تستخدم أنود الزنك، وكاثود المنجنيز، وهيدروكسيد البوتاسيوم كإلكتروليت. يحبها الناس بسبب عمرها الافتراضي وتكلفتها.
الجدول 2: مقارنة بين أنواع البطاريات الرئيسية ومقاييسها الرئيسية
| نوع البطارية | كثافة الطاقة (واط/كجم) | عمر الدورة (الدورات) | التكلفة | الأثر البيئي |
|---|
| ليثيوم أيون | 150-250 | 500-2000 | عالية | مخاوف معتدلة وأخلاقية |
| حمض الرصاص | 30-50 | 200-500 | منخفضة | معادن سامة، قابلة لإعادة التدوير |
| النيكل والكادميوم | 45-80 | 1000-2000 | متوسط | الكادميوم السام |
| هيدريد النيكل والمعدن | 60-120 | 500-1000 | متوسط | أكثر أماناً من NiCd |
| قلوي | 100-150 (بدون إعادة شحن) | غير متاح | منخفضة | يمكن التخلص منها، وإعادة التدوير المحدودة |
لماذا يتم اختيار هذه العناصر؟
يختار صانعو البطاريات العناصر بناءً على عدة أسباب متداخلة:
- السلوك الكهروكيميائي: تحتاج العناصر إلى إمكانات أكسدة واختزال مواتية للعمل. وكتلة الليثيوم المنخفضة وتفاعليته العالية تجعله رائعًا لهذا الغرض.
- تخزين الطاقة: تحمل بعض المواد طاقة أكثر من غيرها. يتقدم الليثيوم والنيكل هنا.
- الاستقرار: تحتاج البطاريات إلى التعامل مع الحرارة والبرودة والضغط الكيميائي دون أن تتعطل أو تتسبب في نشوب حرائق.
- السعر والتوافر: كلما زادت وفرة عنصر ما، قلت تكلفة بناء البطاريات به.
- السلامة والأخلاقيات: تثير بعض العناصر مثل الكادميوم أو الكوبالت مشاكل صحية وعمالية؛ لذا تحاول الشركات الآن استبدالها.
على سبيل المثال، بينما يحسن الكوبالت من طاقة البطارية وهيكلها، فإن تكلفته ومشاكل تعدينه تجعله أقل جاذبية في المستقبل.
كل عنصر يغير طريقة عمل البطارية في الحياة الواقعية:
كثافة الطاقة والقدرة
- يمكن للبطاريات الغنية بالنيكل أن تصل إلى أكثر من 250 واط/كغ - وهي مثالية للسيارات الكهربائية طويلة المدى.
- توفر بطاريات الرصاص الحمضية كثافة طاقة أقل بكثير ولكنها تعمل بشكل جيد للاستخدامات قصيرة الأجل أو عالية الأمبير.
معدلات الشحن/التفريغ
- يسمح الكوبالت والنيكل بالشحن السريع والأداء المستقر.
- تسمح أنودات الجرافيت للليثيوم بالتحرك بسرعة إلى الداخل والخارج، مما يحسن من وقت الشحن.
السلامة ومقاومة الحرارة
- تجعل كيميائيات المنجنيز و LFP البطاريات أكثر مقاومة للحريق.
- يتم التعامل مع الرصاص والكادميوم بحذر بسبب آثارهما السامة على الأشخاص والبيئة.
السمية والنفايات
- عناصر مثل الكادميوم والرصاص خطيرة إذا لم يتم التخلص منها بطريقة صحيحة.
- تتحسن الآن عملية إعادة تدوير بطاريات أيونات الليثيوم مما يساعد على استعادة المعادن وتقليل تأثير مدافن النفايات.
الشواغل البيئية والأخلاقية لعناصر البطارية
ينطوي الحصول على مواد معينة للبطاريات على أكثر من مجرد التنقيب عنها:
- الكوبالت من جمهورية الكونغو الديمقراطية بظروف العمل غير الآمنة وعمالة الأطفال.
- تعدين الليثيوم في الأماكن الجافة على إمدادات المياه والمجتمعات.
- تجلب معادن النيكل والمعادن الأرضية النادرة تحديات جيوسياسية وتحديات في سلسلة التوريد.
- لا تزال تكنولوجيا إعادة التدوير متخلفة عن الطلب - لكنها ضرورية للمستقبل.
تدفع الحكومات، وخاصة في الاتحاد الأوروبي، صانعي البطاريات الآن نحو مصادر أنظف وممارسات دائرية.
العناصر البديلة الناشئة في بطاريات الجيل التالي من البطاريات
ولحل مشكلات التكلفة والأخلاقيات والإمداد الحالية، يبحث الباحثون عن خيارات أحدث:
بطاريات أيونات الصوديوم
الصوديوم أقل تكلفة وأسهل في الحصول عليه من الليثيوم. وهذه بطاريات أيونات الصوديوم قد لا تحتفظ بنفس القدر من الطاقة (100-160 واط/كجم)، لكنها قد تعمل بشكل جيد في تجهيزات التخزين الكبيرة.
بطاريات الليثيوم والكبريت
وتعد هذه البطاريات بقدرة تصل إلى أكثر من 400 واط/كجم باستخدام الكبريت، وهو رخيص الثمن ومتوفر بكثرة. ولكن لا تزال بطاريات الكبريت تعاني من فقدان السعة بمرور الوقت.
بطاريات الجرافين
بإضافة الجرافين، تُشحن هذه البطاريات بشكل أسرع وتدوم لفترة أطول - على الرغم من أن صنعها لا يزال باهظ الثمن.
بطاريات الحالة الصلبة
فبدلاً من استخدام السوائل، تستخدم هذه الشوارد الإلكتروليتات الصلبة، مما يجعلها أكثر أماناً وكثافة في الطاقة.
البطاريات المعتمدة على الزنك
وهي رخيصة وغير سامة وسهلة إعادة التدوير. يمكن لبطاريات الزنك والهواء أن تزود المنازل والشبكات بالطاقة في المستقبل القريب.
البطاريات الخالية من الكوبالت
تتجنب البطاريات التي تستخدم البطاريات التي تحتوي على فلوريد الألومنيوم منخفض الفلزات أو المواد الكيميائية عالية النيكل الكوبالت تماماً، مما يساعد على خفض التكاليف وتحسين السلامة.
بطاريات الحديد والهواء
باستخدام الحديد والهواء، تهدف هذه الأجهزة إلى توفير تخزين طويل الأمد بتكلفة منخفضة للغاية. لكنها تحتاج إلى إعادة شحن وكثافة طاقة أفضل.
الجدول 3: تقنيات البطاريات الناشئة وإمكاناتها المحتملة
| نوع البطارية | كثافة الطاقة النظرية (واط/كجم) | المزايا الرئيسية | التحديات الرئيسية |
|---|
| صوديوم-أيون | 100-160 | منخفضة التكلفة ووفرة الموارد | كثافة طاقة أقل |
| ليثيوم كبريت الليثيوم | 400+ | كثافة طاقة عالية جدًا | عمر الدورة، النقل المكوكي متعدد الكبريتيد |
| الليثيوم المعزز بالجرافين | 250+ | شحن سريع، ودورة حياة طويلة | تعقيدات التصنيع |
| الحالة الصلبة | 300-500 | أمان عالي، وكثافة طاقة عالية | قابلية التوسع، التكلفة |
| الزنك-الهواء | 300-400 | آمنة ومنخفضة التكلفة وقابلة لإعادة التدوير | قابلية إعادة الشحن، خرج الطاقة |
| أيرون-أير | 300+ | مواد وفيرة ومنخفضة التكلفة للغاية | كثافة الطاقة وقابلية إعادة الشحن |
الخاتمة
بمجرد أن تعرف ما هي العناصر التي تدخل في البطاريات وسبب وجودها، تبدأ في فهم المفاضلات التي يتعين على المصنعين القيام بها. قد يهيمن الليثيوم في الوقت الحالي، لكن الصوديوم والكبريت والزنك يمكن أن يتصدروا المشهد في المستقبل.
لن يعتمد مستقبل البطاريات على الكيمياء فحسب، بل سيعتمد على العلم والأخلاق والمصادر الذكية أيضاً.
الأسئلة الشائعة
ما هو العنصر الأكثر شيوعًا المستخدم في بطاريات أيونات الليثيوم؟
وهذا هو الليثيوم. لكنهم يستخدمون أيضًا الكوبالت والنيكل والمنجنيز في الكاثودات - والجرافيت للأنود.
هل بطاريات الليثيوم هي الخيار الأفضل لجميع التطبيقات؟
لا. بالنسبة لأشياء مثل التخزين الثابت أو الاستخدامات ذات الميزانية المنخفضة، قد يكون حمض الرصاص أو أيون الصوديوم أفضل.
هل يمكن للمصنعين صنع بطاريات بدون عناصر سامة مثل الكوبالت؟
نعم، والكثيرون يفعلون ذلك بالفعل - مع اكتساب كيميائيات LFP والنيكل العالي النيكل.
كيف يؤثر اختيار العنصر على عمر البطارية؟
مواد أفضل تتحلل بشكل أقل. فالمنغنيز وفوسفات الحديد، على سبيل المثال، يساعدان البطاريات على الاستمرار لفترة أطول.
ما هي أكثر كيميائيات البطاريات أماناً؟
توفر بطاريات الحالة الصلبة وبطاريات LFP أماناً حرارياً أفضل ومخاطر حرائق أقل من بطاريات الليثيوم أيون الثقيلة المصنوعة من الكوبالت.