تلعب البطاريات دورًا حاسمًا في تشغيل مختلف الأجهزة الأجهزة الإلكترونية, مركبات, و معدات. تعد بطاريات الرصاص الحمضية وبطاريات الليثيوم أيون نوعين شائعين من البطاريات. في هذه المقالة, سنناقش الاختلافات بين هذين النوعين من البطاريات من حيث بنائها, مبادئ العمل, كفاءة, عمر, يكلف, والتطبيقات المشتركة.
ما هي بطارية الرصاص الحمضية
مصدر:unplash.com
بطاريات الرصاص الحمضية هي نوع من البطاريات القابلة لإعادة الشحن يستخدم أقطاب الرصاص وشوارد حمض الكبريتيك التي تستخدم عادة في السيارات, قوارب, وإمدادات الطاقة غير المنقطعة (يو بي إس) بسببهم الموثوقية والتكلفة المنخفضة. تعد بطارية الرصاص الحمضية أقدم نوع من البطاريات القابلة لإعادة الشحن, بعد أن تم اختراعه في 1859 بواسطة جاستون بلانت.
كيف تعمل بطارية حمض الرصاص?
مصدر:unplash.com
تعمل بطارية الرصاص الحمضية عن طريق تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية. وهو يتألف من سلسلة من لوحات الرصاص (الأقطاب الكهربائية) مغمورة في محلول بالكهرباء من حامض الكبريتيك والماء. تصنع الألواح من مادة مسامية ومغطاة بمعجون أكسيد الرصاص. عند توصيل البطارية بالحمل, يحدث تفاعل كيميائي بين صفائح الرصاص وإلكتروليت حمض الكبريتيك. يخلق هذا التفاعل تيارًا كهربائيًا يتدفق عبر الحمل, مثل مشغل محرك السيارة أو نظام الإضاءة.
تحتوي بطارية الرصاص الحمضية على نوعين من الأقطاب الكهربائية: القطب الموجب (ويسمى أيضًا الأنود) و القطب السالب (ويسمى أيضًا الكاثود). القطب السالب مصنوع من الرصاص, بينما القطب الموجب مصنوع من ثاني أكسيد الرصاص.
عندما يتم شحن البطارية, تُستخدم الطاقة الكهربائية لتحويل عجينة أكسيد الرصاص الموجودة على الأقطاب الكهربائية إلى رصاص وثاني أكسيد الرصاص. هذه العملية تسمى الشحن. أثناء التفريغ, يتفاعل الرصاص وثاني أكسيد الرصاص مع حمض الكبريتيك لتكوين كبريتات الرصاص على كلا الصفيحتين, إطلاق الطاقة الكهربائية في هذه العملية.
ما هي بطارية ليثيوم أيون
مصدر:unplash.com
بطاريات الليثيوم أيون هي بطاريات قابلة لإعادة الشحن استخدم أيونات الليثيوم كحامل الشحن الرئيسي. تُستخدم هذه البطاريات بشكل شائع في الأجهزة الإلكترونية المحمولة, المركبات الكهربائية, والأدوات الكهربائية نظرًا لكثافة الطاقة العالية وخفيفة الوزن. تم اختراع أول بطارية ليثيوم أيون في 1985 بواسطة جون جوديناف, ستانلي ويتنجهام, وأكيرا يوشينو.
كيف تعمل بطارية الليثيوم أيون
مصدر:unplash.com
بطاريات الليثيوم أيون هي بطاريات قابلة لإعادة الشحن شائعة الاستخدام في الأجهزة الإلكترونية المحمولة, المركبات الكهربائية, و أنظمة تخزين الطاقة. وهي تعمل باستخدام أيونات الليثيوم لنقل الطاقة بين قطبين كهربائيين: الكاثود الموجب والأنود السالب.
أثناء الشحن, يتم استخراج أيونات الليثيوم من الكاثود وتنتقل عبر المنحل بالكهرباء إلى القطب الموجب, حيث يتم تخزينها. يتم عكس العملية أثناء التفريغ, مع انتقال أيونات الليثيوم من القطب الموجب إلى الكاثود, إطلاق الطاقة في هذه العملية.
يحتوي الكاثود عادةً على أكسيد كوبالت الليثيوم, أكسيد الليثيوم المنغنيز, أو فوسفات الحديد الليثيوم, في حين أن الأنود عادة ما يكون مصنوعا من الجرافيت. المنحل بالكهرباء هو سائل أو هلام يحتوي على أملاح الليثيوم التي تسمح بتدفق الأيونات بين الأقطاب الكهربائية.
بطارية حمض الرصاص مقابل. بطارية ليثيوم أيون
مصدر:unplash.com
لهاتين البطاريتين مزايا وعيوب في العديد من الجوانب. دعونا نجري مقارنة.
مصدر：https://news.energysage.com/lithium-ion-vs-lead-acid-batteries/
يكلف
مصدر:unplash.com
في حين أن بطاريات الليثيوم أيون عادةً ما تكون ذات تكلفة أولية أعلى مقارنة ببطاريات الرصاص الحمضية, أنها توفر العديد من المزايا التي يمكن أن تعوض النفقات الأولية. على سبيل المثال, تتمتع بطاريات الليثيوم أيون بعمر أطول وكثافة طاقة أعلى من بطاريات الرصاص الحمضية, مما يجعلها أكثر كفاءة في استخدام المساحة وفعالية من حيث التكلفة على المدى الطويل. بالإضافة إلى ذلك, تتطلب بطاريات الليثيوم أيون الحد الأدنى من الصيانة ويمكن تركها دون استخدام لفترات طويلة دون أن تتدهور, بينما تحتاج بطاريات الرصاص الحمضية إلى صيانة دورية, مثل فحص وتعبئة مستويات الإلكتروليت وموازنة الخلايا لمنع الكبريتات. لذلك, في حين أن بطاريات الرصاص الحمضية قد تكون أرخص مقدمًا, قد تقدم بطاريات الليثيوم أيون عرضًا أفضل للقيمة الإجمالية, اعتمادا على التطبيق والمتطلبات المحددة.
عمر
مصدر:unplash.com
تحتوي بطاريات الليثيوم أيون بشكل عام على عمر أطول من بطاريات الرصاص الحمضية. متوسط عمر بطارية الليثيوم أيون هو حول 10 ل 15 سنين, حسب الاستخدام وأنماط الشحن, في حين أن متوسط عمر بطارية الرصاص الحمضية هو حول 3 ل 12 سنين.
أحد العوامل التي تساهم في إطالة عمر بطاريات الليثيوم أيون هي كيمياء. تستخدم بطاريات الليثيوم أيون كيمياء مختلفة عن بطاريات الرصاص الحمضية, مما يسمح لهم بالاحتفاظ بالشحن لفترة أطول دون فقدان القدرة. فضلاً عن ذلك, بطاريات الليثيوم أيون ليست عرضة للكبريت, وهي مشكلة شائعة في بطاريات الرصاص الحمضية التي يمكن أن تقلل من عمرها الافتراضي.
عامل آخر مما يساهم في إطالة عمر بطاريات الليثيوم أيون قدرتهم على تحمل ركوب الدراجات العميقة. يشير التدوير العميق إلى عملية تفريغ البطارية بالكامل ثم إعادة شحنها. في حين أن بطاريات الرصاص الحمضية يمكن أن تتلف بسبب ركوب الدراجات العميقة, تم تصميم بطاريات الليثيوم أيون للتعامل معها دون تدهور كبير في الأداء.
إجمالي, إن العمر الأطول لبطاريات الليثيوم أيون يجعلها خيارًا أكثر فعالية من حيث التكلفة على المدى الطويل, على الرغم من ارتفاع تكلفتها الأولية. لكن, تجدر الإشارة إلى أن عمر البطارية يمكن أن يتأثر بمجموعة متنوعة من العوامل, مشتمل أنماط الاستخدام, درجات حرارة التشغيل, و طرق الشحن. لذلك, تعد الصيانة والعناية المناسبة أمرًا مهمًا لضمان وصول البطارية إلى عمرها الافتراضي الكامل.
كفاءة
مصدر:unplash.com
كفاءة بطاريات الرصاص الحمضية عادة حول 85%, في حين أن كفاءة بطاريات الليثيوم أيون هي حول 90-95%. على الرغم من هذا, بطاريات الليثيوم أيون بشكل عام أكثر كفاءة من بطاريات الرصاص الحمضية, سواء من حيث كفاءة الطاقة وكفاءة الشحن.
1. كفاءة الطاقة
تحتوي بطاريات الليثيوم أيون على كثافة طاقة أعلى من بطاريات الرصاص الحمضية, مما يعني أنه يمكنهم تخزين المزيد من الطاقة لكل وحدة وزن أو حجم. وهذا يجعلها أكثر كفاءة في استخدام المساحة وتسمح لها بتشغيل الأجهزة لفترات أطول من الوقت دون الحاجة إلى إعادة الشحن. فضلاً عن ذلك, يمكن لبطاريات الليثيوم أيون تفريغ المزيد من طاقتها المخزنة قبل أن ينخفض جهدها, مما يعني أنها يمكن أن توفر المزيد من الطاقة القابلة للاستخدام لتشغيل الجهاز.
2. كفاءة الشحن
بطاريات الليثيوم أيون موجودة أيضًا أكثر كفاءة عندما يتعلق الأمر بالشحن. يمكن شحنها بمعدل أسرع وبتيارات شحن أعلى من بطاريات الرصاص الحمضية, والتي يمكن أن تقلل من أوقات الشحن وتزيد من الكفاءة الإجمالية لعملية الشحن. فضلاً عن ذلك, يمكن شحن بطاريات الليثيوم أيون بسعة أعلى دون التسبب في أي ضرر, مما يعني أنها يمكن أن توفر المزيد من الطاقة لكل دورة شحن من بطاريات الرصاص الحمضية.
التطبيقات المشتركة
مصدر:unplash.com
فيما يلي بعض التطبيقات الشائعة لبطاريات الرصاص الحمضية وبطاريات الليثيوم أيون في مختلف المجالات.
1. تطبيقات بطارية حمض الرصاص
- سيارات: تستخدم بطاريات الرصاص الحمضية على نطاق واسع في السيارات لأنها موثوقة وفعالة من حيث التكلفة. كما أنها فعالة ويمكن أن توفر تيارات كبيرة لفترات قصيرة من الزمن, مما يجعلها مثالية لبدء تشغيل المحرك. كما أن بطاريات الرصاص الحمضية لا تحتاج إلى صيانة نسبيًا وقادرة على تحمل ظروف التشغيل القاسية. بالإضافة إلى ذلك, بطاريات الرصاص الحمضية قابلة لإعادة التدوير على نطاق واسع ولا تشكل خطراً على البيئة. توجد بطاريات الرصاص الحمضية مقاومة داخلية منخفضة ويمكن أن توفر قوة عالية على مدى فترات طويلة من الزمن, مما يجعلها مناسبة تمامًا لتطبيقات السيارات.
- إمدادات الطاقة غير المنقطعة (يو بي إس): تُستخدم بطاريات الرصاص الحمضية أيضًا في أنظمة UPS لتوفير طاقة احتياطية في حالة انقطاع التيار الكهربائي. تُستخدم هذه الأنظمة بشكل شائع في مراكز البيانات, المستشفيات, وغيرها من المرافق الحيوية. بالإضافة إلى مراكز البيانات والمستشفيات, تُستخدم أيضًا أنظمة UPS المزودة ببطاريات الرصاص الحمضية على نطاق واسع في البيئات الصناعية لضمان إمداد الطاقة دون انقطاع للمعدات والعمليات الحيوية. هذه البطاريات هي المفضلة ل قدرتها على التعامل مع تيارات التفريغ العالية و مرونتهم في الشحن الزائد. لكن, يتزايد اعتماد بطاريات الليثيوم أيون في أنظمة UPS نظرًا لكثافة الطاقة العالية وعمر الخدمة الأطول, مما يجعلها بديلاً قابلاً للتطبيق للتطبيقات التي تتطلب أداءً عاليًا وموثوقية.
- السفن البحرية: تتمتع بطاريات الرصاص الحمضية بمجموعة واسعة من التطبيقات في الصناعة البحرية, من تشغيل الأنظمة الكهربائية على القوارب واليخوت إلى توفير الطاقة اللازمة لبدء تشغيل المحركات. بالاشتراك مع مصادر الطاقة الأخرى, مثل المولدات أو الألواح الشمسية, يمكن استخدامها ل أضواء الملاحة السلطة, أجهزة الراديو, أنظمة الرادار, وغيرها من المعدات الإلكترونية على متن الطائرة. السفن الصغيرة, مثل محركات التصيد الكهربائية أو المحركات الخارجية, ويمكن أيضًا تشغيلها بواسطة بطاريات الرصاص الحمضية. الميزة الرئيسية لاستخدام بطاريات الرصاص الحمضية في التطبيقات البحرية هي قدرتها على تحمل الظروف البحرية القاسية. يحميها غلافها القوي والمقاوم للتآكل من التعرض للمياه المالحة والمواد الأخرى المسببة للتآكل. فضلاً عن ذلك, وهي مصممة للعمل بفعالية في نطاق واسع من درجات الحرارة, مما يجعلها خيارًا مثاليًا للبيئات البحرية حيث يمكن أن تكون التغيرات في درجات الحرارة كبيرة.
- عربات الغولف وغيرها من المركبات الكهربائية الصغيرة: تُستخدم بطاريات الرصاص الحمضية بشكل شائع في عربات الجولف والمركبات الكهربائية الصغيرة الأخرى.
- أنظمة الأمن： تُستخدم بطاريات الرصاص الحمضية بشكل شائع في أنظمة الأمان نظرًا لتكلفتها المنخفضة ودورة الشحن/التفريغ المباشرة. يمكن أن توفر هذه البطاريات موثوقة, قوة طويلة الأمد لأنظمة الأمن, السماح لهم بالبقاء عاملين أثناء انقطاع التيار الكهربائي والاضطرابات الأخرى. ومن المعروف أيضًا أن بطاريات الرصاص الحمضية قادرة على توفير خرج طاقة أعلى من أنواع البطاريات الأخرى, مما يجعلها مثالية ل محركات الطاقة, مضخات, ومكونات أمنية أخرى.
2. تطبيقات بطارية ليثيوم أيون
- الالكترونيات الاستهلاكية: تُستخدم بطاريات الليثيوم أيون بشكل شائع في الهواتف الذكية, أجهزة الكمبيوتر المحمولة, وأقراص. لديهم كثافة طاقة عالية, مما يعني أنه يمكنهم تخزين الكثير من الطاقة في مساحة صغيرة. بالإضافة إلى ذلك, تحتوي بطاريات الليثيوم أيون عادةً على انخفاض معدلات التفريغ الذاتي, مما يعني أنها ستحتفظ بالشحن لفترة أطول من أنواع البطاريات الأخرى. لديهم أيضا لا يوجد تأثير الذاكرة, مما يعني أنه يمكن إعادة شحنها قبل تفريغها بالكامل, دون فقدان الأداء وهو ما يتماشى إلى حد كبير مع سيناريو التطبيق للإلكترونيات الاستهلاكية.
- المركبات الكهربائية: تُستخدم بطاريات الليثيوم أيون لتشغيل السيارات الكهربائية, بما في ذلك السيارات, الحافلات, والدراجات. لديهم كثافة طاقة عالية, مما يعني أنهم يستطيعون توفير الكثير من القوة بسرعة.
- أنظمة الطاقة المتجددة: تُستخدم بطاريات الليثيوم أيون لتخزين الطاقة في أنظمة الطاقة المتجددة, مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح. وغالبًا ما يتم استخدامها مع أنواع أخرى من البطاريات لتوفير تخزين طاقة موثوق وفعال.
- الفضاء والطيران: تُستخدم بطاريات الليثيوم أيون في تطبيقات الطيران والفضاء, مثل الأقمار الصناعية والطائرات بدون طيار (الطائرات بدون طيار). لقد أصبحوا الخيار المفضل بسبب كثافة الطاقة العالية وخفيفة الوزن. وهذا يقلل بشكل كبير من كمية الحمولة المطلوبة للطائرات طويلة المدى, مما يؤدي بدوره إلى زيادة سعة الحمولة والمدى. بطاريات الليثيوم أيون لديها أيضا نسبة أعلى من القوة إلى الوزن مقارنة بأنواع البطاريات الأخرى, السماح بمحركات أكثر كفاءة وقوة ومكونات الطيران الأخرى.
- الأجهزة الطبية: تستخدم بطاريات الليثيوم أيون في الأجهزة الطبية, مثل مركزات الأكسجين المحمولة ومضخات الأنسولين. يتم استخدامها لأنها كذلك صغيرة وخفيفة الوزن, ويمكن توفير قوة موثوقة لفترات طويلة من الزمن.
خاتمة
ختاماً, من المهم أن تأخذ في الاعتبار عوامل مثل البيئة, درجة حرارة, ومتطلبات الصيانة عند اختيار البطارية. على سبيل المثال, بطاريات الرصاص الحمضية هي أكثر ملاءمة للتطبيقات الثابتة ودرجات الحرارة الباردة, بينما بطاريات الليثيوم أيون أداء أفضل في تطبيقات الهاتف المحمول ودرجات الحرارة المرتفعة. إجمالي, يعد فهم نقاط القوة والضعف في كلا النوعين من البطاريات أمرًا بالغ الأهمية في اتخاذ قرار مستنير لتلبية احتياجاتك الخاصة.
