سر البطارية

منذ توغل ثقافة الأجهزة المحمولة في حياتنا، أصبح للبطاريات انتشار غير مسبوق، هواتف محمولة وأجهزة إم بي ثري ولاب توب وكاميرات رقمية ومشغّلات فيديو محمولة وأجهزة الريموت كونترول، إضافة طبعاً إلى ساعات اليد والراديو وكافة الأجهزة التقليدية الأخرى التي تتضمن إمكانية تشغيلها خارج المنزل. كل هذه الأجهزة تحتاج إلى بطاريات بعشرات الأشكال والأحجام لتشغيلها. دعتنا هذه الثقافة أن نحاول اختراع وتحسين طرق لتخزين الطاقة في شيء ما وأخذه معنا إلى حيث لا يوجد مقبس، وهكذا كانت البطارية. وبسبب أن كل الأجهزة الحديثة تتجه الآن إلى أن تكون لاسلكية؛ فهذا يعني بكل تأكيد أنها تتجه لأن تعتمد في عملها على البطاريات، وبالتالي ازدياد أهميتها في حياتنا.
وربما كان بدء انتشار الهواتف المحمولة هو التاريخ الحقيقي لبدء اهتمام الناس الزائد عن الحد بالبطاريات؛ ففجأة ظهرت عادة جديدة بين ملايين الناس هي الانتباه لمستوى شحن بطاريات هواتفهم المحمولة حتى لا تنفد منهم فجأة، وأحياناً الاحتفاظ بواحدة أخرى احتياطيّة لاستخدامها وقت الحاجة. وهكذا بدأ عصر البطاريات.
ووفقاً لتعريفها في كتب الإلكترونيات؛ فالبطارية هي خلية أو أكثر من الخلايا الكهروكيميائية يتم توصيلها على التوالي، وذلك لتخزين الطاقة الكيميائية وتحويلها إلى طاقة كهربية عند الحاجة.
تاريخ البطارية
يعود تاريخ البطارية إلى تجارب فولتا الشهيرة التي قام فيها بتطوير أبحاث جالفاني.

بدأ الأمر عام 1771 عندما وجد عالِم التشريح الإيطالي لويجي جالفاني أن عضلة ساق الضفدعة المقتولة حديثاً تنقبض إذا تم لمسها بواسطة فِلزّين مختلفين متصلين ببعضهما، وقد فسّر جالفاني الأمر تفسيراً خاطئاً؛ حيث ذكر أن عضلات الضفدع تحتوي على كهرباء سماها الكهرباء الحيوانية! بعد ذلك أتى أليكساندرو فولتا ليوضّح أن تفاعلاً كيميائياً حدث في المادة الرطبة التي تحتوي عليها عضلة الضفدع؛ فسار تيار كهربي بين الفِلزّين، ثم كرر التجربة واستبدل محلولاً من الملح بعضلة الضفدعة، واستخدم أقراصاً من الفضة وأقراصاً من الزنك وصّلها على التوالي، ليحصل على أول بطارية في التاريخ، والتي عرفت بعد ذلك بعمود فولتا.

كان فولتا قد قام بتوصيل 32 خلية من هذا النوع على التوالي لتعظيم فرق الجهد الكهربي الناتج؛ مما جعل البطارية أشبه بالعمود. كان هذا عام 1799. وحتى اليوم يتم تسمية البطارية بالعمود في كثير من دول أوروبا إشارة إلى عمود فولتا.
إلا أن فولتا لم يدرك أن فرق الجهد الكهربي قد تولّد من تفاعل كيميائي، وكان يظن أن بطاريته هي مصدر لا ينفد للطاقة؛ لكن التفاعل كان مرهوناً بتوفّر المتفاعلات كما بيّن مايكل فارادي عام 1830.
عام 1836 ظهرت بطارية دانيال التي طوّرها الكيميائي الإنجليزي جون فريدريك دانيال، ليتلافى الكثير من عيوب بطارية فولتا؛ حيث استخدم عموداً من الزنك وغمسه في وعاء مسامي يحتوي على محلول من كبريتات الزنك، ثم غمر هذه المجموعة كلها في وعاء من النحاس يحتوي على محلول من كبريتات النحاس، وقد أعطت هذه البطارية تياراً أفضل بكثير من أسلافها. استُخدِمت بطارية دانيال بعد ذلك على نطاق واسع في عالَم ما قبل الشبكات الكهربيّة؛ حيث كانت تستخدم في أجهزة التلغراف وما شابه من أجهزة ثابتة.
لكن هذه البطاريات التي كانت تعتمد على المحاليل السائلة الموضوعة في أوانٍ كثيراً ما كانت تنسكب وتتسرّب أو تنكسر أوعيتها؛ مما يجعلها غير مناسبة على وجه الإطلاق للأجهزة المحمولة. وهكذا، وقرب نهاية القرن التاسع عشر، كان الطريق قد تمهد لظهور البطارية الجافة؛ حيث تم التخلّص من المحاليل السائلة واستخدام عجينة صلبة بدلاً منها، فأصبحت البطاريات مناسبة أخيراً للأجهزة المحمولة.
كيف تعمل البطارية؟
تتكون البطارية من خلية جلفانية أو أكثر، وتتكون كل خلية من نصفي خلية موصلين على التوالي بواسطة محلول موصّل. أحد نصفي الخلية يُمثل القطب الموجب، والنصف الآخر يُمثل القطب السالب. يجب ألا تتلامس الأقطاب؛ وإنما تتصل بواسطة المحلول الموصّل، ويتم استخدام العجينة الصلبة بدلاً من المحلول في حالة البطارية الجافة. ثم هناك الوعاء المغلق الذي يضم هذه الأشياء معاً، وعادة ما يكون هناك حاجز بداخل الوعاء يمنع تلامس القطبين، بينما يسمح بمرور جزيئات المحلول من خلاله.
كل نصف خلية يكون له قوة محركة كهربية "electromotive force" ويرمز لها بالرمز "emf"، تحَدّد بمدى قدرتها على دفع التيار الكهربي من داخل إلى خارج الخلية. وتحدّد المحصّلة النهائيّة لل"emf" الخاصة بالبطارية بالفرق بين قيمتها في كل من نصفيّ الخلية.
أما فرق الجهد الكهربي بين طرفي البطارية والذي يُعرف بالفولتية؛ فهو الذي يجعل الإلكترونات تتحرّك من القطب السالب إلى الموجب، وتقاس بالفولت نسبة إلى ألكساندرو فولتا. وتعتمد قيمة الفولتيّة على طبيعة التفاعل الكيميائي الذي يحدث بداخل البطارية؛ فبطاريات الكربون والزنك والبطاريات القلوية (الألكالاين) تعطي فرق جهد مقداره 1.5 فولت؛ بينما تعطي بطاريات الليثيوم (مثل بطاريات الهواتف المحمولة) 3 فولت أو أكثر.
ولنتعرّف على طريقة عمل البطارية الجافة، سنلقي نظرة على كيفية عمل بطارية من نوع الزنك والكربون؛ حيث تتكون البطارية من وعاء من الزنك يمثل القطب السالب، وعمود من الكربون (الجرافيت) يُمثل القطب الموجب، وبينهما عجينة من كلوريد الأمونيوم وكلوريد الزنك، هذه العجينة لا تتلامس مع عمود الكربون؛ بسبب وجود خليط من بودرة الكربون وأكسيد المنجنيز بينهما.
يتأين الزنك في القطب السالب ويطلق إلكترونات حرّة؛ بينما تنطلق أيونات الهيدروجين من كلوريد الأمونيوم، وتحدث مجموعة من التفاعلات الكيميائية التي تنتقل فيها الإلكترونات من القطب السالب إلى الموجب.
في البطاريات القديمة من هذا النوع، كان كثيراً ما يحدث تسرّب لعجينة الزنك من الوعاء إذا تم استخدام البطارية لفترة طويلة؛ وذلك لأن وعاء البطارية يعمل كقطب سالب فكان الزنك يُستهلك باستمرار ويُصبح جدار البطارية رقيقاً مع كثرة الاستخدام، وتبدأ فجوات في الظهور في وعاء البطارية ليحدث منها التسرّب، مما كان يسبب الكثير من المشاكل. فيما بعد تم تصميم أوعية بطاريات مقاومة للتسرب لحل هذه المشكلة.
في العدد القادم نتعرّف على أنواع البطاريات، وسيدهشك حقاً أن لها كل هذه الأنواع.