بطاريات النيكل والكادميوم أو بطاريات

تُعد بطاريات النيكل والكادميوم مصادر ثانوية للطاقة الكهربائية اخترعها فالدمار يونغر. في أواخر القرن التاسع عشر في السويد، كان الجهاز يتألف من غلاف، وقطبين كهربائيين - أنود وكاثود - وفاصل، ومحلول إلكتروليتي. ويختلف عن البطاريات الأخرى في المادة المستخدمة في صنع الأقطاب الكهربائية ومحلول الإلكتروليت. وتؤثر هذه الاختلافات بشكل كبير على الخصائص التقنية للبطارية.

التصميم ومبدأ التشغيل

تعمل بطاريات النيكل والكادميوم (NiCd) على مبدأ تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية من خلال تفاعلات عكسية لهيدروكسيد النيكل (NiOOH) والكادميوم (Cd) والماء (H₂O). ونتيجة لذلك، يتكون هيدروكسيد النيكل Ni(OH) .₂ و Cd(OH)₂، يبدو المجالات الكهرومغناطيسية.

التفاعلات الكيميائية التي تحدث في البطارية:

أثناء الشحن: 2Ni(OH)₂+ Cd(OH)₂ → 2NiOOH + Cd + 2H₂يا

أثناء التفريغ: 2NiOOH + Cd + 2H₂O → 2Ni(OH)₂+ Cd(OH)₂

تُصنع بطاريات النيكل والكادميوم في غلاف معدني كثيف، يفصل بين قطبي النيكل والكادميوم بواسطة فاصل، ويُستخدم محلول قلوي (هيدروكسيد البوتاسيوم) كمحلول إلكتروليتي. يتكون المصعد من رقاقة معدنية أو شبكة سلكية فولاذية مطلية بمزيج من هيدروكسيد النيكل ومادة موصلة. أما المهبط، فهو أيضاً شبكة فولاذية أو رقاقة معدنية، مع معدن الكادميوم الإسفنجي المضغوط داخل الخلايا.

أنواع

بطاريات النيكل والكادميوم بحسب شكلهم يكونون:

1. الأسطوانية منها - حصلت على اسم ثان - "البنوك".
2. مستوي - قرص أو "جهاز لوحي"

يتكون نطاق الأحجام الأسطوانية من عدة أنواع قياسية أساسية:

تعيين	القطر، مم	الطول، مم	الوزن، غرام
أ	17	50	32
AA	14.2	50	21
AAA	10.5	44.5	10
نصف دائرة	23	26	30
SC (الفرع ج)	23	43	52
ج	26	46	72
د	33	58	105-145
F	33	91	231
SF (سوبر إف)	41.4	89.1	393

 

كانت بطاريات الأقراص أو "الأقراص" شائعة جدًا في بلدان السابق الاتحاد السوفيتيتُستخدم نظائر الكادميوم الحديثة لـ"الأقراص" السوفيتية في الساعات وفلاشات الكاميرات. أجهزة السمع، الكاميرات، المصابيح اليدوية.

صفات

1. الجهد الاسمي لأحد العناصر هو 1.2 فولت.
2. نطاق درجة حرارة التشغيل: من +40 إلى -50^يامع.
3. تتراوح إمكانية الشحن والتفريغ الكامل من 100 إلى 1000 دورة، وتصل النماذج الحديثة المحسنة إلى 2000 دورة.
4. يبلغ معدل الخروج الذاتي حوالي 10% شهرياً.

المزايا

تتمتع بطاريات النيكل والكادميوم بعدد من المزايا مقارنة بالبطاريات الأخرى:

• إمكانية التشغيل في درجات حرارة تحت الصفر.
• سرعة شحن عالية وتفريغ بطارية بطيء.
• التشغيل في ظل ظروف صناعية قاسية (مقاومة الصدمات، والارتطام، والأحمال العالية، وزيادة الغبار، ودرجات الحرارة تحت الصفر).
• دورات شحن وتفريغ متعددة – 1000 دورة أو أكثر.
• عمر خدمة طويل - يصل إلى 10 سنوات.
• عمر تخزين طويل، حتى عند عدم شحنه - حوالي 5 سنوات.
• تكلفة منخفضة نسبياً.

عيوب

وتشمل العيوب ما يلي:

• تأثير الذاكرة هو فقدان السعة عند شحن بطارية الكادميوم التي لم يتم تفريغها بالكامل.
• إن سمية المحتويات الداخلية تعني أنه يجب مراعاة لوائح السلامة البيئية أثناء التخلص منها.
• التفريغ الذاتي - بعد عام واحد من التخزين، سيتم تفريغ بطارية النيكل والكادميوم المشحونة بالكامل بشكل كامل.
• تستغرق عملية استعادة البطارية بعد التخزين طويل الأمد عدة دورات شحن وتفريغ كاملة.
• الجهد المنخفض للخلية الواحدة هو 1.2 فولت. لزيادة جهد خرج البطارية، يتم توصيل عدة خلايا على التوالي.

طلب

بطاريات الكادميوم، بسبب خصائصها، تُستخدم هذه المواد في الأجهزة ذات الاستهلاك العالي للتيار الكهربائي وأحمال التشغيل العالية:

• النقل النهري والبحري.
• النقل الجوي - الطائرات والمروحيات.
• النقل الكهربائي الأرضي - الترام، الحافلات الكهربائية.
• معدات عسكرية.
• الإنتاج الصناعي - السيارات الكهربائية.
• الأدوات الكهربائية - المثاقب، المفكات.
• الأجهزة المنزلية - ماكينات الحلاقة الكهربائية، المصابيح اليدوية.
• هندسة الراديو – أجهزة الاتصال الداخلي المحمولة، والألعاب التي يتم التحكم فيها عن طريق الراديو.

الاستنتاجات والتوصيات

• لا ترتفع درجة حرارة بطاريات النيكل-كادميوم أثناء التشغيل لأن التفاعلات الكيميائية داخلها ماصة للحرارة، أي أن الحرارة المتولدة تُمتص. هذه الخاصية تقلل من خطر ارتفاع درجة الحرارة وتطيل عمرها الافتراضي.
• إن وجود غلاف محكم الإغلاق، قادر على تحمل التأثيرات الخارجية القاسية (تغيرات درجة الحرارة والضغط، والتدمير الكيميائي)، يجعل بطاريات النيكل والكادميوم مقاومة للاحتراق التلقائي.
• في المصانع الصناعية، تستمر بطاريات الكادميوم في العمل بشكل موثوق لمدة تتراوح بين 10 و20 عامًا، على الرغم من وجود نظائر حديثة جديدة، وبالتالي لا تتطلب استبدالًا.

لإطالة عمر بطاريات النيكل والكادميوم، يجب شحنها بشكل صحيح:

• للحصول على شحن عالي الجودة، تحتاج إلى استخدام شواحن خاصة (ZU).
• لا يُنصح بشحن بطارية لم تُفرغ تمامًا - إذ سيحدث تبلور، وستقل مساحة سطح المادة، و سعة.
• إن إعادة الشحن المستمر - الناتج عن ارتفاع درجة الحرارة وانخفاض كمية الماء في الإلكتروليت - سيؤدي إلى تدمير الأقطاب الكهربائية والفاصل.
• يؤدي الشحن غير الكافي إلى استنزاف عمر بطارية النيكل والكادميوم.
• للقضاء على "تأثير الذاكرة"، يجب استعادة سعة البطارية عن طريق إجراء عدة دورات شحن وتفريغ.
• يُفضل إجراء عملية الشحن عند درجة حرارة 20^يامع.