البطاريات وخلايا الوقود

البطاريات هي خلايا فولتية تُستخدم كمصدر محمول للكهرباء. تُصنف البطاريات إلى خلية أولية أو غير قابلة للشحن،وخلية ثانوية أو بطارية قابلة للشحن. البطارية الأولية الشائعة هي الخلية الجافة.

تحتوي على غلاف من الزنك هو المصعد،إضافة إلى مهبط من الغرافيت مغمور داخل معجون حمضي ناقل للكهرباء،مكون من أكسيد المنغنيز الرباعي وكلوريد الأمونيوم. يتأكسد الزنك إلى كلوريد الزنك،ويُختزل أكسيد المنغنيز الرباعي إلى أكسيد المنغنيز الثلاثي الصلب،وينتج عن ذلك طاقة كامنة مقدارها 1.5 فولت. عند استعمالها،فإن الأقطاب تنفد،مما يجعل الخلايا الجافة صالحة للاستخدام مرة واحدة.

بطاريات الألكالاين تشبه الجافة لكنها تستخدم كهروليت قلوي،مما يطيل عمرها في التخزين والاستعمال. بطاريات الرصاص والحمض،هي بطاريات ثانوية تُستخدم غالبًا في السيارات. تحتوي هذه عادة على ست خلايا كهروكيميائية موصولة على التوالي،تولّد طاقة كامنة إجمالية مقدارها 12 فولت.

يوجد في كل خلية مصعد من الرصاص،ومهبط من أكسيد الرصاص مغموس في حمض الكبريتيك. أثناء التفريغ،و نتيجة تفاعل التأكسد والاختزال،تترسب كبريتات الرصاص الصلبة على القطبين،والتي يُعاد تحويلها إلى ما كانت عليه،أثناء إعادة الشحن باستخدام مصدر طاقة خارجي. تحتوي بطاريات النيكل و الكادميوم القابلة للشحن على مهبط من أكسي هيدروكسيد النيكل،ومصعد من الكادميوم الصلب،وكهروليت من هيدروكسيد البوتاسيوم.

عندما تعمل،يتأكسد المصعد إلى هيدروكسيد الكادميوم الصلب،ويُختزل المهبط إلى هيدروكسيد النيكل الصلب،فينتج طاقة خلية كامنة مقدارها 1.3 فولت. غير أن،التأثير السام للكادميوم يدفع إلى الاستعاضة عن بطاريات النيكل والكادميوم ببطاريات نيكل-هيدريد فلز صديقة للبيئة. يبقى المهبط هنا دون تغيير،لكن المصعد يُستبدل بسبيكة تمتص الهيدروجين.

يتخلل تفاعل المصعد تكوين الماء من الهيدروجين. بطاريات أيون الليثيوم هي أحدث البطاريات الثانوية. معدن الليثيوم خفيف الوزن يجعل هذه البطاريات قابلة للحمل وبكثافة طاقة عالية.

تحتوي بطارية أيون الليثيوم،على مصعد غرافيت يحتوي على أملاح الليثيوم،ومهبط من أكسيد فلز الليثيوم الانتقالي. عند شحنه،يتأكسد المعدن الانتقالي،بينما تندمج أيونات الليثيوم بين طبقات الغرافيت في المصعد. عند التفريغ،تتدفق أيونات الليثيوم من المصعد إلى المهبط،مولّدة طاقة كامنة مقدارها 3.7 فولت.

أخيرًا،خلايا الوقود وهي خلايا فولتية،تتطلب إمداد خارجي مستمر من مواد تدخل في تفاعلات التأكسد والاختزال لإنتاج الطاقة. خلية الوقود الهيدروجينية النموذجية،تستخدم الهيدروجين والأكسجين من الجو لتوليد تيار أثناء قذفها الماء. تحتوي قضبان الغرافيت على محفزات ترتكز على البلاتين،لتسريع تفاعل التأكسد والاختزال.