نسخة الفيديو النصية
في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نصف الخلايا الجلفانية الثانوية، ونفسر كيف يمكن إعادة شحنها. لعلك على دراية بالخلايا الجلفانية. الخلايا الجلفانية نوع من الخلايا الكهروكميائية يحدث فيها تفاعل أكسدة واختزال تلقائي، ما يولد فرق جهد بين قطبي خليتين نصفيتين، ويؤدي فرق الجهد هذا إلى مرور تيار عبر السلك.
توجد فئتان من الخلايا الجلفانية، وهما الخلايا الجلفانية الأولية والخلايا الجلفانية الثانوية. الخلية الجلفانية الأولية ينطبق عليها هذا التعريف على نحو دقيق للغاية. وتتحول فيها الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربية. ينطبق الأمر نفسه على الخلية الجلفانية الثانوية. ولكن في الخلية الجلفانية الثانوية، يمكن أن يحدث العكس أيضًا. فيمكن أن تتحول الطاقة الكهربية إلى طاقة كيميائية. ويمكننا تعريف الخلية الجلفانية الثانوية بأنها نوع من الخلايا الكهروكميائية يمكن أن تعمل بوصفها خلية جلفانية وخلية إلكتروليتية على حد سواء. الخلايا الجلفانية الأولية أحادية الاستخدام. وتصبح هذه الخلايا فارغة عندما تتحول كل الطاقة الكيميائية الموجودة بها إلى طاقة كهربية. ولا يمكن إعادة شحن الخلايا الأولية. أما الخلايا الجلفانية الثانوية، فهي قابلة لإعادة الشحن.
دعونا نركز على الخلايا الجلفانية الثانوية. أثناء التفريغ، تعمل الخلايا الجلفانية الثانوية بوصفها خلية جلفانية وتتحول الطاقة الكيميائية فيها إلى طاقة كهربية. تحدث عملية التفريغ عندما توصل أو تمرر البطارية تيارًا كهربيًّا إلى جهاز خارجي بينما تولد إلكترونات عبر تفاعل أكسدة واختزال. وأثناء الشحن، الذي يسمى أيضًا إعادة الشحن، تعمل الخلية الثانوية بوصفها خلية إلكتروليتية. وتتحول الطاقة الكهربية فيها إلى طاقة كيميائية. تحدث عملية إعادة الشحن عند تمرير تيار خارجي لعكس التفريغ وتحويل الطاقة الكهربية إلى طاقة كيميائية. أثناء التفريغ، تفقد الخلية مخزون الطاقة بها. وأثناء إعادة الشحن، تسترجع مخزون الطاقة.
لنتناول الآن بعض الأمثلة على الخلايا الجلفانية الثانوية. من الأمثلة الشائعة على الخلايا الجلفانية الثانوية بطارية السيارة التي تعرف أيضًا ببطارية مركم الرصاص الحمضية. عند بدء تشغيل السيارة، تعمل البطارية بوصفها خلية جلفانية لمنح الطاقة لمحرك التشغيل أثناء الاشتعال. وهي تشغل أيضًا أضواء السيارة والأنظمة الكهربية الأخرى بها، لكن أثناء القيادة يعيد المولد شحن البطارية من خلال تفاعل إلكتروليتي. وبذلك، يكون لدينا تفريغ جلفاني وإعادة شحن إلكتروليتي. من الأمثلة الأخرى على الخلية الجلفانية الثانوية بطارية أيون الليثيوم القابلة لإعادة الشحن. يستخدم هذا النوع من البطاريات في أجهزة الكمبيوتر المحمولة، والهواتف الذكية، والأدوات الكهربائية اللاسلكية، مثل المثقاب اللاسلكي.
والآن دعونا نستعرض هذين النوعين من البطاريات، وسنبدأ ببطارية الرصاص الحمضية. يوضح المخطط تركيب بطارية مركم الرصاص الحمضية. على الرغم من أن بطاريات السيارات تختلف قليلًا فيما بينها، فإن معظمها له بنية متشابهة. يتكون المصعد والمهبط من ألواح من فلز الرصاص أو سبائك الرصاص. كل لوح مصمم على شكل شبكة، ويشبه كعكة الوافل. وتمتلئ الشبكات بمواد خاصة من الرصاص. وتكون ألواح المصعد السالبة الشحنة مملوءة برصاص إسفنجي. الرصاص الإسفنجي شكل من أشكال فلز الرصاص مقسم لأحجام صغيرة ومضغوط بدقة، وتمتلئ ألواح المهبط الموجبة الشحنة بأكسيد الرصاص، PbO2، وهو أكسيد الرصاص الرباعي.
توجد عادة ست خلايا متصلة على التوالي مكونة بطارية، جهد الخلية الكلي أو القوة الدافعة الكهربية لها تساوي 12 فولت، أي اثنان فولت لكل خلية. تغمر ألواح المهبط والمصعد في إلكتروليت حمض كبريتيك مخفف. وتوضع فواصل لمنع الألواح من التلامس. ويغلف نظام الخلايا الستة بأكمله بمادة عازلة، مثل المطاط أو البلاستيك.
الآن وبعد أن تعرفنا على تركيب بطارية الرصاص الحمضية، لنلق نظرة على العمليات الكيميائية التي تحدث أثناء التفريغ وإعادة الشحن. أثناء التفريغ، أي عند بدء تشغيل السيارة أو تشغيل الأنظمة الكهربية مثل الأضواء أو الراديو، تحدث المعادلتان النصفيتان التاليتان. عند المصعد، يتأكسد الرصاص الإسفنجي الذي له حالة تأكسد تساوي صفرًا إلى حالة تأكسد تساوي موجب اثنين. وعند المهبط، يختزل الرصاص الرباعي إلى الرصاص الثنائي. أحيانًا تكتب هذه المعادلات النصفية بطريقة مختلفة قليلًا، لكنها تؤدي جميعًا إلى نفس معادلة التفاعل النهائية أو الكلية. يتفاعل الرصاص، ومصدره الرصاص الإسفنجي، مع أكسيد الرصاص الرباعي وحمض الكبريتيك المخفف لإنتاج كبريتات الرصاص، وهو مادة صلبة، وماء.
جهد اختزال نصف الخلية عند المصعد هو سالب 0.36 فولت، وعند المهبط موجب 1.69 فولت. باستخدام هاتين القيمتين، يمكننا إيجاد جهد الخلية باستخدام المعادلة: 𝐸 الخلية تساوي 𝐸 المهبط ناقص 𝐸 المصعد. بالتعويض بهاتين القيمتين، نحصل على موجب 2.05 فولت لكل خلية في البطارية. وتذكر أنه توجد ست خلايا. إذن فإن جهد الخلية الكلي لبطارية السيارة يساوي عادة 12 فولت تقريبًا.
رأينا أن هذه المعادلة الكلية تتعلق بالتفريغ. أما أثناء إعادة الشحن، فيحدث التفاعل العكسي لذلك. ويتبادل المصعد والمهبط القطبيان. على مدار فترة طويلة من الزمن، لا تتحول كل كبريتات الرصاص مرة أخرى إلى المتفاعلات الأولية. فأثناء إعادة الشحن، وبمرور الوقت، تقل قدرة التفاعل العكسي على الحدوث. ويتحول جزء من الرصاص الناتج إلى صورة بلورية مستقرة للغاية. وتقل كمية كبريتات الرصاص المتاحة للتفاعل العكسي. وفي النهاية، تتحتم إعادة تدوير البطاريات أو استبدالها.
الآن وبعد أن تعرفنا على بطاريات الرصاص الحمضية، دعونا نلق نظرة على بطاريات أيون الليثيوم. ذكرنا من قبل أن بطاريات أيون الليثيوم تستخدم في العديد من الأجهزة الإلكترونية المحمولة، مثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة، والهواتف المحمولة، والأدوات الكهربائية اللاسلكية. يوجد العديد من أنواع بطاريات أيون الليثيوم المختلفة. يوضح المخطط بطارية أيون ليثيوم مبسطة. يتكون المهبط من أكسيد كوبالت الليثيوم. ويتكون المصعد من جرافيت الليثيوم، وتمثل النقاط الوردية في كل من المصعد والمهبط جزيئات الليثيوم. يوجد عازل بلاستيكي بين القطبين يفصل المادتين، لكنه يسمح لأيونات الليثيوم بالحركة خلاله، ولهذا نطلق على هذه البطارية بطارية أيون الليثيوم. الإلكتروليت الذي يغمر القطبين هو سداسي فلورو فوسفات الليثيوم.
يمكن استخدام مجموعة متنوعة من الفلزات الانتقالية حسب نوع بطارية أيون الليثيوم. هذا النوع تحديدًا من بطاريات أيون الليثيوم يستخدم الكوبالت. عند استخدام بطارية أيون الليثيوم لإمداد جهاز ما بالطاقة الكهربية، أي عند تفريغها من الطاقة، يحدث التفاعلان النصفيان التاليان. عند المصعد، يحدث تفاعل أكسدة وتنطلق أيونات الليثيوم وإلكترونات. المصعد سالب الشحنة؛ فتتدفق الإلكترونات التي تدخله إلى الدائرة الخارجية عبر الجهاز الكهربي ثم إلى المهبط ذي الشحنة الموجبة. في الوقت نفسه، تتحرك أيونات الليثيوم المنطلقة عبر العازل البلاستيكي باتجاه المهبط. وعند المهبط يحدث تفاعل اختزال.
يمكن أن تتفاعل الإلكترونات القادمة، وأيونات الليثيوم، وأكسيد الكوبالت لتكوين ناتج هو أكسيد كوبالت الليثيوم. والتفاعل الكلي هو LiC6 الصلب زائد CoO2 الصلب يتفاعلان لإنتاج C6 الصلب زائد LiCoO2 الصلب. تبلغ القوة الدافعة الكهربية لبطارية أيون الليثيوم النموذجية ثلاثة فولت، وإن كانت الفولتية تختلف حسب نوع بطارية أيون الليثيوم. التفاعل الموضح هنا يمثل النشاط الجلفاني. تذكر أن العكس سيحدث أثناء إعادة الشحن. دعونا نلق نظرة على ذلك. لقد مسحت بعض المعلومات على الشاشة. لنكتب الآن المعلومات الصحيحة لعملية إعادة الشحن. هذه العملية هي نشاط إلكتروليتي تعمل فيه البطارية بوصفها خلية إلكتروليتية. هذه المرة، المصعد هو مركب أكسيد كوبالت الليثيوم، والتفاعل الذي يحدث يتجه من اليمين إلى اليسار.
تحدث أكسدة هنا أيضًا حيث يتفكك LiCoO2 إلى أكسيد الكوبالت، وأيونات الليثيوم، وإلكترونات. قطبية المصعد الآن موجبة. تدخل الإلكترونات السالبة الشحنة إلى المصعد، وتتحرك عبر السلك لتدخل إلى المهبط السالب الشحنة. في الوقت نفسه، تتحرك أيونات الليثيوم من المصعد إلى المهبط عبر الفاصل البلاستيكي. وعند المهبط، تتحد الإلكترونات التي تصل عبر السلك مع أيونات الليثيوم القادمة من المصعد. ثم تتفاعل مع عمود الجرافيت، ما يؤدي إلى التفاعل العكسي لإعادة شحن جرافيت الليثيوم. وبذلك يحدث اختزال عند المهبط. ونتيجة لذلك، يحدث التفاعل الكلي من اليمين إلى اليسار هذه المرة.
تعلمنا الكثير عن بطاريات الرصاص الحمضية وبطاريات أيون الليثيوم. والآن دعونا نقارن بين هذين النوعين. من مميزات بطارية الرصاص الحمضية مقاومتها الداخلية المنخفضة، ما ينتج عنه توفير تيار كهربي عال لمحرك التشغيل. لكن يجب أن تظل بطارية الرصاص الحمضية في وضع قائم. وهذا يعد عيبًا. هذه البطاريات كبيرة وضخمة. وهي ثقيلة إلى حد ما، ومن ثم فإن نسبة قدرتها إلى وزنها منخفضة. أما بطارية أيون الليثيوم، فخفيفة الوزن. ومن ثم، تستخدم في العديد من الأجهزة المحمولة. وهي صغيرة نسبيًّا مقارنة ببطاريات الرصاص الحمضية أو صغيرة جدًّا. وهذه البطاريات مغلقة بإحكام، ومن ثم لا حاجة لأن تظل في وضع قائم. وهي توفر فولتية كبيرة بالنسبة إلى حجمها، وذلك مقارنة بالبطاريات القلوية المعتادة. يمكن أن يتسبب الشحن غير السليم أو المفرط في تقصير العمر الافتراضي لهذه البطاريات.
والآن لنلخص النقاط الرئيسية الواردة في هذا الفيديو. الخلايا الجلفانية الثانوية يمكن تفريغها وإعادة شحنها. أثناء التفريغ، تعمل هذه الخلايا بوصفها خلايا جلفانية، وأثناء إعادة الشحن تعمل بوصفها خلايا إلكتروليتية. تعد بطاريات الرصاص الحمضية مثالًا على الخلايا الجلفانية الثانوية. وتستخدم هذه البطاريات في السيارات، وتتكون من الرصاص الإسفنجي، وهو رصاص مقسم لأحجام صغيرة، وأقطاب من أكسيد الرصاص الرباعي في إلكتروليت من حمض الكبريتيك. هذه البطاريات ثقيلة وكبيرة نسبيًّا. النوع الثاني من الخلايا الجلفانية الثانوية التي تناولناها هو بطاريات أيون الليثيوم. وهي تستخدم غالبًا في الأجهزة المحمولة، مثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة، والهواتف المحمولة، والأدوات الكهربائية. يستخدم عادة جرافيت الليثيوم وأكسيد كوبالت الليثيوم مواد للأقطاب. وهذه البطاريات خفيفة الوزن وصغيرة بوجه عام، وتولد فولتية كبيرة بالنسبة إلى حجمها.
