بحث عن بطاريات الليثيوم

مقدمة البحث

الحمد لله الذي علّم الإنسان ما لم يعلم، والصلاة والسلام على نبينا محمد. أما بعد، فلا يكاد يخلو بيت اليوم من جهاز يعمل بالبطارية: هاتف محمول، وحاسوب محمول، وساعة ذكية، وسماعة لاسلكية، ومصباح يدوي، وكثير من الألعاب الإلكترونية. وفي قلب أغلب هذه الأجهزة تعمل بطارية الليثيوم، التي غيّرت شكل حياتنا الحديثة، وصارت أساس الثورة في السيارات الكهربائية وتخزين الطاقة المتجددة. وفي هذا البحث نتعرف على هذه البطاريات: ما هي، وكيف تعمل، وما أنواعها، وكيف نستخدمها بأمان.

تعريف الموضوع

بطارية الليثيوم هي مصدر للطاقة الكهربائية يحوّل الطاقة الكيميائية المخزنة فيه إلى طاقة كهربائية، ويستخدم عنصر الليثيوم أو مركباته في تكوين القطب أو في عملية التفاعل. والليثيوم عنصر فلزي من أخف العناصر الصلبة، رمزه الكيميائي Li، وعدده الذري ثلاثة، وهو من فلزات المجموعة الأولى (الفلزات القلوية)، وشديد النشاط الكيميائي. وتنقسم البطاريات التي تستخدمه إلى قسمين رئيسين: بطاريات ليثيوم غير قابلة للشحن تُستعمل مرة واحدة، وبطاريات الليثيوم أيون القابلة لإعادة الشحن مرات كثيرة.

أهمية الموضوع

تأتي أهمية بطاريات الليثيوم من أنها تخزّن كمية كبيرة من الطاقة في حجم ووزن صغيرين، ولذلك صارت العمود الفقري للأجهزة المحمولة. كما أنها تسهم في التحول إلى الطاقة النظيفة، لأن السيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة الشمسية وطاقة الرياح تعتمد عليها. وتقدير هذه التقنية عالميًا ظاهر في أن جائزة نوبل في الكيمياء لعام ٢٠١٩ مُنحت لثلاثة علماء هم جون جودإنف وستانلي ويتنغهام وأكيرا يوشينو تقديرًا لإسهاماتهم في تطوير بطاريات الليثيوم أيون.

أهداف البحث

• التعرف على مفهوم بطارية الليثيوم وخصائص عنصر الليثيوم.
• فهم مكونات بطارية الليثيوم أيون وطريقة عملها.
• التمييز بين أنواع بطاريات الليثيوم ومميزات كل نوع.
• معرفة مجالات الاستخدام ومزايا البطاريات وعيوبها.
• التعرف على قواعد السلامة وأهمية إعادة التدوير.

عناصر البحث

أولًا: نبذة تاريخية

بدأت الأبحاث على البطاريات التي تستخدم الليثيوم في سبعينيات القرن العشرين، حين عمل ويتنغهام على مواد تستطيع احتواء أيونات الليثيوم داخل تركيبها. ثم طوّر جودإنف في ثمانينيات القرن العشرين مادة لقطب موجب ترفع جهد البطارية وتجعلها أقوى، ثم أسهم يوشينو في تطوير نموذج آمن يستخدم مواد كربونية في القطب السالب بدلًا من فلز الليثيوم النقي الشديد النشاط. وطُرحت أول بطارية ليثيوم أيون تجارية في أوائل التسعينيات، ومنذ ذلك الوقت تتطور هذه التقنية وتنتشر بسرعة.

ثانيًا: مكونات بطارية الليثيوم أيون

ثالثًا: طريقة عمل البطارية

عند التفريغ، أي عند تشغيل الجهاز، تنتقل أيونات الليثيوم الموجبة من القطب السالب إلى القطب الموجب عبر الإلكتروليت، وفي الوقت نفسه تسري الإلكترونات في الدائرة الخارجية من القطب السالب إلى القطب الموجب فتولّد التيار الكهربائي الذي يشغّل الجهاز. وعند الشحن تُجبر الطاقة الكهربائية الخارجية الأيونات على العودة إلى القطب السالب فتُخزَّن الطاقة من جديد. ولذلك تُسمى هذه البطاريات أحيانًا بطاريات «الكرسي الهزّاز»، لأن الأيونات تتحرك ذهابًا وإيابًا بين القطبين.

وتُكتب عملية التفريغ في بطارية قطبها السالب جرافيت وقطبها الموجب أكسيد الكوبالت والليثيوم على النحو الآتي:

القطب السالب: LiC₆ → C₆ + Li⁺ + e⁻

القطب الموجب: CoO₂ + Li⁺ + e⁻ → LiCoO₂

ويبلغ جهد الخلية الواحدة من هذا النوع نحو ثلاثة فولت ونصف تقريبًا، وهو أعلى من جهد الخلية القلوية العادية التي تقارب فولتًا ونصفًا، ولهذا تحتاج الأجهزة عددًا أقل من الخلايا.

رابعًا: أنواع بطاريات الليثيوم

• الليثيوم أيون: قابلة للشحن، وتستخدم في الهواتف والحواسيب والسيارات الكهربائية. ومنها أشكال أسطوانية ومنشورية وأكياس رقيقة تُعرف ببطاريات الليثيوم بوليمر.
• ليثيوم فوسفات الحديد: نوع معروف بثباته الحراري وطول عمره، ويُستخدم في أنظمة التخزين وبعض المركبات.
• بطاريات الليثيوم الأولية: غير قابلة للشحن، وتناسب الساعات وأجهزة الحاسبات وبعض الأجهزة الطبية، وتتميز بعمر تخزين طويل.

خامسًا: المميزات والعيوب

سادسًا: الاستخدامات

• الأجهزة الشخصية: الهواتف والأجهزة اللوحية والحواسيب والساعات والسماعات.
• النقل: السيارات الكهربائية والدراجات والسكوترات الكهربائية.
• الطاقة المتجددة: تخزين فائض الطاقة الشمسية وطاقة الرياح لاستخدامه ليلًا أو وقت الحاجة.
• الأجهزة الطبية: كمنظمات ضربات القلب وبعض الأجهزة المحمولة.
• الطيران والفضاء والأجهزة الصناعية والأدوات اللاسلكية.

سابعًا: إرشادات السلامة

• استخدام الشاحن والبطارية الأصليين أو المعتمدين من الشركة المصنعة.
• عدم ترك الأجهزة تحت أشعة الشمس المباشرة أو داخل السيارة في الحر الشديد.
• عدم استخدام بطارية منتفخة أو متشققة أو مبلّلة، والتوقف عنها فورًا إذا سخنت بشكل غير معتاد.
• عدم فتح البطارية أو ثقبها أو إلقائها في النار.
• عدم تغطية الجهاز أثناء الشحن بما يحبس الحرارة، وعدم شحنه على الفراش أو الوسائد.

ثامنًا: إعادة التدوير والبيئة

تحتوي البطاريات المستعملة على فلزات قيّمة كالكوبالت والنيكل والنحاس والليثيوم، ويُمكن استرجاع جزء منها بإعادة التدوير بدل استخراجها من المناجم من جديد، وهذا يحدّ من التلوث وتدمير البيئة. ولا يجوز إلقاء البطاريات في سلة النفايات المنزلية، لأنها قد تسبب حرائق في الشاحنات ومحطات الفرز، وقد تسرّب مواد ضارة؛ بل تُسلَّم إلى مراكز الجمع أو نقاط إعادة التدوير المخصصة.

النتائج

• تعتمد بطارية الليثيوم أيون على انتقال أيونات الليثيوم بين قطبين عبر إلكتروليت.
• تتميز هذه البطاريات بكثافة طاقة عالية وقابلية للشحن، لكنها تحتاج إلى استخدام حذر.
• أصبحت أساسًا للأجهزة المحمولة والسيارات الكهربائية وتخزين الطاقة المتجددة.
• تتطلب حماية البيئة جمع البطاريات المستهلكة وإعادة تدويرها.

التوصيات

• شراء البطاريات والشواحن من مصادر موثوقة، وتجنب المقلّد الرخيص.
• الالتزام بإرشادات الشحن والتخزين للحفاظ على عمر البطارية.
• تسليم البطاريات المستعملة إلى جهات إعادة التدوير.
• تشجيع البحث العلمي في بطاريات أكثر أمانًا وأطول عمرًا وأقل تكلفة.

الخاتمة

تعرّفنا في هذا البحث على بطاريات الليثيوم: مفهومها ومكوناتها وطريقة عملها وأنواعها واستخداماتها، ووقفنا على فوائدها ومخاطرها وأهمية التعامل الآمن معها وإعادة تدويرها. وتبقى هذه التقنية مثالًا على أن العلم حين يُوظَّف توظيفًا صحيحًا يخدم الإنسان ويحفظ بيئته، وعلينا أن نحسن استخدام ما أنعم الله به علينا من علم ومعرفة.

المراجع

• كتب الكيمياء للمرحلة الثانوية، وزارة التعليم في المملكة العربية السعودية، وبخاصة وحدات الكيمياء الكهربائية.
• الموقع الرسمي لجائزة نوبل: ملخص جائزة نوبل في الكيمياء لعام ٢٠١٩ وسيرة الفائزين بها.
• مدينة الملك عبدالعزيز للعلوم والتقنية: منشورات الطاقة والمواد.
• الموسوعة العربية العالمية: مادة البطارية.

كلمات دليلية

بحث، بحث عن، بحث علمي، بحوث، بطاريات الليثيوم