الخلايا الأولية والثانوية
المؤلف:
GEORGE T . AUSTIN
المصدر:
SHREV ‘ S CHEMICAL PROCESS INDUSTRIES
الجزء والصفحة:
ص 443
22-9-2016
10300
الخلايا الأولية والثانوية :
يمكن استخدام التفاعلات الكيميائية لتحويل الطاقة الكيميائية الى طاقة كهربائية وهي طريقة على عكس التي قدمناها في اجزاء سابقة من هذا الفصل . ويمكن إحداث التفاعلات الكيميائية في وحدة مصممة خصوصاً بهدف الحصول على طاقة كهربائية . وتشيع تسمية هذه الوحدات بالخلايا او البطاريات . تنتج الخلايا الأولية الكهربائية بواسطة تفاعل كيميائي غير قابل للعكس بسهولة ، ولذلك يتوجب استبدال المواد الكيميائية بعد حدوث التفاعل . وتعتمد الخلايا الثانوية على التفاعلات الكيميائية العكوسة بالطاقة الكهربائية ولذلك لا تحتاج الى استبدال مقوماتها الكيميائية . كلفة الطاقة الكهربائية التي تحتويها هذه البطاريات عالية جداً ، وخصوصاً اذا استخدمت لإنتاج كميات كبيرة من الكهرباء . بلغ إجمالي بيع البطاريات 3300 مليون دولاراً عام 1979 ، كان منها 600 مليوناً على الأقل من اجل مواد كيميائية ، بما فيها المعادن .
إن تطوير الخلايا الثانوية ذات الوزن الخفيف والمحتوى العالي من الطاقة قد تحدث ثورة في استخدام الطاقة عن طريق تسويتها leveling out لعامل التحميل في مصانع القدرة ، مما يجعل الناقلات المزودة بالطاقة كهربائياً مرضية للاستخدام العام ، وقد تجعل بالإمكان استخدام الطاقة المستمدة من الرياح والمد والجزر على نحو اقتصادي .
441
الخلية الجافة العادية جهاز قديم جدا ، تحدرت مباشرة من خلية لكلانشيه Leclanche cell . يكون فبها مجمع التيار الكاثودي قضيب من الكربون ، والأنود من الزنك ، والالكتروليت هو كلوريد الزنك او مزيج من كلوريد الزنك وكلوريد الامونيوم ، يحضر في قوام معجون مع مادة غروانية ( استخدم النشاء والدقيق ) وثاني اكسيد المنغنيز الموجود كمانع للاستقطاب . يحيط بهذه الخلية غلاف من ورق مقوى وبلاستيك لعزل هذه الخلية " الجافة " .
خلايا الوقود هي خلايا اولية تستخدم معالجات الاحتراق المحفز لتوليد الكهرباء . وهي خلايا ممتازة حيثما امكن الحصول على الموثوقية ، وانخفاض الوزن في وحدة الطاقة المنتجة ، وحيثما لا تؤخذ الكلفة بعين الاعتبار . وهي ايضا وحدات واعدة بالتوليد الفعال على نطاق واسع . وتقام اليوم منشآت اساسية تحمك اجزاء متحركة ستولد الطاقة بهدوء للاستخدام المنزلي . ويمكن وضعها قريبا من المستهلك لأنها تتصف بالهدوء وعدم تلويث الجو ، الامر الذي يوفر كلفة التوزيع . ( انظر الفصل الرابع بخصوص النظرية والدراسة ) يتضمن الوقود المستخدم الهيدروكربونات ، والميثانول ، والامونيا ، والهيدرازين hydrazine ، والهيدروجين مع الهواء او الاكسجين ، وهو المؤكسد العادي .
الخلية النانوية الاكثر اهمية هي المركم الرصاصي lead storage batter . والتفاعلات التي تحدث عند التفريغ بين إلكترودين غاطسين في حمض الكبربتيك (الكبريت) المخفف جزئياً هي .
على صفيحة البيروكسيد الرصاصية الايجابية ( الكاثود )
تتولد الطاقة الكهربائية عندما تحدث هذه التفاعلات . ولتجديد النشاط ، أي إعادة شحن البطارية ، تستخدم الطاقة الكهربائية وتنعكس التفاعلات . تتألف البطارية من صفائح من الرصاص على شكل تمتلئ ، عندما تشحن ، بـ بيروكسيد الرصاص على الصفيحة الإيجابية وبالرصاص الإسفنجي على الصفيحة السالبة . تفصل الصفائح عن بعضها حواجز مصنوعة من مواد ذات مسامات دقيقة ككلوريد البولي فينيل ، أو البوليستر ، أو البوليبروبلين ، أو المطاط ، او الزجاج . تملأ البطارية بحمض الكبريتيك المخفف . وتتألف البطارية العادية من 13-15 صفيحة في الخلية وتضم عدة خلايا على التسلسل . وتولد كل خلية 2 فولطاً .
وهناك خلية أخرى تستخدم على نطاق واسع هي بطارية إديسون . تتألف الصفيحة الإيجابية فيها من بيروكسيد النيكل وقشور معدن النيكل ، والصفيحة السالبة من الحديد المطحون ناعماً . ويتألف الإلكتروليت من مزيج من هيدروكسيد البوتاسيوم وهيدروكسيد الليثيوم . تستخدم هذه البطارية على نطاق واسع في التشغيل الصناعي العنيف وفي استخدامات الخطوط الحديدية .
تشبه الخلية الثانوية المؤلفة من النيكل – كادميوم خلية إديسون المؤلفة من النيكل – حديد ، لكن مدة تخزينها أفضل ، وتفقد فقط حوالي 10 % من قدرتها خلال أول 48 ساعة بعدئذٍ تفقد حوالي 3 % أو أقل شهرياً . تستخدم هذه الخلية
للإلكترودات الموجبة والسالبة ، على التوالي ، هيدروكسيد النيكل وهيدروكسيد الكادميوم - كادميوم كمواد نشيطة كهرو كيميائيا . والالكتروليت فيها هو محلول هيدروكسيد البوتاسيوم المائي . ويمكن تمثيل التفاعل الاجمالي في الخلية كما يلي :
2Ni(OH)3 + Cd → 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2
مفرغة مشحونة
تبلغ فولطية التفريغ الاسمية للخلية حوالي 1 فولطاً . هذه الخلايا متينة ، يتصاعد منها قليل من الغازات ، فعالة عند درجات الحرارة المنخفضة ، وتستخدم ، على الرغم من كلفتها العالية ، في الخدمات الاحتياطية والطارئة ، والخدمة المتحركة ، وفي الأجهزة التطبيقية العديمة القلب كمكنات الحلاقة الكهربائية وفراشي الأسنان .
وكان القمر الصناعي تلستار قد حمل جهاز اتصال زود بالقدرة بواسطة 19 بطارية نيكل – كادميوم .
يتواصل تطوير البطاريات بقوة وكذلك الصفائح الرصاصية الواعدة . ويبين الجدول 14-6 بعض الخصائص التي يمكن الحصول عليها من مجموعات البطاريات الأقل شيوعاً مقارنة بأفضل وحدات الرصاص – الحمض .
يجب مراجعة الأرقام بحذر ، لأن التطورات الحالية تعمل على تغييرها بسرعة .
لأن السيارة تحتاج لاجتياز 100 ميلاً بسرعة معقولة من غير تجديد الشحن ، الى طاقة كثافة 356 KJ / Kg بقدرة إجمالية مقدارها KJ 178000 بكلفة منخفضة نسبياً .
وهذا الهدف لا يمكن تحقيقه في الوقت الحاضر . ولكن هناك تطور جديد يبشر بتقدم حقيقي في هذا الميدان ، رغم عدم نجاح التكنلوجيا والكلفة في حل هذه المسألة .
وتتميز بكثافة جيدة في الطاقة البطاريات العضوية التي لا تستخدم معدناً في تركيبها وتحتوي على إلكترودات من بولي أسيتيلين أو بارا فينيلين (P-Phenylene) وإلكتروليت هو بيركلورات امونيوم - تترابوتيل في كربونات بروبيلين ، وتعطي تيارات كبيرة جدا بالنسبة لحجمها .
وتجري ايضا دراسة البطاريات الثي تستخدم المعالجات البيولوجية .
الجدول 1- 1. صفات انظمة البطاريات القابلة لتجديد الشحن.
|
|
كثافة الطاقة في
الخلية KJ/Kg
|
درجة حرارة التشغيل (مئوية)
|
عمر الخلية ، مواعيد إعادة الشحن
|
|
رصاص – حمض
|
160-200
|
20-30
|
1000
|
|
ليثيوم – سلفيد الحديد
|
630-670
|
380-450
|
1000
|
|
صوديوم – ثلاثي كلوريد الأنتيمون
|
400
|
200
|
175
|
|
صوديوم – كبريت
|
555
|
250-300
|
400
|
|
نيكل – زنك
|
240
|
20-30
|
250
|
|
نيكل – حديد
(إديسون)
|
160
|
20-30
|
3000
|
|
زنك - كلور
|
200
|
50
|
100
|
الاكثر قراءة في مواضيع عامة في الكيمياء الصناعية
اخر الاخبار
اخبار العتبة العباسية المقدسة
