هيدريدات الفلزات لتطبيقات بطاريات هيدريد النيكل المعدنية

الوصف

تلعب هيدريدات الفلزات دوراً رئيسياً في بطاريات هيدريد النيكل المعدنية. فهي تساعد في تخزين الهيدروجين وإطلاقه. ويؤدي استخدامها إلى تحسين أداء البطارية وسلامتها.

هيدريدات الفلزات هي مركبات تتشكل عندما يرتبط الهيدروجين بالفلزات. وتتمتع هذه المركبات بقدرة كبيرة على امتصاص الهيدروجين وإطلاقه. وهذا يجعلها جزءاً أساسياً من أنظمة هيدريد النيكل الفلزية. واليوم، تُستخدم هيدريدات الفلزات في السيارات الهجينة والإلكترونيات الاستهلاكية وغيرها من المجالات التي تحتاج إلى بطاريات قابلة لإعادة الشحن.

مقارنة أنواع البطاريات

هناك العديد من أنواع البطاريات المتاحة اليوم.

على سبيل المثال، تعمل بطاريات هيدريد النيكل المعدني بشكل مختلف عن بطاريات النيكل والكادميوم. تستخدم بطاريات النيكل والكادميوم الكادميوم وهي معروفة بتأثيرات الذاكرة. تستخدم بطاريات هيدريد النيكل المعدني النيكل هيدريد هيدريدات معدنية وتظهر فقدان ذاكرة أقل.

بطاريات الليثيوم أيون هي خيار آخر. فهي توفر سعة عالية ولكنها تتطلب عناية خاصة عند الشحن. بطاريات حمض الرصاص ثقيلة وتحتاج إلى صيانة. لكل نوع بطارية نقاط قوة ونقاط ضعف.

في تطبيقات بطاريات هيدريد النيكل المعدني، تعطي هيدريدات الفلزات توازناً جيداً بين كثافة الطاقة والسلامة. وعلى مر السنين، فضّل المهندسون أنظمة هيدريد المعادن في العديد من الاستخدامات المحمولة والسيارات.

اقرأ المزيد: تطور بطاريات المركبات الكهربائية: من حمض الرصاص إلى الليثيوم أيون

الهياكل البلورية لمواد بطاريات هيدريد النيكل المعدنية

إن التركيب البلوري للمواد في بطاريات هيدريد النيكل المعدني مهم جداً. يؤثر ترتيب الذرات على مدى جودة تخزين الهيدروجين وإطلاقه. وتتبع العديد من مواد بطاريات هيدريد النيكل الفلز النيكل بنية AB5. في هذا النموذج، يتكون هيدريد الفلز من عنصر ترابي نادر أو عنصر فلز انتقالي وخمس ذرات فلزات أخرى. وتخلق هذه البنية مساحات لتستقر فيها ذرات الهيدروجين.

يقيس المهندسون والعلماء هذه البلورات ويستخدمون حيود الأشعة السينية. ومن خلال القياسات الدقيقة، يمكنهم معرفة مقدار الهيدروجين الذي يمكن امتصاصه. توفر هذه البنية قابلية جيدة للانعكاس والاستقرار.

اقرأ المزيد: كل شيء عن بطاريات السيارات الكهربائية

البنى البلورية لمواد البطاريات (AB5، AB2، إلخ)

في بطاريات هيدريد النيكل-المعدن (NiMH)، تلعب البنية البلورية للسبائك الممتصة للهيدروجين دوراً رئيسياً في تحديد الأداء. ومن بين أكثر الهياكل التي تمت دراستها هي الهياكل من النوع AB₅ و AB₂، حيث يشير الحرفان "أ" و"ب" إلى مكونات معدنية مختلفة. وتعتبر هذه المواد ضرورية في التطبيقات التي تتطلب دورة حياة طويلة، وسعة هيدروجينية عالية، وسلوك شحن/تفريغ فعال - وهي خصائص أساسية للمركبات الكهربائية الهجينة القابلة للشحن (PHEVs) والسيارات الكهربائية (EVs).

عادةً ما يشتمل الهيكل من النوع AB₅، الموجود عادةً في بطاريات NiMH، على عناصر أرضية نادرة في الموقع A ومعادن انتقالية في الموقع B. وتوفر هذه البنية مزيجاً متوازناً من سعة تخزين الهيدروجين وحركية مواتية، ما يجعلها خياراً موثوقاً لتطبيقات المستهلكين والسيارات. على سبيل المثال، تعتمد بطاريات NiMH محكمة الغلق المستخدمة في سيارة تويوتا بريوس (طرازات II-V) على مواد من نوع AB₅ وقد أثبتت عمر بطارية يصل إلى 150,000 ميل، كما ورد في الاختبارات المعملية للشركة المصنعة.

من ناحية أخرى، تتألف الهياكل من نوع AB₂ أيضاً من مكونين معدنيين ولكنها تقدم خصائص كهروكيميائية مختلفة قليلاً. في حين يمكن أن تُظهر سبائك AB₂ سعات هيدروجينية أعلى، يمكن أن يختلف استقرار الطور ومقاومة التدهور أثناء ركوب الدراجات اعتمادًا على التركيب والبنية المجهرية.

في بحوث البطاريات، يتم تحليل كل من هيدريدات AB₅ و AB₂ عن كثب لمعرفة معلمات شبكتها وتحولات الطور والاستقرار الحراري، حيث يمكن أن تؤثر حتى التعديلات الطفيفة في عناصر السبائك بشكل كبير على الأداء والعمر الافتراضي. وتظل هذه المركبات - التي يشار إليها الآن باسم "الهيدريدات الكلاسيكية" - ذات أهمية كبيرة. من خلال السبائك الدقيقة لكل من معادن الموقع A وB، تمكن الباحثون من تحسين الاستقرار الكهروكيميائي وإطالة عمر الدورة بشكل أكبر، مما يجعلها مرشحة بقوة للجيل القادم من بطاريات NiMH عالية الأداء.

التفاعلات الكهروكيميائية في بطاريات هيدريد النيكل المعدني

في بطاريات هيدريد النيكل المعدني، تقع التفاعلات الكهروكيميائية في قلب عملية توليد الطاقة. يخزن هيدريد الفلز ذرات الهيدروجين. عندما يتم تفريغ شحن البطارية، تتحرك أيونات الهيدروجين بعيداً عن هيدريد الفلز. وتنتقل إلى قطب أكسيد النيكل. في هذه العملية، تتدفق الإلكترونات في الدائرة الخارجية. تنتج البطارية تياراً كهربائياً للأجهزة.

أثناء الشحن، يحدث العكس. تعود ذرات الهيدروجين إلى الهيكل المعدني. وتكون التفاعلات عكسية. تضيف قابلية الانعكاس هذه الراحة. يمكن استخدام البطارية بشكل متكرر. في العديد من الدراسات، أثبتت آلية التفاعل البسيطة هذه موثوقيتها وفعاليتها.

الخاتمة

تشكّل هيدريدات الفلزات جزءاً حيوياً من تطبيقات بطاريات هيدريد النيكل الفلزية . فهي تحسّن الأداء والاستقرار. وتساعد بنيتها البلورية الفريدة في تخزين الطاقة وإطلاقها. كما أن التفاعلات الكهروكيميائية التي تنطوي عليها واضحة ومباشرة. وتشمل الفوائد المجتمعية أنظمة طاقة أكثر أماناً وأقل تأثيراً على البيئة.

الأسئلة المتداولة

س: ما الدور الذي تلعبه هيدريدات الفلزات في هذه البطاريات؟
س: تمتص الهيدروجين وتطلقه للمساعدة في إدارة طاقة البطارية.

و: كيف تؤثر الهياكل البلورية على أداء البطارية؟
س: تحدد مدى جودة تخزين الهيدروجين وإطلاقه في الأقطاب الكهربائية.

س: و: لماذا تُعد بطاريات هيدريد النيكل المعدني مفضلة في السيارات الهجينة؟
س: ج: إنها توفر كثافة طاقة جيدة وسلامة وموثوقية مع تقليل الضرر البيئي.