هيدريدات الفلزات لتطبيقات بطاريات هيدريد النيكل المعدنية

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

تتشكل مركبات الهيدريدات الفلزية عندما يتلامس الهيدروجين مع المعادن. تتمتع هذه المركبات بقدرة ممتازة على امتصاص غاز الهيدروجين وانبعاثه. وقد جعل هذا الأمر مركبات الهيدريد الفلزية مهمة للغاية عندما يتعلق الأمر بمنتجات هيدريد النيكل الفلزية. تُستخدم هذه المركبات حاليًا لتشغيل السيارات الهجينة والأدوات الإلكترونية وأي تطبيق يتطلب خلايا قابلة لإعادة الشحن.

مقارنة أنواع البطاريات

هناك أنواع مختلفة من البطاريات المتاحة اليوم.

على سبيل المثال، تعمل بطاريات النيكل-ميتال-هيدرات على مبدأ مختلف مقارنة ببطاريات النيكل-الكادميوم. تحتوي بطاريات النيكل والكادميوم على الكادميوم. وعادة ما تشتهر هذه البطاريات بأنها بطاريات ذاكرة. تحتوي بطاريات النيكل-ميتال-هيدرات على هيدريد معدني. تتميز هذه البطاريات بفقدان ذاكرة أقل.

تتوفر خيارات أخرى. تعد بطاريات الليثيوم أيون بديلاً. لديها قدرة عالية، ولكن يجب تذكر أنه يجب إعادة شحنها بعناية فائقة. بطاريات حمض الرصاص ثقيلة جداً.

توفر هيدريدات المعادن، في تطبيقات بطاريات هيدريد النيكل المعدنية، التوازن الضروري بين كثافة الطاقة والسلامة. وبمرور الوقت، فضّل المهندسون استخدام أنظمة هيدريد المعادن في مختلف التطبيقات.

اقرأ المزيد: تطور بطاريات المركبات الكهربائية: من الرصاص الحمضي إلى الليثيوم الأيوني

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 والحركية المواتية، 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 هيدروجين أعلى، يمكن أن يختلف استقرار الطور ومقاومة التدهور أثناء ركوب الدراجات اعتمادًا على التركيب والبنية المجهرية.

في أبحاث 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 المعدنية

تُستخدم التفاعلات الكهروكيميائية في بطاريات هيدريد النيكل الفلز في جوهرها لإنتاج الطاقة الكهربائية. هنا، يتم استخدام هيدريد الفلز لتخزين ذرات الهيدروجين. عندما تكون البطارية في حالة التفريغ، تتحرك أيونات الهيدروجين بعيداً عن هيدريد المعدن وتذهب إلى قطب أكسيد النيكل. أثناء الحركة، تنتقل الإلكترونات أيضاً في الدائرة الخارجية.

أثناء الشحن، تحدث العملية العكسية. تعود ذرات الهيدروجين إلى الهيكل المعدني. ويكون التفاعل قابلاً للانعكاس. تساعد هذه الخاصية في جعل البطارية مريحة. يمكن إعادة استخدام البطارية. وقد وُجد أن آلية التفاعل فعالة في العديد من الدراسات البحثية.

الخاتمة

تشكل هيدريدات الفلزات جزءاً حيوياً من تطبيقات بطاريات هيدريد النيكل الفلزية. فهي تحسّن الأداء والاستقرار. تساعد هياكلها البلورية الفريدة في تخزين الطاقة وإطلاقها. وتتسم التفاعلات الكهروكيميائية المتضمنة فيها بالبساطة. 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.

ف: 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.