ما هو معيار الجهد للخلايا البطارية الشائعة؟

الجهد الاسمي حسب التركيب الكيميائي لخلايا البطارية

القلوية، NiMH، وبطاريات الليثيوم الأولية من نوع AA/AAA

الفرق الرئيسي بين البطاريات القياسية القابلة لإعادة الشحن من نوع AA/AAA يكمن في مستويات جهدها، وهو أمر مهم جدًا فيما يتعلق بالأجهزة التي يمكن استخدامها معها. فبينما تُصدر البطاريات القلوية العادية حوالي 1.5 فولت باستمرار حتى تنفد تمامًا، فإن البطاريات القابلة لإعادة الشحن من نوع NiMH تعمل عادةً عند حوالي 1.2 فولت، لكنها تصل فعليًا إلى نحو 1.4 فولت مباشرة بعد الشحن قبل أن تستقر. أما البطاريات الليثيوم (مثل النوع Li-FeS2) فتحتفظ أيضًا بجهد 1.5 فولت مثل البطاريات القلوية، لكنها تتمتع بأداء أفضل تحت الاستخدام المكثف لأنها تحتوي على طاقة أكبر وتقاوم الفقد الداخلي بشكل أفضل، ما يجعلها ممتازة للأجهزة التي تستهلك الطاقة بسرعة مثل الكاميرات الرقمية أو المصابيح القوية. وسبب ذلك يعود إلى الأساسيات الكيميائية؛ إذ تستخدم البطاريات القلوية وNiMH مواد مائية داخلها، وبالتالي لا يمكنها تجاوز حوالي 1.5 فولت دون التسبب بمشاكل تحلل الماء. أما البطاريات الليثيوم فتستخدم مواد كيميائية مختلفة تسمح لها بطبيعتها بالوصول إلى جهود أعلى. تحذير مهم: إذا قام شخص ما بوضع بطاريات NiMH ذات الجهد 1.2 فولت في جهاز مصمم ليعمل ببطاريات قلوية قياسية بجهد 1.5 فولت، فقد يتوقف الجهاز عن العمل مبكرًا جدًا، وأحيانًا قبل الموعد المتوقع بنسبة تصل إلى 20% فقط بسبب انخفاض جهد البطارية دون المستوى الذي يتطلبه الجهاز.

جهد خلايا البطاريات الأسطوانية والمستطيلة الليثيوم أيون الشائعة

تُهيمن خلايا بطاريات الليثيوم أيون على التطبيقات القابلة لإعادة الشحن الحديثة، حيث يتحدد الجهد الاسمي وفقًا لتركيب الكاثود. تشترك التنسيقات الأسطوانية (مثل 18650) والمستطيلة في هذه الأنواع الأساسية:

نوع مادة الكاثود هو ما يصنع الفرق هنا. توفر أكاسيد الكوبالت (LCO) جهدًا عاليًا وتحقن طاقة كبيرة في مساحات صغيرة، مما يجعلها مناسبة لبعض التطبيقات. أما فوسفات الحديد (LFP)، فمن ناحية أخرى، لا يوفر جهدًا مرتفعًا بالقدر نفسه، لكنه يتميز باستقراره الحراري وقدرته على الصمود لفترة أطول تحت الضغط. ولهذا السبب يفضّل كثير من الناس استخدام خلايا LFP في أنظمة تخزين البطاريات المنزلية، حيث تكون السلامة أهم من إنتاج أقصى قدر من الطاقة. ثم تأتي خلايا NMC التي تمثل حلقة وسطى بين هذين الطرفين. ويُفضّل المصنعون خلايا NMC في المركبات الكهربائية لأنها توازن بشكل معقول بين متطلبات الأداء دون التضحية كثيرًا بأي من الجانبين. وعندما تختلط كيميائيات بطاريات مختلفة معًا، قد تحدث مشكلات خطيرة إذا تم تفريغها بما يتجاوز حدود الأمان الخاصة بها. على سبيل المثال، عندما تنخفض خلايا LFP إلى أقل من 2.5 فولت أو تنخفض خلايا NMC إلى أقل من 3 فولت، فإن هذا النوع من الحالات يؤدي إلى تسريع التآكل وقد يتسبب حتى في تلف حزمة البطارية بالكامل مع مرور الوقت.

لماذا تختلف جهد خلية البطارية: الكيمياء الكهربائية وراء الجهد الاسمي

الجهد في خلايا البطاريات ليس مجرد أرقام عشوائية على ورقة المواصفات. بل ينبع فعليًا من الاختلافات الطبيعية في الخصائص الكهروكيميائية بين ما يحدث في المواد الموجبة مقارنة بالمواد السالبة داخل الخلية. عندما نتحدث عن الجهد الاسمي، فإننا ننظر أساسًا إلى النقطة التي تستقر عندها الخلية خلال دورة التفريغ الخاصة بها. ويُحدد هذا الموضع المستقر من خلال جميع التفاعلات الكيميائية التي تحدث أثناء عمل البطارية. تصل بطاريات الليثيوم أيون إلى حوالي 3.6 إلى 3.7 فولت لأنها تستخدم مواد قطب موجبة قوية مثل أكسيد الليثيوم الكوبالت. من ناحية أخرى، تعمل بطاريات NiMH بشكل مختلف. فهي تعتمد على هيدروكسيد النيكل مع سبائك معينة يمكنها امتصاص الهيدروجين، مما يمنحها خرجًا أقل يبلغ حوالي 1.2 فولت. هناك ثلاثة أسباب رئيسية وراء اختلاف هذه الجهود عبر أنواع البطاريات المختلفة:

• فجوات الجهد الأكسدة-اختزال : إن القوة المختزلة القوية للليثيوم وشدة امتصاصه العالية للإلكترونات تُنتج فروق جهد أكبر مقارنة بالزنك (القلوي) أو النيكل (NiMH).
• قيود الإلكتروليت : تقتصر الإلكتروليتات المائية على جهد قابل للاستخدام يبلغ حوالي 1.5 فولت لمنع تحلل الماء؛ بينما تتيح الإلكتروليتات العضوية أو الحالة الصلبة في أنظمة الليثيوم جهودًا أعلى بأمان.
• الديناميكا الحرارية للتفاعل والسلوك الطوري : تُنتج الكيميائيات ذات تفاعلات التفريغ أحادية الطور—مثل أكسيد الفضة (1.55 فولت) أو LFP (3.2 فولت)—منسوب جهد ثابت، في حين تؤدي التفاعلات المتعددة الخطوات إلى منحنيات مائلة (مثل القلوي).

تشكّل هذه الاختلافات بشكل مباشر هندسة النظام: إذ تقلل الخلايا ذات الجهد العالي من عدد الوصلات المتسلسلة في الأجهزة الإلكترونية المدمجة، في حين تدعم الخيارات ذات الجهد المنخفض التصاميم منخفضة التكلفة ومنخفضة الطاقة. ويضمن الاعتماد على المبادئ الكهروكيميائية في اتخاذ قرارات التصميم أداءً أمثلًا وأمانًا وطول عمر.

ما وراء الاسمي: سلوك جهد خلية البطارية في العالم الحقيقي تحت الحمل

مخططات التفريغ مقارنةً عبر خلايا بطاريات القلوي، والنيكل-الهيدريد المعدني، وأيون الليثيوم

مفهوم الجهد الاسمي هو في الحقيقة مجرد نقطة بداية. عندما نضع البطاريات فعليًا تحت أحمال عمل حقيقية، نلاحظ اختلافات كبيرة في سلوكها. خذ على سبيل المثال بطاريات القلوي. تبدأ عند حوالي 1.5 فولت ولكنها تفقد الطاقة تدريجيًا مع استهلاكها، وغالبًا ما تنخفض إلى أقل من 1.1 فولت عندما تكون شبه منتهية. أما بطاريات النيكل معدن الهيدريد (NiMH) فتحكي قصة مختلفة. فهي تبقى مستقرة نسبيًا حول 1.2 فولت طوال معظم عمرها، قبل أن تنخفض بسرعة بمجرد الوصول إلى حدود 80٪ من الاستخدام. لكن بطاريات الليثيوم أيون؟ هي شيء مختلف تمامًا. تحافظ كل من كيميائيات الليثيوم NMC وLFP على جهدها بشكل ثابت تقريبًا عند 3.6 فولت أو 3.2 فولت على التوالي لما يصل إلى 80٪ من سعتها الكلية، وذلك بسبب حركة الليثيوم المنتظمة خلالها. هذا الثبات يُحدث فرقًا كبيرًا في التطبيقات التي تعتمد بشكل كبير على معرفة المدة الدقيقة لتشغيل الجهاز، مثل الطائرات المُسيّرة التي تحلق فوق المحاصيل أو المعدات الطبية في المستشفيات. وعندما تحتاج الأجهزة إلى التعامل مع طلبات طاقة مفاجئة، يزداد الفارق أكثر. فبطاريات القلوي تميل إلى انخفاض الجهد بشكل كبير خلال تلك اللحظات القصيرة ذات الطلب العالي للطاقة، في حين تستمر بطاريات الليثيوم أيون في تزويد الطاقة بشكل موثوق. هذه الموثوقية هي ما يجعل الليثيوم مهمًا جدًا للأجهزة التي لا يمكنها بأي حال التسامح مع إمدادات كهربائية غير مستقرة.

انخفاض الجهد، حدود القص، ومخاطر توافق الجهاز

عند حدوث انخفاض مفاجئ في الجهد خلال فترات الطلب العالية على التيار، فإن هذا الظاهرة المعروفة بـ"انخفاض الجهد" تعتمد بشكل كبير على كيمياء البطارية. تتعرض البطاريات القلوية لانخفاض كبير نسبيًا، وتنخفض أحيانًا إلى حوالي 1.0 فولت عند وضعها تحت ظروف حمل شديد. أما بطاريات الليثيوم أيون فهي تتعامل مع هذه المواقف بشكل أفضل بكثير لأنها تمتلك مقاومة داخلية أقل بالإضافة إلى خصائص أفضل في حركة الأيونات. تأتي معظم الأجهزة مزودة بآليات حماية مدمجة تقفل التغذية عند مستويات جهد معينة لحماية كل من البطارية نفسها والإلكترونيات المتصلة بها. وتكون نقاط القطع الشائعة حوالي 2.8 فولت لكل خلية بالنسبة لبطاريات الليثيوم أيون العادية، و2.5 فولت لأنواع فوسفات الحديد الليثيوم، وحوالي 1.0 فولت للخلايا الهيدريد النيكل معدني. يمكن أن يؤدي مزج كيميائيات بطاريات مختلفة إلى مشكلات حقيقية. فعلى سبيل المثال، محاولة تشغيل جهاز مصمم لأجل بطاريات الليثيوم أيون ذات 3.6 فولت باستخدام خلايا قلوية قياسية بـ1.5 فولت، حتى لو كانت تناسب المساحة الفيزيائية نفسها، غالبًا ما يؤدي هذا عدم التناسق إلى حالات انقطاع جزئي عن التيار الكهربائي، أو مشاكل في التشغيل، أو ببساطة لا يعمل الجهاز إطلاقًا. قبل استبدال البطاريات، من الضروري تمامًا التحقق ليس فقط من الجهد المقنن، بل أيضًا من أدنى جهد تشغيل مقبول وفقًا لمواصفات الشركة المصنعة.

اختيار خلية البطارية المناسبة بناءً على متطلبات الجهد

من المهم جدًا الحصول على جهد خلية البطارية المناسب لما يحتاج إلى طاقة، لأن الأجهزة بخلاف ذلك لا تعمل بكفاءة، أو تتعرض للتلف مبكرًا، أو قد تُحدث حالات خطرة في بعض الأحيان. ابدأ بتحديد مدى الجهد الذي تحتاجه المنظومة فعليًا لتعمل بشكل صحيح. يتعامل معظم الناس مع جهود قياسية مثل 3.3 فولت للوحات المتحكمات الصغيرة، و5 فولت للأجهزة التي تستخدم منفذ USB في المنزل، و12 فولت الذي يظهر في كل مكان بدءًا من السيارات ووصولًا إلى أنظمة الطاقة الشمسية. وبمجرد معرفتنا بمستوى الجهد الأنسب، نختار نوع بطارية يتماشى بشكل وثيق مع هذا الرقم، مع مراعاة كمية الطاقة المستهلكة بمرور الوقت. على سبيل المثال، وحدات التحكم في الشحن بالطاقة الشمسية المصنفة بجهد 12 فولت غالبًا ما تعتمد على أربع خلايا من فوسفات الليثيوم الحديدي متصلة ببعضها، حيث توفر كل خلية حوالي 3.2 فولت عندما تكون جديدة. والسبب هو أن بطاريات LFP تحافظ على إخراج مستقر نسبيًا طوال دورة حياتها، وتتحمل أيام الصيف الحارة وليالي الشتاء الباردة دون مشاكل كبيرة.

عند النظر إلى خيارات البطاريات، لا تتوقف عند الجهد المقنن المطبوع على العبوة. فالأداء في الواقع يروي قصة مختلفة. تحتفظ بطاريات الليثيوم أيون فعليًا بأكثر من 90 بالمئة من جهدها المصنّف حتى تكاد تكون فارغة تمامًا. أما بطاريات القلوي (Alkaline) فتعمل بشكل مختلف - حيث ينخفض جهدها تدريجيًا طوال فترة الاستخدام، مما قد يؤثر بشكل كبير على أداء مزودات الطاقة الخطية. وإليك أمرًا مهمًا يجب التحقق منه: لكل جهاز متطلباته الخاصة بالحد الأدنى للجهد. فقد تتوقف بعض وحدات تعقب نظام تحديد المواقع (GPS) أو مستشعرات الإنترنت الصغيرة (IoT) عن العمل تمامًا بمجرد انخفاض كل خلية إلى أقل من 3 فولت، حتى وإن كانت البطارية لا تزال تبدو وكأنها تحتوي على شحنة وفق التصنيفات القياسية. ولهذا السبب لا يكون مطابقة المواصفات دائمًا كافيًا لضمان التشغيل الموثوق.

لتصاميم قابلة للتوسع:

• استخدم التوصيلات المتوازية لزيادة السعة فقط مع خلايا ذات تركيب كيميائي ومدى عمر وحالة شحن متطابقة.
• احسب عدد الخلايا على التوالي باستخدام الحدود العملية:
  Minimum cells = System minimum operating voltage ÷ Cell end-of-discharge voltage
Maximum cells = System maximum input voltage ÷ Cell charging voltage

تحمي هذه الطريقة من أضرار التفريغ الزائد وتتكيف مع تقلبات الجهد تحت الأحمال الديناميكية، مما يضمن دمج بطاريات قوية وجاهزة للاستخدام الميداني.

الأسئلة الشائعة

ما هو الجهد الاسمي في البطاريات؟

يشير الجهد الاسمي إلى مستوى الجهد القياسي الذي تعمل عنده خلية البطارية خلال دورة تفريغها، ويتأثر بالخصائص الكهروكيميائية للخلية.

لماذا تختلف الجهود الاسمية للبطاريات القلوية وNiMH؟

تمتلك البطاريات القلوية جهدًا اسميًا أعلى بسبب قيود الإلكتروليت المائي، في حين تمتلك بطاريات NiMH جهدًا اسميًا أقل، ويتأثر ذلك بتركيبها الكيميائي.

لماذا تُفضّل بطاريات الليثيوم أيون في التطبيقات عالية القدرة؟

توفر بطاريات الليثيوم أيون جهدًا اسميًا مستقرًا ويمكنها تحمل متطلبات الطاقة العالية بشكل أفضل بفضل مقاومتها الداخلية المنخفضة وحركة الأيونات الفعالة.

كيف يؤثر تركيب البطارية على توافق الجهاز؟

تؤدي التركيبات الكيميائية المختلفة إلى فولتيات اسميّة وسلوكيات تفريغ متفاوتة، مما قد يؤثر على أداء الجهاز إذا لم تتطابق جهود البطارية مع متطلبات الجهاز.