على المدى بطارية يشير إلى مجموعة من الأفراد الخلايا، التي يمكن أن تولد الكهرباء من خلال التفاعلات الكيميائية. يتم تصنيف الخلايا على أنها إما ابتدائي or ثانوي. في الخلايا الأولية ، لا يمكن عكس التفاعلات الكيميائية التي تنتج تدفق الإلكترون ، وبالتالي لا يمكن إعادة شحن الخلايا بسهولة. على العكس من ذلك ، يجب شحن الخلايا الثانوية قبل استخدامها ، ويتحقق ذلك عن طريق تمرير تيار كهربائي عبر الخلية. تتمتع الخلايا الثانوية بميزة أنه يمكن إعادة شحنها وتفريغها بشكل متكرر من خلال الاستخدام.

البطارية الأساسية الكلاسيكية المستخدمة في الاستخدام اليومي هي خلية Leclanché الجافة ، وتسمى هكذا لأن المنحل بالكهرباء عبارة عن معجون وليس سائلًا. تتميز خلية Leclanché بالبطاريات الأسطوانية المستخدمة في المصابيح الكهربائية وأجهزة الراديو المحمولة والآلات الحاسبة والألعاب الكهربائية وما شابه. في السنوات الأخيرة ، أصبحت البطاريات القلوية ، مثل خلية ثاني أكسيد الزنك والمنغنيز ، أكثر انتشارًا لهذا النوع من الاستخدام. تم استخدام البطاريات المصغرة أو "الأزرار" في المعينات السمعية وأجهزة الكمبيوتر والساعات والكاميرات وغيرها من المعدات الإلكترونية. ومن الأمثلة على ذلك خلية أكسيد الفضة والزنك ، وخلية الزئبق ، وخلية الزنك الهوائية ، وخلية ثاني أكسيد الليثيوم والمنغنيز. انظر الشكل 1 للحصول على عرض مقطوع لبطارية قلوية نموذجية مصغرة.

الشكل 1. منظر مقطوع لبطارية قلوية مصغرة

البطارية الثانوية الكلاسيكية أو بطارية التخزين هي بطارية الرصاص الحمضية ، وتستخدم على نطاق واسع في صناعة النقل. تستخدم البطاريات الثانوية أيضًا في محطات الطاقة والصناعة. تعد الأدوات القابلة لإعادة الشحن التي تعمل بالبطاريات وفرشاة الأسنان والمصابيح الكهربائية وما شابه ذلك سوقًا جديدًا للخلايا الثانوية. أصبحت الخلايا الثانوية من النيكل والكادميوم أكثر شيوعًا ، خاصة في خلايا الجيب للإضاءة في حالات الطوارئ ، وبدء تشغيل الديزل والتطبيقات الثابتة والجر ، حيث تفوق الموثوقية والعمر الطويل وقابلية إعادة الشحن المتكررة والأداء في درجات الحرارة المنخفضة تكلفتها الإضافية.

البطاريات القابلة لإعادة الشحن قيد التطوير للاستخدام في السيارات الكهربائية تستخدم كبريتيد الليثيوم الحديدية والزنك الكلور والصوديوم الكبريت.

يعطي الجدول 1 تكوين بعض البطاريات الشائعة.

الجدول 1. تكوين البطاريات المشتركة

عمليات التصنيع

في حين أن هناك اختلافات واضحة في تصنيع الأنواع المختلفة من البطاريات ، إلا أن هناك العديد من العمليات الشائعة: الوزن والطحن والخلط والضغط والتجفيف للمكونات المكونة. في مصانع البطاريات الحديثة ، تكون العديد من هذه العمليات مغلقة وآلية للغاية ، باستخدام معدات مختومة. لذلك ، يمكن أن يحدث التعرض للمكونات المختلفة أثناء الوزن والتحميل وأثناء تنظيف الجهاز.

في مصانع البطاريات القديمة ، تتم العديد من عمليات الطحن والخلط وغيرها يدويًا ، أو يتم نقل المكونات من خطوة إلى أخرى يدويًا. في هذه الحالات ، يكون خطر استنشاق الغبار أو ملامسة الجلد للمواد المسببة للتآكل مرتفعًا. تشمل الاحتياطات الخاصة بعمليات إنتاج الغبار الإغلاق الكامل والمعالجة الآلية ووزن المساحيق ، وتهوية العادم المحلي ، والمسح الرطب اليومي و / أو التنظيف بالمكنسة الكهربائية وارتداء أجهزة التنفس وغيرها من معدات الحماية الشخصية أثناء عمليات الصيانة.

تعتبر الضوضاء أيضًا من المخاطر ، نظرًا لأن آلات الضغط وآلات التغليف صاخبة. تعتبر طرق التحكم في الضوضاء وبرامج الحفاظ على السمع ضرورية.

تحتوي الإلكتروليتات في العديد من البطاريات على هيدروكسيد البوتاسيوم المتآكل. يشار إلى الضميمة وحماية الجلد والعين من الاحتياطات. يمكن أن يحدث التعرض أيضًا لجسيمات المعادن السامة مثل أكسيد الكادميوم والزئبق وأكسيد الزئبق ومركبات النيكل والنيكل ومركبات الليثيوم والليثيوم ، والتي تُستخدم كأنودات أو كاثودات في أنواع معينة من البطاريات. يمكن لبطارية تخزين الرصاص الحمضية ، التي يشار إليها أحيانًا باسم المركم ، أن تنطوي على مخاطر كبيرة للتعرض للرصاص وتتم مناقشتها بشكل منفصل في مقالة "تصنيع بطاريات الرصاص الحمضية".

يعتبر معدن الليثيوم شديد التفاعل ، وبالتالي يجب تجميع بطاريات الليثيوم في جو جاف لتجنب تفاعل الليثيوم مع بخار الماء. يعتبر ثنائي أكسيد الكبريت وكلوريد الثيونيل ، المستخدم في بعض بطاريات الليثيوم ، من مخاطر الجهاز التنفسي. يعتبر غاز الهيدروجين المستخدم في بطاريات النيكل والهيدروجين من مخاطر الحريق والانفجار. هذه ، بالإضافة إلى المواد الموجودة في البطاريات المطورة حديثًا ، ستتطلب احتياطات خاصة.

خلايا Leclanché

يتم إنتاج بطاريات Leclanché ذات الخلايا الجافة كما هو موضح في الشكل 2. يتكون القطب الموجب أو خليط الكاثود من 60 إلى 70٪ من ثاني أكسيد المنجنيز ، ويتكون الباقي من الجرافيت ، والأسيتيلين الأسود ، وأملاح الأمونيوم ، وكلوريد الزنك ، والماء. يتم وزن ثاني أكسيد المنغنيز الجاف والمطحون جيدًا والجرافيت والأسيتيلين الأسود وتغذيته في خلاط مطحنة ؛ يضاف إلكتروليت يحتوي على ماء وكلوريد الزنك وكلوريد الأمونيوم ، ويتم ضغط الخليط المحضر على قرص أو مكبس تكتل يتم تغذيته يدويًا. في بعض الحالات ، يتم تجفيف الخليط في الفرن ، ومنخله وإعادة ترطيبه قبل وضع الأقراص. يتم فحص الأجهزة اللوحية وتغليفها يدويًا بعد السماح لها بالتصلب لبضعة أيام. ثم يتم وضع التكتلات في صواني ونقعها في إلكتروليت ، وهي الآن جاهزة للتجميع.

الشكل 2. إنتاج بطارية خلية Leclanché

الأنود هو علبة الزنك ، والتي يتم تحضيرها من فراغات الزنك على مكبس ساخن (أو يتم طي صفائح الزنك ولحامها في العلبة). يتم خلط معجون جيلاتيني عضوي يتكون من نشاء الذرة والدقيق المنقوع في الإلكتروليت في أحواض كبيرة. عادة ما يتم سكب المكونات من أكياس دون وزن. ثم يتم تنقية الخليط برقائق الزنك وثاني أكسيد المنغنيز. يضاف كلوريد الزئبق إلى المنحل بالكهرباء لتشكيل ملغم داخل حاوية الزنك. سيشكل هذا المعجون الوسط الموصّل أو المنحل بالكهرباء.

يتم تجميع الخلايا عن طريق السكب الأوتوماتيكي للكمية المطلوبة من المعجون الجيلاتيني في علب الزنك لتشكيل بطانة غلاف داخلية على حاوية الزنك. في بعض الحالات ، يتم إنهاء الكرومات عن طريق صب وإفراغ خليط من حمض الكروميك وحمض الهيدروكلوريك قبل إضافة معجون الجيلاتين. ثم يتم وضع تكتل الكاثود في موضعه في وسط العلبة. يتم وضع قضيب الكربون مركزيًا في الكاثود ليعمل كمجمع التيار.

ثم يتم ختم خلية الزنك بالشمع المنصهر أو البارافين وتسخينها باللهب لإغلاق أفضل. ثم يتم لحام الخلايا معًا لتشكيل البطارية. رد فعل البطارية هو:

2MnO₂ + 2 نيو هامبشاير₄Cl + Zn → ZnCl₂ + H₂O₂ + مينيسوتا₂O₃

قد يتعرض العمال لثاني أكسيد المنجنيز أثناء الوزن ، وتحميل الخلاط ، والطحن ، وتنظيف الفرن ، والغربلة ، والضغط اليدوي والتغليف ، اعتمادًا على درجة الأتمتة ، والحاوية المغلقة ، وتهوية العادم المحلي. في الضغط اليدوي والتغليف الرطب ، قد يكون هناك تعرض للمزيج الرطب ، والذي يمكن أن يجف لينتج غبار قابل للاستنشاق ؛ قد يحدث التهاب الجلد من التعرض للكهارل أكالة قليلاً. يمكن لتدابير النظافة الشخصية والقفازات وحماية الجهاز التنفسي لعمليات التنظيف والصيانة ومرافق الاستحمام والخزائن المنفصلة للعمل وملابس الشوارع أن تقلل من هذه المخاطر. كما هو مذكور أعلاه ، يمكن أن تنتج مخاطر الضوضاء من مكبس التغليف والأقراص.

يتم الخلط تلقائيًا أثناء تصنيع المعجون الجيلاتيني ، ويكون التعرض الوحيد أثناء إضافة المواد. أثناء إضافة كلوريد الزئبق إلى العجينة الجيلاتينية ، هناك خطر الاستنشاق وامتصاص الجلد واحتمال التسمم بالزئبق. LEV أو معدات الحماية الشخصية ضرورية.

من الممكن أيضًا التعرض لانسكابات حامض الكروميك وحمض الهيدروكلوريك أثناء استخدام الكرومات والتعرض لأبخرة اللحام والأبخرة الناتجة عن تسخين مركب الختم. تعتبر ميكنة عملية الكرومات ، واستخدام القفازات وعادم التهوية العادم المحلي للختم الحراري واللحام من الاحتياطات المناسبة.

بطاريات النيكل والكادميوم

الطريقة الأكثر شيوعًا اليوم لصنع أقطاب النيكل والكادميوم هي عن طريق ترسيب مادة القطب النشط مباشرة في ركيزة أو صفيحة مسامية من النيكل المتكلس. (انظر الشكل 3.) يتم تحضير اللوح بالضغط على عجينة من مسحوق النيكل الملبد (غالبًا ما يتم تحلل كربونيل النيكل) في الشبكة المفتوحة من الصفائح الفولاذية المثقبة المطلية بالنيكل (أو شاش النيكل أو الشاش الفولاذي المطلي بالنيكل) ثم التلبيد أو التجفيف في الفرن. يمكن بعد ذلك قطع هذه الألواح ووزنها وصقلها (ضغطها) لأغراض معينة أو لفها في لولب للخلايا من النوع المنزلي.

الشكل 3. إنتاج بطاريات النيكل والكادميوم

يتم بعد ذلك تشريب اللويحة الملبدة بمحلول نترات النيكل للقطب الموجب أو نترات الكادميوم للقطب السالب. يتم شطف هذه اللويحات وتجفيفها وغمرها في هيدروكسيد الصوديوم لتكوين هيدروكسيد النيكل أو هيدروكسيد الكادميوم وغسلها وتجفيفها مرة أخرى. عادةً ما تكون الخطوة التالية هي غمر الأقطاب الموجبة والسالبة في خلية مؤقتة كبيرة تحتوي على 20 إلى 30٪ هيدروكسيد الصوديوم. يتم تشغيل دورات الشحن والتفريغ لإزالة الشوائب وإزالة الأقطاب الكهربائية وغسلها وتجفيفها.

هناك طريقة بديلة لصنع أقطاب الكادميوم وهي تحضير عجينة من أكسيد الكادميوم ممزوجًا بالجرافيت وأكسيد الحديد والبارافين ، والتي يتم طحنها وضغطها أخيرًا بين بكرات لتشكيل المادة الفعالة. ثم يتم ضغطه في شريط فولاذي مثقوب متحرك يتم تجفيفه وضغطه أحيانًا وتقطيعه إلى ألواح. قد يتم إرفاق العروات في هذه المرحلة.

تتضمن الخطوات التالية تجميع الخلية والبطارية. بالنسبة للبطاريات الكبيرة ، يتم بعد ذلك تجميع الأقطاب الفردية في مجموعات أقطاب كهربائية مع ألواح ذات قطبية معاكسة مشذرة بفواصل بلاستيكية. قد يتم ربط مجموعات الأقطاب الكهربائية هذه أو لحامها معًا ووضعها في غلاف فولاذي مطلي بالنيكل. في الآونة الأخيرة ، تم إدخال أغلفة البطاريات البلاستيكية. تمتلئ الخلايا بمحلول إلكتروليت من هيدروكسيد البوتاسيوم ، والذي قد يحتوي أيضًا على هيدروكسيد الليثيوم. ثم يتم تجميع الخلايا في بطاريات وربطها ببعضها البعض. قد يتم لصق الخلايا البلاستيكية أو لصقها معًا. يتم توصيل كل خلية بموصل توصيل بالخلية المجاورة ، مما يترك طرفًا موجبًا وسالبًا في طرفي البطارية.

بالنسبة للبطاريات الأسطوانية ، يتم تجميع الألواح المشربة في مجموعات قطب كهربائي عن طريق لف الأقطاب الموجبة والسالبة ، مفصولة بمادة خاملة ، في أسطوانة محكمة. يتم بعد ذلك وضع أسطوانة القطب الكهربي في علبة معدنية مطلية بالنيكل ، ويضاف إلكتروليت هيدروكسيد البوتاسيوم وتُغلق الخلية باللحام.

التفاعل الكيميائي المتضمن في شحن وتفريغ بطاريات النيكل والكادميوم هو:

يحدث التعرض المحتمل الرئيسي للكادميوم من التعامل مع نترات الكادميوم ومحلولها أثناء صنع عجينة من مسحوق أكسيد الكادميوم والتعامل مع المساحيق النشطة المجففة. يمكن أن يحدث التعرض أيضًا أثناء استخلاص الكادميوم من ألواح الخردة. يمكن أن يقلل الغلاف والوزن والخلط الآلي من هذه المخاطر أثناء الخطوات المبكرة.

يمكن للتدابير المماثلة التحكم في التعرض لمركبات النيكل. إن إنتاج النيكل الملبد من كربونيل النيكل ، على الرغم من أنه يتم في آلات مختومة ، ينطوي على التعرض المحتمل لكربونيل النيكل شديد السمية وأول أكسيد الكربون. تتطلب العملية مراقبة مستمرة لتسربات الغاز.

يتطلب التعامل مع البوتاسيوم الكاوية أو هيدروكسيد الليثيوم تهوية مناسبة وحماية شخصية. يولد اللحام أبخرة ويتطلب تهوية العادم المحلي.

الآثار الصحية وأنماط المرض

تتمثل أخطر المخاطر الصحية في صناعة البطاريات التقليدية في التعرض للرصاص والكادميوم والزئبق وثاني أكسيد المنغنيز. تمت مناقشة مخاطر الرصاص في مكان آخر في هذا الفصل و موسوعة. يمكن أن يسبب الكادميوم أمراض الكلى وهو مادة مسرطنة. وُجد أن التعرض للكادميوم منتشر على نطاق واسع في مصانع بطاريات النيكل والكادميوم الأمريكية ، وكان لابد من إزالة العديد من العمال طبياً بموجب أحكام معايير الكادميوم لإدارة السلامة والصحة المهنية بسبب ارتفاع مستويات الكادميوم في الدم والبول (McDiarmid et al. 1996) . يؤثر الزئبق على الكلى والجهاز العصبي. تم توضيح التعرض المفرط لبخار الزئبق في دراسات العديد من مصانع بطاريات الزئبق (Telesca 1983). ثبت أن التعرض لثاني أكسيد المنغنيز مرتفع في خلط المسحوق والتعامل معه في تصنيع الخلايا الجافة القلوية (Wallis، Menke and Chelton 1993). يمكن أن يؤدي هذا إلى عجز وظيفي عصبي في عمال البطاريات (رويلز وآخرون 1992). يمكن لغبار المنغنيز ، إذا تم امتصاصه بكميات زائدة ، أن يؤدي إلى اضطرابات في الجهاز العصبي المركزي تشبه متلازمة باركنسون. المعادن الأخرى المثيرة للقلق تشمل النيكل والليثيوم والفضة والكوبالت.

يمكن أن تنجم حروق الجلد عن التعرض لكلوريد الزنك وهيدروكسيد البوتاسيوم وهيدروكسيد الصوديوم ومحاليل هيدروكسيد الليثيوم المستخدمة في إلكتروليتات البطاريات.

الرجوع