معرفی جامع باتری های سرب اسید

تاریخچه

دانشمند فرانسوی “Gautherot” در سال ۱۸۰۱ مشاهده کرد سیم هایی که برای آزمایش الکترولیز به کار رفته اند بعد از اینکه از باتری اصلی جدا میشوند، دارای مقدار کوچکی جریان الکتریکی هستند. در ۱۸۵۹ “Gaston Planté” اولین باتری lead acid را ارائه کرد که میتوانست با عبور جریان در جهت مخالف آن را شارژ کرد. مدل اولیه باتری “Gaston Planté” از دو ورق سرب که با یک نوار پلاستیکی جداشده بود و به شکل مارپیچ درآمده است. این باتری ها بیشتر در روشنایی واگن قطار ها به کار میرفت. در سال ۱۸۸۱ یک ورژن بهبود یافته از این باتری ها توسط “Camille Alphonse Faure” ارائه شد که در آن از ورقه های مشبک سرب استفاده شده بود. این ساختار برای تولید انبوه مناسب تر بود. یکی از سازندگان اولیه این باتری ها “Henri Tudor” بود.

ساختار الکتروشیمیایی

دشارژ

…….

شارژ

……..

حرکت یون ها

…….

اندازه گیری میزان شارژ

به دلیل اینکه در باتری های lead acid الکترولیت باتری در فرآیند شارژ-دشارژ نقش موثری دارد این باتری یک مزیت خوب نسبت به بقیه باتری ها دارد. در باتری های lead acid به راحتی میتوان با اندازه گیری چگالی نسبی الکترولیت آن، میزان شارژ هر سلول را تخمین زد. اگر باتری دشارژ شود چگالی نسبی اسید آن پایین می آید.

اندازه گیری ولتاژ مدار بار هر سلول باتری روشی دیگر برای ارزیابی میزان شارژ و سلامت باتری است اگر دسترسی به ولتاژ هر سلول امکان پذیر نباشد از ولتاژ کل باتری استفاده میشود.

توجه به این نکته ضروری است که هیچ کدام از روش های فوق نمیتواند ظرفیت باتری را تخمین بزند و تنها میزان شارژ باتری را مشخص میکند. برای تعیین ظرفیت باتری از روش های تست جریانی استفاده میشود.

ولتاژ هر سلول

از نظر تئوری ولتاژ هر سلول باتری سرب اسید ۲ ولت است و میتواند از ۱٫۸ ولت در حالت تخلیه کامل و اتصال به بار تا ۲٫۱ ولت در حالت شارژ کامل و بی باری تغییر کند. ولتاژ شناور باتری ها با توجه به مدل آنها میتواند از ۱٫۸ ولت تا ۲٫۲۷ ولت تغییر کند. به دلیل اینکه کلیه مشخصات به دما وابسته است معمولا آنها را در دمای ۲۰ درجه سانتی گراد اعلام میکنند.

ساختار

صفحات

…..

جداساز

…..

AGM

……

الکنرولیت ژله ای

……

بدون تعمیر و نگهداری، سیلد اسید و VRLA

…….

کاربردها

اکثر باتری های سرب اسید برای کاربردهای روشنایی و استارتر خودرو به کار میروند. در سال ۱۹۹۹ تعداد ۳۲۰ میلیون باتری سرب اسید ساخته شد. باتری های اسید مایع به طور گشترده در تامین انرژی منابع تغذیه بدون وقفه در سرورهای مخابراتی و کامپیوتری استفاده میشوند. همچنین این باتری به عنوان سیستم برق اضطراری زیر دریایی های اتمی، سیستم های روشنایی و پمپ های آب به کار میروند.

چرخه کار

باتری های استارتر

باتری های  سرب اسیدی که برای استارتر خودرو طراحی میشوند برای دشارژ عمیق مناسب نیستند. در این باتری ها تعداد زیادی صفحه نازک وجود دارد که باعث میشوند سطح موثر آن بالا رود و همین امر موجب افزایش جریان خروجی میشود اما اگر برای مدت طولانی دشارژ شوند به این صفحات آسیب میرسد. دشارژ عمیقق این باتری ها موجب کاهش ظرفیت باتری و خرابی زودرس آن میشود. باتری های استارتر باید به صورت پیوسته  در ولتاژ شناور و در حالت بی باری نگه داشته شوند و حداقل هر دو هفته یکبار شارژ شوند تا سولفاته نشوند. این باتری نسبت به باتری های با چرخه کار طولانی در ابعاد یکسان، سبک تر هستند.

چرخه کار طولانی

این باتری ها برای کاربردهایی نظیر سیستم های خورشیدی، خودروهای الکتریکی و UPS ها طراحی شده اند که در آن نیاز است که باتری به طور مکرر کاملا دشارژ و شارژ شود. صفحات داخلی این باتری ها ضخیم و پیک جریان خروجی آنها کم است.

شارژ و دشارژ سریع و آرام

ظرفیت باتری های سرب اسید ثابت نیست و بستگی به چگونگی دشارژ آنها دارد و یک قانون تجربی میان ظرفیت باتری و سرعت دشارژ آن وجود دارد که به قانون “Peukert” معروف است. هنگامی که باتری شارژ یا دشارژ میشود تنها مواد شیمیایی که بین الکترودها و الکترولیتها قرار دارند در واکنش شرکت میکنند. با گذشت زمان شارژی که در سطح الکترودها ذخیره شده است در سطح کل باتری پخش میشود. تصور کنید که یک باتری به طور کامل تخلیه شده است اگر باتری را به یک شارژر سریع متصل کنیم بعد از چند دقیقه ولتاژ بین صفحات و الکترولیت به ولتاژ شارژر میرسد و جریان شارژ به شدت پایین می آید. بعد از چند ساعت این شارژ سطحی در کل باتری پخش شده و ممکن است حتی نتواند یک خودرو را روشن کند.

VRLA

…..

سولفاته و دسولفاته شدن

…..

محیط زیست

نگرانی های زیست محیطی

بر اساس آماری که در سال ۲۰۰۳ منتشر شد باتری خوروها در مجموع حاوی ۲ میلیون و ۶۰۰ هزار تن سرب بود. بعضی از ترکیبات سرب به شدت سمی هستند. قرار گرفتن طولانی مدت در معرض این ترکیبات سمی میتواند موجب آسیب مغزی، کلیوی، اختلالات شنوایی و مشکلات یادگیری در کوذکان شود. صنعت خودرو تقریبا هرساله ۱ میلیون تن سرب مصرف میکند که ۹۰ درصد آن برای باتری های سرب اسید است. با وجود امکان بازیافت سرب، هر ساله حدود ۴۰ هزار تن سرب به عنوان زباله دفن میشود و حدود ۷۰ هزار تن دیگر نیز در فرآیند استخراج سرب در طبیعت پخش میشود.

بازیافت

بازیافت باتری های سرب اسید یکی از موفق ترین برنامه های بازیافت جهان است طوری که حدود ۹۹ درصد باتری های تولید شده در سال های ۲۰۰۹ تا ۲۰۱۳ در ایالات متحده بازیافت شد.

مشکلات خوردگی

خوردگی قطعات فلزی باتری های سرب اسید مانند ترمینال ها و اتصالات، نتیجه یک واکنش شیمیایی است. خوردگی ترمینال مثبت