معرفی جامع باتری سرب اسید

تاریخچه پیدایش باتری سرب اسید

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

در حالت دشارژ هر دو صفحه مثبت و منفی به سولفات سرب تبدیل میشوند. و الکترولیت اکثر اسید سولفوریک حل شده را از دست می دهد و عمدتا آب می شود.

هنگامی که باتری دشارژ است غلظت اسید سولفوریک آن کاهش میابد. بنابراین با توجه به بالا آمدن نقطه ی انجماد الکترولیت، احتمال اینکه در هنگام زمستان الکترولیت منجمد شود وجود دارد. برای جلوگیری از این موضوع باتری باید کاملا شارژ باشد.

شارژ

در حالت شارژ کامل، قطب منفی شامل سرب، و  قطب مثبت شامل دی اکسید سرب است. در این حالت الکترولیت غلظت بالایی اسید سولفوریک دارد، که انرژی شیمیایی را ذخیره کرده است.

شارژ بیش از حد با ولتاژ بالا باعث تولید گاز اکسیژن و هیدروژن خواهد شد که به دلیل الکترولیز آب است. این عمل موجب از دست رفتن آب الکترولیت میشود. طراحی برخی از باتری های اسید سرب اجازه می دهد تا سطح الکترولیت را بتوان بررسی کرد و در صورت نیاز آب الکترولیت را اضافه کرد.

حرکت یون ها

اندازه گیری میزان شارژ

به دلیل اینکه در باتری های lead acid الکترولیت باتری در فرآیند شارژ و 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 باز 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 2.05 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

سلول سرب اسید معمولا توسط دو صفحه سرب به عنوان الکترود ها و الکترولیت میان آن نشان می دهند. با این حال، اگر سایز صفحات اندازه یک کارت پستال باشد، چنین ساختاری تنها حدود یک آمپر و فقط برای چند دقیقه میتواند انرژی تولید کند.

Gaston Planté راهی برای ارائه سطح موثر بسیار بالایی پیدا کرد. در طراحی Planté، صفحات مثبت و منفی از دو فویل سرب تشکیل شده اند که با یک ورق پارچه جدا شده و پیچیده شده اند. این سلول ها در ابتدا دارای ظرفیت کم بودند. بنابراین یک روند آهسته برای خوردن فویل سرب و ایجاد دی اکسید سرب بر روی صفحات برای افزایش سطح موثر مورد نیاز بود. در ابتدا برای انجام این فرآیند از باتری های اولیه استفاده میکردند. اما پس از سال 1870 با اختراع ژنراتور ها هزینه تولید باتری تا حد زیادی کاهش یافت. صفحات Planté هنوز در برخی از کاربردهای ثابت استفاده می شوند. صفحات به صورت مکانیکی شیار داده شده اند تا سطح موثر آنها بالاتر برود.

در سال 1880، کامیل آلفونس فوره روشی برای پوشش یک شبکه سرب (که به عنوان هادی جریان عمل می کند) با یک خمیر اکسید سرب، اسید سولفوریک و آب، و سپس خشک کردن آن، به ثبت رساند. صفحات در محیطی با رطوبت بالا تحت حرارت ملایم قرار میگیرند. فرآیند پخت باعث میشود که این خمیر به ترکیبی از سولفات سرب تبدیل شود که به صفحات سربی چسبیده است. سپس، در طول شارژ اولیه باتری خمیر پخته شده در صفحات به مواد الکتروشیمیایی فعال (“جرم فعال”) تبدیل میشود. فرآیند Faure به طور قابل توجهی زمان و هزینه تولید باتری سرب اسید را کاهش داد و نسبت به باتری Planté ظرفیت باتری را نیز زیاد کرد.

جداساز

جداسازهای بین صفحات مثبت و منفی مانع اتصال کوتاه از طریق تماس فیزیکی می شوند. جداسازها اجازه میدهند یونها بین صفحات یک سلول الکتروشیمیایی عبور کنند تا یک مدار بسته را تشکیل دهند. چوب، لاستیک، شیشه، سلولز و PVC یا پلی اتیلن پلاستیکی برای ساخت جداساز استفاده می شود. چوب انتخاب اصلی بود، اما در الکترولیت اسیدی خراب میشود. جدا کننده های لاستیکی در اسید باتری پایدارتر هستند و مزایای الکتروشیمیایی ارزشمندی دارند که سایر مواد ندارند.

یک جداساز موثر باید دارای تعدادی خواص مکانیکی باشد؛ مانند:

• نفوذپذیری
• مقاوم مکانیکی
• مقاومت الکتریکی
• سطح بخصوص
• هدایت یونی
• تخلخل
• سازگاری شیمیایی با الکترولیت

سطح جداساز باید کمی بزرگتر از سطح صفحات باشد تا مانع اتصال کوتاه بین صفحات شود. جداسازها باید در محدوده دمای کار باتری پایدار باقی بمانند.

الکترولیت

الکترولیت باتری سرب اسید از ترکیب اسید سولفوریک و آب تشکیل شده است. هنگامی که یک باتری سرب اسید به طور کامل شارژ می شود، الکترولیت آن یک محلول شامل 40 درصد اسید سولفوریک و 60 درصد آب است. با تخلیه باتری، صفحات مثبت و منفی به تدریج به سولفات سرب تبدیل می شوند. الکترولیت مقدار زیادی از اسید سولفوریک را از دست می دهد و در نهایت یک محلول با درصد بسیار کمی از اسید سولفوریک می شود.

از آنجایی که این یک فرایند شیمیایی برگشت پذیر است، هنگام شارژ یک باتری سرب اسید صفحات مثبت به اکسید سرب و صفحات منفی به سرب خالص اسفنجی تبدیل می شوند و الکترولیت یک محلول با درصد بالایی از اسید سولفوریک خواهد شد.

در شرایط معمولی نیازی نیست که به باتری آب یا اسید اضافه شود اما اگر محل نگهداری باتری گرم باشد ممکن است آب الکترولیت آن بخار شود. توجه کنید در این شرایط تنها آب بخار میشود و اسید سولفوریک جایی نمیرود. پس با اضافه کردن آب باید غلظت محلول الکترولیت را بین 30 تا 40 درصد اسید سولفوریک رساند. در این صورت حتما از آب دی یونیزه استفاده شود.

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 گسترده 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 عمیق 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.

بنابراین اگر جریان شارژ یا دشارژ باتری سرب اسید را بیشتر از حد مجاز بالا ببریم ظرفیت آن ممکن است تا حدود 30 درصد کاهش یابد. معمولا این باتری ها را با جریانی حدود یک هشتم جریان نامی آن شارژ میکنند. مثلا یک باتری 100 آمپر-ساعت با جریان 12.5 آمپر شارژ شود که در این صورت حدود 8 الی 9 ساعت زمان نیاز دارد.

VRLA

در باتری های VRLA ، هیدروژن و اکسیژن تولید شده در سلول ها به طور عمده با هم ترکیب شده و به شکل آب به باتری برمیگردند. نشتی این باتری بسیار کم است. اگر چه مقداری از الکترولیت هنوز هم میتواند از باتری بیرون برود. این اتفاق در صورتی رخ میدهد که بازترکیبی هیدروژن و اکسیژن نتواند به طور کامل جلو تولید گاز را بگیرد. از آنجا که باتری های VRLA نیازی به بررسی منظم سطح الکترولیت ندارند، آنها باتری های  بدون نیاز به تعمیر و نگهداری نامیده می شوند. هرچند این تا حدودی یک اشتباه است. سلول های VRLA نیاز به نگهداری دارند. همزمان با ازدست رفتن الکترولیت، سلول های VRLA خشک شده و ظرفیت خود را از دست میدهند. این موضوع را می توان با اندازه گیری منظم مقاومت داخلی، هدایت یا اندازه گیری امپدانس باتری تشخیص داد.

سولفاته و دسولفاته شدن

باتری های سرب اسید اگر به مدت طولانی دشارژ باقی بمانند، به دلیل کریستال شدن سولفات سرب، ظرفیت خود را از دست میدهند و شارژ نمیشوند. دی اکسید سرب و سرب مواد فعال بر روی صفحات باتری هستند. برای تشکیل سولفات سرب، با اسید سولفوریک در الکترولیت باتری واکنش می دهند. سولفات سرب در ابتدا به صورت بسیار ریز و نامنظم تشکیل می شود و وقتی که باتری دوباره شارژ می شود، به راحتی به سرب، دی اکسید سرب و اسید سولفوریک تبدیل می شود. با افزایش تعداد شارژ و دشارژ باتری، مقداری از این سولفات سرب در جریان شارژ به الکترولیت و اکسید سرب تبدیل نمی شوند و به آرامی به شکل بلوری پایدار درمیاید. بنابراین در طول زمان، تمام سرب به صفحات باتری برنمیگردد و مقدار مواد فعال قابل استفاده برای تولید برق کاهش می یابد.

باتری هایی که سولفاته می شوند، مقاومت داخلی بالایی پیدا میکنند و تنها قسمت کوچکی از جریان نامی خود را می توانند ارائه دهند. سولفاته شدن روی چرخه شارژ نیز تاثیر می گذارد، در نتیجه زمان شارژ افزایش میابد، شارژ کمتر و بازدهی کم میشود و دمای باتری بالاتر میرود.

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 سرب اسید مانند ترمینال ها و اتصالات، نتیجه یک واکنش شیمیایی است. خوردگی در ترمینال مثبت بوسیله الکترولیز ناشی از عدم تطابق آلیاژهای فلزی مورد استفاده در ساخت ترمینال باتری و کابل اتصال است. خوردگی سفید معمولا نشان دهنده کریستال های سولفات سرب و یا سولفات روی است. اتصالات مسی، بلورهای خوردگی آبی و سفید را تولید می کنند. خوردگی پایانه های باتری می تواند با استفاده از وازلین یا سایر مواد نفتی مخصوص کاهش یابد.

اگر باتری بیش از حد پر از آب و الکترولیت شود، انبساط حرارتی می تواند باعث سرریز شدن قسمتی از مایع را از داخل باتری به بالای باتری شود. سپس این محلول می تواند با سرب و فلزات دیگر در اتصالات باتری واکنش نشان دهد و باعث خوردگی شود. گاهی اوقات الکترولیت میتواند از اطراف پایانه های باتری از محفظه پلاستیکی به بیرون نفوذ کند.

بخار اسیدی که از طریق کلاه های خروجی تبخیر می شود، اغلب از طریق شارژ بیش از حد ایجاد می شود و تهویه نامناسب جعبه باتری اجازه افزایش و تجمع این بخارهای اسیدی شده و باعث خوردگی فلزاتی که در معرض این بخار هستند، میشود.

تفاوت های باتری سرب اسید با باتری نیکل کادمیوم

• ولتاژ هر سلول در باتری سرب اسید برابر 2 ولت و در باتری نیکل کادمیوم برابر با 1.2 ولت است.
• تغییرات دما در باتری های نیکل کادمیوم تاثیر کمتری نسبت به باتری های سرب اسید دارد.
• در ظرفیت یکسان باتری نیکل کادمیوم میتواند با نرخ جریان بالاتری شارژ و دشارژ شود.
• در شرایط یکسان و ظرفیت مشابه باتری نیکل کادمیوم طول عمر بیشتری دارد اما باتری سرب اسید کمتر از نصف قیمت باتری نیکل کادمیوم است.
• باتری نیکل کادمیوم پروفیل ولتاژ تقریبا ثابتی از شارژ کامل تا دشارژ دارد اما در باتری سرب اسید افت ولتاژ بیشتر است.

اطلاعات کامل راجب به باتری های نیکل کادمیوم را در اینجا مشاهده کنید.