تاریخ انتشار :پنجشنبه ۳۰ فروردين ۱۳۹۷ ساعت ۱۲:۳۰
کد مطلب : 69363
آیا می دانید چند درصد ازحجم سرب دنیا صرف ساخت باتری های سرب-اسیدی می‌شود؟ چرا باتری سرب اسیدی بیشتر برای یوپی اس پیشنهاد می‌شوند؟ چرا می‌گویندنباید بیش از ۶ ماه باتری ها انبارداری شوند؟ باتری سرب اسید چگونه کار می‌کنند؟
باتری‌ های سرب اسید را بیشتر بشناسیم
به گزارش زیست آنلاین، در سلسله مقالات آشنایی با باتری ها سعی داریم تا با انواع باتری هایی را مورد بررسی قرار دهیم که بیشترین کاربرد را در صنعت یوپی‌اس دارند. شاید مهمترین ویژگی‌های مورد نیاز در این صنعت قابلیت شارژ مجدد باتری و همچنین امکان دشارژ آن با جریان های بالا باشد به همین دلیل باتری های نیکل-کادمیوم و سرب-اسید اصلی ترین سهم را در تامین انرژی برای یوپی‌اس‌ها بر عهده دارند. بیش از یک قرن از اختراع هر دو نوع باتری می‌گذرد و به همین دلیل با گذر زمان و پیشرفت تکنولوژی نمونه‌های مختلفی از هر کدام بوجود آمده است. در این مقاله با پرکاربردترین نوع باتری ها یعنی باتری های سرب اسید آشنا می‌شویم.

باتری های سرب-اسید (Lead-Acid Battery)

باتری سرب اسیدی در سال ۱۸۵۹ برای اولین بار توسط یک فیزیکدان فرانسوی به نام Gaston Planté به عنوان اولین باتری با قابلیت شارژ مجدد بصورت تجاری به بازار عرضه شد. هم اکنون اقبال عمومی به استفاده از این باتری‌ها تا به حدی است که تقریبا ۸۰ درصد از کل مصرف سرب دنیا در ساخت باتری‌های سرب اسیدی استفاده می‌شود.

 

نمودار درصد کاربرد کل سرب جهان در صنایع گوناگون مانند باتری

قیمت نسبتا پایین این نوع از باتری‌ها در مقایسه با سایر باتری‌های مشابه و همچنین قابلیت جریان دهی لحظه‌ای بالای آنها، باتری‌های سرب اسیدی را تبدیل به بهترین انتخاب برای مصارف گونان همچون خودروها، کشتی‌ها و بویژه یوپی اس ها نموده است. البته در کنار این حسن می‌بایست به نقطه ضعف اصلی باتری سرب اسید نیز اشاره نمود:

وزن و حجم بالا
حساسیت و ناپایداری بالاتر باتری سرب اسیدی نسبت به باتری های نیکل کادمیوم در مواردی که باتری بصورت کامل دشارژ می‌شود.
این یک قانون کلی برای هر نوع باتری است که در هر دشارژ کامل، اندکی از ظرفیت باتری از دست می‌رود. البته این مقدار تا هنگامی اندک خواهد بود که باتری در شرایط خوب و ابتدای عمر خود باشد با افزایش عمر باتری و افزوده شدن سیکل های دشارژ، بتدریج مقدار ظرفیت از دست رفته در هر سیکل دشارژ بیشتر خواهد شد. البته لازم به ذکر است که این پدیده در تمام انواع باتری ها دیده می‌شود ولی درجات آن متفاوت است. بطور کلی حساسیت نسبی باتری‌های سرب اسید به دشارژ کامل باعث شده است که حداکثر تعداد سیکل‌های دشارژ کامل یا اصطلاحا “Deep Discharged” آنها حدودا بین ۲۰۰ تا ۳۰۰ سیکل باشد. دشارژ عمیق باتری باعث بروز پدیده‌ای به نام “خوردگی شبکه” یا Grid Corrosion، در صفحات قطب مثبت باتری می‌شود که شدیدا در کاهش طول عمر باتری تاثیرگذار است.

باتری های سرب اسید و نیکل کادمیوم را اگر به حال خود رها کنند، بدلیل وجود پدیده خود دشارژی (Self Discharge)، بتدریج دشارژ خواهند شد. اما سرعت این پدیده در باتری های نیکل کادمیم حدودا چهار بار بیشتر از باتری‌های سرب اسیدی است. احتمالا شنیده‌اید که زمان انبارداری باتری های سرب اسیدی نباید بیش از ۶ ماه باشد، علت آن همین پدیده خود دشارژی است. چون پس از گذشت چند ماه باتری به طور کامل دشارژ شده و همانطور که گفتیم دشارژ عمیق باتری باعث آسیب دیدن آن و بروز پدیده خوردگی شبکه باتری می‌شود. در انتهای مطلب گذر مجددی به دلیل بروز این پدیده خواهیم داشت.

شارژ باتری‌های سرب-اسیدی ساده است و حتی به کمک یک منبع ولتاژ نسبتا ساده (مثل دینام خودرو) نیز می‌توان براحتی باتری را شارژ نمود. اما حتما می‌بایست محدودیت‌هایی را در سطح ولتاژ شارژر در نظر گرفت. یکی دیگر از دلایل بروز پدیده خوردگی شبکه قطب مثبت باتری بالا بودن ولتاژ شارژر باتری است. وجود مستمر ولتاژ بیش از ۱۳٫۷ ولت بر هر باتری (یا ولتاژ ۲٫۲۸ برای هر سلول باتری)، احتمال بروز پدیده خوردگی قطب مثبت را افزایش می‌دهد، اما اگر برای جلوگیری از وقوع آن ولتاژ شارژر را بیش از حد کاهش دهیم حال پدیده مخرب دیگری بنام سولفاته شدن قطب منفی (Sulfation) رخ خواهد داد که بازهم منجر به کاهش ظرفیت توان دهی باتری می‌شود. لذا در صورتیکه تمایل به استفاده مناسب ازباتری‌های سرب اسیدی وجود داشته باشد می‌بایست حتما از یک شارژر مناسب با در نظر گرفتن کلیه محدودیت‌های این نوع باتری‌ها استفاده نمود.

ساختار یک باتری سرب اسید

ساختار یک باتری ترکیبی است از مواد شمیایی، نکات التکریکی، نگهدارنده‌ها وفرم دهنده‌های مکانیکی. بطور کلی می‌توان باتری سرب اسید را متشکل از ۴ بخش کلی دانست:

الکترود یا صفحات مثبت که به آنها آند نیز گفته می‌شود. الکترونها در حین دشارژ جذب این قطب یا صفحات می‌شوند. در باتریهای سرب اسیدی ماده شیمیایی عمده تشکیل دهنده صفحات مثبت، اکسید سرب (PbO۲) می‌باشد.
الکترود یا صفحات منفی که به آنها کاتد نیز گفته می‌شود. الکترونها در حین دشارژ از این قطب خارج می‌شوند. ماده شیمیایی عمده تشکیل دهنده اکترودهای منفی، سرب (Pb) است. لازم بذکر است که سرب یا اکسید آن از لحاظ مکانیکی قابلیت فرم گیری مناسب ندارند و اغلب به کمک افزودن آلیاژهای مختلف و همچنین شبکه‌های نگهدارنده حالت دهی می‌شوند. ضمنا اصطلاحا آنها را مواد فعال یا Active Material نیز می‌گویند زیرا در اصل واکنش شیمیایی داخل باتری به کمک سرب و اکسید آن صورت می‌گیرد..
نمای ساده شده‌ی درون یک باتری

الکترولیت که محیط ما بین دو الکترود را پر می‌کند و در واقع بستری برای عبور شارژ بین الکترودهای مثبت و منفی را فراهم می‌آورد. در باتریهای سرب اسیدی هر دو قطب در محلولی از اسید سولفوریک (H۲­SO۴) با غلظتی در حدود ۲۵ تا ۴۰ درصد و آب (H۲O) با غلظتی در حدود ۶۰ تا ۷۵ درصد، غوطه ور هستند. ترکیب آب و اسید سولفوریک باعث می‌شود که اسید سولفوریک بصورت یونیزه درآمده و به یونهای H+ و HSO۴– تبدیل شود.
جداکننده و فاصله دهنده، بخش دیگر باتریهای سرب اسیدی را تشکیل می‌دهند. وظیفه اصلی آنها جدا سازی و ایزوله کردن الکتریکی قطبهای مثبت و منفی از یکدیگر است. بخشی از تکنولوژی ساخت باتریهای سرب اسیدی مربوط به طراحی این ایزولاتورهای الکترومکانیکی است. در بعضی از انواع که از نظر حجم باتری محدودیتی وجود ندارد این ایزولاسیون به کمک ایجاد فاصله فیزیکی بین الکترودها ایجاد می‌شود که باعث ارزانتر شدن باتری ولی افزایش حجم آن می‌شود. انواع مختلفی از جدا کننده‌ها تا بحال ابداع شده‌اند که مرسوم ترین آنها عبارتند از:
الف) جداکننده‌های PVC که اغلب ترکیبی از آلیاژ سرب و آنتیموان می‌باشند و از نظر هدایت الکتریکی ضعیف‌ترین پاسخ را دارند.
ب) جداکننده‌های سلولزی که از هدایت الکتریکی نسبی و تخلخل مناسبی برخوردار می‌باشند.
ج) جداکننده‌های پلی اتیلنی، از استحکام مکانیکی و هدایت مناسبی برخوردار هستند و بدلیل فرم پذیری مناسب خود اغلب بصورت پاکتی الکترودهای مثبت را در بر می‌گیرند.
د) جدا کننده‌های AGM (Absorptive Glass Mat) تقریبا به عنوان بهترین نوع جدا کننده شناخته می‌شوند و تاثیر بسزایی در برگشت پذیری مجدد اکسیژن آزاد شده در واکنشها به محیط شیمیایی باتریها بازی میکنند.
ه) جدا کننده‌های Gel تقریبا مشابه AGM می‌باشند و بطور کلی در باتریهایی که از این نوع جدا کننده‌ها استفاده می‌کند الکترولیت بصورت مایع جریان ندارد و اغلب بصورت ژلی یا خمیری شکل است.
بطور کلی اختلاف ولتاژ ایجاد شده به کمک یک سلول از الکترودهای مثبت و منفی در باتریهای سرب اسیدی حدود ۲ تا ۲٫۱ ولت است. لذا ولتاژهای بالاتر مثل ۱۲ ولت از اتصال سری چندین سری از الکترودهای مثبت و منفی تشکیل می‌شود. قطر صفحات مثبت و منفی نقش اساسی در تعیین ظرفیت باتری بازی می‌کنند. اغلب برای کاربردهای با ظرفیت معمول همچون باتریهای استارتر خودرو قطر این صفحات کمتر از ۲ میلی متر است. اما در کاربردهایی با قابلیت شارژ دهی طولانی قطر الکترودها به ۶ میلی متر نیز خواهد رسید.

حال که با کلیت یک باتری سرب-اسید آشنا شده‌اید اجازه دهید که اندکی نیز به روابط شیمیایی داخل باتری و نحوه ایجاد جریان و روند شارژ بپردازیم.

روند دشارژ

در روند دشارژ، الکترود مثبت الکترون را از مدار بیرونی به خود جذب می‌کند. این الکترونها با مواد فعال قطب مثبت و یونهای موجود در الکترولیت، یک واکنش شیمیایی را آغاز می‌کنند. این واکنش در رابطه زیر نمایش داده شده است:

PbO۲  +  HSO۴–  +  ۳H+  +  ۲e–   →    PbSO۴  +  ۲H۲O

همانطور که دیده می‌شود الکترون دریافت شده از مدار بیرونی و یونهای موجود در الکترولیت اطراف الکترود مثبت باعث تولید سولفات سرب (PbSO۴) و آب در اطراف آن می‌شوند. لازم بذکر است که اکسید سرب (PbO۲) که ماده فعال قطب مثبت محسوب می‌شود بتدریج به سولفات سرب تبدیل  می‌شود، که در نهایت کل سطح قطب مثبت را فرا خواهد گرفت و در آن هنگام دیگر باتری جریان نمی‌دهد. ضمنا در طی این واکنش خاصیت اسیدی محلول الکترولیت به تدریج از بین می‌رود و آب جای آن را می‌گیرد.  تبدیل اسید به آب یکی از ویژگی‌های جالب باتریهای سرب اسیدی است. همانطور که گفتیم هر چه باتری دشارژ می‌شود اسید باتری مصرف شده و آب جای آن را میگیرد پس می‌توان براحتی با اندازه گیری اسیدیته محلول الکترولیت باتری می‌توان پی به سطح شارژ آن برد. همانطور که شاید دیده باشید بعضی از باتریهای ماشین دارای یک نمایشگر سطح شارژ هستند که در واقع شبیه یک کاغذ تورنسل، سطح اسیدیته را با رنگهای مختلف نشان می‌دهد. یا خیلی از باتری سازها وسیله‌ای شبیه به یک قطره چکان برای اندازه‌گیری کیفیت باتریهای “تر” دارند./ منبع: یو پی اس آنلاین

https://zistonline.com/vdcgww93.ak9y34prra.html
ارسال نظر
نام شما
آدرس ايميل شما