باتری اسید سرب چگونه کار می کند؟

باتری اسید سرب که توسط پزشک فرانسوی گاستون پلانته در سال 1859 اختراع شد ، اولین باتری قابل شارژ برای استفاده تجاری بود. علی رغم قدمت بالای آن ، شیمی سرب امروزه همچنان به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد.
دلایل خوبی برای محبوبیت آن وجود دارد. اسید سرب قابل اعتماد و ارزان است بر اساس هزینه هر وات. تعداد کمی از باتری‌ های دیگر وجود دارند که به ارزانی اسید سرب ، انرژی فله را ارائه می‌کنند ، و این باعث می‌شود باتری برای خودرو ها، اتومبیل‌ های گلف ، لیفتراک‌ ها، منابع برق دریایی و برق اضطراری (UPS) مقرون‌به‌ صرفه باشد.

ساختار اصلی باتری اسید سرب

ساختار شبکه باتری اسید سرب از آلیاژ سرب ساخته شده است. سرب خالص خیلی نرم است و انسجام خاصی ندارد ، بنابراین مقادیر کمی از فلزات دیگر برای بدست آوردن استحکام مکانیکی و بهبود خواص الکتریکی اضافه می شود.
رایج ترین افزودنی ها آنتیموان، کلسیم ، قلع و سلنیوم هستند. این باتری ها اغلب با نام های سرب-آنتیموان و سرب کلسیم شناخته می شوند.

افزودن آنتیموان و قلع چرخه عمیق ( دیپ سیرکل) را بهبود می بخشد اما این امر مصرف آب را افزایش می دهد و نیاز به یکسان سازی را تشدید می کند.
کلسیم تخلیه خود را کاهش می دهد، اما صفحه سرب-کلسیم مثبت اثر جانبی رشد به دلیل اکسیداسیون شبکه در هنگام شارژ بیش از حد دارد.
باتری‌ های اسید سرب مدرن همچنین از عوامل دوپینگ مانند سلنیوم، کادمیوم، قلع و آرسنیک برای کاهش محتوای آنتیموان و کلسیم استفاده می‌کنند.

اسید سرب سنگین است و در هنگام چرخه عمیق نسبت به سیستم های مبتنی بر نیکل و لیتیوم دوام کمتری دارد. تخلیه کامل باعث فشار می شود و هر چرخه تخلیه/شارژ به طور دائم مقدار کمی از ظرفیت باتری را از بین می برد.
این اتلاف در شرایطی که باتری در شرایط کارکرد خوبی است ، اندک است، اما زمانی که عملکرد به نصف ظرفیت اسمی کاهش یابد ، محو شدن آن افزایش می‌یابد. این ویژگی فرسودگی برای همه باتری ها در درجات مختلف اعمال می شود.

بسته به عمق تخلیه ، اسید سرب برای کاربردهای چرخه عمیق 200 تا 300 سیکل تخلیه/شارژ را ارائه می دهد.
دلایل اولیه برای چرخه نسبتا کوتاه آن خوردگی شبکه روی الکترود مثبت ، تخلیه مواد فعال و گسترش صفحات مثبت است. این پدیده پیری در دمای عملیاتی بالا و هنگام کشیدن جریان‌ های تخلیه بالا تسریع می‌شود.

روش شارژ باتری اسید سرب

شارژ باتری اسید سرب بسیار ساده است، اما محدودیت های ولتاژ صحیح باید رعایت شود. انتخاب یک محدودیت ولتاژ پایین باتری را محافظت می کند، اما این عملکرد ضعیفی ایجاد می کند و باعث تجمع سولفاته روی صفحه منفی می شود.
محدودیت ولتاژ بالا عملکرد را بهبود می بخشد اما خوردگی شبکه را روی صفحه مثبت ایجاد می کند. در حالی که در صورت سرویس دهی به موقع می توان سولفاتاسیون را معکوس کرد ، خوردگی دائمی است.

اسید سرب برای شارژ سریع مناسب نیست و در اکثر انواع ، شارژ کامل 14 تا 16 ساعت طول می کشد. باتری باید همیشه در حالت شارژ کامل ذخیره شود. شارژ کم باعث سولفاته شدن می شود ، وضعیتی که عملکرد باتری را از بین می برد.
افزودن کربن روی الکترود منفی این مشکل را کاهش می دهد اما انرژی ویژه را کاهش می دهد.

باتری اسید سرب طول عمر متوسطی دارد ، اما مانند سیستم‌ های مبتنی بر نیکل تحت حافظه نیست و حفظ شارژ در بین باتری‌های قابل شارژ بهتر است. در حالی که NiCd تقریباً 40 درصد از انرژی ذخیره شده خود را در سه ماه از دست می دهد، اسید سرب در یک سال به همان میزان خود تخلیه می شود.
باتری های اسید سربی در دما های سرد به خوبی کار می کند و در شرایط زیر صفر نسبت به لیتیوم یون برتری دارد. با توجه به آخرین تحقیقات در سال (2018) در کشور آلمان ، هزینه اسید سرب غرقابی حدود 150 دلار در هر کیلووات ساعت است، که یکی از کمترین ها در باتری است.

باتری های اسید سرب مهر و موم شده

اولین باتری اسید سرب مهر و موم شده یا بدون نیاز به تعمیر و نگهداری در اواسط دهه 1970 ظاهر شد. مهندسان استدلال کردند که اصطلاح ” اسید سرب مهر و موم شده ” نام اشتباهی است زیرا هیچ باتری اسید سرب را نمی توان به طور کامل آب بندی کرد.
برای کنترل تهویه در هنگام شارژ استرس زا و تخلیه سریع، دریچه هایی اضافه شده اند که در صورت افزایش فشار، گازها را آزاد می کنند.
به جای غوطه ور کردن صفحات در یک مایع، الکترولیت در یک جداکننده مرطوب آغشته می شود، طرحی که شبیه سیستم های مبتنی بر نیکل و لیتیوم است. این امکان کارکرد باتری را در هر جهت فیزیکی بدون نشتی فراهم می کند.

باتری مهر و موم شده حاوی الکترولیت کمتری نسبت به نوع غرقابی است ، از این رو اصطلاح ” گرسنگی اسیدی” نامیده می شود.
شاید مهمترین مزیت اسید سرب مهر و موم شده ، توانایی ترکیب اکسیژن و هیدروژن برای ایجاد آب و جلوگیری از خشک شدن در حین دوچرخه سواری باشد.
نوترکیب در فشار متوسط 0.14 بار (2psi) رخ می دهد. در صورت افزایش تجمع گاز، شیر به عنوان یک دریچه ایمنی عمل می کند.
از تهویه مکرر باید اجتناب شود زیرا این امر منجر به خشک شدن نهایی می شود.

انواع باتری های اسید سربی

انواع مختلفی از باتری های اسید سرب مهر و موم شده پدید آمده اند و رایج ترین آنها ژل است که به عنوان اسید سرب تنظیم شده با شیر (VRLA) و حصیر شیشه ای جاذب (AGM) نیز شناخته می شود.
سلول ژل حاوی ژل نوع سیلیکا است که الکترولیت را در یک خمیر معلق می کند. بسته های کوچکتر با ظرفیت حداکثر 30Ah اغلب SLA نامیده می شوند

اسید سرب آلد: این باتری ها که در یک ظرف پلاستیکی بسته بندی شده اند برای یو پی اس های کوچک، روشنایی اضطراری و ویلچر استفاده می شوند. به دلیل قیمت پایین ، خدمات قابل اعتماد و نگهداری کم، SLA انتخاب ارجح برای مراقبت های بهداشتی در بیمارستان ها و خانه های سالمندان است.
VRLA بزرگتر به عنوان پشتیبان برق برای برج های تکرار کننده سلولی، هاب های اینترنت، بانک ها، بیمارستان ها، فرودگاه ها و موارد دیگر استفاده می شود.

AGM الکترولیت را در یک تشک شیشه ای طراحی شده معلق می کند. این مزیت‌ های متعددی را برای سیستم‌ های اسید سربی ارائه می‌کند ، از جمله شارژ سریع‌ تر و جریان‌ های بار بالا در صورت تقاضا. AGM به عنوان یک باتری میان رده با ظرفیت های 30 تا 100 آمپر ساعت بهترین عملکرد را دارد و برای سیستم های بزرگ مانند UPS کمتر مناسب است.
استفاده‌ های معمولی باتری‌ های استارت برای موتورسیکلت‌ ها ، عملکرد start-stop برای خودروهای میکرو هیبریدی، و همچنین دریانوردی و RV است که نیاز به پدال زدن دارند.

با پدال زدن و افزایش سن باتری ، ظرفیت AGM به تدریج از بین می رود. از سوی دیگر، ژل دارای منحنی عملکرد گنبدی شکل است و مدت بیشتری در محدوده عملکرد بالا باقی می ماند اما پس از پایان عمر به طور ناگهانی کاهش می یابد.
AGM گران تر از نوع غرقابی است، اما ارزان تر از ژل است. ( ژل برای استفاده استارت/استاپ در خودروها بسیار گران است.)

برخلاف باتری های غرقابی، باتری اسید سربی مهر و موم شده با پتانسیل اضافه ولتاژ پایین طراحی شده است تا باتری را از رسیدن به پتانسیل تولید گاز خود در هنگام شارژ منع کند.
شارژ بیش از حد باعث ایجاد گاز، تهویه و متعاقباً تخلیه و خشک شدن آب می شود. در نتیجه، ژل و تا حدی AGM را نمی توان با پتانسیل کامل خود شارژ کرد و حد ولتاژ شارژ باید کمتر از سیلاب تنظیم شود.
این امر در مورد شارژ شناور با شارژ کامل نیز صدق می کند. در مورد شارژ، ژل و AGM جایگزین مستقیمی برای نوع سیلابی نیستند.
اگر شارژر مشخصی برای AGM با تنظیمات ولتاژ کمتر در دسترس نیست ، پس از 24 ساعت شارژ، شارژر را جدا کنید. این از گازگرفتگی به دلیل ولتاژ شناور که بیش از حد بالا تنظیم شده است جلوگیری می کند.

دمای عملیاتی بهینه برای باتری VRLA در 25 درجه سانتیگراد (77 درجه فارنهایت) است. هر 8 درجه سانتیگراد (15 درجه فارنهایت) بالاتر از این آستانه دما، عمر باتری را به نصف کاهش می دهد.

چگونه گرما و بارگذاری بر عمر باتری تأثیر می‌گذارد:

باتری‌ های اسید سرب دارای نرخ تخلیه 5 ساعته (0.2 درجه سانتیگراد) و 20 ساعته (0.05 درجه سانتیگراد) هستند.
باتری زمانی که به آرامی تخلیه می شود بهترین عملکرد را دارد. خوانش ظرفیت در دبی آهسته تر نسبت به نرخ 1C به طور قابل ملاحظه ای بالاتر است.
با این حال، اسید سرب می‌تواند جریان‌های پالس بالایی چند درجه سانتی‌گراد را ارائه دهد، اگر فقط برای چند ثانیه انجام شود. این باعث می شود که اسید سرب به عنوان یک باتری استارت، که به عنوان اشتعال نور استارت (SLI) نیز شناخته می شود، مناسب باشد. محتوای بالای سرب و اسید سولفوریک اسید سرب را با محیط زیست ناسازگار می کند.

باتری‌ های اسید سرب معمولاً به سه کاربرد طبقه‌بندی می‌ شوند :

باتری استارت یا SLI، نیروی محرکه (کشش یا چرخه عمیق) و ثابت (UPS).

1- باتری استارت یا SLI

باتری استارت برای چرخاندن یک موتور با بار لحظه ای پرقدرت که یک ثانیه یا بیشتر طول می کشد طراحی شده است.
با توجه به اندازه آن، باتری قادر به ارائه جریان بالایی است اما نمی توان آن را چرخه عمیق کرد. باتری‌ های استارت با Ah یا RS (ظرفیت ذخیره) برای نشان دادن قابلیت ذخیره انرژی و همچنین CCA (آمپرهای میل لنگ سرد) برای نشان دادن جریانی که باتری در دمای سرد می‌تواند ارائه دهد، رتبه‌بندی می‌شوند.
SAE ، تخلیه آن در 30 ثانیه در دمای 18- درجه سانتیگراد (0 درجه فارنهایت) در آمپر CCA نامی بدون افت ولتاژ باتری به زیر 7.2 ولت را مشخص می کند.
RC زمان اجرا را در دقیقه در دبی ثابت 25 منعکس می کند. (SAE مخفف Society of Automotive Engineers.)

باتری های استارت دارای مقاومت داخلی بسیار پایینی هستند که با افزودن صفحات اضافی برای حداکثر مساحت سطح به دست می آید.
صفحات نازک هستند و سرب به شکل اسفنج مانند که ظاهر فوم ریز دارد اعمال می شود و سطح را بیشتر گسترش می دهد.
ضخامت صفحه، که برای باتری چرخه عمیق مهم است ، اهمیت کمتری دارد زیرا تخلیه کوتاه است و باتری در حین رانندگی شارژ می شود. تاکید بر قدرت به جای ظرفیت است.
باتری استارت دارای صفحات نازک زیادی به صورت موازی برای دستیابی به مقاومت کم با سطح بالا است.

2- نیروی محرکه (کشش یا چرخه عمیق)

باتری چرخه عمیق برای تامین برق مداوم برای ویلچر، ماشین گلف، لیفتراک و غیره ساخته شده است. این باتری برای حداکثر ظرفیت و تعداد چرخه نسبتا بالا ساخته شده است.
این امر با ضخیم ساختن صفحات سربی حاصل می شود. اگرچه باتری برای دوچرخه سواری طراحی شده است ، تخلیه کامل همچنان استرس ایجاد می کند و تعداد چرخه به عمق تخلیه (DoD) مربوط می شود. باتری‌های چرخه عمیق بر حسب Ah یا چند دقیقه زمان اجرا مشخص می‌شوند. ظرفیت معمولاً به صورت تخلیه 5 ساعته و 20 ساعته در نظر گرفته می شود.

باتری چرخه عمیق دارای صفحات ضخیم برای بهبود توانایی های دوچرخه سواری است. باتری چرخه عمیق معمولاً حدود 300 چرخه را امکان پذیر می کند.

تفاوت باتری های استارت و چرخه عمیق

باتری استارت را نمی توان با باتری چرخه عمیق تعویض کرد یا بالعکس. در حالی که ممکن است یک سالمند مبتکر وسوسه شود که برای صرفه جویی در هزینه ، باتری استارت را به جای چرخه عمیق گران قیمت روی ویلچر خود نصب کند، باتری استارت دوام نمی آورد زیرا صفحات نازک اسفنج مانند به سرعت با دوچرخه سواری عمیق مکرر حل می شوند.

باتری های ترکیبی استارت/چرخ عمیق برای کامیون ها، اتوبوس ها، ایمنی عمومی و وسایل نقلیه نظامی موجود است، اما این واحد ها بزرگ و سنگین هستند.
به عنوان یک دستورالعمل ساده ، هر چه باتری سنگین‌ تر باشد، سرب بیشتری دارد و عمر طولانی‌ تری خواهد داشت.

باتری اسید سرب یا یون لیتیوم در ماشین شما؟

از زمانی که کادیلاک موتور استارت را در سال 1912 معرفی کرد، باتری های اسید سرب به خوبی به عنوان باتری انتخابی عمل کردند.
توماس ادیسون سعی کرد اسید سرب را با نیکل-آهن (NiFe) جایگزین کند ، اما اسید سرب به دلیل ماهیت ناهموار و بخشنده و همچنین هزینه کم ، غالب شد.
اکنون اسید سرب که به عنوان باتری استارت در خودروها عمل می کند توسط Li-ion به چالش کشیده شده است.

ویژگی های باتری اسید سرب و یون لیتیوم

هر دو با خواص شیمیایی به طور مشابه در میل لنگ سرد عمل می کنند. باتری های اسید سربی در وات بر کیلوگرم کمی بهتر است، اما یون لیتیوم بهبود های زیادی در طول عمر چرخه، انرژی ویژه بهتر در وات بر کیلوگرم و پذیرش شارژ دینامیکی خوب ارائه می دهد.
در جایی که لیتیوم یون کوتاه می آید، هزینه بالا در هر کیلووات ساعت ، بازیافت پیچیده و سابقه ایمنی کمتر نسبت به اسید سرب است.

باتری اسید سرب یک سرب قوی در باتری استارت نگه می دارد. اعتبار به عملکرد خوب دمای سرد ، هزینه کم ، سابقه ایمنی خوب و سهولت بازیافت تعلق می گیرد.

سرب سمی است و دوستداران محیط زیست مایل هستند باتری اسید سرب را با یک عنصر دیگر جایگزین کنند.
اروپا موفق شد NiCd را از محصولات مصرفی دور نگه دارد و تلاش های مشابهی در مورد باتری استارت انجام می شود. انتخاب ها NiMH و Li-ion هستند، اما قیمت بسیار بالا و عملکرد دمای پایین ضعیف است. با نرخ بازیافت 99 درصد، باتری اسید سرب خطر زیست محیطی کمی دارد و احتمالاً باتری منتخب خواهد بود.

مزایا و محدودیت های باتری های اسید سرب رایج که امروزه مورد استفاده قرار می گیرند

مزایا :

ارزان و ساده برای ساخت ؛ هزینه کم در هر وات ساعت

خود تخلیه کم ؛ کمترین میزان در بین باتری های قابل شارژ

قدرت ویژه بالا ، قادر به جریان تخلیه بالا

عملکرد خوب در دمای پایین و بالا

محدودیت :

انرژی ویژه کم ؛ نسبت وزن به انرژی ضعیف

شارژ آهسته ؛ شارژ کامل اشباع 14-16 ساعت طول می کشد

برای جلوگیری از سولفاته شدن باید در حالت شارژ نگهداری شود

عمر چرخه محدود ؛ تکرار چرخه عمیق عمر باتری را کاهش می دهد

نسخه غرقابی نیاز به آب دارد

محدودیت های حمل و نقل در نوع غرقابی

سازگار با محیط زیست نیست