باتری سرب اسید چگونه کار می کند؟
باتری سرب اسیدی در سال 1859 برای اولین بار توسط یک فیزیکدان فرانسوی به نام Gaston Plante به عنوان اولین باتری با قابلیت شارژ مجدد بصورت تجاری به بازار عرضه شد. علیرغم قدمت بالای آن ، سرب امروزه همچنان به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد. دلایل خوبی برای محبوبیت آن وجود دارد. باتری های سربی و اسیدی قابل اعتماد و ارزان هستن( بر اساس هزینه هر وات) .
ساختار باتری سربی اسیدی
ساختار شبکه باتری سربی اسیدی از آلیاژ سرب ساخته می‌شود. سرب خالص خیلی نرم است و نمی‌تواند تکیه‌گاه وزن خود باشد. بنابراین مقدار کمی از فلزات دیگر به آن اضافه می‌شوند تا استحکام مکانیکی پیدا کند و خصوصیات الکتریکی آن بهبود پیدا کند. متداول‌ترین افزودنی‌ها عبارتند از: آنتیموان، کلسیم، قلع و سلنیوم. این باتری‌ها اغلب با نام «سرب-آنتیموان» و «سرب-کلسیم» شناخته می‌شوند.
اضافه کردن آنتیموان و قلع سبب بهبود قابلیت دیپ سایکل باتری می‌شود. اما اینکار مصرف آب را افزایش می‌دهد و نیاز به یکنواخت‌سازی ( Equalize ) را تشدید می‌نماید. کلسیم سبب کاهش میزان دشارژ داخلی می‌شود. اما وجود صفحه سرب کلسیم مثبت یک اثر جانبی دارد و آن رشد این صفحه به خاطر اکسیاش شبکه در زمان اضافه شارژ است. باتریهای سربی اسیدی مدرن از عامل‌های آلایشی مثل سلنیوم، کادمیوم، قلع و آرسنیک نیز استفاده می‌کنند تا محتوای آنتیموان و کلسیم در آن‌ها کاهش یابد.
باتریهای سربی اسیدی سنگین هستند و در حالت استفاده به صورت دیپ سایکل نسبت به سیستم‌های مبتنی بر نیکل و لیتیوم دوام کمتری دارند. دشارژ کامل سبب ایجاد تنش شده و هر سیکل دشارژ و شارژ به صورت دائمی بخش کوچکی از ظرفیت باتری را برای همیشه از بین می‌برد. وقتی باتری در شرایط خوب کاری باشد این میزان تلفات کوچک است اما وقتی عملکرد باتری کمتر از نصف ظرفیت نامی می‌شود این افت ظرفیت افزایش می‌یابد. این مشخصه افت ظرفیت با درجات متفاوتی برای همه باتری‌ها رخ می‌دهد.
باتریهای سربی اسیدی بسته به عمق دشارژ، در کاربردهای نیازمند به حالت کاری دیپ سایکل از ۲۰۰ تا ۳۰۰ سیکل دشارژ و شارژ را ارائه می‌دهند. از دلایل اصلی عمر سیکل کوتاه آن‌ها، خوردگی شبکه روی الکترود مثبت، فرسایش ماده فعال و رشد و انبساط صفحات مثبت است. با کار کردن در دماهای بالا و دریافت جریان‌های دشارژ بالا، این فرآیند کهنه شدن تسریع می‌شود.
شارژ باتری سربی اسیدی ساده است اما باید محدودیت‌های صحیح ولتاژی آن را مد نظر قرار داد. انتخاب حد ولتاژ پایین باعث حفاظت از باتری می‌شود اما اینکار عملکرد ضعیفی را نتیجه داده و سبب ایجاد سولفاتاسیون روی صفحه منفی می‌شود. حد ولتاژ بالا سبب بهبود عملکرد شده اما باعث خوردگی شبکه روی صفحه مثبت می‌شود. اگر سرویس به موقع انجام شود، سولفاتاسیون برگشت‌پذیر است اما خوردگی دائمی است.
باتریهای سربی اسیدی برای شارژ سریع مناسب نیستند و در اکثر موارد شارژ کامل آن‌ها ۱۴ تا ۱۶ ساعت زمان می‌برد. باتری همیشه باید در وضعیت سطح شارژ کامل باشد. سطح شارژ پایین سبب سولفاتاسیون می‌شود، شرایطی که نتیجه آن افت عملکرد باتری است. اضافه کردن کربن به الکترود منفی سبب بهبود این معضل می‌شود اما با اینکار انرژی مخصوص کاهش می‌یابد.
طول عمر باتری سربی اسیدی
باتری سربی اسیدی طول عمر متوسطی دارند. اما این موضوع مثل سیستم‌های مبتنی بر نیکل وابسته به حافظه شارژ نیست و حفظ سطح شارژ آن در میان باتریهای با قابلیت شارژ دوباره بهترین است. تلفات Ni-Cd در سه ماه تقریباً ۴۰ درصد انرژی ذخیره شده آن است اما دشارژ داخلی باتریهای سربی اسیدی به میزان مشابه در طی یکسال رخ می‌دهد. باتریهای سربی اسیدی در دماهای پایین به خوبی عمل می‌کنند و در شرایط کاری با دمای زیر صفر درجه عملکرد بهتری نسبت به باتریهای یون لیتیوم دارند. بنابر گزارش دانشگاه فنی راینیش وستفلیشه آخن در آلمان (۲۰۱۸)، هزینه باتری سربی-اسیدی غرق‌آبی حدود ۱۵۰ دلار به ازای کیلوواتساعت است که کمترین میزان در بین باتری‌ها است.
انواع مختلف باتری سربی اسیدی
باتریهای سربی اسیدی بدون منفذ(Sealed Lead Acid)
اولین باتریهای سربی-اسیدی بدون منفذ یا بدون نیاز به نگهداری و تعمیر در اواسط دهه ۱۹۷۰ معرفی شدند. مهندسان اینطور استدلال کردند که واژه «باتری سربی-اسیدی بدون منفذ» نامی اشتباه است چون هیچ باتری سربی-اسیدی نمی‌تواند کاملاً بدون منفذ باشد. برای کنترل تخلیه گاز در زمان تنش شارژ و دشارژ سریع، شیرهایی به سیستم اضافه می‌شوند تا در صورت افزایش فشار بتوانند گازها را تخلیه کنند. به جای غوطه‌ور ساختن صفحات در مایع، الکترولیت به جداساز مرطوبی آغشته می‌شود، طراحی که شبیه به سیستم‌های مبتنی بر نیکل و لیتیوم است. این امر سبب می‌شود باتری بدون نشت، قابلیت کار در تمام جهت‌گیری‌ها را داشته باشد.
باتری بدون منفذ شامل الکترولیت کمتری نسبت به نوع غرق‌آبی است و از این رو واژه «کمبود-اسید» برای آن استفاده می‌شود. شاید مهمترین مزیت باتریهای سربی-اسیدی بدون منفذ توانایی ترکیب اکسیژن و هیدروژن و تولید آب و در نتیجه جلوگیری از خشک شدن در طول سیکل کاری باشد. بازترکیب در فشار متوسط ۰.۱۴ بار (۲ پاسکال) رخ می‌دهد. اگر تولید گاز افزایش یابد، شیر به عنوان منفذ ایمنی عمل می‌کند. باید از تخلیه مکرر گاز جلوگیری شود چرا که نتیجه اینکار خشک شدن باتری است. بنابر گزارش دانشگاه فنی راینیش-وستفلیشه آخن در آلمان (۲۰۱۸)، هزینه باتریهای سربی-اسیدی با شیر تنظیم یا همان سربی-اسیدی بدون منفذ حدود ۲۶۰ دلار به ازای کیلوواتساعت است. چندین نوع باتری سربی-اسیدی بدون منفذ معرفی شده‌اند و متداول‌ترین آن‌ها نوع ژلی است که با نام‌های باتری سربی-اسیدی با شیر تنظیم (( Valve-Regulated Lead Acid ( VRLA ) و نمد شیشه‌ای جاذب (( Absorbent Glass Mat ( AGM ) نیز شناخته می‌شود. سلول ژلی شامل ژل از نوع سیلیکا است که الکترولیت را در یک ماده خمیر مانند به صورت معلق نگه می‌دارد. مجموعه‌های کوچکتر با ظرفیت‌های حداکثر ۳۰ آمپرساعت اغلب باتریهای سربی-اسیدی بدون منفذ (( Sealed Lead Acid ( SLA ) نامیده می‌شوند. این باتری‌ها که در محفظه‌ای پلاستیکی قرار می‌گیرند به عنوان سیستم‌های UPS کوچک و روشنایی اضطراری استفاده شده و در ویلچرها کاربرد دارند. باتریهای سربی-اسیدی بدون منفذ به خاطر قیمت پایین، قابلیت اطمینان و نیاز کم به نگهداری، انتخاب اول حوزه بهداشت در بیمارستان‌ها و خانه‌های سالمندان است. باتریهای بزرگ‌تر سربی-اسیدی با شیر تنظیم به عنوان منبع توان پشتیبان در برج‌های تکرار کننده سلولی، هاب‌های اینترنت، بانک‌ها، بیمارستان‌ها، فرودگاه‌ها و مواردی از این دست استفاده می‌شوند.
نمد شیشه‌ای جاذب الکترولیت را در نمد شیشه‌ای با طراحی خاص به طور معلق نگه می‌دارد. این امر مزایای زیادی برای سیستم‌های سربی-اسیدی به همراه دارد که شامل شارژ سریع‌تر و تأمین جریان‌های بالای بار به محض تقاضا است. باتریهای با نمد شیشه‌ای جاذب بهترین گزینه برای باتریهای متوسط با ظرفیت‌های ۳۰ تا ۱۰۰ آمپرساعت هستند و کمتر به عنوان سیستم‌های بزرگی مثل UPS-ها بکار می‌روند. کاربردهای معمول آن‌ها به عنوان باتریهای راه‌انداز در موتورسیکلت‌ها، عملکرد روشن-خاموش برای ماشین‌های میکروهیبرید و همچنین حمل و نقل دریایی و خودروهای کاروان است که به چند سیکل باتری نیاز دارند.
با افزایش سیکل‌ها و گذشت زمان، ظرفیت باتریهای نمد شیشه‌ای جاذب به صورت تدریجی کاهش می‌یابد؛ از سویی دیگر نوع ژلی این باتری‌ها منحنی عملکردی به شکل یک برآمدگی دارد و مدت طولانی‌تری در محدوده عملکرد مناسب باقی می‌ماند اما بعد از آن به صورت ناگهانی به پایان عمر خود نزدیک می‌شود. باتریهای نمد شیشه‌ای جاذب گران‌تر از نوع غرق‌آبی هستند اما از نوع ژلی ارزان‌ترند. (استفاده از نوع ژلی برای عملکرد روشن و خاموش در خودروها بسیار هزینه‌بر است.)
باتریهای سربی-اسیدی بدون منفذ بر خلاف نوع غرق‌آبی با پتانسیل اضافه ولتاژ کمتری طراحی می‌شوند تا از رسیدن باتری به حالت تولید گاز در هنگام شارژ جلوگیری شود. شارژ اضافه سبب تولید گاز، تخلیه گاز و در نتیجه تخلیه آب و نهایتاً خشک شدن می‌شود. در نتیجه نوع ژلی و تا حدودی نوع نمد شیشه‌ای جاذب را نمی‌توان تا حداکثر ظرفیت آن‌ها شارژ کرد و حد ولتاژ شارژ آن‌ها باید کمتر از نوع غرق‌آبی تنظیم شود. این مورد برای شارژ شناور در حالت شارژ کامل نیز صادق است. نوع ژلی و نمد شیشه‌ای جاذب از نظر شارژ شدن به عنوان جایگزین مستقیم نوع غرق‌آبی شناخته نمی‌شوند. اگر هیچگونه شارژر اختصاصی برای نوع نمد شیشه‌ای جاذب با تنظیم ولتاژ پایین‌تر وجود نداشت باید شارژر را پس از ۲۴ ساعت شارژ قطع کرد. اینکار از تولید گاز ناشی از تنظیم ولتاژ بالای نوع شناور جلوگیری می‌کند. دمای کاری بهینه برای باتری سربی-اسیدی با شیر تنظیم برابر با ۲۵ درجه سانتی‌گراد (۷۷ درجه فارنهایت) است؛ هر ۸ درجه سانتی‌گراد (۱۵ درجه فارنهایت) افزایش دما نسبت به این دمای آستانه سبب نصف شدن عمر باتری می‌شود.
باتریهای راه‌انداز
باتری راه‌انداز برای روشن کردن موتور با بارگذاری زودگذر با توان بالا استفاده می‌شود که این فرآیند برای چند ثانیه یا در همین حدود ادامه می‌یابد. باتری به خاطر اندازه‌اش می‌تواند جریان بالایی تحویل دهد اما قابلیت دیپ سایکل ندارد. باتریهای راه‌انداز برای قابلیت ذخیره‌سازی انرژی از آمپرساعت یا ظرفیت رزرو و همچنین آمپراژ راه‌اندازی سرد (( Cold Cranking Amps ( CCA ) برای تعیین جریان تحویلی باتری در دمای سرد استفاده می‌کنند. استاندارد SAE J537 مشخص کننده ۳۰ ثانیه دشارژ در دمای ۱۸- درجه سانتی‌گراد (۰ درجه فارنهایت) در آمپر CCA نامی است که در آن ولتاژ باتری کمتر از ۷.۲ نمی‌شود. RC نشان دهنده زمان کار بر حسب دقیقه با دشارژ ماندگار ۲۵ است. (SAE مخفف انجمن بین‌المللی مهندسان خودرو است.)
باتریهای راه‌انداز مقاومت داخلی بسیار پایینی دارند که این ویژگی با اضافه کردن صفحات اضافی برای داشتن بیشترین مساحت سطح به دست می‌آید (شکل ۱). صفحات نازک بوده و سرب به شکل اسفنجی بکار می‌رود که ظاهری شبیه به اسفنج نرم دارد و به این شکل مساحت سطح افزایش می‌یابد. ضخامت صفحه که برای باتری دیپ سایکل مهم است در اینجا اهمیت کمتری دارد چون دشارژ کوتاه است و باتری در زمان کار شارژ می‌شود؛ در اینجا نأکید به جای ظرفیت روی توان ارائه شده است.
شکل ۱:باتریهای راه‌انداز
باتری راه‌انداز صفحات نازک زیادی به صورت موازی با هم دارد تا مقاومت کم و مساحت سطحی بالایی داشته باشد. باتری راه‌انداز امکان دیپ سایکل را ندارد.
باتری با قابلیت دیپ سایکل
باتری دیپ سایکل برای تأمین پیوسته توان برای ویلچیرها، خودروهای زمین گلف، لیفتراک‌ها و غیره ساخته می‌شود. این باتری برای حداکثر ظرفیت و تعداد سیکل بالایی معقول ساخته شده است. این ویژگی‌ها با ضخیم‌سازی صفحات سربی ایجاد به دست می‌آیند (شکل ۲). گرچه باتری با قابلیت دیپ سایکل ساخته شده است اما باز هم دشارژهای کامل سبب ایجاد تنش می‌شود و تعداد سیکل به عمق دشارژ (( Depth-of-Discharge ( DoD ) وابسته است. باتری با قابلیت دیپ سایکل با آمپرساعت یا دقایق زمان کار خود مشخص می‌شوند. ظرفیت آن‌ها معمولاً مقدار دشارژ نامی ۵ ساعت و ۲۰ ساعت است.
شکل ۲:باتری با قابلیت دیپ سایکل
باتری با قابلیت دیپ سایکل برای بهبود این قابلیت از صفحات ضخیم بهره می‌برد. باتری با قابلیت دیپ سایکل معمولاً توانایی ارائه ۳۰۰ سیکل را دارد.
امکان جابه‌جایی باتری راه‌انداز با باتری دارای قابلیت دیپ سایکل و برعکس وجود ندارد. گرچه شاید مخترعی بخواهد به جای استفاده از باتری با قابلیت دیپ سایکل گران از باتری راه‌انداز برای ویلچر خود استفاده کرده و در هزینه‌هایش صرفه‌جویی کند اما باتری راه‌انداز دوام نمی‌آورد چون صفحات اسفنجی نازک به سرعت و با تکرار سیکل‌ها آب می‌شوند.
برای کامیون‌ها، اتوبوس‌ها، وسایل حمل و نقل امن عمومی و نظامی ترکیبی از باتریهای راه‌انداز و دیپ سایکل وجود دارد ولی این واحدها بزرگ و سنگین هستند. به عنوان یک راهنمای ساده می‌توان اینطور عنوان کرد که هرچه باتری سنگین‌تر باشد حاوی سرب بیشتری است و دوام بیشتری دارد.
جدول ۳ عمر معمول باتریهای راه‌انداز و دیپ سایکل را در حال کار با قابلیت دیپ سایکل مقایسه می‌کند.
عمق دشارژ |
باتریهای راه‌انداز |
باتری با قابلیت دیپ سایکل |
۱۰۰٪ |
۱۲ تا ۱۵ سیکل |
۱۵۰ تا ۲۰۰ سیکل |
۵۰٪ |
۱۰۰ تا ۱۲۰ سیکل |
۴۰۰ تا ۵۰۰ سیکل |
30% |
۱۳۰ تا ۱۵۰ سیکل |
۱۰۰۰ سیکل و بالاتر |
جدول ۳: عملکرد سیکلی باتریهای راه‌انداز و باتری‌ها دارای قابلیت دیپ سایکل. دشارژ ۱۰۰٪ بیانگر دشارژ کامل است؛ ۵۰٪ نصف و ۳۰٪ دشارژی متوسط با ۷۰٪ ظرفیت باقیمانده است.
باتری سربی اسیدی یا یون لیتیوم برای خودرو، کدام بهتر است؟
از زمانی که شرکت کادیلاک ( Cadillac ) موتور راه‌انداز را در سال ۱۹۱۲ معرفی کرد، باتریهای سربی-اسیدی به عنوان باتری مورد نظر برای اینکار انتخاب شدند. توماس ادیسون سعی کرد باتریهای سربی-اسیدی را با باتریهای نیکل-آهن (Ni-Fe) جایگزین کند اما باتریهای سربی-اسیدی پیروز این نبرد بودند چون طبیعتی قدرتمند و پرتوان و همچنین هزینه‌های کمتری داشتند. حالا استفاده از باتریهای سربی-اسیدی به عنوان باتری راه‌انداز در خودروها توسط باتریهای یون لیتیوم به چالش کشیده شده است.
شکل ۴ مشخصه‌های باتریهای سربی-اسیدی و یون لیتیوم را نشان می‌دهد. هر دو ماده شیمیایی در راه‌اندازی سرد عملکرد مشابهی دارند. باتریهای سربی-اسیدی از نظر شاخص وات بر کیلوگرم کمی بهتر هستند اما باتریهای یون لیتیوم بهبود زیادی در تعداد سیکل داشته‌اند، انرژی مخصوص بر حسب وات‌ساعت بر کیلوگرم بهتری دارند و پذیرش شارژ دینامیکی خوبی دارند. اما باتریهای یون لیتیوم به خاطر هزینه بالا به ازای کیلوواتساعت، بازیافت پیچیده و امتیاز ایمنی کمتر نسبت به باتریهای سربی-اسیدی با نقاط ضعفی همراه هستند.
شکل 4: مقایسه باتریهای راه‌انداز سربی-اسیدی و یون لیتیوم. باتریهای سربی-اسیدی به عنوان باتری راه‌انداز برتری آشکاری نسبت به سایر باتری‌ها دارند. عملکرد خوب در دمای پایین، هزینه پایین، امتیاز ایمنی خوب و سادگی بازیافت سبب افزایش اعتبار می‌شود.
منبع: شرکت جانسون کنترلز ( Johnson Controls )
سرب سمی است و فعالان محیط زیست می‌خواهند باتریهای سربی-اسیدی را با ماده شیمیایی دیگری جایگزین کنند. اروپا در خارج کردن Ni-Cd از محصولات مصرف کننده‌ها موفق بوده است و تلاش‌های مشابهی برای باتریهای راه‌انداز در حال انجام است. گزینه جایگزین Ni-MH و Li-ion هستتند اما قیمت آن‌ها بسیار بالا بوده و عملکرد دما پایین آن‌ها ضعیف است. باتریهای سربی اسیدی با نرخ بازیافت ۹۹ درصد خطر کمتری برای محیط‌زیست دارند و به نظر می‌رسد همچنان بهترین گزینه برای این نوع کاربرد باشند.
جدول ۴ مزایا و محدودیت‌های باتریهای معمول سربی-اسیدی امروزی را فهرست کرده است. این جدول مواد شیمیایی سربی-اسیدی جدید را شامل نمی‌شود.
مزایا |
ارزان و تولید آسان؛ هزینه پایین به ازای وات‌ساعت |
دشارژ داخلی پایین؛ کمترین مقدار در بین باتریهای با قابلیت شارژ دوباره |
|
توان مخصوص بالا، قابلیت ارائه جریان‌های دشارژ بالا |
|
عملکرد خوب در دمای پایین و بالا |
|
محدودیت‌ها |
انرژی مخصوص پایین؛ نسبت وزن به انرژی نامناسب |
شارژ کُند؛ شارژ کامل حدوداً ۱۴ تا ۱۶ ساعت زمان می‌برد |
|
برای جلوگیری از سولفاتاسیون باید در شرایط شارژ شده نگهداری شود |
|
عمر سیکل محدود؛ دیپ سایکل مکرر سبب کاهش عمر باتری می‌شود |
|
نوع غرق‌آبی نیازمند آب‌رسانی است |
|
محدودیت حمل و نقل برای نوع غرق‌آبی |
|
مضر برای محیط‌زیست |