همه چیز درباره باتری ها قسمت ششم : باتری Lead-Acid

سیسوگ در مقاله پنجم همه چیز درباره باتری ها مبحث دسته‌بندی، مشخصات عمومی و اصطلاحات باتری‌ها را بیان کرد. در این مقاله بر روی باتری‌های سربی-اسیدی، از جمله مزایا، معایب آنها، شیمی و غیره تمرکز می کنیم.

اگر به یاد داشته باشید، چند هفته پیش Max Maxfield مرا به پروژه ربات‌های خود متصل کرد. که این منجر به نوشتن این سری از مقالات در مورد فن‌آوری‌های مختلف باتری‌های در دسترس شد. علاوه بر جزئیات تکنولوژی Nitty-Gritty، راهنمایی‌ها و ترفندهای لازم برای انتخاب مناسب‌ترین تکنولوژی باتری مورد نیاز شما را بیان کردم. در این مقاله باتری‌های سربی-اسیدی را مد نظر قرار می‌دهیم.

نکته 3: برآورد نیازهای انرژی

پس از حذف فن‌آوری‌هایی که برای محیط مورد استفاده شما مناسب نیستند (همان‌طور که در نکته 1 بیان شده است.) درباره انواع اولیه و ثانویه تصمیم می‌گیریم سپس انرژی مورد نیاز بار را در طول زمان اجرا را محاسبه می‌کنیم. تخمین تقریبی ضرب متوسط ولتاژ بار در متوسط جریان بار در مدت زمان اجرا است. در نظر داشته باشید که بارها ممکن است ولتاژ ثابت، جریان ثابت، مقامت ثابت و  یا ترکیبی از این‌ها (مانند پالس‌ها) باشند. سپس محاسبات را به یک ساعت نرمالیزه می‌کنیم تا وات-ساعت را به دست آوریم. سپس، نشان خواهم داد برا رسیدن به حداقل وات-ساعت باتری چگونه افت دما و دیگر ضررها را تخین بزنید.

باتری سربی-اسیدی ( lead-acid )

باتری lead-acid توسط French physicist Gaston Planté در سال 1859 اختراع شد. این یک باتری ثانویه است که نسبت انرژی به وزن و انرژی به حجم پایینی دارد، اما این نسبت پایین را با عرضه جریان‌های پر قدرت با هزینه کم جبران می‌کند. چهار دسته کاربرد اصلی باعث پیشرفت این نوع باتری شده‌اند: مصرف کننده کوچک، شروع‌کننده / خودرو، چرخه عمیق و صنعتی.

دو نوع جدا کننده به عنوان جدا کننده Gel و جدا کننده  AGM (Absorptive Glass Mat)شناخته شده هستند. این‌ها به طور عمده به عنوان باتری‌های وی آر ال وی valve-regulated lead-acid) VRLA) یا باتری‌های سربی-اسیدی مهر و موم شده شناخته می‌شوند. برخی از جزئیات عبارتند از:

انرژی خاص: 30-40 Wh/Kg
تراکم انرژی: 60-75 Wh/L
قدرت ویژه: 180 W/Kg
راندمان شارژ / دشارژ: 50-92%
هزینه انرژی / مصرف کننده: 7 تا 18 $/Wh
نرخ خود تخلیه : 3-20%در ماه
دوام دوره: تا 800 سیکل (به طور معمول 500 سیکل)
ولتاژ نامی سلولی: 2.1 ولت
ولتاژ شناور در هر سلول: 2.23 (ژل)، 2.32 (آب گرفتگی)، 2.25 (AGM).
ولتاژ قطع: 1.75 ولت در هر سلول (loaded)
دمای شارژ: -40 درجه سانتی گراد (حداقل) تا 49 درجه سانتیگراد (حداکثر)؛ برای اطلاعات بیشتر به اطلاعات سازنده مراجعه کنید.

شیمی

دشارژ، واکنش صفحه منفی:

Pb(s) + HSO4-(aq) → PbSO4(s) + H+(aq) + 2e-

دشارژ، واکنش صفحه مثبت:

(PbO₂(s) + HSO₄^–(aq) + 3H⁺(aq) + 2e^– → PbSO₄(s) + 2H₂O(l

دشارژ، کل واکنش‌ها:

(Pb(s) + PbO2(s) + 2H2SO4(aq) → 2PbSO4(s) + 2H2O(l

شارژ: واکنش صفحه منفی:

(PbSO₄(s) + H⁺(aq) + 2e^– → Pb(s) + HSO₄^–(aq

شارژ: واکنش صفحه مثبت:

^–PbSO₄(s) + 2H₂O(l) → PbO₂(s) + HSO₄^–(aq) + 3H⁺(aq) + 2e

شارژ

بجز باطری های خودرو، زمان شارژ باتری سربی-اسیدی 12 تا 16 ساعت است و برای باتری‌های بزرگ تا 36-48 ساعت به طول می‌انجامد. با جریان شارژ بالا و روش شارژ چند مرحله، زمان شارژ می‌تواند تا 10 ساعت یا کمتر کاهش یابد. با این وجود، ممکن است به شارژ کامل نرسد. تکنولوژی باتری های سربی-اسیدی کند است و نمی‌توانند به سرعت دیگر باتری ها شارژ شوند.

برای شارژ بهینه، باتری های سربی-اسیدی باید در سه مرحله شارژ شوند. شارژ جریان ثابت، مقدار عمده ای از شارژ را اعمال می‌کند  نصف زمان شارژ را به خود اختصاص می‌دهد. بالاترین حد شارژ نیاز به جریان شارژ پایینی دارد و حالت اشباع را ایجاد می‌کند. شارژ شناور خسارت‌های ناشی از خود تخلیه را جبران می‌کند. نمودار زیر این سه مرحله را نشان می‌دهد.

دو شکل زیر نمونه‌هایی از منحنی‌های تخلیه VRLA را نشان می‌دهد. این برای باتری UP-VW1220P1 ساخته شده توسط پاناسونیک Corp از امریکا است.

مدت زمان تخلیه نسبت به تخلیه جریان در دماهای مختلف

ولتاژ خروجی نسبت به مدت زمان دشارژ در دوره های مختلف

هنگامی که باتری های سربی-اسیدی کارایی خود را از دست می‌دهند، نمی‌توان آن‌ها را دفن کرد و یا سوزاند و باید از مراکز تایید شده توسط سازمان بین المللی باتری برای بازیافت این باتری ها کمک گرفت.

در قسمت هفتم نکات و ترفندهای بیشتری را بیان خواهیم کرد و یکی دیگر از تکنولوژی‌های باتری را در نظر خواهیم گرفت. با سیسوگ همراه باشید.

منبع