باتری اسیدی یا باتری سربی- اسیدی، که در سال ۱۸۵۹ توسط فیزیک‌دان فرانسوی گاستون پلانته اختراع شد، یک نوع باتری قابل شارژ است. این باتری از سرب و اسید سولفوریک در ساختار خود استفاده می‌کنند. باتری‌های سرب اسید معمولا به اندازه بزرگتر و دارای ساختاری سنگین و پیچیده هستند. این باتری‌ها قابلیت ذخیره مقدار زیادی انرژی را دارا بوده و به عنوان باتری خودروها و منابع تغذیه برق اضطراری استفاده می‌شوند.
باتری‌های سرب اسیدی را بیشتر بشناسیم
با توجه به مقایسه با تکنولوژی‌های جدیدتر و ارزان‌تر، باتری‌های سرب اسید به طور گسترده در مواقعی که جریان جرقه اصلی مهم نیست، همچنان مورد استفاده قرار می‌گیرند. حتی در صورتی که طرح‌های دیگر قادر به فراهم کردن تراکم انرژی بیشتری باشند، باتری‌های سرب اسید به دلیل هزینه‌های پایین و استفاده‌های خاص خود، جایگاه خود را حفظ می‌کنند. در سال ۱۹۹۹، فروش باتری‌های سرب اسید تا ۴۰ تا ۴۵ درصد از کل فروش باتری‌های جهانی را تشکیل می‌داد و ارزش بازار آن تقریباً ۱۵ میلیارد دلار بود.
طرح‌های اسیدی سرب اسید به طور گسترده در ذخیره‌سازی انرژی در برج‌های سلولی و تنظیمات با دسترسی به بالا مانند بیمارستان‌ها و سیستم‌های قدرت مستقل استفاده می‌شوند. برای این نقش‌ها، نسخه‌های اصلاح شده از سلول‌های استاندارد ممکن است برای بهبود زمان ذخیره‌سازی و کاهش نیازهای تعمیر و نگهداری به کار روند.
انواع باتری‌های سرب اسیدی
باتری‌های سربی – اسیدی به دو دسته تقسیم می‌شوند:
- باتری‌های خشک
- باتری‌های تر
باتری سربی – اسیدی خشک (Sealed Lead Acid Battery(SLA))
باتری‌های خشک یا سیلد اسید یک نوع باتری قابل شارژ است که اکثراً در تجهیزات الکترونیکی مانند یو پی اس استفاده می‌شود. امروزه، به دلیل کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری، استفاده از باتری‌های خشک نسبت به باتری‌های تر افزایش یافته است.
باتری سربی – اسیدی تر (floaded lead acid battery)
باتری‌های قدیمی که در خودروها به کار می‌رفتند، از نوع سرب اسیدتر بودند. در این نوع باتری، از محلول آب اسید بهره می‌برد و یکی از مزایای آن، قیمت کم است.
از جمله معایب این نوع باتری‌ها می‌توان به نیاز به تعمیر و نگهداری مداوم و خطرات احتمالی استفاده از اسید اشاره کرد. همچنین، این باتری‌ها در زمان شارژ شدن، گازهایی را از خود انتشار می‌دهند که برای سلامتی مضر است. به همین دلیل، جهت استفاده از آنها در مکان‌های پوشیده، لازم است تهویه مناسب در نظر گرفته شود.
ساختار باتری‌های سرب اسیدی
باتری‌های سرب اسید (LAB) از قطعات زیر تشکیل شده‌اند:
- الکترودها: باتری لیتیم یون دارای دو الکترود است، یک الکترود مثبت (آند) و یک الکترود منفی (کاتد). در باتری لیتیم یون، الکترود مثبت اغلب از اکسید لیتیم تشکیل شده است، در حالی که الکترود منفی از یک ماده کربنی مانند گرافیت استفاده می‌کند.
- الکترولیت: الکترولیت در باتری لیتیم یون معمولاً یک حل مایع است که یون‌های لیتیم را حمل و نقل می‌کند بین الکترودها. این الکترولیت معمولاً شامل مواد شیمیایی مانند لیتیم هسته‌ای یا پلیمرهای الکترولیتی است.
- محفظه: باتری لیتیم یون باید دارای یک محفظه مناسب باشد که الکترودها و الکترولیت را درون آن نگهداری کند و از نشتی یا تداخل با محیط خارجی جلوگیری کند. این محفظه معمولاً از موادی مانند پلیمرهای نایلون یا فلزات مقاوم ساخته می‌شود.
- سیستم مدیریت باتری: برای کنترل و مدیریت شارژ و تخلیه باتری لیتیم یون، یک سیستم مدیریت باتری (BMS) نیاز است. این سیستم عموماً شامل مدارها و سنسورهایی است که وضعیت باتری را نظارت می‌کنند و به کنترل شارژ و تخلیه مناسب آن کمک می‌کنند.
طرز کار باتری‌های سرب اسیدی
باتری‌های سرب اسیدی (Lead-Acid Batteries) به وسیله واکنش‌های شیمیایی بین سرب، سولفوریک اسید، و پلاک‌های الکتروشیمیایی کاتد و آند انرژی الکتریکی تولید می‌کنند. این باتری‌ها از اصول الکتروشیمیایی استفاده می‌کنند که به طور اساسی شامل دو فرایند اصلی هستند: شارژ و تخلیه.
۱. شارژ (Charge)
- در هنگام شارژ، جریان الکتریکی از منبع خارجی به باتری وارد می‌شود.
- در سمت کاتد (صفحه مثبت) از سرب-دی‌اکسید سرب (PbO2) ایجاد می‌شود.
- در سمت آند (صفحه منفی)، سرب از پلاتینوم به عنوان محلول سولفات سرب تخلیه می‌شود.
- هنگام شارژ، گاز هیدروژن و اکسیژن از الکترولیت تولید می‌شود.
۲. تخلیه (Discharge)
- در هنگام تخلیه، باتری به عنوان یک منبع انرژی الکتریکی عمل می‌کند.
- در سمت کاتد، اکسید سرب به سرب تبدیل می‌شود.
- در سمت آند، سرب از سرب-سولفات به سرب تخلیه می‌شود.
- این واکنش‌ها منجر به تولید جریان الکتریکی و انتقال الکترون‌ها از آند به کاتد می‌شود.
انواع جدا کننده در ساختار باتری سرب اسیدی
در این بخش، انواع جداکننده‌های مورد استفاده در باتری‌های سرب اسیدی را با هم مورد بررسی قرار دهیم:
جداکننده‌های PVC
- این جداکننده‌ها از آلیاژهای سرب و آنتی‌موان تشکیل شده‌اند.
- در هدایت الکتریکی جزو ضعیف‌ترین جداکننده‌ها محسوب می‌شوند.
جداکننده‌های سلولزی
- این نوع جداکننده قدرت نسبی در هدایت الکتریکی دارد.
جداکننده‌های پلی‌اتیلنی
- این جداکننده‌ها استحکام مکانیکی خوبی دارند و همچنین هدایت الکتریکی را به خوبی انجام می‌دهند.
جداکننده‌های AGM
- جداکننده‌های AGM تقریباً جز بهترین جداکننده‌ها محسوب می‌شوند.
- این جداکننده‌ها تأثیر بسیار بالایی در برگشت اکسیژن آزاد شده در واکنش‌ها به محیط شیمیایی باتری دارند.
جداکننده GEL
- این جداکننده نیز مانند AGM است، با این تفاوت که الکترولیت به صورت مایع جریان ندارد و به صورت ژل و خمیری می‌باشد.
این انواع جداکننده‌ها در ساختار باتری‌های سرب اسیدی به کنترل فرایندهای شیمیایی و الکتروشیمیایی کمک می‌کنند و نقش مهمی در بهبود عملکرد و عمر مفید باتری ایفا می‌کنند.
باتری سیلد اسید چیست؟
باتری سیلد اسید، نوعی باتری سرب اسیدی است که در انواع سیلد شده با سوپاپ (Valve Regulated Lead Acid – VRLA) مورد استفاده قرار می‌گیرد. این باتری‌ها به دلیل بازترکیب درونی گازها، هیچ نیازی به افزودن آب یا اسید و کنترل آنها ندارند. سوپاپ‌های این باتری‌ها هرگز نباید باز شوند؛ زیرا باز شدن آنها باعث از دست رفتن گازهای درونی باتری می‌شود و در نتیجه، عمر مفید باتری کاهش می‌یابد.
از آنجایی که این باتری‌ها به طور کامل وکیوم شده و بسته شده‌اند، عبارت “سیلد” به معنای مهر و موم شده (وکیوم) و عبارت “لید” به معنای سرب اشاره دارد. بنابراین، واژه “سیلد لید اسید” به معنای باتری سرب اسیدی است که به طور کامل وکیوم شده و بسته شده است.
ساختار سلول یا خانه باتری سیلد اسید
مجموعه‌ای که شامل یک الکترود مثبت، یک الکترود منفی، و مایع اسید (الکترولیت) است، به عنوان یک سلول شناخته می‌شود. هر سلول توان تولید تقریباً 2 ولت برق را دارد. برای افزایش ولتاژ، تعدادی از این سلول‌ها را به صورت سری به هم متصل می‌کنند.
به عنوان مثال، اگر 6 سلول از این نوع به صورت سری به هم متصل شوند، نتیجه یک باتری با توان تولید 12 ولت خواهد بود. در این فرآیند، الکترون‌های منفی یک سلول به الکترون‌های مثبت سلول بعدی متصل می‌شوند. در نهایت، یک باتری با دو قطب مثبت و منفی ایجاد می‌شود.
باتری‌های لید اسید از دو پلیت سربی تشکیل شده‌اند که نقش الکترودها و سولفوریک اسید را بازی می‌کنند و الکترولیت را تشکیل می‌دهند. سلول‌های VRLA فرمول شیمیایی یکسانی از اسید-سرب دارند.
صفحات باتری عمدتاً به صورت مشبک بوده و الکترود قطب مثبت (POS) از الیاژ کلسیم سرب اندود دارای اکسید سرب متخلخل به عنوان ماده فعال بوده و الکترود قطب منفی (NEG) از جنس سرب اسفنجی از آلیاژ کلسیم سرب می‌باشد. بطور معمول، صفحات منفی نازک‌تر از الکترود قطب مثبت می‌باشند.
ویژگی های باطری سیلد اسید
باتری‌های لید اسید یا همان باتری‌های خشک، دو نوع اصلی دارند:
- AGM (Absorbed Glass Mat)
- ژل (Gel Cell)
که هرکدام ویژگی‌ها و کاربردهای خود را دارند.
در باتری ژله‌ای، پودر سیلیکا به الکترولیت اضافه می‌شود که فرم ژل را به آن می‌دهد. باتری AGM مخفف “Absorbed Glass Mat” می‌باشد و در میان پلیت‌های باتری از فایبرگلاس استفاده می‌شود. الکترودها و سولفوریک اسید را بازی می‌کنند و الکترولیت را تشکیل می‌دهند. سلول‌های VRLA فرمول شیمیایی یکسانی از اسید-سرب دارند.
باتری‌های AGM به علت کاهش احتمال نشت اسید به دلیل تصادفات و لرزش‌ها، در موتورهای برقی وسایل نقلیه مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین، در وسایل حمل و نقل با توجه به وجود قطعات سنگین، باتری‌های AGM به دلیل وزن کمتر و امکان اطمینان‌پذیری در دسترسی به برق، مورد توجه قرار می‌گیرند.
انواع باتری های سیلد اسید
باتری‌های لید اسید یا همان باتری‌های خشک دارای دو نوع اصلی هستند: AGM) Absorbed Glass Mat) و ژل (Gel Cell) که هرکدام ویژگی‌ها و کاربردهای خود را دارند.
در باتری ژله‌ای، به الکترولیت آن پودر سیلیکا اضافه می‌شود که فرم ژل را به آن می‌دهد. باتری AGM مخفف “Absorbed Glass Mat” است و در میان پلیت‌های باتری از فایبرگلاس استفاده می‌شود. الکترودها و سولفوریک اسید را بازی می‌کنند و الکترولیت را تشکیل می‌دهند. سلول‌های VRLA فرمول شیمیایی یکسانی از اسید-سرب دارند.
از باتری‌های AGM به علت کاهش احتمال نشت اسید به دلیل تصادفات و لرزش‌ها، در موتورهای برقی استفاده می‌شود. همچنین، در وسایل حمل و نقل با توجه به وجود قطعات سنگین، باتری‌های AGM به دلیل وزن کمتر و امکان اطمینان‌پذیری در دسترسی به برق، مورد توجه قرار می‌گیرند.
تشخیص خرابی باتری سیلد اسیدی
یک روش ساده برای بررسی وضعیت باتری این است که سعی کنید آن را شارژ کنید، سپس آن را از شارژ خارج کنید و بررسی کنید آیا ولتاژ آن به طور قابل ملاحظه‌ای کاهش یافته یا خیر. این اندازه‌گیری ولتاژ باتری می‌تواند نشانگر وضعیت عملکرد آن باشد. اگر ولتاژ در مدت زمان کوتاه مثل چند ساعت یا یک روز به طور قابل ملاحظه‌ای کاهش یابد، احتمالاً نشانه‌ای از خرابی باتری است. همچنین، باتری‌های سیلد اسید مهر و موم شده، بسته به فرآیند تولید، می‌توانند بین 3 تا 5 سال عمر مفید در هر مکانی داشته باشند.
کاربرد های باتری سیلد اسید چیست؟
باتری‌های سیلد اسید به دلیل ویژگی‌های خود به عنوان باتری‌های قابل شارژ و بسته شده باز می‌شوند. این باتری‌ها در انواع مختلفی مانند باتری‌های سربی-اسیدی یا والویول (VRLA) شناخته می‌شوند و در موارد متعددی به کار می‌روند. یکی از کاربردهای اصلی آنها در سیستم‌های نیروی پشتیبان (UPS) است که در صنایع، دفاتر، و سرورهای کامپیوتری برای تأمین انرژی پایدار و برقراری اتصال پایدار به دستگاه‌ها به کار می‌روند.
علاوه بر این، باتری‌های سیلد اسید در خودروها به عنوان باتری‌های استارتر استفاده می‌شوند تا موتور را راه اندازی کنند. همچنین، در سیستم‌های اضطراری نظیر چراغ‌های خروج اضطراری و سیستم‌های نورپردازی اضطراری نیز به عنوان منابع انرژی فوری مورد استفاده قرار می‌گیرند. به دلیل خصوصیات بسته بوده و مهر و موم شده‌شان، این باتری‌ها مناسب برای محیط‌هایی با فشارهای مختلف و شرایط کاری متنوع هستند.
افزایش طول عمر باتری سیلد اسیدی
باتری‌های یو پی اس سیلد اسید به خاطر ساختار و مواد شیمیایی که در آنها به کار برده شده، مشکلی برای خروج گاز و نشت اسید درون باتری ندارند. این ویژگی باعث می‌شود که این باتری‌ها نیاز به نگهداری و بازدید جهت سرویس نداشته باشند و این موضوع از مزایای این باتری‌ها به حساب می‌آید.
به منظور افزایش طول عمر باتری‌های یو پی اس، موارد زیر می‌توانند به شما کمک کنند:
- دما: نمودار طول عمر باتری نشان می‌دهد که اگر باتری در دمای مناسب و مطلوب نگهداری شود (مانند دمای 20 درجه سانتیگراد)، طول عمر بیشتری خواهد داشت. دماهای بالاتر از محدوده مشخص شده می‌توانند باعث کاهش عمر مفید باتری شوند.
- عمق دشارژ: توجه به عمق دشارژ باتری و تعداد دفعات شارژ می‌تواند به طول عمر باتری کمک کند. دشارژ عمیق نادرست و مکرر می‌تواند سریعاً به خرابی باتری منجر شود.
- شرایط نگهداری و انبارداری: شرایط محیطی مانند نور، رطوبت، و تهویه مناسب نیز بر طول عمر باتری‌ها تأثیرگذار هستند. نگهداری باتری در محیط خشک و خنک می‌تواند عمر آن را افزایش دهد.
به این توصیه می‌شود که دمای محیط باتری را در محدوده مشخص شده نگه داشته و به طور دوره‌ای عمق دشارژ باتری را کنترل کرده و شرایط نگهداری بهینه را فراهم نمایید تا از طول عمر بهینه باتری خود بهره‌مند شوید.