سیستم‌ لید اسید جدید

بررسی پیشرفت‌های باتری‌های سربی-اسیدی و مزایایی که برای صنعت به همراه دارند.

بیشتر سیستم‌های باتری توانسته‌اند قابلیت شارژ سریع معقولی در بازه یک ساعت و یا در همین حدود را ارائه دهند. همچنین در بازه زمانی یکسانی می‌توان از انرژی‌ این سیستم‌ها بهره‌برداری کرد و این یعنی می‌توان زمان‌های شارژ و دشارژ را به شکلی مشابه در آورد. باتری سربی-اسیدی از این نظر منحصر به فرد است چون امکان دشارژ سریع این نوع باتری‌ها وجود دارد اما شارژ کامل آن‌ها به بیش از ۱۴ ساعت زمان نیاز دارد. همچنین باتری‌های سربی-اسیدی برای زدودن سولفات از روی صفحات و اصلاح ایرادات دیگر به یکنواخت‌سازی‌های دوره‌ای نیاز دارند.

خاصیت شارژ آهسته ذاتی این نوع باتری‌ها به شکل و انحلال سرب سولفات روی الکترود منفی وابسته است که از سرب خالص تشکیل شده است. در زمان دشارژ، سرب سولفات به سطح می‌چسبد و دوباره در زمان شارژ حل می‌شود. این فرآیند آهسته انجام می‌شود و وقتی بخواهیم سرعت شارژ را افزایش دهیم، الکترون‌های اضافی دیگر جایی برای رفتن ندارند و این موضوع به تولید هیدروژن و اتلاف آب ختم می‌شود. با گذشت زمان، کریستال‌های سرب سولفات به خورد صفحه رفته و همین امر باعث افت بیشتر توانایی پذیرش شارژ باتری می‌شود.

الکترود مثبت هم شامل سرب سولفات است اما مقدار آن به سرعت بالای شارژ کمک می‌کند. واضح است که الکترود منفی از مشکلات باتری‌های سربی-اسیدی است. سیستم‌های سربی-اسیدی جدید سعی کرده‌اند با اضافه کردن کربن به الکترود منفی این مشکل را حل کنند و نتایج نویدبخشی به دست آورده‌اند.

باتری سربی-کربنی پیشرفته

دانشمندان از سال‌ها قبل می‌دانستند که تجمع سولفات مانع از عملکرد پایدار باتری‌های سربی-اسیدی معمولی می‌شود؛ شارژ ناقص و کهنه شدن دلایل اصلی چنین رخدادی هستند چون زدودن سولفات از روی صفحه منفی سربی به شکل مناسبی انجام نمی‌شود. باتری سربی-کربنی پیشرفته Advanced Lead-Carbon (ALC) با اضافه کردن کربن به صفحه منفی (کاتد) این مسئله را حل می‌کند. با اینکار باتری به یک ابرخازن شبه‌-نامتقارن تبدیل می‌شود تا عملکرد شارژ و دشارژ بهبود یابد.

شکل ۱ یک باتری سربی-اسیدی متداول را نشان می‌دهد که صفحه منفی سربی با الکترود کربنی جایگزین شده تا بتوان از کیفیت‌های ابرخازنی آن استفاده کرد.

باتری سربی-کربنی پیشرفته به عنوان جایگزین باتری راه‌انداز قدیمی در کاربردهای راه‌اندازی-توقف و سیستم‌های میکرو و متوسط ۴۷ ولتی استفاده شده است. شارژ پرسرعت ترمزهای مقاومتی مزیت اصلی این باتری‌ها است، قابلیتی که دستیابی به آن برای باتری‌های سربی-اسیدی معمولی دشوار است. گرچه باتری‌های سربی-کربنی پیشرفته بزرگ‌تر و سنگین‌تر از باتری‌های یون لیتیوم هستند اما هزینه کمتری داشته و در دماهای زیر صفر کار می‌کنند و همچنین به خنک‌سازی فعال نیاز ندارند، مزیتی که باتری‌های یون لیتیوم توانایی ارائه آن را ندارند. باتری‌های سربی-کربنی، بر خلاف باتری‌های سربی-اسیدی معمولی، می‌توانند بدون سولفاتاسیون بین سطوح شارژ ۳۰ تا ۷۰ درصدی کار کنند. باتری سربی-کربنی پیشرفته عمری بیشتر از باتری سربی-اسیدی معمولی دارد اما نکته منفی درباره آن‌ها افت ولتاژ سریع در زمان دشارژ است که ویژگی ابرخازن‌ها را به ما یادآوری می‌کند.

شرکت فایرفلای انرژی Firefly Energy

صفحه از جنس مواد مرکب در باتری شرکت فایرفلای انرژی مبتنی بر یکی از انواع باتری‌های سربی-اسیدی است و سازنده ادعا کرده که این باتری سبک‌تر بوده و عمر بیشتری دارد و نسبت به سیستم‌های سربی-اسیدی فعلی خاصیت مصرف ماده فعال بهتری را ارائه می‌دهد. همچنین این باتری یکی از معدود باتری‌های سربی-اسیدی است که می‌تواند مدت زمان بیشتری را در حالت سطح شارژ جزئی کار کند. این باتری شامل الکترودهای فوم کربن برای صفحات منفی است و عملکرد آن با NiMH قابل مقایسه است اما با هزینه پایین‌تری تولید می‌شود. فافایرفلای انرژی یکی از شرکت‌های تابعه کترپیلار Caterpillar بود و در سال ۲۰۱۰ ورشکسته شد. این شرکت تحت مالکیت جدید احیا شد اما دوباره با شکست مواجه گردید. از سال ۲۰۱۴ این باتری در هند و تحت لیسنانس فایرفلای باتریز Firefly Batteries ساخته شدند.

آلتراوردا بای‌پُلار Altraverda Bipolar

باتری آلتراوردا نیز مثل باتری شرکت فایرفلای انرژی مبتنی بر سرب است. این باتری برای شبکه از ساختار سرامیکی اختصاصی تیتانیوم سابوکسید استفاده می‌کند که Ebonex® نام دارد. صفحه بدون حالت خمیری شامل ذرات Ebonex® در ماتریس پلیمری است که ورقه آلیاژ سربی نازکی را روی سطوح خارجی نگه می‌داد. این باتری با انرژی مخصوص ۵۰ تا ۶۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم با باتری NiCd قابل مقایسه است و گفته می‌شود که در موقعیت‌های نیازمند ولتاژ بالا بهترین کاربرد را دارد. شرکت آلتراوردا که در انگلستان مستقر است با شرکت ایست‌پن East Penn در آمریکا همکاری می‌کند.

آکسیون پاور Axion Power

آکسیون پاور ای۳ سوپرسل Axion Power e3 Supercell یک باتری/ابرخازن ترکیبی است که الکترود مثبت آن از سرب دی‌اکسید استاندارد و الکترود منفی آن از کربن فعال ساخته شده است. فرآیند ساخت آن شبیه به باتری سربی-اسیدی است. باتری آکسیون پاور نسبت به بهترین خروجی ممکن برای سیستم‌های سربی-اسیدی معمول، زمان شارژ مجدد سریع‌تر و چرخه عمر طولانی‌تری را در ازای دشارژهای عمیق مکرر ارائه می‌دهد و همین امر دری را برای استفاده از آن‌ها در کاربردهای راه‌اندازی-توقف در خودروهای میکروهیبرید باز کرده است. ترکیب سرب-کربن محتوای سرب روی صفحه منفی را کاهش می‌دهد که نتیجه آن کاهش وزن ۳۰ درصدی نسبت به باتری‌های سربی-اسیدی معمولی است. اما به هر حال اینکار انرژی مخصوص را به جای ۳۰ تا ۵۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم برای باتری‌های سربی-اسیدی معمول به ۱۵ تا ۲۵ وات‌ساعت بر کیلوگرم کاهش می‌دهد. نکته منفی دیگر افت شدید ولتاژ در زمان دشارژ است که شبیه به خاصیت دیده شده در ابرخازن‌ها است.

اولتراباتریِ سازمان عمومی پژوهش‌های علمی و صنعتی Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO)

اولتراباتری ساخت سازمان عمومی پژوهش‌های علمی و صنعتی در استرالیا ابرخازن نامتقارنی را با باتری سربی-اسیدی ترکیب کرده که مشابهات‌هایی با باتری سربی-کربنی پیشرفته تشریح شده در بالا دارد. خازن در زمان شارژ و دشارژ به عنوان بافر ‌Buffer عمل می‌کند و به این صورت سبب بهبود توان و طول عمر باتری می‌شود. گفته می‌شود که اینکار طول عمری باتری را نسبت به سیستم‌های سربی-اسیدی معمولی تا چهار برابر افزایش می‌دهد و در عین حال سبب تقویت ۵۰ درصدی توان می‌شود. همچنین تولید کننده ادعا می‌کند که جایگزینی این باتری‌ها در وسایل نقلیه الکتریکی هیبرید فعلی سبب کاهش ۷۰ درصدی هزینه‌ها می‌شود. باتری‌های CSIRO در خودروهای الکتریکی هیبریدی هوندا اینسایت Honda Insight آزمایش شده‌اند و نتایج این آزمایش‌ها مثبت ارزیابی شده‌اند. این باتری در کاربردهای راه‌اندازی-توقف برای خودرهای میکروهیبرید نیز آزمایش شده است. بر خلاف دیگر باتری‌های سربی-اسیدی پیشرفته، قابلیت شارژ سریع یک مزیت مهم نسبت به باتری سربی-اسیدی معمولی محسوب می‌شود. فوروکاوا باتری Furukawa Battery در ژاپن به این فناوری مجوز داده است و همچنین آن را می‌سازد. ایست‌پن در سال ۲۰۱۱ این شرکت را از سازمان عمومی پژوهش‌های علمی و صنعتی استرالیا خرید و حالا از سرمایه‌گذاری خود بهره می‌برد.

ای‌ای‌استور EEStor

این محصول ترکیب باتری/ابرخازن اسرارآمیزی است که توجهات زیادی را در رسانه‌ها به خود جلب کرده است. این باتری مبتنی بر پودر سرامیکی اصلاح شده باریوم تیتانات است و ادعا می‌شود انرژی مخصوصی حداکثر ۲۸۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم دارد که بیشتر از باتری‌های یون لیتیوم است. این شرکت نسبت به اختراع خود بسیار سری عمل کرده و اطلاعات محدودی درباره آن منتشر می‌کند. بعضی از ادعاهای حیرت‌انگیز آن‌ها عبارتند از: در کاربردهای هیبرید یک دهم وزن باتری‌های NiMH را دارند؛ دیپ سایکل سبب افت ظرفیت باتری نمی‌شود، زمان شارژ ۳ تا ۶ دقیقه است؛ هیگونه مواد خطرناکی ندارد؛ هزینه‌های تولید آن مشابه با باتری‌های سربی-اسیدی است؛ و دشارژ داخلی آن صرفاً ۰.۰۲ درصد در ماه است که برابر با کسری از درصدهای مربوط به باتری‌های سربی-اسیدی و یون لیتیوم است. آزمایش‌های مربوط به سال ۲۰۱۳ سطوح معناداری از انرژی را پیدا نکردند چون بین لایه‌ها مقاومت بالایی وجود دارد. تحقیقات در این زمینه ادامه دارد.

باتری‌های غرق‌آبی بهبودیافته Enhanced Flooded Battery (EFB)

تولید کنندگان خودرو از تنش اضافی به خاطر استفاده از باتری‌های راه‌انداز معمولی در حالت راه‌اندازی-توقف آگاه هستند. باتری‌های نمد شیشه‌ای جاذب (AGM) می‌توانند در برابر راه‌اندازی‌های مکرر مقاومت کنند اما تولید کنندگان خودرو به دنبال راهکاری با هزینه کمتر هستند که نتیجه این بررسی‌ها باتری‌های غرق‌آبی بهبودیافته بود. آزمایش‌های نشان می‌دهند که باتری‌های غرق‌آبی بهبود یافته عملکرد بهتری نسبت به باتری‌های غرق‌آبی معمولی دارند اما به اندازه باتری‌های AGM خوب نیستند. ظاهراً عملکرد باتری مستقیماً با هزینه باتری در ارتباط است.

خلاصه

متخصصان باتری اعتقاد دارند که محدودیت اصلی باتری‌های سربی-اسیدی در مصرف سرب است. فناوری‌های مبتنی بر ماده سرب پتانسیلِ عملکردیِ بهره‌برداری نشدهِ قابل توجهی دارند. گفته می‌شود بهبود ماده فعال با دستیابی به درک عمیق‌تر و دسترسی به ابزارهای تحلیلی برای بررسی این پدیده می‌تواند چنین چشم‌اندازی را به حقیقت تبدیل کند. اضافه کردن مواد مبتنی بر کربن به الکترود منفی سولفاتاسیون را کاهش، هدایت الکتریکی را افزایش و پذیرش شارژ را افزایش می‌دهد.

منابع

باتری یونیورسیتی