S-2001 : باتری لید اسید (سربی اسیدی) چیست؟

S-2001 : باتری لید اسید (Lead Acid) چیست؟

What is Lead Acid Based Batteries?

با باتری لید اسید چقدر آشنا هستید؟ در این مقاله قصد بررسی باتری لید اسید را داریم. در ادامه با کاربرد آن، انواع مختلف آن و در نهایت مزایا و معایب این خانواده از باتری‌‌ها را بررسی خواهیم کرد.

باتری لید اسید چیست؟

باتری لید اسید به معنای باتری سرب اسیدی است. این باتری را یک فیزیکدان فرانسوی به نام گاستون پلانته (Gaston Planté) اختراع کرده است. این نوع باتری، اولین باتری در تاریخ با قابلیت شارژ دوباره برای استفاده مجدد است. با وجود اینکه ماده شیمیایی سرب سال‌ها پیش کشف و استفاده شده است، اما امروزه همچنان کاربرد گسترده‌ای دارد.
دلایل معقولی برای محبوبیت این نوع باتری‌‌ها وجود دارد؛ باتری‌های لید اسید قابل اطمینان بوده و از نظر هزینه نسبت به سایر باتری‌ها ارزان‌تر هستند. باتری‌های کمی وجود دارند که مانند باتری‌ سرب اسیدی، حجم توان ارزانی را ارائه ‌دهند و همین امر باعث شده استفاده از این باتری‌ها برای خودروها، لیفتراک‌ها، حمل و نقل دریایی و یو‌پی‌اس مقرون به صرفه باشد.

ساختار باتری لید اسید

ساختار شبکه باتری لید اسید 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. (در ادامه در مورد دیپ سایکل Deep Cycle صحبت خواهد شد) اما اینکار مصرف آب را افزایش می‌دهد و نیاز به یکنواخت ‌سازی‌ (Equalize) را تشدید می‌نماید. کلسیم سبب کاهش میزان دشارژ (تخلیه) 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 سرب اسیدی مدرن از عامل‌های آلایشی مثل سلنیوم، کادمیوم، قلع و آرسنیک نیز استفاده می‌کنند تا محتوای آنتیموان و کلسیم در آن‌ها کاهش یابد.

تخلیه باتری لید اسید

باتری‌های لید اسید سنگین هستند و در حالت استفاده به صورت دیپ سایکل نسبت به باتری‌های مبتنی بر نیکل و لیتیوم دوام کمتری دارند. تخلیه کامل سبب ایجاد تنش شده و هر بار تکرار تخلیه و شارژ به صورت دائمی بخش کوچکی از ظرفیت باتری را برای همیشه از بین می‌برد.

وقتی باتری در شرایط مطلوبی باشد، میزان از بین رفتن ظرفیت کمتر 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 تخلیه، در کاربردهایی نیازمند به حالت کاری دیپ سایکل از ۲۰۰ تا ۳۰۰ سیکل (چرخه) تخلیه 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.

پیشنهادی: افزایش طول عمر باتری لید اسید را مطالعه کنید.

شارژ باتری لید اسید (Lead Acid)

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 صفحه مثبت شبکه روی می‌شود. اگر سرویس به موقع انجام شود، سولفاتاسیون برگشت‌پذیر است اما خوردگی دائمی است.

پیشنهادی: شارژ باتری‌ لید اسید را مطالعه کنید.

باتری‌های سرب 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.

پیشنهادی: سیستم جدید باتری‌ لید اسید را مطالعه کنید.

انواع مختلف باتری لید اسید

در ادامه می‌خواهیم انواع مختلف باتری لید اسید را بررسی کنیم.

باتری‌ سیلد لید اسید

اولین باتری‌ لید اسید، باتری سیلد لید اسید به معنای باتری سرب اسیدی مهر و موم شده است. این نوع باتری بدون منفذ یا بدون نیاز به نگهداری و تعمیر در اواسط دهه ۱۹۷۰ معرفی شدند.

مهندسان اینطور استدلال کردند که واژه «باتری سرب اسیدی بدون منفذ» نامی اشتباه است چون هیچ باتری لید اسید 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 حالت‌ها را داشته باشد.

باتری بدون منفذ شامل الکترولیت کمتری نسبت به نوع قدیمی آن یعنی لید اسید معمولی است که پر از اسید است. از این رو واژه «کمبود-اسید» برای آن استفاده می‌شود.

مهم‌ترین مزیت باتری‌های سیلد لید اسید، 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.

انواع باتری سیلد لید اسید (Lead Acid)

چندین نوع باتری سیلد لید اسید معرفی شده‌اند. متداول‌ترین آن‌ها نوع باتری ژلی است که با نام‌های باتری سیلد لید اسید با شیر تنظیم Valve-Regulated Lead Acid (VRLA) شناخته می‌شود. دومین نوع آن باتری سیلد لید اسید، جداکننده‌ی جذبی 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.

کاربرد باتری سیلد لید اسید (Lead Acid)

مجموعه‌های کوچک‌تر با ظرفیت‌های حداکثر ۳۰ آمپر ساعت، اغلب باتری‌های سیلد لید اسید نامیده می‌شوند. این باتری‌ها که در محفظه‌ای پلاستیکی قرار می‌گیرند به عنوان دستگاه‌های یو‌پی‌اس UPS کوچک و روشنایی اضطراری استفاده شده و در ویلچرها کاربرد دارند.

باتری‌‌ سیلد لید اسید به خاطر قیمت پایین، قابلیت اطمینان و نیاز کم به نگهداری، انتخاب اول حوزه بهداشت در بیمارستان‌ها و خانه‌های سالمندان است. باتری‌های بزرگ‌تر سیلد لید اسید 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.

جداکننده‌ی جذبی، 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 آمپر ساعت 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 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 جدا کننده جذبی گران‌تر از نوع معمولی هستند. اما از نوع ژلی ارزان‌ترند. (استفاده از نوع ژلی برای عملکرد روشن و خاموش در خودروها بسیار هزینه‌بر است)

باتری‌های سیلد لید اسید را معمولاً در سه گروه کاربردی دسته‌بندی می‌کنند: خودرو (راه‌انداز یا SLI)، نیروی محرک (کِشش یا دیپ سایکل) و ثابت (UPS).

تفاوت باتری سیلد لید اسید و لید اسید

باتری‌های سیلد لید بر خلاف باتری لید اسید، 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 جداکننده‌ی جذبی را نمی‌توان تا حداکثر ظرفیت آن‌ها شارژ کرد. در نتیجه حد ولتاژ شارژ آن‌ها باید کمتر از نوع لید اسید تنظیم شود.

این مورد برای شارژ شناور در حالت شارژ کامل نیز صادق است. نوع ژلی و جداکننده جذبی از نظر شارژ شدن به عنوان جایگزین مستقیم نوع معمولی سربی اسیدی شناخته نمی‌شوند. اگر هیچگونه شارژر اختصاصی برای نوع جداکننده جذبی با ژلی 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.

پیشنهاد: حرارت و بارگذاری چه تأثیری بر عمر باتری دارند را مطالعه کنید.

باتری‌های سربی اسیدی نرخ تخلیه یا ضریب تخلیه ۵ ساعت (0.2C) و ۲۰ ساعت (0.05C) دارند. باتری با نرخ دشارژ (تخلی) کُند بهترین عملکرد را دارد؛ در سرعت دشارژی کُندتر از سرعت 1C، اساساً ظرفیت اسمی بیشتر می‌شود. به هر حال اگر باتری‌های سربی اسیدی فقط برای چند ثانیه استفاده شوند می‌توانند جریان‌های پالسی بالایی چندین برابر C تحویل دهند. این امر سبب می‌شود که باتری‌های سربی اسیدی به گزینه‌ای عالی به عنوان باتری راه‌انداز تبدیل شوند. که تحت عنوان راه‌اندازی جرقه احتراق Starter-Light-Ignition (SLI) نیز شناخته می‌شوند.

پیشنهاد: ضریب تخلیه باتری C-rate را مطالعه کنید.

وجود سرب و اسید سولفوریک زیاد در باتری سیلد اسید سبب می‌شود که آلایندگی ایجاد کند و برای محیط‌زیست مضر باشند.

 باتری‌های راه‌انداز

باتری راه‌انداز برای روشن کردن موتور با بارگذاری زودگذر با توان بالا استفاده می‌شود. 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 آمپر ساعت 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. 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.)

پیشنهاد: نحوه اندازه‌گیری CCA را مطالعه کنید.

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. 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 – باتری راه انداز

باتری راه‌انداز از صفحات نازک زیادی به صورت موازی استفاده شده است. 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 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.

کاربرد باتری راه‌انداز و باتری با دیپ سایکل (Deep Cycle)

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.

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 لید اسید یا لیتیوم یون برای خودرو، کدام بهتر است؟

از زمانی که شرکت کادیلاک (Cadillac) موتور راه‌انداز را در سال ۱۹۱۲ معرفی کرد، باتری‌های لید اسید به عنوان باتری مورد نظر برای اینکار انتخاب شدند. توماس ادیسون سعی کرد باتری‌های سربی اسیدی را با باتری‌ نیکل–آهن (Ni-Fe) جایگزین کند. اما باتری‌های سربی اسیدی پیروز این نبرد بودند. چون عنصری قدرتمند و پرتوان است و همچنین هزینه‌های کمتری داشتند. حالا استفاده از باتری‌های سربی اسیدی به عنوان باتری راه‌انداز در خودروها توسط باتری‌های لیتیوم یون به چالش کشیده شده است.

شکل۴ – مشخصه‌های باتری‌های لید اسید و یون لیتیوم را نشان می‌دهد. هر دو ماده شیمیایی عملکرد مشابهی دارند.  باتری‌های لید اسید از نظر شاخص وات بر کیلوگرم کمی بهتر هستند. اما باتری‌های لیتیوم یون بهبود زیادی در تعداد سیکل داشته‌اند، انرژی مخصوص بر حسب وات‌ساعت بر کیلوگرم بهتری دارند و پذیرش شارژ دینامیکی خوبی دارند. اما باتری‌های لیتیوم یون به خاطر هزینه بالا به ازای کیلووات ‌‌ساعت، بازیافت پیچیده و امتیاز ایمنی کمتر نسبت به باتری‌های سربی اسیدی با نقاط ضعفی همراه هستند.

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 نیکل فلز هیدرید و لیتیوم یون هستند. اما قیمت آن‌ها بسیار بالا بوده و عملکرد آن‌ها در دمای پایین ضعیف است. باتری‌های سربی اسیدی با نرخ بازیافت ۹۹ درصد خطر کمتری برای محیط ‌زیست دارند و به نظر می‌رسد همچنان بهترین گزینه برای این نوع کاربرد باشند.

مزایا و معایب باتری سربی اسیدی

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 نیکل فلز هیدرید و لیتیوم یون هستند. اما قیمت آن‌ها بسیار بالا بوده و عملکرد آن‌ها در دمای پایین ضعیف است. باتری‌های سربی اسیدی با نرخ بازیافت ۹۹ درصد خطر کمتری برای محیط ‌زیست دارند و به نظر می‌رسد همچنان بهترین گزینه برای این نوع کاربرد باشند.

نتیجه گیری

در این مقاله سعی کردیم نشان دهیم باتری لید اسید یا باتری سربی اسیدی چیست؟ چگونه کار می‌کند؟ انواع آن و کاربردهای آن‌ها چیست؟ و در نهایت مزیت و معایب آن را بیان کردیم.

پیشنهادی: نحوه آماده سازی باتری را مطالعه کنید.

اگر تجربه کار با باتری‌های سربی اسیدی را دارید با ما در میان بگذارید. صمیمانه پذیرای نظرات شما هستیم.

باتری لید اسید چیست؟