بطارية الرصاص الحمضية

📅 آخر تحديث: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 15 صور
الموسوعة الحرة
بطارية الرصاص الحمضية
بطارية سيارة من الرصاص الحمضي 12 فولت
طاقة محددة35–40 واط / كجم [1]
كثافة الطاقة80–90 واط / لتر [1]
قوة محددة180 واط / كجم [2]
كفاءة الشحن/التفريغ50-95% [3]
الطاقة/سعر المستهلك7 ( sld ) إلى 18 ( fld ) واط /دولار أمريكي [4]
معدل التفريغ الذاتي3%–20%/شهريًا [5]
متانة الدورة<350 دورة [6]
الجهد الاسمي للخلية2.1 فولت [7]
فاصل درجة حرارة الشحنالحد الأدنى -35 درجة مئوية، الحد الأقصى 45 درجة مئوية

بطارية الرصاص الحمضية هي نوع من البطاريات القابلة لإعادة الشحن اخترعها لأول مرة الفيزيائي الفرنسي جاستون بلانتيه عام 1859. وهي أول نوع من البطاريات القابلة لإعادة الشحن تم إنشاؤه على الإطلاق. وبالمقارنة مع البطاريات القابلة لإعادة الشحن الحديثة، تتمتع بطاريات الرصاص الحمضية بكثافة طاقة منخفضة نسبيًا . وعلى الرغم من ذلك، فهي قادرة على توفير تيارات اندفاع عالية . هذه الميزات، إلى جانب تكلفتها المنخفضة، تجعلها جذابة للاستخدام في المركبات الآلية لتوفير التيار العالي المطلوب لمحركات التشغيل . تعاني بطاريات الرصاص الحمضية من عمر دورة قصير نسبيًا (عادةً أقل من 500 دورة عميقة) وعمر إجمالي (بسبب الكبريتات المزدوجة في الحالة المفرغة)، بالإضافة إلى أوقات شحن طويلة.

نظرًا لأنها ليست باهظة الثمن مقارنة بالتقنيات الأحدث، تُستخدم بطاريات الرصاص الحمضية على نطاق واسع حتى عندما لا يكون تيار الارتفاع مهمًا ويمكن أن توفر التصميمات الأخرى كثافات طاقة أعلى. في عام 1999، شكلت مبيعات بطاريات الرصاص الحمضية 40-50٪ من قيمة البطاريات المباعة في جميع أنحاء العالم (باستثناء الصين وروسيا)، وهو ما يعادل قيمة سوقية تصنيعية تبلغ حوالي 15 مليار دولار أمريكي . [8] تُستخدم تصميمات الرصاص الحمضية كبيرة الحجم على نطاق واسع للتخزين في إمدادات الطاقة الاحتياطية في شبكات الاتصالات مثل مواقع الخلايا وأنظمة الطاقة الطارئة عالية التوفر كما هو مستخدم في المستشفيات وأنظمة الطاقة المستقلة . لهذه الأدوار، يمكن استخدام إصدارات معدلة من الخلية القياسية لتحسين أوقات التخزين وتقليل متطلبات الصيانة. تعد الخلايا الهلامية وبطاريات حصيرة الزجاج الممتصة شائعة في هذه الأدوار، والمعروفة بشكل جماعي باسم بطاريات الرصاص الحمضية المنظمة بالصمام ( VRLA ) .

عند شحن البطارية، يتم تخزين الطاقة الكيميائية في فرق الجهد بين الرصاص المعدني على الجانب السالب و PbO 2 على الجانب الموجب.

تاريخ

لاحظ العالم الفرنسي نيكولا غوثروت في عام 1801 أن الأسلاك التي استُخدمت في تجارب التحليل الكهربائي ستوفر في حد ذاتها كمية صغيرة من التيار الثانوي بعد فصل البطارية الرئيسية. [9] في عام 1859، كانت بطارية الرصاص الحمضية التي ابتكرها جاستون بلانتيه هي أول بطارية يمكن إعادة شحنها عن طريق تمرير تيار عكسي من خلالها. تألف أول نموذج لبلانتيه من ورقتين من الرصاص مفصولتين بشرائط مطاطية ومُلتفة في شكل حلزوني. [10] استُخدمت بطارياته لأول مرة لتشغيل الأضواء في عربات القطار أثناء التوقف في المحطة. في عام 1881، اخترع كاميل ألفونس فوريه نسخة محسنة تتكون من شبكة من الرصاص، حيث تم ضغط عجينة أكسيد الرصاص عليها، لتشكيل لوحة. كان هذا التصميم أسهل في الإنتاج الضخم. كان هنري تيودور أحد أوائل المصنعين (منذ عام 1886) لبطاريات الرصاص الحمضية . [ بحاجة لمصدر ]

يسمح استخدام إلكتروليت هلامي بدلاً من سائل باستخدام البطارية في أوضاع مختلفة دون تسرب. تم استخدام بطاريات إلكتروليت هلامية لأي وضع لأول مرة في أواخر عشرينيات القرن العشرين، وفي ثلاثينيات القرن العشرين، سمحت أجهزة الراديو المحمولة بحقيبة السفر بتركيب الخلية رأسياً أو أفقياً (ولكن ليس مقلوبة) بسبب تصميم الصمام. [11] في سبعينيات القرن العشرين، تم تطوير بطارية الرصاص الحمضية المنظمة بالصمام ( VRLA )، أو البطاريات المختومة ، بما في ذلك أنواع حصيرة الزجاج الممتصة الحديثة ( AGM )، مما يسمح بالتشغيل في أي وضع.

تم اكتشاف في وقت مبكر من عام 2011 أن بطاريات الرصاص الحمضية تستخدم في الواقع بعض جوانب النسبية للعمل، وبدرجة أقل تستخدم بطاريات المعدن السائل والملح المنصهر مثل Ca-Sb وSn-Bi أيضًا هذا التأثير. [12] [13]

الكيمياء الكهربائية

تسريح

خلية رصاص-حمضية تحتوي على لوحين من كبريتات الرصاص.
مفرغة بالكامل: لوحان متطابقان من كبريتات الرصاص ومحلول حمض الكبريتيك المخفف

في الحالة المفرغة، تصبح كل من اللوحتين الموجبة والسالبة كبريتات الرصاص (II) ( PbSO
4)، ويفقد الإلكتروليت الكثير من حمض الكبريتيك المذاب ويصبح في المقام الأول ماء.

تفاعل اللوحة السلبية
الرصاص (Pb) + HSO-
4(aq) → كبريتات الرصاص
4(س) + ح+
(أق) + 2هـ −

يؤدي إطلاق إلكترونين توصيليين إلى منح القطب الكهربائي الرصاصي شحنة سالبة.

عندما تتراكم الإلكترونات، فإنها تخلق مجالًا كهربائيًا يجذب أيونات الهيدروجين ويتنافر مع أيونات الكبريتات، مما يؤدي إلى ظهور طبقة مزدوجة بالقرب من السطح. تعمل أيونات الهيدروجين على حجب القطب المشحون عن المحلول، مما يحد من المزيد من التفاعل، ما لم يُسمح للشحنة بالتدفق خارج القطب.

تفاعل اللوحة الإيجابية
أكسيد الرصاص
2(س) + HSO4-
4(aq) + 3 هـ+
(aq) + 2e − → كبريتات الرصاص
4(س) + 2 ح
2أو (ل)

الاستفادة من التوصيل المعدني لـ PbO
2.

يمكن كتابة التفاعل الكلي على النحو التالي
الرصاص (ثانيا) + أكسيد الرصاص
2(س) + 2 ح
2لذا
4(aq) → 2 كبريتات الرصاص
4(س) + 2 ح
2أو (ل)

الطاقة الصافية المنبعثة لكل مول (207 جم) من الرصاص (الثاني) المحول إلى كبريتات الرصاص
4(s) تقريبًا 400 كيلوجول، وهو ما يتوافق مع تكوين 36 جرامًا من الماء. مجموع الكتل الجزيئية للمتفاعلات هو 642.6 جرام/مول، لذا من الناحية النظرية يمكن للخلية أن تنتج فاراديين من الشحنة (192971 كولومب ) من 642.6 جرامًا من المتفاعلات، أو 83.4 أمبير في الساعة لكل كيلوغرام لخلية 2 فولت (أو 13.9 أمبير في الساعة لكل كيلوغرام لبطارية 12 فولت). وهذا يصل إلى 167 واط في الساعة لكل كيلوغرام من المتفاعلات، ولكن في الممارسة العملية، تعطي خلية الرصاص الحمضية 30-40 واط في الساعة فقط لكل كيلوغرام من البطارية، بسبب كتلة الماء والأجزاء المكونة الأخرى.

الشحن

مشحونة بالكامل: صفيحة موجبة لثاني أكسيد الرصاص، وصفيحة سالبة للرصاص، ومحلول حمض الكبريتيك المائي المركّز

في الحالة المشحونة بالكامل، تتكون اللوحة السالبة من الرصاص، واللوحة الموجبة هي ثاني أكسيد الرصاص . يحتوي محلول الإلكتروليت على تركيز أعلى من حمض الكبريتيك المائي، والذي يخزن معظم الطاقة الكيميائية.

يؤدي الشحن الزائد بجهد شحن مرتفع إلى توليد غاز الأكسجين والهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للماء ، والذي يخرج فقاعات ويضيع. يسمح تصميم بعض أنواع بطاريات الرصاص الحمضية (مثل "المغمورة"، ولكن ليس VRLA (AGM أو هلام) ) بفحص مستوى الإلكتروليت وتعبئته بالماء النقي لاستبدال أي مستوى فقد بهذه الطريقة.

تأثير مستوى الشحن على نقطة التجمد

بسبب انخفاض نقطة التجمد ، من المرجح أن يتجمد الإلكتروليت في البيئة الباردة عندما تكون شحنة البطارية منخفضة وتركيز حمض الكبريتيك منخفض بشكل مماثل.

حركة الأيونات

أثناء التفريغ، H+
يتم إنتاجه عند الألواح السالبة وينتقل إلى محلول الإلكتروليت ثم يتم استهلاكه عند الألواح الموجبة، بينما HSO4-
4يتم استهلاكه عند كلا اللوحين. يحدث العكس أثناء الشحن. يمكن أن تكون هذه الحركة عبارة عن تدفق بروتون مدفوع كهربائيًا ( آلية جروثوس )، أو عن طريق الانتشار عبر الوسط، أو عن طريق تدفق وسط إلكتروليت سائل. نظرًا لأن كثافة الإلكتروليت تكون أكبر عندما يكون تركيز حمض الكبريتيك أعلى، فإن السائل يميل إلى الدوران عن طريق الحمل الحراري . لذلك، تميل خلية السائل والوسط إلى التفريغ السريع والشحن السريع بكفاءة أكبر من خلية هلامية مماثلة بخلاف ذلك.

قياس مستوى الشحن

يمكن استخدام مقياس كثافة السوائل لاختبار الجاذبية النوعية لكل خلية كمقياس لحالة شحنتها.

نظرًا لأن الإلكتروليت يشارك في تفاعل الشحن والتفريغ، فإن هذه البطارية تتمتع بميزة رئيسية واحدة على المواد الكيميائية الأخرى: من السهل نسبيًا تحديد حالة الشحن بمجرد قياس الجاذبية النوعية للإلكتروليت؛ تنخفض الجاذبية النوعية مع تفريغ البطارية. تتضمن بعض تصميمات البطاريات مقياس كثافة بسيط باستخدام كرات عائمة ملونة ذات كثافة مختلفة . عند استخدامها في الغواصات التي تعمل بالديزل والكهرباء ، تم قياس الجاذبية النوعية بانتظام وكتابتها على السبورة في غرفة التحكم للإشارة إلى المدة التي يمكن أن يظل فيها القارب مغمورًا. [14]

يمكن أيضًا استخدام جهد الدائرة المفتوحة للبطارية لقياس حالة الشحن. [15] إذا كانت التوصيلات الخاصة بالخلايا الفردية متاحة، فيمكن تحديد حالة شحن كل خلية مما قد يوفر دليلاً على حالة صحة البطارية ككل؛ وإلا، يمكن تقييم جهد البطارية الإجمالي.

الفولتية للاستخدام الشائع

شحن البطارية IUoU هو عملية شحن ثلاثية المراحل لبطاريات الرصاص الحمضية. الجهد الاسمي لبطارية الرصاص الحمضية هو 2.2 فولت لكل خلية. بالنسبة للخلية الواحدة، يمكن أن يتراوح الجهد من 1.8 فولت محملة عند التفريغ الكامل، إلى 2.10 فولت في دائرة مفتوحة عند الشحن الكامل.

يختلف جهد الطفو حسب نوع البطارية (الخلايا المغمورة، والإلكتروليت المتجمد، وحصيرة الزجاج الممتصة )، ويتراوح من 1.8 فولت إلى 2.27 فولت. يمكن أن يتراوح جهد المعادلة وجهد الشحن للخلايا المكبرتة من 2.67 فولت إلى ما يقرب من 3 فولت [16] (فقط حتى يتدفق تيار الشحن). [17] [18] تعتمد القيم المحددة لبطارية معينة على توصيات التصميم والشركة المصنعة، وعادةً ما يتم إعطاؤها عند درجة حرارة أساسية تبلغ 20 درجة مئوية (68 درجة فهرنهايت)، مما يتطلب التعديل للظروف المحيطة. معيار IEEE 485-2020 (نُشر لأول مرة في عام 1997) هو الممارسة الموصى بها في الصناعة لتحديد حجم بطاريات الرصاص الحمضية في التطبيقات الثابتة. [19]

بناء

أطباق

منظر داخلي لبطارية صغيرة من الرصاص والحمض من دراجة نارية مجهزة ببدء تشغيل كهربائي

يمكن إثبات خلية الرصاص والحمض باستخدام صفائح الرصاص للقطبين الكهربائيين. ومع ذلك، فإن مثل هذا البناء ينتج حوالي أمبير واحد فقط لصفائح بحجم بطاقة بريدية تقريبًا، ولعدة دقائق فقط.

وجد جاستون بلانتيه طريقة لتوفير مساحة سطحية فعّالة أكبر بكثير. في تصميم بلانتيه، تم تشكيل الصفائح الموجبة والسالبة من لولبين من رقائق الرصاص، مفصولين بقطعة قماش ومُلتفين. كانت الخلايا في البداية ذات سعة منخفضة، لذلك كانت هناك حاجة إلى عملية بطيئة للتشكيل لتآكل رقائق الرصاص، مما يؤدي إلى تكوين ثاني أكسيد الرصاص على الصفائح وخشونتها لزيادة مساحة السطح. في البداية، استخدمت هذه العملية الكهرباء من البطاريات الأولية؛ عندما أصبحت المولدات متاحة بعد عام 1870، انخفضت تكلفة إنتاج البطاريات بشكل كبير. [8] لا تزال صفائح بلانتيه تستخدم في بعض التطبيقات الثابتة، حيث يتم عمل أخاديد ميكانيكية للصفائح لزيادة مساحة سطحها.

في عام 1880، حصل كاميل ألفونس فوري على براءة اختراع لطريقة طلاء شبكة من الرصاص (تعمل كموصل للتيار) بعجينة من أكاسيد الرصاص وحمض الكبريتيك والماء، تليها مرحلة المعالجة التي تعرضت فيها الألواح للحرارة اللطيفة في بيئة عالية الرطوبة. غيرت عملية المعالجة العجينة إلى خليط من كبريتات الرصاص التي تلتصق بلوحة الرصاص. ثم، أثناء الشحن الأولي للبطارية (يسمى التكوين )، تم تحويل العجينة المعالجة على الألواح إلى مادة نشطة كهروكيميائيًا ( الكتلة النشطة ). قللت عملية فوري بشكل كبير من الوقت والتكلفة لتصنيع بطاريات الرصاص الحمضية، وأعطت زيادة كبيرة في السعة مقارنة ببطارية بلانتي. [20] لا تزال طريقة فوري قيد الاستخدام اليوم، مع تحسينات تدريجية فقط في تكوين العجينة، والمعالجة (التي لا تزال تتم بالبخار، ولكنها الآن عملية خاضعة لرقابة شديدة)، وبنية وتكوين الشبكة التي يتم تطبيق العجينة عليها.

كانت الشبكة التي طورها فوري مصنوعة من الرصاص الخالص مع قضبان توصيل من الرصاص بزوايا قائمة. وعلى النقيض من ذلك، فإن الشبكات الحالية مصممة لتحسين القوة الميكانيكية وتحسين تدفق التيار. بالإضافة إلى أنماط الشبكة المختلفة (من الناحية المثالية، تكون جميع النقاط على اللوحة متساوية البعد عن موصل الطاقة)، ​​تطبق العمليات الحديثة أيضًا حصيرًا أو حصيرتين رقيقتين من الألياف الزجاجية فوق الشبكة لتوزيع الوزن بشكل أكثر توازناً. وبينما استخدم فوري الرصاص الخالص لشبكاته، فقد حل محلها في غضون عام (1881) سبائك الرصاص والأنتيمون (8-12٪) لإعطاء الهياكل صلابة إضافية. ومع ذلك، فإن الشبكات ذات نسبة الأنتيمون العالية لديها تطور هيدروجين أعلى (والذي يتسارع أيضًا مع تقدم عمر البطارية)، وبالتالي إطلاق غازات أكبر وتكاليف صيانة أعلى. تم تحديد هذه المشكلات من قبل يو بي توماس و دبليو إي هارينج في مختبرات بيل في ثلاثينيات القرن العشرين وأدت في النهاية إلى تطوير سبائك شبكة الرصاص والكالسيوم في عام 1935 لبطاريات الطاقة الاحتياطية على شبكة الهاتف الأمريكية. وقد أدت الأبحاث ذات الصلة إلى تطوير سبائك شبكية من الرصاص والسيلينيوم في أوروبا بعد بضع سنوات. ولا تزال سبائك شبكية الرصاص والكالسيوم والرصاص والسيلينيوم تضيف الأنتيمون، وإن كان بكميات أصغر بكثير من الشبكات القديمة عالية الأنتيمون: تحتوي شبكات الرصاص والكالسيوم على 4-6٪ من الأنتيمون بينما تحتوي شبكات الرصاص والسيلينيوم على 1-2٪. وتمنح هذه التحسينات المعدنية الشبكة مزيدًا من القوة، مما يسمح لها بحمل المزيد من الوزن، وبالتالي المزيد من المواد النشطة، وبالتالي يمكن أن تكون الألواح أكثر سمكًا، مما يساهم بدوره في عمر البطارية نظرًا لوجود المزيد من المواد المتاحة للتخلص منها قبل أن تصبح البطارية غير صالحة للاستخدام. لا تزال شبكات السبائك عالية الأنتيمون تستخدم في البطاريات المخصصة للدورات المتكررة، على سبيل المثال في تطبيقات بدء تشغيل المحرك حيث يلزم تعويض التمدد / الانكماش المتكرر للألواح، ولكن حيث لا يكون إطلاق الغاز مهمًا لأن تيارات الشحن تظل منخفضة. منذ خمسينيات القرن العشرين، أصبحت البطاريات المصممة لتطبيقات الدورات غير المتكررة (على سبيل المثال، بطاريات الطاقة الاحتياطية) تحتوي بشكل متزايد على شبكات من سبائك الرصاص والكالسيوم أو الرصاص والسيلينيوم، لأن هذه الشبكات تحتوي على كمية أقل من الهيدروجين وبالتالي تكاليف صيانة أقل. إن شبكات سبائك الرصاص والكالسيوم أرخص في التصنيع (وبالتالي فإن الخلايا لديها تكاليف أولية أقل)، ولديها معدل تفريغ ذاتي أقل، ومتطلبات ري أقل، ولكنها ذات موصلية أضعف قليلاً، وهي أضعف ميكانيكيًا (وبالتالي تتطلب المزيد من الأنتيمون للتعويض)، وهي أكثر عرضة للتآكل (وبالتالي عمرًا أقصر) من الخلايا ذات شبكات سبائك الرصاص والسيلينيوم.

إن تأثير الدائرة المفتوحة هو خسارة كبيرة في عمر دورة البطارية، وقد لوحظ ذلك عندما تم استبدال الكالسيوم بالأنتيمون. كما يُعرف أيضًا باسم تأثير خالٍ من الأنتيمون. [21]

النهج الحديث

يحتوي المعجون الحديث على أسود الكربون ، وبلانك فيكس ( كبريتات الباريوم )، وليجنوسلفونات . يعمل البلانك فيكس كبلورة بذرة لتفاعل الرصاص إلى كبريتات الرصاص . يجب تشتيت البلانك فيكس بالكامل في المعجون حتى يكون فعالاً. يمنع الليجنوسلفونات اللوحة السالبة من تكوين كتلة صلبة أثناء دورة التفريغ، مما يتيح بدلاً من ذلك تكوين شجيرات طويلة تشبه الإبرة . تتمتع البلورات الطويلة بمساحة سطح أكبر ويمكن تحويلها بسهولة إلى الحالة الأصلية عند الشحن. يعاكس أسود الكربون تأثير تثبيط التكوين الناجم عن الليجنوسلفونات. يعتبر موزع مكثفات النفثالين المسلفنة موسعًا أكثر فعالية من الليجنوسلفونات ويسرع التكوين. يعمل هذا المشتت على تحسين تشتت كبريتات الباريوم في المعجون، ويقلل من وقت التصلب المائي، وينتج صفيحة أكثر مقاومة للكسر، ويقلل من جزيئات الرصاص الدقيقة، وبالتالي يحسن خصائص المناولة واللصق. كما يعمل على إطالة عمر البطارية عن طريق زيادة جهد نهاية الشحن. يتطلب النفتالين المسلفن حوالي ثلث إلى نصف كمية الليجنوسلفونات وهو مستقر في درجات الحرارة الأعلى. [22]

بمجرد أن تجف، يتم تكديس الألواح مع الفواصل المناسبة وإدخالها في حاوية الخلية. تشكل الألواح المتناوبة بعد ذلك أقطابًا موجبة وسلبية متناوبة، ويتم توصيلها لاحقًا داخل الخلية ببعضها البعض (سلبي إلى سلبي، موجب إلى موجب) بالتوازي. تمنع الفواصل الألواح من ملامسة بعضها البعض، مما قد يشكل ماسًا كهربائيًا بخلاف ذلك. في الخلايا المغمورة والهلامية، تكون الفواصل عبارة عن قضبان أو مسامير عازلة، كانت في السابق من الزجاج أو السيراميك، والآن من البلاستيك. في خلايا AGM، يكون الفاصل هو حصيرة الزجاج نفسها، ويتم ضغط رف الألواح مع الفواصل معًا قبل إدخالها في الخلية؛ بمجرد دخولها إلى الخلية، تتمدد حصائر الزجاج قليلاً، مما يؤدي إلى قفل الألواح في مكانها بشكل فعال. في البطاريات متعددة الخلايا، يتم توصيل الخلايا بعد ذلك ببعضها البعض على التوالي، إما من خلال موصلات عبر جدران الخلايا، أو بواسطة جسر فوق جدران الخلايا. تكون جميع الوصلات داخل الخلايا وبين الخلايا من نفس سبيكة الرصاص المستخدمة في الشبكات. هذا ضروري لمنع التآكل الجلفاني .

تتميز البطاريات ذات الدورة العميقة بهندسة مختلفة لأقطابها الموجبة. فالقطب الموجب ليس صفيحة مسطحة ولكنه صف من أسطوانات أو أنابيب أكسيد الرصاص المتراصة جنبًا إلى جنب، لذلك تسمى هندستها أنبوبية أو أسطوانية . وتتمثل ميزة ذلك في زيادة مساحة السطح الملامسة للإلكتروليت، مع تيارات تفريغ وشحن أعلى من خلية ذات صفيحة مسطحة بنفس الحجم وعمق الشحن. تتمتع خلايا الأقطاب الأنبوبية بكثافة طاقة أعلى من خلايا الصفيحة المسطحة. وهذا يجعل الألواح ذات الهندسة الأسطوانية مناسبة بشكل خاص لتطبيقات التيار العالي مع قيود الوزن أو المساحة، مثل الرافعات الشوكية أو لبدء تشغيل محركات الديزل البحرية. ومع ذلك، نظرًا لأن الأسطوانات تحتوي على مادة نشطة أقل في نفس الحجم، فإنها تتمتع أيضًا بكثافة طاقة أقل من الخلايا ذات الصفيحة المسطحة القابلة للمقارنة بخلاف ذلك، كما أن المادة النشطة الأقل عند القطب تعني أيضًا أن لديها مادة أقل متاحة للتخلص منها قبل أن تصبح الخلايا غير صالحة للاستخدام. كما أن تصنيع الأقطاب الكهربائية الأسطوانية بشكل موحد أكثر تعقيدًا، وهو ما يجعلها أكثر تكلفة من الخلايا ذات اللوحة المسطحة. وتحد هذه التنازلات من نطاق التطبيقات التي تكون فيها البطاريات الأسطوانية ذات أهمية في المواقف التي لا تتوفر فيها مساحة كافية لتثبيت وحدات ذات لوحة مسطحة ذات سعة أعلى (وبالتالي أكبر).

حوالي 60% من وزن بطارية الرصاص الحمضية من النوع المستخدم في السيارات والتي تقدر بـ 60 أمبير/ساعة هو الرصاص أو الأجزاء الداخلية المصنوعة من الرصاص؛ والباقي هو الإلكتروليت والفواصل والعلبة. [8] على سبيل المثال، يوجد حوالي 8.7 كيلوجرام (19 رطلاً) من الرصاص في بطارية نموذجية تزن 14.5 كيلوجرام (32 رطلاً).

الفواصل

تمنع الفواصل بين الصفائح الموجبة والسالبة حدوث ماس كهربائي من خلال الاتصال المادي، وخاصة من خلال التشعبات الشجرية ( التغصنات )، ولكن أيضًا من خلال تساقط المادة النشطة. تسمح الفواصل بتدفق الأيونات بين صفائح الخلية الكهروكيميائية لتشكيل دائرة مغلقة. تم استخدام الخشب والمطاط وحصيرة الألياف الزجاجية والسليلوز والبلاستيك متعدد كلوريد البوليفينيل أو البولي إيثيلين لصنع الفواصل. كان الخشب هو الخيار الأصلي، لكنه يتدهور في إلكتروليت الحمض.

يجب أن يتمتع الفاصل الفعال بعدد من الخصائص الميكانيكية، بما في ذلك النفاذية ، والمسامية، وتوزيع حجم المسام، والمساحة السطحية النوعية ، والتصميم الميكانيكي والقوة، والمقاومة الكهربائية ، والتوصيل الأيوني ، والتوافق الكيميائي مع الإلكتروليت. أثناء الخدمة، يجب أن يتمتع الفاصل بمقاومة جيدة للأحماض والأكسدة . يجب أن تكون مساحة الفاصل أكبر قليلاً من مساحة الألواح لمنع حدوث تماس كهربائي بين الألواح. يجب أن تظل الفواصل مستقرة على مدى نطاق درجة حرارة تشغيل البطارية .

حصيرة زجاجية ماصة

في تصميم حصيرة الزجاج الماصة ( AGM )، يتم استبدال الفواصل بين اللوحات بحصيرة من الألياف الزجاجية المنقوعة في الإلكتروليت. يوجد ما يكفي من الإلكتروليت في الحصيرة لإبقائها رطبة، وإذا تم ثقب البطارية، فلن يتدفق الإلكتروليت خارج الحصائر. الغرض الرئيسي من استبدال الإلكتروليت السائل في بطارية مغمورة بحصيرة من الألياف الزجاجية شبه المشبعة هو زيادة نقل الغاز بشكل كبير عبر الفاصل؛ يتمكن غاز الهيدروجين أو الأكسجين الناتج أثناء الشحن الزائد أو الشحن (إذا كان تيار الشحن مفرطًا) من المرور بحرية عبر حصيرة الزجاج وتقليل أو أكسدة اللوحة المقابلة، على التوالي. في الخلية المغمورة، تطفو فقاعات الغاز إلى أعلى البطارية وتضيع في الغلاف الجوي. تسمح هذه الآلية لإعادة تجميع الغاز الناتج والفائدة الإضافية للخلية شبه المشبعة التي لا توفر تسربًا كبيرًا للإلكتروليت عند ثقب غلاف البطارية ماديًا بإغلاق البطارية تمامًا، مما يجعلها مفيدة في الأجهزة المحمولة والأدوار المماثلة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تركيب البطارية في أي اتجاه، ولكن إذا تم تركيبها رأسًا على عقب، فقد يؤدي ذلك إلى خروج الحمض من خلال فتحة الضغط الزائد.

لتقليل معدل فقدان الماء، يتم خلط الكالسيوم مع الألواح؛ ومع ذلك، يظل تراكم الغاز مشكلة عندما يتم شحن البطارية أو تفريغها بعمق أو بسرعة. لمنع الضغط الزائد لغلاف البطارية، تتضمن بطاريات AGM صمام تفريغ أحادي الاتجاه، وغالبًا ما تُعرف بتصميمات الرصاص الحمضي المنظم بالصمام ( VRLA ).

تتمثل ميزة أخرى لتصميم AGM في أن الإلكتروليت يصبح مادة فاصلة وهو قوي ميكانيكيًا. يسمح هذا بضغط كومة الألواح معًا في غلاف البطارية، مما يزيد قليلاً من كثافة الطاقة مقارنة بالإصدارات السائلة أو الهلامية. غالبًا ما تظهر بطاريات AGM انتفاخًا مميزًا في أغلفتها عند بنائها بأشكال مستطيلة شائعة، بسبب تمدد الألواح الموجبة.

كما تمنع السجادة الحركة الرأسية للإلكتروليت داخل البطارية. فعندما يتم تخزين خلية مبللة عادية في حالة تفريغ، تميل جزيئات الحمض الأثقل إلى الاستقرار في قاع البطارية، مما يتسبب في تراكب الإلكتروليت. وعندما تُستخدم البطارية بعد ذلك، يتدفق غالبية التيار في هذه المنطقة فقط، ويميل قاع الصفائح إلى التآكل بسرعة. وهذا أحد الأسباب التي قد تؤدي إلى إتلاف بطارية السيارة التقليدية عن طريق تركها مخزنة لفترة طويلة ثم استخدامها وإعادة شحنها. وتمنع السجادة بشكل كبير هذا التراكب، مما يلغي الحاجة إلى رج البطاريات بشكل دوري أو غليها أو تشغيل شحنة معادلة من خلالها لخلط الإلكتروليت. كما يتسبب التراكب في تحول الطبقات العليا من البطارية إلى ماء بالكامل تقريبًا، والذي يمكن أن يتجمد في الطقس البارد؛ وتكون بطاريات AGM أقل عرضة للتلف بشكل كبير بسبب الاستخدام في درجات حرارة منخفضة.

في حين أن خلايا AGM لا تسمح بالري (عادةً ما يكون من المستحيل إضافة الماء دون حفر ثقب في البطارية)، فإن عملية إعادة تركيبها محدودة بشكل أساسي بالعمليات الكيميائية المعتادة. حتى أن غاز الهيدروجين ينتشر عبر العلبة البلاستيكية نفسها. وجد البعض أنه من المربح إضافة الماء إلى بطارية AGM، ولكن يجب القيام بذلك ببطء للسماح للماء بالاختلاط في جميع أنحاء البطارية عن طريق الانتشار. عندما تفقد بطارية الرصاص الحمضية الماء، يزداد تركيز الحمض فيها، مما يزيد من معدل تآكل الألواح بشكل كبير. تحتوي خلايا AGM بالفعل على نسبة عالية من الحمض في محاولة لخفض معدل فقدان الماء وزيادة جهد الاستعداد، وهذا يؤدي إلى عمر أقصر مقارنة بالبطارية المغمورة بالرصاص والأنتيمون. إذا كان جهد الدائرة المفتوحة لخلايا AGM أعلى بكثير من 2.093 فولت، أو 12.56 فولت لبطارية 12 فولت، فهذا يعني أن محتوى الحمض لديها أعلى من الخلية المغمورة؛ في حين أن هذا أمر طبيعي بالنسبة لبطارية AGM، إلا أنه غير مرغوب فيه لعمر طويل.

تظهر خلايا AGM التي يتم شحنها بشكل زائد عن عمد أو عن طريق الخطأ جهد دائرة مفتوحة أعلى وفقًا للمياه المفقودة (وتركيز الحمض المتزايد). ستؤدي أمبير ساعة من الشحن الزائد إلى تحليل كهربائي لـ 0.335 جرام من الماء لكل خلية؛ سيعاد تجميع بعض الهيدروجين والأكسجين المحررين، ولكن ليس كلها.

إلكتروليتات هلامية

خلال سبعينيات القرن العشرين، طور الباحثون النسخة المغلقة أو بطارية الهلام ، والتي تخلط عامل تجلط السيليكا في الإلكتروليت ( لم تكن بطاريات الرصاص الحمضية القائمة على هلام السيليكا المستخدمة في أجهزة الراديو المحمولة منذ أوائل الثلاثينيات مغلقة تمامًا). يحول هذا الجزء الداخلي السائل سابقًا للخلايا إلى عجينة شبه صلبة، مما يوفر العديد من نفس مزايا AGM. تكون مثل هذه التصميمات أقل عرضة للتبخر وغالبًا ما تُستخدم في المواقف التي لا يكون فيها الصيانة الدورية ممكنة أو قليلة. تتمتع خلايا الهلام أيضًا بنقاط تجميد أقل ونقاط غليان أعلى من الإلكتروليتات السائلة المستخدمة في الخلايا الرطبة التقليدية وAGMs، مما يجعلها مناسبة للاستخدام في الظروف القاسية.

العيب الوحيد في تصميم الهلام هو أن الهلام يمنع الحركة السريعة للأيونات في الإلكتروليت، مما يقلل من حركة الناقل وبالتالي قدرة التيار الزائد. لهذا السبب، توجد خلايا الهلام بشكل شائع في تطبيقات تخزين الطاقة مثل الأنظمة غير المتصلة بالشبكة.

خالية من الصيانة,مختوم، وصمام تنظيم الرصاص الحمضي(في آر إل إيه)

كلا التصميمين الهلامي وAGM محكمان، ولا يتطلبان الري، ويمكن استخدامهما في أي اتجاه، ويستخدمان صمامًا لنفخ الغاز. ولهذا السبب، يمكن تسمية كلا التصميمين بالتصميمين الخالي من الصيانة والمحكم وVRLA. ومع ذلك، فمن الشائع جدًا العثور على مصادر تنص على أن هذه المصطلحات تشير إلى تصميم أو آخر من هذه التصميمات على وجه التحديد.

في بطارية الرصاص الحمضية المنظمة بالصمام (VRLA)، يتحد الهيدروجين والأكسجين المنتجان في الخلايا إلى حد كبير في الماء. يكون التسرب ضئيلًا، على الرغم من أن بعض الإلكتروليت لا يزال يهرب إذا لم تتمكن عملية إعادة التركيب من مواكبة تطور الغاز. نظرًا لأن بطاريات VRLA لا تتطلب (وتجعل من المستحيل) فحص مستوى الإلكتروليت بانتظام، فقد تم تسميتها بالبطاريات الخالية من الصيانة . ومع ذلك، فإن هذا تسمية خاطئة إلى حد ما: تتطلب خلايا VRLA الصيانة. مع فقدان الإلكتروليت، تجف خلايا VRLA وتفقد السعة. يمكن اكتشاف ذلك من خلال إجراء قياسات منتظمة للمقاومة الداخلية أو التوصيل أو المعاوقة . يكشف الاختبار المنتظم عما إذا كانت هناك حاجة إلى المزيد من الاختبارات والصيانة المتضمنة. تم تطوير إجراءات الصيانة مؤخرًا للسماح بإعادة الترطيب، وغالبًا ما تستعيد كميات كبيرة من السعة المفقودة.

أصبحت أنواع VRLA شائعة الاستخدام في الدراجات النارية حوالي عام 1983، [23] لأن الفاصل يحسن مقاومة الاهتزاز ويمنع إلكتروليت الحمض من الانسكاب. [24] كما أنها شائعة الاستخدام في التطبيقات الثابتة مثل مواقع الاتصالات، نظرًا لصغر حجمها ومرونة تركيبها. [25]

التطبيقات

معظم بطاريات الرصاص الحمضية في العالم هي بطاريات تشغيل وإضاءة وإشعال السيارات (SLI)، حيث تم شحن ما يقدر بنحو 320 مليون وحدة في عام 1999. [8] في عام 1992، تم استخدام حوالي 3 ملايين طن من الرصاص في تصنيع البطاريات.

تُستخدم بطاريات الخلايا الرطبة الاحتياطية (الثابتة) المصممة للتفريغ العميق بشكل شائع في مصادر الطاقة الاحتياطية الكبيرة لمراكز الهاتف والكمبيوتر وتخزين الطاقة الشبكية وأنظمة الطاقة الكهربائية المنزلية خارج الشبكة. [26] تُستخدم بطاريات الرصاص الحمضية في الإضاءة الطارئة وتشغيل مضخات الحوض في حالة انقطاع التيار الكهربائي .

تُستخدم بطاريات الجر (الدفع) في عربات الجولف وغيرها من المركبات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات . تُستخدم أيضًا بطاريات الرصاص الحمضية الكبيرة لتشغيل المحركات الكهربائية في الغواصات التي تعمل بالديزل والكهرباء (التقليدية) عند غمرها، وتُستخدم أيضًا كطاقة طوارئ في الغواصات النووية . لا يمكن لبطاريات الرصاص الحمضية المنظمة بالصمامات أن تسكب إلكتروليتها. تُستخدم في مصادر الطاقة الاحتياطية لأجهزة الإنذار وأنظمة الكمبيوتر الأصغر حجمًا (خاصة في مصادر الطاقة غير المنقطعة ) وللدراجات البخارية الكهربائية والكراسي المتحركة الكهربائية والدراجات الكهربائية والتطبيقات البحرية والمركبات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات أو المركبات الهجينة الصغيرة والدراجات النارية. تستخدم العديد من الرافعات الشوكية الكهربائية بطاريات الرصاص الحمضية، حيث يُستخدم الوزن كجزء من ثقل موازن. استُخدمت بطاريات الرصاص الحمضية لتزويد جهد الفتيل (السخان)، مع وجود 2 فولت شائعًا في أجهزة استقبال الراديو ذات الصمام المفرغ المبكر .

تحتوي البطاريات المحمولة لمصابيح الرأس الخاصة بعمال المناجم عادةً على خليتين أو ثلاث خلايا. [27]

الدورات

بطاريات التشغيل

إن بطاريات الرصاص الحمضية المصممة لبدء تشغيل محركات السيارات ليست مصممة للتفريغ العميق. فهي تحتوي على عدد كبير من الألواح الرقيقة المصممة لأقصى مساحة سطحية، وبالتالي أقصى خرج للتيار، والتي يمكن أن تتلف بسهولة بسبب التفريغ العميق. إن التفريغ العميق المتكرر سيؤدي إلى فقدان السعة وفي النهاية إلى فشل مبكر، حيث تتفكك الأقطاب الكهربائية بسبب الضغوط الميكانيكية التي تنشأ عن الدورة.

ستعاني بطاريات التشغيل التي يتم الاحتفاظ بها على شحنة عائمة مستمرة من تآكل الأقطاب الكهربائية مما يؤدي أيضًا إلى فشل مبكر. [ بحاجة لمصدر ] لذلك، يجب إبقاء بطاريات التشغيل في دائرة مفتوحة ولكن يتم شحنها بانتظام (مرة واحدة على الأقل كل أسبوعين) لمنع الكبريتات.

تعتبر بطاريات البدء أخف وزنًا من بطاريات الدورة العميقة من نفس الحجم، لأن ألواح الخلايا الأرق والأخف وزنًا لا تمتد حتى أسفل علبة البطارية. وهذا يسمح للمواد المتحللة والمفككة بالسقوط من الألواح والتجمع في أسفل الخلية، مما يطيل عمر خدمة البطارية. إذا ارتفعت هذه الحطام المتحلل بدرجة كافية، فقد تلامس قاع الألواح وتتسبب في فشل الخلية، مما يؤدي إلى فقدان جهد البطارية وسعتها.

بطاريات الدورة العميقة

تتميز الخلايا ذات الدورة العميقة المصممة خصيصًا بأنها أقل عرضة للتدهور بسبب الدورة، وهي مطلوبة للتطبيقات التي يتم فيها تفريغ البطاريات بانتظام، مثل الأنظمة الكهروضوئية والمركبات الكهربائية ( الرافعات الشوكية وعربات الجولف والسيارات الكهربائية وغيرها) وإمدادات الطاقة غير المنقطعة . تحتوي هذه البطاريات على ألواح أكثر سمكًا لا يمكنها توصيل قدر كبير من التيار الأقصى ولكنها يمكن أن تتحمل التفريغ المتكرر. [28]

تم تصميم بعض البطاريات كحل وسط بين بطاريات التشغيل (التيار العالي) وبطاريات الدورة العميقة. ويمكن تفريغها بدرجة أكبر من بطاريات السيارات، ولكن بدرجة أقل من بطاريات الدورة العميقة. ويمكن الإشارة إليها باسم بطاريات البحرية أو بطاريات السيارات الترفيهية .

الشحن والتفريغ السريع والبطيء

يجب أن يتناسب تيار الشحن مع قدرة البطارية على امتصاص الطاقة. قد يؤدي استخدام تيار شحن كبير جدًا على بطارية صغيرة إلى غليان وتنفيس الإلكتروليت. في هذه الصورة، انتفخت علبة بطارية VRLA بسبب ارتفاع ضغط الغاز الناتج عن الشحن الزائد.

لا تعد سعة بطارية الرصاص الحمضية كمية ثابتة بل تتغير وفقًا لسرعة تفريغها. تُعرف العلاقة التجريبية بين معدل التفريغ والسعة بقانون بيوكيرت .

عندما يتم شحن البطارية أو تفريغها، فإن المواد الكيميائية المتفاعلة فقط، والتي توجد عند الواجهة بين الأقطاب الكهربائية والإلكتروليت، هي التي تتأثر في البداية. ومع مرور الوقت، تنتشر الشحنة المخزنة في المواد الكيميائية عند الواجهة، والتي غالبًا ما تسمى شحنة الواجهة أو شحنة السطح ، عن طريق انتشار هذه المواد الكيميائية في جميع أنحاء حجم المادة النشطة.

لنفترض أن البطارية قد استنفدت شحنتها بالكامل (كما يحدث عند ترك أضواء السيارة مضاءة طوال الليل، حيث يتم سحب تيار يبلغ حوالي 6 أمبير). إذا تم شحنها بسرعة لبضع دقائق فقط، فإن ألواح البطارية تُشحن فقط بالقرب من الواجهة بين الألواح والإلكتروليت. في هذه الحالة، قد يرتفع جهد البطارية إلى قيمة قريبة من جهد الشاحن؛ وهذا يتسبب في انخفاض تيار الشحن بشكل كبير. بعد بضع ساعات، ستنتشر شحنة الواجهة هذه إلى حجم القطب والإلكتروليت؛ وهذا يؤدي إلى شحنة واجهة منخفضة للغاية بحيث قد لا تكون كافية لبدء تشغيل السيارة. [29] طالما أن جهد الشحن يظل أقل من جهد الغاز (حوالي 14.4 فولت في بطارية الرصاص الحمضية العادية)، فإن تلف البطارية غير مرجح، وفي الوقت المناسب يجب أن تعود البطارية إلى حالة مشحونة اسميًا.

الكبريتات وإزالة الكبريتات

ألواح كبريتاتية من بطارية 12 فولت 5 أمبير

تفقد بطاريات الرصاص الحمضية القدرة على قبول الشحن عند تفريغها لفترة طويلة جدًا بسبب الكبريتات ، وهي تبلور كبريتات الرصاص . [30] فهي تولد الكهرباء من خلال تفاعل كيميائي مزدوج للكبريتات. يتفاعل الرصاص وثاني أكسيد الرصاص، المواد النشطة على ألواح البطارية، مع حمض الكبريتيك في الإلكتروليت لتكوين كبريتات الرصاص . تتشكل كبريتات الرصاص أولاً في حالة غير متبلورة مقسمة بدقة وتعود بسهولة إلى الرصاص وثاني أكسيد الرصاص وحمض الكبريتيك عند إعادة شحن البطارية. مع مرور البطاريات بالعديد من عمليات التفريغ والشحن، لا تتحد بعض كبريتات الرصاص في الإلكتروليت وتتحول ببطء إلى شكل بلوري مستقر لم يعد يذوب عند إعادة الشحن. وبالتالي، لا يتم إرجاع كل الرصاص إلى ألواح البطارية، وتنخفض كمية المواد النشطة القابلة للاستخدام اللازمة لتوليد الكهرباء بمرور الوقت.

تحدث الكبريتات في بطاريات الرصاص الحمضية عندما تتعرض للشحن غير الكافي أثناء التشغيل العادي، وتحدث أيضًا عندما تُترك بطاريات الرصاص الحمضية غير مستخدمة مع شحن غير كامل لفترة طويلة. [31] إنها تعيق إعادة الشحن؛ تتمدد رواسب الكبريتات في النهاية، مما يؤدي إلى تشقق الألواح وتدمير البطارية. في النهاية، لا تتمكن مساحة كبيرة من لوحة البطارية من توفير التيار مما يقلل من سعة البطارية بشكل كبير. بالإضافة إلى ذلك، لا يتم إرجاع جزء الكبريتات (من كبريتات الرصاص) إلى الإلكتروليت كحمض الكبريتيك. يُعتقد أن البلورات الكبيرة تمنع الإلكتروليت فعليًا من دخول مسام الألواح. قد يكون الطلاء الأبيض على الألواح مرئيًا في البطاريات ذات العلب الشفافة أو بعد تفكيك البطارية. تُظهر البطاريات التي تحتوي على كبريتات مقاومة داخلية عالية ويمكنها توصيل جزء صغير فقط من تيار التفريغ الطبيعي. تؤثر الكبريتات أيضًا على دورة الشحن، مما يؤدي إلى أوقات شحن أطول وشحن أقل كفاءة وغير مكتمل ودرجات حرارة أعلى للبطارية.

تتعرض بطاريات SLI (البدء والإضاءة والإشعال؛ على سبيل المثال، بطاريات السيارات) إلى أكبر قدر من التدهور لأن المركبات تظل عادة غير مستخدمة لفترات طويلة نسبيًا من الزمن. وتتعرض بطاريات الدورة العميقة وبطاريات الطاقة المحركة للشحن الزائد المنتظم والمتحكم فيه، مما يؤدي في النهاية إلى الفشل بسبب تآكل شبكات الألواح الإيجابية بدلاً من الكبريتات.

يمكن تجنب الكبريتات إذا تم شحن البطارية بالكامل فورًا بعد دورة التفريغ. [32] لا توجد طرق معروفة تم التحقق منها بشكل مستقل لعكس الكبريتات. [8] [33] هناك منتجات تجارية تدعي تحقيق إزالة الكبريتات من خلال تقنيات مختلفة مثل الشحن النبضي، ولكن لا توجد منشورات تمت مراجعتها من قبل الأقران للتحقق من ادعاءاتها. يظل منع الكبريتات هو أفضل مسار للعمل، عن طريق شحن بطاريات الرصاص الحمضية بشكل دوري بالكامل.

التقسيم الطبقي

تحتوي بطارية الرصاص الحمضية النموذجية على خليط بتركيزات متفاوتة من الماء والحمض. يتمتع حمض الكبريتيك بكثافة أعلى من الماء، مما يتسبب في تدفق الحمض المتكون عند الألواح أثناء الشحن إلى الأسفل وتجمعه في الجزء السفلي من البطارية. في النهاية، سيصل الخليط مرة أخرى إلى تكوين موحد عن طريق الانتشار ، ولكن هذه عملية بطيئة للغاية. ستؤدي الدورات المتكررة من الشحن والتفريغ الجزئي إلى زيادة طبقات الإلكتروليت، مما يقلل من سعة البطارية وأدائها لأن نقص الحمض في الجزء العلوي يحد من تنشيط اللوحة. كما يعزز الطبقات التآكل في النصف العلوي من الألواح والكبريتات في الجزء السفلي. [34]

يؤدي الشحن الزائد الدوري إلى تكوين نواتج تفاعل غازية عند اللوحة، مما يتسبب في حدوث تيارات الحمل الحراري التي تخلط الإلكتروليت وتحل الطبقية. وسيكون للتحريك الميكانيكي للإلكتروليت نفس التأثير. كما تخضع البطاريات في المركبات المتحركة للرش والتناثر في الخلايا، مع تسارع المركبة وكبحها وانعطافها.

أمان

بطارية الرصاص الحمضية للسيارة بعد الانفجار تظهر كسرًا هشًا في نهايات الغلاف

يؤدي الشحن الزائد إلى حدوث التحليل الكهربائي ، مما يؤدي إلى انبعاث الهيدروجين والأكسجين في عملية تُعرف باسم التبخير . تحتوي الخلايا الرطبة على فتحات تهوية مفتوحة لإطلاق أي غاز يتم إنتاجه، وتعتمد بطاريات VRLA على الصمامات المجهزة بكل خلية. تتوفر أغطية تحفيزية للخلايا المغمورة لإعادة دمج الهيدروجين والأكسجين. تعيد خلية VRLA عادةً دمج أي هيدروجين وأكسجين يتم إنتاجهما داخل الخلية، ولكن قد يؤدي العطل أو ارتفاع درجة الحرارة إلى تراكم الغاز. إذا حدث هذا ( على سبيل المثال، عند الشحن الزائد)، فإن الصمام ينفث الغاز ويعيد الضغط إلى وضعه الطبيعي، مما ينتج عنه رائحة حمضية مميزة. ومع ذلك، يمكن أن تفشل الصمامات، كما هو الحال إذا تراكمت الأوساخ والحطام، مما يسمح بتراكم الضغط.

قد يشتعل الهيدروجين والأكسجين المتراكمان في بعض الأحيان في انفجار داخلي . يمكن أن تتسبب قوة الانفجار في انفجار غلاف البطارية، أو تتسبب في تطاير الجزء العلوي منه، مما يؤدي إلى تناثر الحمض وشظايا الغلاف. قد يؤدي الانفجار في خلية واحدة إلى اشتعال أي خليط غاز قابل للاشتعال في الخلايا المتبقية. وبالمثل، في منطقة سيئة التهوية، يمكن أن يتسبب توصيل أو فصل دائرة مغلقة (مثل الحمل أو الشاحن) عن أطراف البطارية أيضًا في حدوث شرارات وانفجار، إذا تم تنفيس أي غاز من الخلايا.

يمكن أيضًا أن تتعرض الخلايا الفردية داخل البطارية إلى دائرة كهربائية قصيرة ، مما يتسبب في حدوث انفجار.

تنتفخ خلايا بطاريات VRLA عادةً عندما يرتفع الضغط الداخلي، مما يعطي تحذيرًا للمستخدمين والميكانيكيين. يختلف التشوه من خلية إلى أخرى، ويكون أعظم في الأطراف حيث لا تدعم الجدران خلايا أخرى. يجب عزل مثل هذه البطاريات ذات الضغط الزائد والتخلص منها بعناية. يجب على الأفراد الذين يعملون بالقرب من البطاريات المعرضة لخطر الانفجار حماية أعينهم وبشرتهم المكشوفة من الحروق بسبب رش الحمض والنار من خلال ارتداء واقي للوجه وبدلات عمل وقفازات. يؤدي استخدام النظارات الواقية بدلاً من واقي الوجه إلى تعريض الوجه للحمض المتطاير المحتمل أو شظايا العلبة أو البطارية والحرارة الناتجة عن انفجار محتمل.

بيئة

المخاوف البيئية

وفقًا لتقرير صدر عام 2003 بعنوان "التخلص من الرصاص"، من قِبل الدفاع البيئي ومركز علم البيئة في آن أربور بولاية ميشيغان، فإن بطاريات المركبات على الطريق تحتوي على ما يقدر بنحو 2.600.000 طن متري (2.600.000 طن طويل؛ 2.900.000 طن قصير) من الرصاص. بعض مركبات الرصاص سامة للغاية. يمكن أن يؤدي التعرض الطويل الأمد حتى لكميات ضئيلة من هذه المركبات إلى تلف الدماغ والكلى وضعف السمع ومشاكل التعلم عند الأطفال. [35] تستخدم صناعة السيارات أكثر من 1.000.000 طن متري (980.000 طن طويل؛ 1.100.000 طن قصير) من الرصاص كل عام، حيث يذهب 90٪ منها إلى بطاريات المركبات التقليدية التي تحتوي على الرصاص والحمض. في حين أن إعادة تدوير الرصاص صناعة راسخة، فإن أكثر من 40.000 طن متري (39.000 طن طويل؛ 44.000 طن قصير) ينتهي بها المطاف في مكبات النفايات كل عام. وفقًا لسجل الانبعاثات السامة الفيدرالي، يتم إطلاق 70 ألف طن متري آخر (69 ألف طن طويل؛ 77 ألف طن قصير) في عملية استخراج الرصاص وتصنيعه. [36]

وتجري محاولات لتطوير بدائل (خاصة للاستخدام في صناعة السيارات) بسبب المخاوف بشأن العواقب البيئية المترتبة على التخلص غير السليم من الرصاص وعمليات صهره ، من بين أسباب أخرى. ومن غير المرجح أن تحل البدائل محلها في تطبيقات مثل تشغيل المحرك أو أنظمة الطاقة الاحتياطية، لأن البطاريات، على الرغم من ثقلها، غير مكلفة من حيث التكلفة الأولية.

إعادة التدوير

عامل يقوم بإعادة تدوير الرصاص المنصهر في منشأة إعادة تدوير البطاريات

وفقًا لمجلس البطاريات، وهي مجموعة صناعية، فإن إعادة تدوير بطاريات الرصاص الحمضية هي واحدة من أنجح برامج إعادة التدوير في العالم. في الولايات المتحدة، تم إعادة تدوير 99٪ من جميع بطاريات الرصاص بين عامي 2014 و 2018. [37] [ مشكوك فيه - ناقش ] [ مصدر أفضل مطلوب ] ومع ذلك، أشارت وثائق إدارة حماية البيئة الأمريكية ، منذ عام 1982، إلى معدلات تتراوح بين 60٪ و 95٪. [38] [39]

الرصاص سام للغاية للإنسان، وإعادة تدويره يمكن أن يؤدي إلى تلوث وتلويث الناس، مما يؤدي إلى العديد من المشاكل الصحية الدائمة. [40] [41] يحدد أحد التصنيفات إعادة تدوير بطاريات الرصاص الحمضية باعتبارها العملية الصناعية الأكثر فتكًا في العالم، من حيث سنوات العمر المعدلة بالإعاقة المفقودة - مما يؤدي إلى فقدان ما بين 2،000،000 إلى 4،800،000 سنة تقديرية من حياة الإنسان الفردية، على مستوى العالم. [42]

لقد أصبحت مواقع إعادة تدوير بطاريات الرصاص الحمضية بحد ذاتها مصدرًا لتلوث الرصاص، وبحلول عام 1992، اختارت وكالة حماية البيئة 29 موقعًا من هذا القبيل لتنظيفها في إطار برنامجها Superfund ، مع إدراج 22 موقعًا منها على قائمة الأولويات الوطنية. [39]

إن وجود نظام فعال لمكافحة التلوث يعد ضرورة لمنع انبعاث الرصاص. ويتطلب الأمر تحسينًا مستمرًا في مصانع إعادة تدوير البطاريات وتصميمات الأفران لمواكبة معايير الانبعاثات لمصاهر الرصاص.

المواد المضافة

لقد تم استخدام الإضافات الكيميائية منذ أن أصبحت بطارية الرصاص الحمضية منتجًا تجاريًا، لتقليل تراكم كبريتات الرصاص على الألواح وتحسين حالة البطارية عند إضافتها إلى إلكتروليت بطارية الرصاص الحمضية المهواة. نادرًا ما تكون مثل هذه المعالجات فعالة، إن وجدت. [43]

هناك مركبان يستخدمان لهذه الأغراض وهما أملاح إبسوم وإيديتا . تعمل أملاح إبسوم على تقليل المقاومة الداخلية في البطارية الضعيفة أو التالفة وقد تسمح بقدر ضئيل من العمر الممتد. يمكن استخدام إيديتا لإذابة رواسب الكبريتات في الألواح المفرغة بشدة. ومع ذلك، فإن المادة المذابة لم تعد متاحة للمشاركة في دورة الشحن والتفريغ العادية، لذا فإن البطارية التي يتم تنشيطها مؤقتًا باستخدام إيديتا سيكون لها عمر افتراضي أقل. يشكل إيديتا المتبقي في خلية الرصاص الحمضية أحماضًا عضوية من شأنها تسريع تآكل ألواح الرصاص والموصلات الداخلية.

تتغير المواد النشطة من حيث الشكل الفيزيائي أثناء الشحن/التفريغ، مما يؤدي إلى نمو وتشوه الأقطاب الكهربائية، وتساقط الأقطاب الكهربائية في الإلكتروليت. وبمجرد سقوط المادة النشطة من الألواح، لا يمكن استعادتها إلى موضعها بأي معالجة كيميائية. وعلى نحو مماثل، لا يمكن إصلاح المشاكل الفيزيائية الداخلية مثل الألواح المتشققة أو الموصلات المتآكلة أو الفواصل التالفة كيميائيًا.

مشاكل التآكل

يحدث تآكل الأجزاء المعدنية الخارجية للبطارية الرصاصية الحمضية نتيجة لتفاعل كيميائي بين أطراف البطارية والمقابس والموصلات.

يحدث التآكل في الطرف الموجب بسبب التحليل الكهربائي، وذلك بسبب عدم تطابق السبائك المعدنية المستخدمة في تصنيع طرف البطارية وموصل الكابل. عادة ما يكون التآكل الأبيض عبارة عن بلورات كبريتات الرصاص أو الزنك . تتآكل موصلات الألومنيوم إلى كبريتات الألومنيوم . تنتج موصلات النحاس بلورات تآكل زرقاء وبيضاء. يمكن تقليل تآكل أطراف البطارية عن طريق طلاء الأطراف بالفازلين أو منتج متوفر تجاريًا مصنوع لهذا الغرض. [44]

إذا كانت البطارية مملوءة بالماء والإلكتروليت، فإن التمدد الحراري قد يجبر بعض السائل على الخروج من فتحات التهوية في البطارية إلى أعلى البطارية. ثم يمكن أن يتفاعل هذا المحلول مع الرصاص والمعادن الأخرى في موصل البطارية ويسبب التآكل.

يمكن أن يتسرب المنحل بالكهرباء من خلال الختم البلاستيكي للرصاص حيث تخترق أطراف البطارية العلبة البلاستيكية.

يمكن أن تؤدي الأبخرة الحمضية التي تتبخر من خلال أغطية التهوية، والتي غالبًا ما تحدث بسبب الشحن الزائد والتهوية غير الكافية لصندوق البطارية، إلى تراكم أبخرة حمض الكبريتيك والتفاعل مع المعادن المكشوفة.

انظر أيضا

مراجع

  1. ^ ab May, Geoffrey J.; Davidson, Alistair; Monahov, Boris (فبراير 2018). "بطاريات الرصاص لتخزين الطاقة الخدمية: مراجعة". مجلة تخزين الطاقة . 15 : 145–157. Bibcode :2018JEnSt..15..145M. doi : 10.1016/j.est.2017.11.008 .
  2. ^ "دليل مواصفات المنتج" (PDF) . شركة تروجان للبطاريات. 2008. مؤرشف من الأصل (PDF) في 2013-06-04 . تم الاسترجاع في 2014-01-09 .
  3. ^ الدليل الفني: بطاريات الرصاص الحمضية المختومة (PDF) ، Power-Sonic Corporation، 2018-12-17، ص. 19 ، تم استرجاعه في 2014-01-09
  4. ^ كوي، إيفان (13 يناير 2014). "كل شيء عن البطاريات، الجزء 3: بطاريات الرصاص الحمضية". UBM Canon . تم الاسترجاع في 3 نوفمبر 2015 .
  5. ^ مواصفات البطاريات العامة PS وPSG
  6. ^ سلسلة PS - VRLA، بطارية AGM، صمام منظم
  7. ^ كرومبتون، توماس روي (2000). كتاب مرجع البطارية (الطبعة الثالثة). نيونس. ص 1/10. ISBN 07506-4625-X.
  8. ^ أ ب ج د ليندن، ديفيد؛ ريدي، توماس ب.، محرران (2002). دليل البطاريات (الطبعة الثالثة). نيويورك: ماكجرو هيل. ص 23.5. رقم ISBN 978-0-07-135978-8.
  9. ^ "تاريخ بطارية الرصاص الحمضية".
  10. ^ “غاستون بلانتيه (1834-1889)”، Corrosion-doctors.org؛ تم الوصول إليه آخر مرة في 3 كانون الثاني (يناير) 2007.
  11. ^ كام، فريدريك جيمس . "بطارية الرصاص الحمضية". موسوعة صانعي الأجهزة اللاسلكية (الطبعة الثالثة).
  12. ^ شيربر، مايكل (2011-01-14). "التركيز: النسبية تمد بطارية سيارتك بالطاقة". فيزياء . 27. الجمعية الفيزيائية الأمريكية . تم الاسترجاع في 2019-12-25 .
  13. ^ "بطارية البزموت والقصدير السائلة لتخزين الطاقة على نطاق الشبكة". InternationalTin.org . رابطة القصدير الدولية. 2018-01-09 . تم الاسترجاع في 2019-12-25 .
  14. ^ للحصول على مثال واحد لأهمية الثقل النوعي للبطارية بالنسبة للغواصين، انظر Ruhe, William J. (1996). War in the Boats: My World War II Submarine Battles . Brassey's. p. 112. ISBN 978-1-57488-028-1.
  15. ^ "Deep Cycle Battery FAQ". WindSun.com . القسم "Battery Voltages". مؤرشف من الأصل في 2010-07-22 . تم الاسترجاع في 2010-06-30 .
  16. ^ "دليل البطاريات الرصاصية الحمضية الثابتة الجزء الأول: الأساسيات والتصميم وأوضاع التشغيل والتطبيقات" (PDF) . الإصدار 6. GNB Industrial Power، Exide Technologies. فبراير 2012. مؤرشف من الأصل (PDF) في 18 يناير 2020.
  17. ^ "إعدادات الجهد الموصى بها للشحن ثلاثي الطور لبطاريات الرصاص الحمضية المغمورة." بطارية رولز، تم استرجاعها في 17 أبريل 2015.
  18. ^ Moderne Akcumulatoren، صفحة 55، ISBN 3-939359-11-4 
  19. ^ "معيار IEEE 485-2020".
  20. ^ ديل، رونالد؛ ديفيد أنتوني؛ جيمس راند (2001). فهم البطاريات . الجمعية الملكية للكيمياء . رقم ISBN 978-0-85404-605-8.
  21. ^ "LABD". www.labatscience.com . مؤرشف من الأصل في 2008-08-20.
  22. ^ براءة اختراع الولايات المتحدة رقم 5,948,567
  23. ^ Sudhan S. Misra (25 مايو 2007). "التطورات في تقنية البطاريات VRL في المدى القريب للاتصالات". مجلة مصادر الطاقة . 168 (1): 40-8. Bibcode :2007JPS...168...40M. doi :10.1016/j.jpowsour.2006.11.005.
  24. ^ Isoi, T.; Furukawa, H. (1996). "بطاريات الرصاص/الحمض المنظمة بالصمامات للاستخدام في SLI في اليابان". مجلة مصادر الطاقة . 59 (1-2): 143-146. Bibcode :1996JPS....59..143I. doi :10.1016/0378-7753(95)02315-1.
  25. ^ موقع EU Aviation News المؤرشف بتاريخ 2009-08-13 على موقع Wayback Machine يتحدث عن تاريخ واستخدامات والتطورات الأخيرة لـ VRLA.
  26. ^ مقدمة عن بطاريات الدورة العميقة في أنظمة الطاقة المتجددة
  27. ^ Cowlishaw, MF (ديسمبر 1974). "خصائص واستخدام مصابيح الأغطية الرصاصية الحمضية" (PDF) . ترجمة جمعية أبحاث الكهوف البريطانية . 1 (4): 199-214.
  28. ^ ""الأسئلة الشائعة حول البطارية" في Northern Arizona Wind & Sun، تمت الزيارة في 2006-07-23". مؤرشف من الأصل في 2010-07-22 . تم الاسترجاع في 2006-07-23 .
  29. ^ ساسلو، واين م. (2002). الكهرباء والمغناطيسية والضوء . تورنتو: تومسون ليرنينج. ص 302-4. ISBN 978-0-12-619455-5.
  30. ^ JW Simms. The Boy Electrician . George G Haerrap & Co. ص 65.
  31. ^ AK Pandey. "ما هي كبريتات البطارية وكيفية منعها؟".
  32. ^ يمكن أن يمنع الشحن المتساوي عملية الكبريتات إذا تم إجراؤه قبل تكوين بلورات كبريتات الرصاص. Broussely, Michel; Pistoia, Gianfranco, eds. (2007). Industrial applications of batteries: from cars to aerospace and energy storage . Elsevier. pp. 502–3. ISBN 978-0-444-52160-6.
  33. ^ "علاجات الكبريتات بدون غموض". Batteryvitamin.net . تم الاسترجاع في 29 أغسطس 2020 .
  34. ^ هنري أ. كاثرينو؛ فريد ف. فيريس؛ فرانسيسكو ترينيداد (2004). "الكبريتات في بطاريات الرصاص الحمضية". مجلة مصادر الطاقة . 129 (1): 113-120. رمز Bibcode :2004JPS...129..113C. doi :10.1016/j.jpowsour.2003.11.003.
  35. ^ "2.3 علاقة الجرعة بالاستجابة للرصاص" (PDF) ، الملف السام للرصاص ، الولايات المتحدة الأمريكية: وكالة مراكز السيطرة على الأمراض والوقاية منها وسجل الأمراض، أغسطس 2007، ص. 31 ، تم الاسترجاع في 2013-09-26 ، تشير هذه البيانات إلى أن بعض التأثيرات العصبية السلوكية الدقيقة لدى الأطفال قد تحدث عند مستويات منخفضة جدًا من الرصاص في الدم. (يعني الرصاص في الدم مستوى الرصاص)
  36. ^ DeCicco, John M.; Kliesch, James (February 2001). ACEEE's Green Book: The Environmental Guide to Cars and Trucks . المجلس الأمريكي للاقتصاد الموفر للطاقة. ISBN 978-0-918249-45-6.
  37. ^ "Battery Council International" (PDF) . Battery Council . تم الاسترجاع في 25 أغسطس 2020 .
  38. ^ "الاستنتاجات" في "تأثيرات اقتصاديات صناعة الرصاص واللوائح الخاصة بالنفايات الخطرة على إعادة تدوير بطاريات الرصاص الحمضية: المراجعة والتحديث"، سبتمبر 1987، أعدت لمكتب تحليل السياسات، وكالة حماية البيئة الأمريكية ، بواسطة شركة بوتنام، هايز وبارتليت، كامبريدج، ماساتشوستس، (أيضًا على nepis.epa.gov) تم الاسترجاع في 15 مايو 2021
  39. ^ ab "Engineering Bulletin: Selection of Control Technologies for Remediation of Lead Battery Recycling Sites"، سبتمبر 1992، Superfund : EPA/540/S-95/011، وكالة حماية البيئة الأمريكية ، (كما هو الحال في: nepis.epa.gov) تم الاسترجاع في 15 مايو 2021
  40. ^ Ericson, Bret; Howard Hu; Emily Nash; Greg Ferraro; Julia Sinitsky; Mark Patrick Taylor: "Blood lead levels in low-income and medium-income countries: a systematic review,", March 2021 The Lancet Planetary Health ، من The Lancet ، DOI:https://doi.org/10.1016/S2542-5196(20)30278-3•، كما ورد في "Pure Earth, USC and Macquarie University Publish Landmark Lead Study in The Lancet Planetary Health Journal"، مدونة التلوث، Pure Earth ، تم الاسترجاع في 15 مايو 2021
  41. ^ بيرس، فريد: "التخلص من الرصاص: لماذا إعادة تدوير البطاريات يشكل خطرًا عالميًا على الصحة"، 2 نوفمبر 2020، Yale Environment 360 ، كلية ييل للبيئة ، جامعة ييل ، تم الاسترجاع في 15 مايو 2021
  42. ^ Ballantyne, Andrew D.; Hallett, Jason P.; Riley, D. Jason; Shah, Nilay; Payne, David J. (2018). "إعادة تدوير بطاريات الرصاص الحمضية للقرن الحادي والعشرين". Royal Society Open Science . 5 (5): 171368. Bibcode : 2018RSOS ....571368B. doi : 10.1098/rsos.171368 . PMC 5990833. PMID  29892351. 
  43. ^ http://museum.nist.gov/exhibits/adx2/partii.htm محفوظ في 14 مارس 2016 على موقع واي باك مشين. نزاع حول إضافات البطاريات عندما أبلغ الدكتور فينال من المكتب الوطني للمعايير عن هذا لمكتب تحسين الأعمال الوطني.
  44. ^ هورست باور، أد. (1996). دليل السيارات (الطبعة الرابعة). روبرت بوش. ص. 805. ردمك 0-8376-0333-1.

عام

  • magnalabs.com، كبريتات لوحة البطارية
  • reuk.co.uk، إزالة الكبريت من البطارية
  • reuk.co.uk، بطاريات الرصاص الحمضية
  • cbcdesign.co.uk، مصدر الطاقة من العاصمة (أبريل 2002)
  • comcast.net، تفاصيل تقنية صغيرة عن بطاريات الرصاص الحمضية
تحتوي ويكيميديا ​​كومنز على وسائط متعلقة بـ بطاريات الرصاص الحمضية .
  • btterycouncil.org (BCI)، منظمة تجارية لمصنعي بطاريات الرصاص الحمضية.
  • batteryfaq.org، الأسئلة الشائعة حول بطاريات السيارات والبطاريات ذات الدورة العميقة
  • atsdr.cdc.gov، سمية الرصاص (Pb): المفاهيم الأساسية | ATSDR – الطب البيئي والتعليم الصحي البيئي - دراسات حالة CSEM في الطب البيئي (CSEM)، وكالة المواد السامة وسجل الأمراض
  • alton-moore.net، مزيل الكبريتات من بطارية الرصاص الحمضية (Home Power #77 يونيو/يوليو 2000)]
تم الاسترجاع من "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=بطارية_الرصاص_الحمضية&oldid=1259733967"
Original text
Rate this translation
Your feedback will be used to help improve Google Translate