بطارية الرصاص الحمضية: العمل والبناء والشحن / التفريغ

يتكون كل جهاز محمول ومحمول تقريبًا من بطارية. البطارية عبارة عن جهاز تخزين حيث يتم تخزين الطاقة لتوفير الطاقة عند الحاجة. هناك أنواع مختلفة من البطاريات المتوفرة في عالم الإلكترونيات الحديث هذا ، من بينها بطارية الرصاص الحمضية التي تستخدم بشكل شائع لإمداد الطاقة العالية. عادة ما تكون بطاريات الرصاص الحمضية أكبر حجمًا مع البناء الصلب والثقيل ، ويمكنها تخزين كمية كبيرة من الطاقة وتستخدم بشكل عام في السيارات والمحولات.

حتى بعد المنافسة مع بطاريات Li-ion ، يتزايد الطلب على بطاريات الرصاص الحمضية يومًا بعد يوم ، لأنها أرخص وأسهل التعامل معها مقارنة ببطاريات Li-ion. وفقًا لبعض أبحاث السوق ، من المتوقع أن ينمو سوق بطاريات الرصاص الحمضية في الهند بمعدل نمو سنوي مركب يزيد عن 9 ٪ خلال 2018-24. لذلك ، لديها طلب سوق ضخم في الأتمتة والسيارات والإلكترونيات الاستهلاكية. على الرغم من أن معظم السيارة الكهربائية تأتي مع بطاريات ليثيوم أيون ، إلا أنه لا يزال هناك العديد من المركبات الكهربائية ذات العجلتين والتي تستخدم معارك حمض الرصاص لتشغيل السيارة.

في البرنامج التعليمي السابق تعلمنا عن بطاريات الليثيوم أيون ، هنا سوف نفهم كيفية عمل وبناء وتطبيقات بطاريات الرصاص الحمضية. سوف نتعرف أيضًا على تقييمات الشحن / التفريغ ومتطلبات وسلامة بطاريات الرصاص الحمضية.

بناء بطارية حمض الرصاص

ما هي بطارية الرصاص الحمضية؟ إذا كسرنا اسم بطارية الرصاص الحمضية ، فسنحصل على الرصاص والحمض والبطارية. الرصاص عنصر كيميائي (الرمز Pb والرقم الذري 82). إنه عنصر ناعم ومرن. نحن نعلم ما هو حمض. يمكنه التبرع ببروتون أو قبول زوج إلكترون عندما يتفاعل. لذا ، فإن البطارية ، التي تتكون من الرصاص وحمض بلومبيك اللامائي (تسمى أحيانًا خطأً باسم بيروكسيد الرصاص) ، تسمى بطارية حمض الرصاص.

الآن ما هو البناء الداخلي؟

تتكون بطارية الرصاص الحمضية من الأشياء التالية ويمكننا رؤيتها في الصورة أدناه:

تتكون بطارية الرصاص الحمضية من ألواح ، وفاصل ، وإلكتروليت ، وبلاستيك صلب مع غلاف مطاطي صلب.

في البطاريات ، الألواح من نوعين ، موجب وسالب. يتكون الموجب من ثاني أكسيد الرصاص والسالب يتكون من الرصاص الإسفنج. يتم فصل هاتين اللوحتين باستخدام فاصل وهو مادة عازلة. يتم الاحتفاظ بهذا الهيكل الكلي في علبة بلاستيكية صلبة مع إلكتروليت. و بالكهرباء والماء وحامض الكبريتيك.

العلبة البلاستيكية الصلبة عبارة عن خلية واحدة. عادةً ما يكون متجر خلية واحدة 2.1 فولت. لهذا السبب ، تتكون بطارية الرصاص الحمضية بجهد 12 فولت من 6 خلايا وتوفر 6 × 2.1 فولت / خلية = 12.6 فولت عادةً.

الآن ، ما هي سعة تخزين الشحن؟

يعتمد بشكل كبير على المادة الفعالة (كمية المنحل بالكهرباء) وحجم اللوحة. ربما تكون قد رأيت أن سعة تخزين بطارية الليثيوم موصوفة في تصنيف مللي أمبير / ساعة ، ولكن في حالة بطارية الرصاص الحمضية ، فهي ساعة أمبير. سوف نصف هذا في قسم لاحق.

عمل بطارية الرصاص الحمضية

إن العمل في بطارية الرصاص الحمضية يتعلق بالكيمياء ومن المثير للاهتمام معرفة ذلك. هناك عملية كيميائية ضخمة تشارك في حالة شحن وتفريغ بطارية الرصاص الحمضية. تنقسم جزيئات حمض الكبريتيك المخفف H ₂ SO ₄ إلى جزأين عندما يذوب الحمض. سيخلق أيونات موجبة 2H + وأيونات سالبة SO ₄ -. كما قلنا من قبل ، يتم توصيل قطبين كهربيين ، وهما الأنود والكاثود. يلتقط الأنود الأيونات السالبة والكاثود يجذب الأيونات الموجبة. هذا الترابط في الأنود و SO ₄ - والكاثود مع إلكترونات التبادل 2H + والتي تتفاعل بشكل أكبر مع H2O أو مع الماء (حمض الكبريتيك المخفف ، حامض الكبريتيك + الماء).

تحتوي البطارية على حالتين من التفاعل الكيميائي ، الشحن والتفريغ.

شحن بطارية الرصاص الحمضية

كما نعلم ، لشحن البطارية ، نحتاج إلى توفير جهد أكبر من الجهد الطرفي. لذلك لشحن بطارية 12.6 فولت ، يمكن استخدام 13 فولت.

ولكن ماذا يحدث بالفعل عندما نشحن بطارية حمض الرصاص؟

حسنًا ، نفس التفاعلات الكيميائية التي وصفناها من قبل. على وجه التحديد ، عند توصيل البطارية بالشاحن ، تنقسم جزيئات حامض الكبريتيك إلى أيونيين ، أيونات موجبة 2H + وأيونات سالبة SO ₄ -. إلكترونات تبادل الهيدروجين مع الكاثود وتصبح هيدروجين ، يتفاعل هذا الهيدروجين مع PbSO ₄ في الكاثود ويشكل حمض الكبريتيك (H ₂ SO ₄) والرصاص (Pb). من ناحية أخرى ، SO ₄ - تبادل الإلكترونات مع الأنود وتصبح جذرية SO ₄. يتفاعل SO ₄ مع PbSO ₄ من الأنود ويخلق بيروكسيد الرصاص PbO ₂ وحمض الكبريتيك (H ₂ SO ₄). يتم تخزين الطاقة عن طريق زيادة جاذبية حامض الكبريتيك وزيادة الجهد الكامن للخلية.

كما هو موضح أعلاه ، تحدث التفاعلات الكيميائية التالية في الأنود والكاثود أثناء عملية الشحن.

في الكاثود

PbSO ₄ + 2e ^- => Pb + SO ₄ ^2-

في الأنود

PbSO ₄ + 2H ₂ O => PbO ₂ + SO ₄ ^2- + 4H ^- + 2e ^-

بدمج المعادلتين أعلاه ، سيكون التفاعل الكيميائي الكلي

2PbSO ₄ + 2H ₂ O => PbO ₂ + Pb + 2H ₂ SO ₄

هناك طرق مختلفة قابلة للتطبيق لشحن بطارية الرصاص الحمضية. يمكن استخدام كل طريقة لبطارية حمض الرصاص المحددة لتطبيقات محددة. بعض التطبيقات تستخدم طريقة شحن الجهد الثابت ، وبعض التطبيقات تستخدم طريقة تيار مستمر ، بينما الشحن الدغدغة مفيد أيضًا في بعض الحالات توفر الشركة المصنعة للبطاريات عادةً الطريقة المناسبة لشحن بطاريات الرصاص الحمضية المحددة. لا يتم استخدام الشحن الحالي المستمر عادةً في شحن بطارية الرصاص الحمضية.

طريقة الشحن الأكثر شيوعًا المستخدمة في بطاريات الرصاص الحمضية هي طريقة شحن الجهد المستمر وهي عملية فعالة من حيث وقت الشحن. في دورة الشحن الكاملة ، يظل جهد الشحن ثابتًا وينخفض ​​التيار تدريجيًا مع زيادة مستوى شحن البطارية.

تفريغ بطارية الرصاص الحمضية

يتدخل تفريغ بطارية الرصاص الحمضية مرة أخرى في التفاعلات الكيميائية. يكون حامض الكبريتيك في صورة مخففة بنسبة 3: 1 مع الماء وحمض الكبريتيك. عندما يتم توصيل الأحمال عبر الألواح ، يتكسر حمض الكبريتيك مرة أخرى إلى أيونات موجبة 2H + وأيونات سالبة SO ₄. تتفاعل أيونات الهيدروجين مع PbO ₂ وتجعل PbO والماء H ₂ O. ويبدأ PbO في التفاعل مع H ₂ SO ₄ وينتج PbSO ₄ و H ₂ O.

على الجانب الآخر ، يتبادل SO ₄ - أيونات الإلكترونات من Pb ، مما يؤدي إلى تكوين جذري SO ₄ مما يؤدي إلى تفاعل PbSO ₄ مع Pb.

كما هو موضح أعلاه ، تحدث التفاعلات الكيميائية التالية عند الأنود والكاثود أثناء عملية التفريغ. رد الفعل هذا هو عكس تفاعلات الشحن تمامًا:

في الكاثود

Pb + SO ₄ ^2- => PbSO ₄ + 2e ^-

في الأنود:

PbO ₂ + SO ₄ ^2- + 4H ^- + 2e ^- => PbSO ₄ + 2H ₂ O

بدمج المعادلتين أعلاه ، سيكون التفاعل الكيميائي الكلي

PbO ₂ + Pb + 2H ₂ SO ₄ => 2PbSO ₄ + 2H ₂ O

بسبب تبادل الإلكترون عبر الأنود والكاثود ، يتأثر توازن الإلكترون عبر الصفائح. ثم تتدفق الإلكترونات عبر الحمل ويتم تفريغ البطارية.

أثناء هذا التفريغ ، تنخفض جاذبية حامض الكبريتيك المخفف. أيضًا ، في نفس الوقت ، ينخفض ​​الفرق المحتمل للخلية.

عامل الخطر والتقييمات الكهربائية

تعتبر بطارية الرصاص الحمضية ضارة إذا لم يتم صيانتها بأمان. نظرًا لأن البطارية تولد غاز الهيدروجين أثناء العملية الكيميائية ، فإنه يشكل خطورة كبيرة إذا لم يتم استخدامه في منطقة التهوية. أيضًا ، يؤدي الشحن غير الدقيق إلى إتلاف البطارية بشدة.

ما هي التصنيفات القياسية لبطارية الرصاص الحمضية؟

يتم توفير كل بطارية الرصاص الحمضية مع ورقة بيانات لتيار الشحن القياسي وتفريغ التيار. عادةً ما تتراوح بطارية الرصاص الحمضية بجهد 12 فولت والتي يمكن استخدامها في تطبيقات السيارات من 100 أمبير إلى 350 أمبير. يتم تعريف هذا التصنيف على أنه تصنيف التفريغ بفترة زمنية تبلغ 8 ساعات.

على سبيل المثال ، يمكن أن توفر بطارية 160Ah 20 أمبير من تيار الإمداد للحمل لمدة 8 ساعات من المدى. يمكننا رسم المزيد من الوقت الحالي ولكن ليس من المستحسن القيام بذلك. من خلال سحب تيار أكثر من الحد الأقصى لتيار التفريغ فيما يتعلق بـ 8 ساعات ، سيؤدي ذلك إلى إتلاف كفاءة البطارية ويمكن أيضًا تغيير المقاومة الداخلية للبطارية ، مما يزيد من درجة حرارة البطارية.

من ناحية أخرى ، أثناء مرحلة الشحن ، يجب أن نكون حذرين بشأن قطبية الشاحن ، ويجب توصيله بشكل صحيح بقطبية البطارية. القطبية العكسية تشكل خطورة على شحن بطارية الرصاص الحمضية. يأتي الشاحن الجاهز مزودًا بجهد شحن وشحن متر مع خيار تحكم. يجب أن نوفر جهدًا أكبر من جهد البطارية لشحن البطارية. يجب أن يكون الحد الأقصى لتيار الشحن هو نفسه الحد الأقصى لتيار العرض عند معدلات تفريغ 8 ساعات. إذا أخذنا نفس مثال 12V 160Ah ، فإن أقصى تيار للإمداد هو 20A ، وبالتالي فإن أقصى تيار شحن آمن هو 20A.

يجب ألا نزيد أو نوفر تيار شحن كبير لأن هذا سيؤدي إلى حرارة وزيادة توليد الغاز.

قواعد صيانة بطارية الرصاص الحمضية

1. الري هو أكثر ميزة صيانة مهملة لبطاريات الرصاص الحمضية المغمورة. نظرًا لأن الشحن الزائد يقلل من استهلاك المياه ، فنحن بحاجة إلى فحصه بشكل متكرر. ينتج عن قلة الماء أكسدة في الألواح ويقلل من عمر البطارية. أضف الماء المقطر أو المتأين عند الحاجة.
2. تحقق من الفتحات ، يجب أن يتم إتقانها باستخدام أغطية مطاطية ، وغالبًا ما تلتصق الأغطية المطاطية بالفتحات بإحكام شديد.
3. أعد شحن بطاريات الرصاص الحمضية بعد كل استخدام. توفر فترة طويلة دون إعادة الشحن كبريتات في اللوحات.
4. لا تجمد البطارية أو تشحنها أكثر من 49 درجة مئوية. تحتاج البطاريات الباردة إلى الشحن الكامل لأن البطاريات مشحونة بالكامل أكثر أمانًا من البطاريات الفارغة فيما يتعلق بالتجميد.
5. لا تفريغ عميق للبطارية أقل من 1.7 فولت لكل خلية.
6. لتخزين بطارية الرصاص الحمضية ، يجب أن تكون مشحونة بالكامل ثم يجب تفريغ الإلكتروليت. ثم تجف البطارية ويمكن تخزينها لفترة طويلة.