آموزش الکترونیک

باتری سربی اسیدی چیست؟ (نحوه کار، ساخت، شارژ و تخلیه)

سلام. باتری سرب اسیدی چیست؟ (نحوه کار، ساخت، شارژ و تخلیه) را آماده کردیم.

تقریبا هر دستگاه قابل حمل و دستی دارای یک باتری است. باتری یک وسیله ذخیره سازی است که در آن انرژی ذخیره می شود تا در هنگام نیاز انرژی را تأمین کند. انواع مختلفی از باتری ها در دنیای مدرن الکترونیک موجود است، در بین آنها باتری سرب-اسید معمولا برای منبع تغذیه بالا استفاده می شود. معمولا باتری های سرب-اسید از لحاظ اندازه بزرگ تر هستند و ساختاری سخت و سنگین دارند، آنها می توانند مقدار زیادی انرژی را ذخیره کنند و به طور کلی در خودرو ها و اینورترها استفاده می شوند.

حتی پس از رقابت با باتری های Li_ion، تقاضا برای باتری های سرب-اسید روز به روز بیشتر می شود، زیرا در مقایسه با باتری های Li_ion ارزان تر و قابل حمل تر هستند. طبق برخی تحقیقاتِ بازار ، پیش بینی می شود که در طی دوره 24_2018،  بازار باتری سرب-اسید هند در CAGR (نرخ رشد مرکب سالانه) بیش از 9 درصد رشد کند. بنابراین تقاضای زیادی در بازار خودکار سازی، خودرو و مصرف کنندگان الکترونیک دارد. اگرچه بیشتر وسایل نقلیه الکتريکي مجهز به باتری های Lithion-ion هستند، اما هنوز تعداد زیادی از دوچرخه های الکتریکی وجود دارند که از باتري های سرب-اسید برای تأمین انرژی وسیله نقلیه استفاده می کنند.

در آموزش قبلی ما در مورد باتری های Lithion-ion آموختیم، در اينجا ما با نحوه کار کردن، ساختار و کاربرد های سرب-اسید آشنا خواهیم شد. ما همچنین در مورد مقدار شارژ /تخلیه شارژ، نیازمندی ها و ایمنی باتری های سرب-اسید یاد خواهیم گرفت.

ساختار باتری سربی – اسیدی

یک باتری سرب-اسید چیست ؟ اگر ما نام باتری سرب-اسید را از هم تفکیک کنیم، ما سرب، اسید و باتری خواهیم داشت. سرب یک عنصر شیمیایی است (نمادش pb و عدد اتمی آن 82 است). این یک عنصر نرم و چکش خوار است. ما می دانیم اسید چیست؛ آن می تواند یک پروتون اهدا کند یا یک جفت الکترون را در هنگام واکنش بپذیرد. بنابراین، باتری ای که متشکل از سرب و اسید سرب دارِ بدون آب (که گاهی اوقات  به اشتباه به عنوان پراکسید سرب نامیده می شود) باتری سرب اسید نامیده می‌شود.

اکنون ساختار داخلی آن چیست؟

یک باتری سرب-اسید از موارد زیر تشکیل شده است، می توانیم آن را در تصویر زیر مشاهده کنیم:

ساختار باتری سربی - اسیدی

باتری سرب-اسید از صفحات، ورقه عایق و الکترولیت، پلاستیک سخت با بدنه لاستیک سخت، تشکیل شده است.

در باتری ها، صفحات از دو نوع مثبت و منفی هستند. صفحه مثبت از دی اکسید سرب و منفی از سرب اسفنجی تشکیل شده است. این دو صفحه با استفاده از یک ورقه که یک ماده ی عایق است، از هم جدا می شوند. این ساختار کل در یک بدنه ی پلاستیکی سخت با یک الکترولیت نگه داشته می شود. الکترولیت، آب و اسیدسولفوریک است.

بدنه ی سخت پلاستیکی یک پیل است. یک پیل منفرد به طور معمول 2.1 ولت ذخیره می کند. به همین دلیل، یک باتری سرب-اسید 12 ولتی شامل 6 سلول و به طور معمول x 2.1V/Cell = 12.66 فراهم می کند.

اکنون، ظرفیت ذخیره شارژ چقدر است؟

به شدت ، به ماده ی فعال (مقدار الکترولیت) و اندازه صفحه بستگی دارد. شاید شما دیده باشید که ظرفیت ذخیره سازی باتری lithium با استفاده از mAh یا میلی امپر-ساعت بیان می شود. اما در مورد باتری سرب اسید، آمپر ساعت است. ما این را در بخش بعدی توضیح خواهیم داد.

نحوه کار باتری سرب اسید

تمام کار باتری سرب اسید درمورد شیمی است و دانستن راجب آن بسیار جالب است. فرآیندهای شیمیایی عظیمی در شارژ و تخلیه باتری های سرب اسید وجود دارند. مولکولهای رقیق شده ی اسید سولفوریک H2SO4 ، هنگامی که اسید حل میشود به دو قسمت شکسته می شوند. آن یون مثبت +2H و یون منفی -SO4 ایجاد می کند. همانطور که قبلا گفتم ، دو الکترون به عنوان صفحات متصل می شوند ، آنود و کاتود . آنود یون منفی و کاتد یون مثبت را جذب می کند. این پیوند در آند و SO4- ، و کاتد با  2H+الکترون ها را مبادله می کند که بیشتر با H2O یعنی آب واکنش می دهد ( اسید سولفوریک رقیق ،اسید سولفوریک + آب ) .

حتما ببینید :  آموزش اتصال TFT LCD لمسی 3.5 اینچ به رزبری پای

باتری دو حالت واکنش شیمیایی دارد ، شارژ و تخلیه.

اگر در مورد این مطلب سوالی داشتید در انتهای صفحه در قسمت نظرات بپرسید.

شارژ باتری سربی اسیدی

همانطور که می دانیم برای شارژ باتری ، باید ولتاژ بیشتری از ولتاژ پایانه استفاده کنیم.  بنابراین برای شارژ باتری 12.6ولت می توان از 13 ولت استفاده کرد.

اما چه اتفاقی می افتد وقتی که باتری سرب اسید را شارژ می کنیم؟

خب ، همان واکنشهای شیمیایی که قبلاً توضیح دادیم رخ می دهد. هنگامی که باتری به شارژر وصل شود ، مولکول های اسید سولفوریک به دو یون ، یون های مثبت 2H+  و یون های منفی SO4- شکسته می شوند. هیدروژن الکترون ها را با  کاتد مبادله می کند و به هیدروژن تبدیل می شود ، این هیدروژن با PbSO4 در کاتد واکنش می دهد و اسید سولفوریک (H2SO4) و سرب (Pb) را تشکیل می دهد.  از طرف دیگر ، SO4 الکترونها را با آند مبادله می کند و رادیکال SO4 می شود.  این SO4 با PbSO4 از آند واکنش می دهد و پراکسید سرب PbO2 و اسید سولفوریک (H2SO4) تولید می کند.  انرژی با افزایش گرانی اسید سولفوریک و افزایش ولتاژ بالقوه ی سلول ذخیره می شود.

همانطور که در بالا توضیح دادیم  ، واکنشهای شیمیایی زیر در آند و کاتود در طی فرایند شارژ اتفاق می افتد.

در کاتد:

PbSO4 + 2e- => Pb + SO42-

در آند:

PbSO4 + 2H2O => PbO2 + SO42- + 4H- + 2e-

واکنش شیمیایی با ترکیب دو معادله بالا خواهد بود:

2PbSO4 + 2H2O => PbO2 + Pb + 2H2SO4 

شارژ باتری سرب اسید

روشهای مختلفی برای شارژ باتری سرب اسید وجود دارد که از هر روش می توان برای برنامه های معین استفاده کرد.  برخی از برنامه ها از روش شارژ ولتاژ ثابت استفاده می کنند ، برخی دیگر از برنامه ها از یک روش جریان ثابت استفاده می کنند ، در حالی که شارژ تدریجی پر کردن دائمی باتری نیز در بعضی موارد مفید است  به طور معمول سازنده ی باتری ، روش صحیح شارژ باتری های خاص سرب اسید را ارائه می دهد.  شارژ جریان ثابت معمولا در شارژ باتری سرب اسید استفاده نمی شود.

متداول ترین روش شارژ برای باتری سرب اسید ، روش شارژ ولتاژ ثابت است که از نظر زمان شارژ یک فرآیند مؤثر است. در چرخه شارژ کامل ، ولتاژ شارژ ثابت می ماند و با افزایش سطح شارژ باتری ، جریان به تدریج کاهش می یابد.

تخلیه شارژ باتری سرب اسید

تخلیه باتری سرب اسید مجددا شامل واکنشهای شیمیایی می شود. اسید سولفوریک به صورت معمولی با نسبت 3:1 با آب و اسید سولفوریک رقیق شده است. وقتی بارها در میان صفحات متصل می شوند ، اسید سولفوریک دوباره به یون های مثبت 2H+ و یون های منفی SO4  می شکند. یون های هیدروژن با PbO2  واکنش می دهند و PbO  و H2O را ایجاد می کنند. PbO با H2SO4 واکنش نشان می دهد و PbSO4 و H2O را ایجاد می کند.

از طرف دیگر ، یون های SO4- الکترون را از سرب مبادله می کنند و SO4  رادیکال ایجاد می کنند که بیشتر باعث ایجاد واکنش PbSO4  با سرب می شود.

همانطور که در بالا توضیح داده شد ، واکنشهای شیمیایی زیر در آند و کاتود در طی فرایند تخلیه اتفاق می افتد. این واکنشها دقیقاً مخالف واکنشهای شارژ هستند:

حتما ببینید :  آموزش برنامه نویسی STM32 با کیل Keil uVision و STM32Cube MX

در کاتد:

Pb + SO42- => PbSO4 + 2e-

در آند:

PbO2 + SO42- + 4H- + 2e- => PbSO4 + 2H2O

با ترکیب دو معادله ی بالا ، واکنش شیمیایی کلی به صورت زیر خواهد بود :

PbO2 + Pb + 2H2SO4 => 2PbSO4 + 2H2O

تخلیه ی باتری سرب اسید

با توجه به تبادل الکترون در آند و کاتد ، تعادل الکترونی در سراسر صفحات ، تحت تأثیر قرار می گیرد. سپس الکترونها از طریق بار ، جریان می یابند و باتری تخلیه می شود.

در طی این تخلیه ، غلظت سولفوریک اسید کاهش می یابد. همچنین ، در همان زمان ، اختلاف پتانسیل سلول نیز کاهش می یابد.

ضریب ریسک و رتبه بندی برق در باتری های Lead Acid

باتری سرب اسید در صورتی که ایمن نگهداشته نشود ، زیان بخش است. از آنجا که باتری در طی فرآیند شیمیایی گاز هیدروژن تولید می کند ، در صورت عدم استفاده در محل تهویه ، بسیار خطرناک است. همچنین شارژ نادرست به باتری ، شدیدا زیان بار است.

رتبه بندی های استاندارد باتری سرب اسید چیست؟

هر باتری سرب اسید ، برای داشتن جریان شارژ و تخلیه ی استاندارد ، نیاز به datasheet (ورقِ داده) دارد. به طور معمول یک باتری سرب اسیدِ 12 ولت که برای خودرو کاربرد دارد، می تواند از 100Ah تا 350Ah باشد. این رتبه بندی ، به عنوان رتبه تخلیه با مدت زمان 8 ساعته تعریف شده است.

به عنوان مثال ، یک باتری 160Ah می تواند 20A از منبع تغذیه را به مدت 8 ساعت برای بار فراهم کند. ما می توانیم جریان بیشتری را ایجاد کنیم ، اما انجام چنین کاری توصیه نمی شود. با ایجاد جریانی بیش از حداکثر جریان تخلیه در 8 ساعت، آسیب جدی به باتری وارد می شود و ممکن است مقاومت داخلی باتری تغییر کند و این موضوع باعث افزایش دمای باتری می شود.

از طرف دیگر ، در مرحله شارژ باید به قطبیت شارژر دقت کنیم ، آن باید به درستی به قطبیت باتری متصل باشد. قطبیت معکوس برای شارژ باتری سرب اسید خطرناک است. شارژر آماده با یک ولتاژِ شارژ می آید و جریان شارژ ، با یک گزینه ی کنترل اندازه گیری می شود. برای شارژ باتری باید ولتاژ بیشتری از ولتاژ باتری تولید کنیم. حداکثر جریان شارژ باید برابر با حداکثر جریانِ منبع ، در آهنگ تخلیه ی 8 ساعت باشد. اگر نمونه مشابه 12V 160Ah را در نظر بگیریم ، حداکثر جریان منبع 20A است ، بنابراین حداکثر جریان شارژ ایمن نیز 20A است.

ما نباید جریان شارژ را افزایش بدهیم یا جریان بیشتری را تولید کنیم ، زیرا این امر باعث ایجاد گرما و افزایش تولید گاز می شود.

شرایط نگهداری از باتری سربی اسیدی

  1. آبیاری مهمترین ویژگی نگهداری باتری های سرب اسیدی اشباع است. از آنجایی که اُورشارژ آب را کاهش میدهد ، ما باید زود به زود آن را چک کنیم. آب کم ، باعث اکسیداسیون در صفحات می شود و طول عمر باتری را کاهش می دهد. در صورت لزوم آب مقطر یا آب یونیزه شده اضافه کنید.
  2. دریچه ها را چک کنید ، آن ها باید با درپوش های پلاستیکی کامل شوند ، اغلب درپوش های لاستیکی با سوراخ ها خیلی محکم می چسبند.
  3. بعد از هر استفاده ، باتری های سرب اسیدی را دوباره شارژ کنید. یک دوره ی طولانی و بدون شارژ مجدد ، در بین صفحات سولفات ایجاد می کند.
  4. باتری را فریز یا آن را در دمای بالاتر 49 درجه شارژ نکنید. در محیط سرد باتری ها باید به طور کامل شارژ شوند ، زیرا باتری های کاملا شارژ شده نسبت به باتری های خالی در مقابل یخ زدگی ایمن تر هستند.
  5. باتری را کمتر از 1.7 ولت در هر سلول تخلیه نکنید.
  6. برای ذخیره ی باتری سرب اسید ، باید کاملا شارژ شود سپس الکترولیت باید تخلیه شود. سپس اتری خشک می شود و میتواند برای مدت طولانی ذخیره شود.

نظرتان را در مورد این مطلب با ستاره دادن اعلام کنید امیدوارم این مطلب برای شما مفید بوده باشد. نظرات ، مشکلات و پیشنهادات خود را در پایین صفحه اعلام کنید

محمد رحیمی

محمد رحیمی هستم. سعی میکنم در آیرنکس مطالب مفید را قرار دهم. (در خصوص سوال در مورد این مطلب از قسمت نظرات همین مطلب اقدام کنید)

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دکمه بازگشت به بالا
بستن
بستن