Μπαταρία μολύβδου οξέος: εργασία, κατασκευή και φόρτιση / εκφόρτιση

Σχεδόν κάθε φορητή και φορητή συσκευή αποτελείται από μπαταρία. Η μπαταρία είναι μια συσκευή αποθήκευσης όπου αποθηκεύεται ενέργεια για να παρέχει την ισχύ όποτε χρειάζεται. Υπάρχουν διάφοροι τύποι μπαταριών σε αυτόν τον σύγχρονο κόσμο ηλεκτρονικών ειδών, μεταξύ των οποίων η μπαταρία μολύβδου οξέος χρησιμοποιείται συνήθως για υψηλή τροφοδοσία. Συνήθως οι μπαταρίες μολύβδου οξέος είναι μεγαλύτερες σε μέγεθος με σκληρή και βαριά κατασκευή, μπορούν να αποθηκεύσουν υψηλή ποσότητα ενέργειας και γενικά χρησιμοποιούνται σε αυτοκίνητα και μετατροπείς.

Ακόμη και μετά από ανταγωνισμό με μπαταρίες ιόντων λιθίου, η ζήτηση μπαταριών μολύβδου οξέος αυξάνεται μέρα με τη μέρα, επειδή είναι φθηνότερες και εύχρηστες σε σύγκριση με τις μπαταρίες ιόντων λιθίου. Σύμφωνα με κάποια έρευνα αγοράς, η αγορά μπαταριών μολύβδου οξέος της Ινδίας αναμένεται να αυξηθεί σε CAGR άνω του 9% κατά τη διάρκεια του 2018-24. Έτσι, έχει τεράστια ζήτηση στην αγορά Αυτοματισμού, Αυτοκινήτου και Ηλεκτρονικών Καταναλωτών. Παρόλο που το μεγαλύτερο μέρος του ηλεκτρικού οχήματος διαθέτει μπαταρίες ιόντων λιθίου, αλλά εξακολουθούν να υπάρχουν πολλά ηλεκτρικά δίτροχα που χρησιμοποιούν μπαταρίες μολύβδου οξέος για την τροφοδοσία του οχήματος.

Σε προηγούμενο σεμινάριο μάθαμε για τις μπαταρίες ιόντων λιθίου, εδώ θα κατανοήσουμε την εργασία, την κατασκευή και τις εφαρμογές των μπαταριών μολύβδου οξέος. Θα μάθουμε επίσης για τις χρεώσεις, τις απαιτήσεις και την ασφάλεια των μπαταριών μολύβδου οξέος.

Κατασκευή μπαταρίας μολύβδου οξέος

Τι είναι μια μπαταρία μολύβδου οξέος; Εάν σπάσουμε το όνομα μπαταρία μολύβδου οξέος, θα πάρουμε μόλυβδο, οξύ και μπαταρία. Ο μόλυβδος είναι ένα χημικό στοιχείο (το σύμβολο είναι Pb και ο ατομικός αριθμός είναι 82). Είναι ένα μαλακό και εύπλαστο στοιχείο. Γνωρίζουμε τι είναι το οξύ; Μπορεί να δωρίσει ένα πρωτόνιο ή να δεχτεί ένα ζεύγος ηλεκτρονίων όταν αντιδρά. Έτσι, μια μπαταρία, η οποία αποτελείται από μόλυβδο και άνυδρο πλασμικό οξύ (μερικές φορές κακώς καλείται ως υπεροξείδιο μολύβδου), ονομάζεται μπαταρία μολύβδου οξέος

Τώρα, ποια είναι η εσωτερική κατασκευή;

Μια μπαταρία μολύβδου οξέος αποτελείται από τα ακόλουθα πράγματα, μπορούμε να το δούμε στην παρακάτω εικόνα:

Μια μπαταρία μολύβδου οξέος αποτελείται από πλάκες, διαχωριστικό και ηλεκτρολύτη, σκληρό πλαστικό με σκληρή λαστιχένια θήκη.

Στις μπαταρίες, οι πλάκες είναι δύο τύπων, θετικές και αρνητικές. Το θετικό αποτελείται από διοξείδιο του μολύβδου και το αρνητικό αποτελείται από το μόλυβδο Sponge Αυτές οι δύο πλάκες διαχωρίζονται χρησιμοποιώντας διαχωριστικό που είναι μονωτικό υλικό. Αυτή η συνολική κατασκευή διατηρείται σε σκληρή πλαστική θήκη με ηλεκτρολύτη. Ο ηλεκτρολύτης είναι νερό και θειικό οξύ.

Η σκληρή πλαστική θήκη είναι ένα κελί. Ένα ενιαίο κατάστημα κυψελών συνήθως 2.1V. Λόγω αυτού του λόγου, μια μπαταρία μολύβδου οξέος 12V αποτελείται από 6 κύτταρα και παρέχει συνήθως 6 x 2.1V / Cell = 12.6V.

Τώρα, ποια είναι η χωρητικότητα αποθήκευσης φόρτισης;

Εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το ενεργό υλικό (ποσότητα ηλεκτρολύτη) και το μέγεθος της πλάκας. Μπορεί να έχετε δει ότι η χωρητικότητα αποθήκευσης μπαταρίας λιθίου περιγράφεται σε βαθμολογία mAh ή milliamp-hour, αλλά στην περίπτωση μπαταρίας μολύβδου οξέος, είναι Amp ώρα. Αυτό θα το περιγράψουμε σε επόμενη ενότητα.

Λειτουργία μπαταρίας μολύβδου οξέος

Η λειτουργία της μπαταρίας μολύβδου οξέος έχει να κάνει με τη χημεία και είναι πολύ ενδιαφέρον να το γνωρίζουμε. Υπάρχουν τεράστιες χημικές διαδικασίες που εμπλέκονται στην κατάσταση φόρτισης και αποφόρτισης της μπαταρίας μολύβδου οξέος. Το αραιωμένο οξύ H θειικό ₂ SO ₄ μόρια σπάσει σε δύο μέρη, όταν το οξύ διαλύεται. Θα δημιουργήσει θετικά ιόντα 2Η + και αρνητικά ιόντα SO ₄ -. Όπως είπαμε προηγουμένως, δύο ηλεκτρόδια συνδέονται ως πλάκες, Anode και Cathode. Η άνοδος πιάνει τα αρνητικά ιόντα και η κάθοδος προσελκύει τα θετικά ιόντα. Αυτή η σύνδεση σε Anode και SO ₄ - και Cathode με 2H + ανταλλακτικά ηλεκτρόνια και η οποία αντιδρά περαιτέρω με το H2O ή με το νερό (αραιωμένο θειικό οξύ, θειικό οξύ + νερό).

Η μπαταρία έχει δύο καταστάσεις χημικής αντίδρασης, φόρτισης και εκφόρτισης.

Φόρτιση μπαταρίας μολύβδου οξέος

Όπως γνωρίζουμε, για να φορτίσουμε μια μπαταρία, πρέπει να παρέχουμε τάση μεγαλύτερη από την τάση του τερματικού. Έτσι, για να φορτίσετε μια μπαταρία 12,6V, μπορεί να εφαρμοστεί 13V.

Αλλά τι πραγματικά συμβαίνει όταν φορτίζουμε μια μπαταρία μολύβδου οξέος;

Λοιπόν, οι ίδιες χημικές αντιδράσεις που περιγράψαμε προηγουμένως. Συγκεκριμένα, όταν η μπαταρία είναι συνδεδεμένη με το φορτιστή, τα μόρια θειικού οξέος χωρίζονται σε δύο ιόντα, θετικά ιόντα 2Η + και αρνητικά ιόντα SO ₄ -. Τα ηλεκτρόνια ανταλλαγή υδρογόνου με την κάθοδο και να γίνει υδρογόνο, Αυτό το υδρογόνο αντιδρά με το PbSO ₄ στην κάθοδο και σχηματίζουν θειικό οξύ (H ₂ SO ₄) και ο μόλυβδος (Pb). Από την άλλη πλευρά, το SO ₄ - ανταλλάσσει ηλεκτρόνια με άνοδο και γίνεται ριζικό SO ₄. Αυτό έτσι ₄ αντιδρά με PbSO ₄ της ανόδου και να δημιουργήσει το προβάδισμα υπεροξειδίου PbO ₂ και θειικού οξέος (H ₂ SO ₄). Η ενέργεια αποθηκεύεται αυξάνοντας τη βαρύτητα του θειικού οξέος και αυξάνοντας την τάση δυναμικού κυττάρου.

Όπως εξηγήθηκε παραπάνω, οι ακόλουθες χημικές αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα στα Anode και Cathode κατά τη διαδικασία φόρτισης.

Στην κάθοδο

PbSO ₄ + 2e ^- => Pb + SO ₄ ^2-

Στην άνοδο

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

Συνδυάζοντας πάνω από δύο εξισώσεις, η συνολική χημική αντίδραση θα είναι

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

Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι που ισχύουν για τη φόρτιση της μπαταρίας μολύβδου-οξέος. Κάθε μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για συγκεκριμένη μπαταρία μολύβδου-οξέος για συγκεκριμένες εφαρμογές. Ορισμένες εφαρμογές χρησιμοποιούν μέθοδο φόρτισης σταθερής τάσης, κάποια εφαρμογή χρησιμοποιεί μέθοδο σταθερού ρεύματος, ενώ η φόρτιση γαργαλήματος είναι επίσης χρήσιμη σε ορισμένες περιπτώσεις. Κανονικά ο κατασκευαστής μπαταριών παρέχει τη σωστή μέθοδο φόρτισης των συγκεκριμένων μπαταριών μολύβδου-οξέος. Η φόρτιση σταθερού ρεύματος δεν χρησιμοποιείται συνήθως στη φόρτιση μπαταρίας μολύβδου οξέος.

Η πιο συνηθισμένη μέθοδος φόρτισης που χρησιμοποιείται στην μπαταρία μολύβδου οξέος είναι η μέθοδος φόρτισης σταθερής τάσης που είναι μια αποτελεσματική διαδικασία όσον αφορά το χρόνο φόρτισης. Σε πλήρη κύκλο φόρτισης η τάση φόρτισης παραμένει σταθερή και το ρεύμα σταδιακά μειώθηκε με την αύξηση του επιπέδου φόρτισης της μπαταρίας.

Εκφόρτιση μπαταρίας μολύβδου οξέος

Η εκφόρτιση μιας μπαταρίας μολύβδου οξέος εμπλέκεται και πάλι με χημικές αντιδράσεις. Το θειικό οξύ είναι σε αραιωμένη μορφή με τυπική αναλογία 3: 1 με νερό και θειικό οξύ. Όταν τα φορτία συνδέονται κατά μήκος των πλακών, το θειικό οξύ σπάει ξανά σε θετικά ιόντα 2Η + και αρνητικά ιόντα SO ₄. Τα ιόντα υδρογόνου αντιδρούν με την PbO ₂ και κάνουν PbO και νερό H ₂ O. PbO αρχίζουν να αντιδρούν με το H ₂ SO ₄ και δημιουργεί PbSO ₄ και Η ₂ O.

Από την άλλη πλευρά SO ₄ - ιόντα ανταλλάσσουν ηλεκτρόνια από Pb, δημιουργώντας ρίζα SO ₄ η οποία δημιουργεί περαιτέρω PbSO ₄ αντιδρά με το Pb.

Όπως εξηγήθηκε παραπάνω, οι ακόλουθες χημικές αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα στο Anode και την Cathode κατά τη διάρκεια της διαδικασίας εκφόρτισης. Αυτές οι αντιδράσεις είναι ακριβώς αντίθετες από τις αντιδράσεις φόρτισης:

Στην κάθοδο

Pb + SO ₄ ^2- => PbSO ₄ + 2e ^-

Στην άνοδο:

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

Συνδυάζοντας πάνω από δύο εξισώσεις, η συνολική χημική αντίδραση θα είναι

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

Λόγω της ανταλλαγής ηλεκτρονίων μεταξύ ανόδου και καθόδου, επηρεάζεται η ισορροπία ηλεκτρονίων στις πλάκες. Τα ηλεκτρόνια ρέουν έπειτα μέσω του φορτίου και η μπαταρία αποφορτίζεται.

Κατά τη διάρκεια αυτής της εκφόρτισης, το αραιωμένο θειικό οξύ μειώνεται. Επίσης, ταυτόχρονα, η πιθανή διαφορά του κυττάρου μειώνεται.

Παράγοντας κινδύνου και ηλεκτρικές βαθμολογίες

Η μπαταρία μολύβδου οξέος είναι επιβλαβής εάν δεν διατηρηθεί με ασφάλεια. Καθώς η μπαταρία παράγει αέριο υδρογόνο κατά τη διάρκεια της χημικής διαδικασίας, είναι εξαιρετικά επικίνδυνο εάν δεν χρησιμοποιείται στον αεριζόμενο χώρο. Επίσης, η ανακριβής φόρτιση καταστρέφει σοβαρά την μπαταρία.

Ποιες είναι οι τυπικές βαθμολογίες της μπαταρίας μολύβδου οξέος;

Κάθε μπαταρία μολύβδου-οξέος διαθέτει φύλλο δεδομένων για τυπικό ρεύμα φόρτισης και εκφόρτιση ρεύματος. Συνήθως, μια μπαταρία μολύβδου-οξέος 12V που ισχύει για την αυτοκινητοβιομηχανία μπορεί να κυμαίνεται από 100Ah έως 350Ah. Αυτή η βαθμολογία ορίζεται ως η εκφόρτιση με χρονική περίοδο 8 ωρών.

Για παράδειγμα, μια μπαταρία 160Ah θα μπορούσε να παρέχει ρεύμα τροφοδοσίας 20Α στο φορτίο για 8 ώρες της διάρκειας. Μπορούμε να αντλήσουμε περισσότερο ρεύμα, αλλά δεν συνιστάται να το κάνουμε. Αν τραβήξετε περισσότερο ρεύμα από το μέγιστο ρεύμα εκφόρτισης για 8 ώρες θα βλάψετε την απόδοση της μπαταρίας και θα μπορούσε επίσης να αλλάξει η εσωτερική αντίσταση της μπαταρίας, γεγονός που αυξάνει περαιτέρω τη θερμοκρασία της μπαταρίας.

Από την άλλη πλευρά, κατά τη διάρκεια της φάσης φόρτισης, πρέπει να είμαστε προσεκτικοί σχετικά με την πολικότητα του φορτιστή, θα πρέπει να συνδέεται σωστά με την πολικότητα της μπαταρίας. Η αντίστροφη πολικότητα είναι επικίνδυνη για τη φόρτιση της μπαταρίας μολύβδου-οξέος. Ο έτοιμος φορτιστής διαθέτει τάση φόρτισης και μετρητή ρεύματος φόρτισης με επιλογή ελέγχου. Πρέπει να παρέχουμε μεγαλύτερη τάση από την τάση της μπαταρίας για τη φόρτιση της μπαταρίας. Το μέγιστο ρεύμα φόρτισης πρέπει να είναι το ίδιο με το μέγιστο ρεύμα τροφοδοσίας με ρυθμούς εκφόρτισης 8 ωρών. Αν πάρουμε το ίδιο παράδειγμα 12V 160Ah, τότε το μέγιστο ρεύμα τροφοδοσίας είναι 20Α, οπότε το μέγιστο ρεύμα ασφαλούς φόρτισης είναι το 20Α.

Δεν πρέπει να αυξάνουμε ή να παρέχουμε μεγάλο ρεύμα φόρτισης καθώς αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα τη θερμότητα και την αύξηση της παραγωγής αερίου.

Κανόνες συντήρησης μπαταρίας μολύβδου-οξέος

1. Το πότισμα είναι το πιο παραμελημένο χαρακτηριστικό συντήρησης των συσσωρευμένων μπαταριών μολύβδου-οξέος. Καθώς η υπερφόρτιση μειώνει το νερό, πρέπει να το ελέγχουμε συχνά. Λιγότερο νερό δημιουργεί οξείδωση στις πλάκες και μειώνει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Προσθέστε αποσταγμένο ή ιονισμένο νερό όταν χρειάζεται.
2. Ελέγξτε για τους αεραγωγούς, πρέπει να τελειοποιηθούν με καουτσούκ καλύμματα, συχνά τα καουτσούκ καλύμματα κολλούν με τις οπές πολύ σφιχτά.
3. Φορτίστε τις μπαταρίες μολύβδου-οξέος μετά από κάθε χρήση. Μια μεγάλη περίοδος χωρίς επαναφόρτιση παρέχει θείωση στις πλάκες.
4. Μην καταψύχετε την μπαταρία και μην την φορτίζετε περισσότερο από 49 βαθμούς Κελσίου. Στο ψυχρό περιβάλλον, οι μπαταρίες πρέπει να φορτιστούν πλήρως καθώς οι πλήρως φορτισμένες μπαταρίες είναι ασφαλέστερες από τις κενές μπαταρίες σε σχέση με την κατάψυξη.
5. Μην εκφορτίζετε βαθιά την μπαταρία λιγότερο από 1,7V ανά κελί.
6. Για να αποθηκεύσετε μια μπαταρία μολύβδου οξέος, πρέπει να φορτιστεί πλήρως και στη συνέχεια να αποστραγγιστεί ο ηλεκτρολύτης. Στη συνέχεια, η μπαταρία θα στεγνώσει και μπορεί να αποθηκευτεί για μεγάλο χρονικό διάστημα.