عملکرد باتری سرب اسید چگونه می باشد ؟

عملکرد باتری سرب اسید

در ادامه ضمن بیان عملکرد باتری سرب اسید با شما همراه هستیم.

ولتاژ تئوری:

• بطور کلی اختلاف ولتاژ ایجاد شده به کمک یک سلول از الکترودهای مثبت و منفی در باتری‌های سرب اسیدی حدود ۲ تا ۲٫۱ ولت است. لذا ولتاژهای بالاتر مثل ۱۲ ولت از اتصال سری چندین سری از الکترودهای مثبت و منفی تشکیل می‌شود.
• قطر صفحات مثبت و منفی نقش اساسی در تعیین ظرفیت باتری بازی می‌کنند. اغلب برای کاربردهایی با ظرفیت معمول همچون باتری‌های استارتر خودرو، قطر این صفحات کمتر از ۲ میلی متر است. اما در کاربردهایی با قابلیت شارژدهی طولانی، قطر الکترودها به ۶ میلی متر نیز خواهد رسید.

روند دشارژ:

• در روند دشارژ، الکترود مثبت، الکترون را از مدار بیرونی به سمت خود جذب کرده است. این الکترون‌ها با مواد فعال موجود در قطب مثبت و یون های موجود در الکترولیت، یک واکنش شیمیایی را آغاز می‌کنند. که این واکنش در فرمول زیر نمایش داده شده است:

PbO₂  +  HSO₄^–  +  3H⁺  +  2e^–   →    PbSO₄  +  2H₂O

• الکترون دریافت شده از مدار بیرونی و یون های موجود در الکترولیت باعث تولید سولفات سرب (PbSO4) و آب در اطراف قطب مثبت می‌شوند. اکسید سرب (PbO2) که ماده فعال قطب مثبت محسوب می‌شود بتدریج به سولفات سرب تبدیل شده است. و در نهایت کل سطح قطب مثبت را فرا خواهد گرفت و در آن هنگام دیگر باتری جریانی نمی‌دهد.
• در طی این واکنش، خاصیت اسیدی محلول الکترولیت به تدریج از بین می‌رود و آب جای آن را می‌گیرد. تبدیل اسید به آب یکی از ویژگی‌های جالب باتری‌های سرب اسیدی است. و هر چه باتری دشارژ می‌شود اسید باتری مصرف شده و آب جای آن را می‌گیرد پس می‌توان به راحتی با اندازه ­گیری اسیدیته محلول الکترولیت باتری پی به سطح شارژ آن برد. بعضی از باتری‌های ماشین دارای یک نمایشگر سطح شارژ هستند که در واقع شبیه یک کاغذ تورنسل، سطح اسیدیته را با رنگ های مختلف نشان می‌دهد.
• در مجاورت قطب منفی، واکنش دیگری در حال اتفاق است. سرب موجود در قطب منفی با یون های HSO4^– وارد واکنش می‌شود و نتیجه آن تولید سولفات سرب و الکترون آزاد است که این واکنش را اکسیداسیون سرب نیز می‌نامند. واکنش زیر بیانگر این اتفاق است:

Pb + HSO₄^– → PbSO₄ + H⁺ + 2e^–

• مطابق این واکنش ها، در انتهای پروسه دشارژ، سطح هر دو قطب بطور کامل با سولفات سرب (PbSO4) پوشیده شده و الکترولیت، خاصیت اسیدی خود را از دست می‌دهد.

سولفاته شدن باتری:

• مولکول های سولفات سرب علاقه زیادی به تشکیل کریستال های بزرگ و سخت دارند که پس از تشکیل، بدلیل بزرگی دیگر تمایلی به برگشت‌پذیری ندارند و در واکنش های شارژ شرکت نمی‌کنند. به همین دلیل اغلب توصیه می‌شود که باتری‌های سرب اسیدی در حالت دشارژ نگه‌داشته نشوند.
• بنابراین زمان انبارداری باتری‌های سرب اسیدی نباید بیشتر از ۶ ماه باشد. چرا که محلول الکترولیت باتری و الکترودهای مثبت و منفی حتی در زمانی که باتری به مدار بیرونی متصل نیست می‌توانند واکنش های بالا را درون محیط باتری البته با سرعت کمتری انجام دهند. و در نتیجه پس از گذشت مدت زمانی، باتری دشارژ شده و سولفات سرب سطح قطب ها را پر می‌کند (همانطور که گفته شد به این پدیده خود دشارژی یا Self Discharge می‌گویند).
• حال اگر باتری‌ها مجددا شارژ نشوند، سولفات سرب تبدیل به کریستال هایی خواهد شد که دیگر در واکنش های شیمیایی شرکت نمی‌کند و باتری از بین خواهد رفت. مهمترین عامل تشکیل اینگونه سولفات‌ها روند نامناسب دشارژ و اغلب دشارژهایی تا ولتاژ پایین و عدم شارژ مناسب باتری است. گرچه دشارژ با جریان هایی با پیک بالا نیز ممکن است به این پدیده منجر شود.

روند شارژ باتری :

• این روند کاملا عکس روند دشارژ است. در قطب مثبت از ترکیب آب و سولفات سرب، اکسید سرب و یون های هیدروژن متصاعد میشود. که واکنش زیر این فرایند را نشان می‌دهد:

PbSO₄ + 2H₂O  → PbO₂ + HSO₄^– + 3H⁺ + 2e^–

• در قطب منفی نیز یون های هیدروژن تولید شده از رابطه قبل، به همراه سولفات سرب وارد واکنش شده و مجددا سرب و یون HSO4- تولید می‌کنند.

PbSO₄ + H⁺ + 2e^– → Pb + HSO₄^–

همانطور که دیده می‌شود روابط شارژ و دشارژ کاملا عکس یکدیگر بوده است. در نتیجه به باتری قابلیت شارژ و دشارژ مداوم را می‌دهد.

• در کنار این دو واکنش، پدیده دیگری نیز در فاز شارژ رخ می‌دهد که منجر به تولید گاز هیدروژن در اطراف قطب منفی و گاز اکسیژن در مجاورت قطب مثبت می‌شود. این گازها برخلاف یون ها، فرار بوده و با خارج شدن از محیط باتری باعث کم شدن آب باتری خواهند شد.
• اگر چگالی این گازها در محیط افزایش یابد، قابلیت انفجار دارند. به همین دلیل است که فضای باتری خانه‌ها باید از تهویه مناسبی برخوردار باشد. این پدیده یکی از دلایل لزوم تهویه مناسب است. تنظیم ولتاژ شارژر و بالا نبودن آن تاثیر بسزایی در کنترل این پدیده خواهد داشت.
• مهم ترین عامل این پدیده، یونیزه شدن آب به کمک جریان شارژ می‌باشد. همانطور که گفته شد باتری در حالت دشارژ شده سرشار از آب است.  برای شارژ آن نیز نیاز به اعمال ولتاژ بیرونی به دو قطب است. در هنگام شارژ، همواره بخشی از مولکول های آب بدلیل وجود این ولتاژ، یونیزه شده و گازهای هیدروژن و اکسیژن تولید می‌کنند :

2H₂O → 2H₂+O₂

www.pveducation.org

www.sciencedirect.com