كيف تعمل بطارية حمض الرصاص؟

كان حمض الرصاص الذي اخترعه الطبيب الفرنسي غاستون بلانتيه في عام 1859، أول بطارية قابلة لإعادة الشحن للاستخدام التجاري. وعلى الرغم من تقدمه في العمر، لا تزال كيمياء الرصاص مستخدمة على نطاق واسع حتى اليوم. وهناك أسباب وجيهة لشعبيتها؛ فحمض الرصاص يمكن الاعتماد عليه وغير مكلف على أساس التكلفة لكل واط. هناك عدد قليل من البطاريات الأخرى التي توفر طاقة كبيرة بسعر رخيص مثل حمض الرصاص، وهذا يجعل البطارية فعالة من حيث التكلفة للسيارات وسيارات الغولف والرافعات الشوكية والبحرية ومصادر الطاقة غير المنقطعة (UPS).

يتكون هيكل شبكة بطارية حمض الرصاص من سبيكة رصاص. الرصاص النقي ناعم جداً ولن يدعم نفسه، لذلك يتم إضافة كميات صغيرة من المعادن الأخرى للحصول على القوة الميكانيكية وتحسين الخواص الكهربائية. والمواد المضافة الأكثر شيوعاً هي الأنتيمون والكالسيوم والقصدير والسيلينيوم. وغالباً ما تعرف هذه البطاريات باسم "رصاص-أنتيمون" و"رصاص-كالسيوم".

تعمل إضافة الأنتيمون والقصدير على تحسين التدوير العميق ولكن هذا يزيد من استهلاك المياه ويزيد من الحاجة إلى المعادلة. يقلل الكالسيوم من التفريغ الذاتي، ولكن صفيحة الرصاص والكالسيوم الموجبة لها تأثير جانبي يتمثل في النمو بسبب أكسدة الشبكة عند الإفراط في الشحن. تستفيد بطاريات حمض الرصاص الحديثة أيضاً من عوامل المنشطات مثل السيلينيوم والكادميوم والقصدير والزرنيخ لخفض محتوى الأنتيمون والكالسيوم.

حمض الرصاص ثقيل وأقل متانة من الأنظمة القائمة على النيكل والليثيوم عند تدويرها بعمق. ويسبب التفريغ الكامل إجهاداً وكل دورة تفريغ/شحن تسلب البطارية بشكل دائم كمية صغيرة من السعة. يكون هذا الفقد ضئيلاً عندما تكون البطارية في حالة تشغيل جيدة، ولكن يزداد التآكل بمجرد انخفاض الأداء إلى نصف السعة الاسمية. تنطبق خاصية التآكل هذه على جميع البطاريات بدرجات مختلفة.

واعتماداً على عمق التفريغ، يوفر حمض الرصاص لتطبيقات الدورة العميقة من 200 إلى 300 دورة تفريغ/شحن. والأسباب الرئيسية لعمر الدورة القصيرة نسبياً هي تآكل الشبكة على القطب الموجب واستنفاد المادة النشطة وتمدد الصفائح الموجبة. تتسارع ظاهرة التقادم هذه في درجات حرارة التشغيل المرتفعة وعند سحب تيارات تفريغ عالية. (انظر BU-804:كيفية إطالة عمر بطاريات حمض الرصاص)

شحن بطارية حمض الرصاص بسيط، ولكن يجب مراعاة حدود الجهد الصحيحة. يؤدي اختيار حد الجهد المنخفض إلى حماية البطارية، ولكن هذا يؤدي إلى ضعف الأداء ويسبب تراكم الكبريتات على اللوحة السالبة. يحسن حد الجهد العالي الأداء ولكنه يشكل تآكل الشبكة على اللوحة الموجبة. بينما يمكن عكس الكبريتات إذا تمت صيانتها في الوقت المناسب، فإن التآكل دائم. (انظر BU-403: شحن حمض الرصاص)

لا يصلح حمض الرصاص للشحن السريع ومع معظم الأنواع، يستغرق الشحن الكامل من 14 إلى 16 ساعة. يجب تخزين البطارية دائماً في حالة الشحن الكامل. يتسبب انخفاض الشحن في حدوث الكبريتات، وهي حالة تفقد البطارية أدائها. إضافة الكربون على القطب السالب يقلل من هذه المشكلة ولكن هذا يقلل من الطاقة النوعية. (انظر BU-202: أنظمة حمض الرصاص الجديدة)

يتميز حمض الرصاص بعمر افتراضي معتدل، ولكنه لا يخضع للذاكرة كما هو الحال مع الأنظمة القائمة على النيكل، كما أن الاحتفاظ بالشحن هو الأفضل بين البطاريات القابلة لإعادة الشحن. بينما تفقد NiCd حوالي 40 في المئة من طاقتها المخزّنة خلال ثلاثة أشهر، بينما يفقد حمض الرصاص نفس الكمية خلال سنة واحدة. تعمل بطارية حمض الرصاص بشكل جيد في درجات الحرارة الباردة وتتفوق على بطارية الليثيوم أيون عند التشغيل في ظروف تحت الصفر. وفقًا لـ RWTH، آخن، ألمانيا (2018)، تبلغ تكلفة حمض الرصاص المغمور حوالي $150 لكل كيلوواط ساعة، وهي واحدة من أقل البطاريات في البطاريات.

حمض الرصاص المختوم
ظهر أول حمض رصاص مختوم أو لا يحتاج إلى صيانة في منتصف السبعينيات. جادل المهندسون بأن مصطلح "حمض الرصاص المختوم" كان تسمية خاطئة لأنه لا يمكن أن تكون بطارية حمض الرصاص مختومة تماماً. وللتحكم في التنفيس أثناء الشحن المجهد والتفريغ السريع، تمت إضافة صمامات تطلق الغازات إذا تراكم الضغط. وبدلاً من غمر الألواح في سائل، يتم تشريب الإلكتروليت في فاصل مبلل، وهو تصميم يشبه الأنظمة القائمة على النيكل والليثيوم. وهذا يتيح تشغيل البطارية في أي اتجاه مادي دون حدوث تسرب.

تحتوي البطارية المختومة على إلكتروليت أقل من النوع المغمور بالمياه، ومن هنا جاء مصطلح "متعطشة للحمض". ولعل أهم ميزة لحمض الرصاص المختوم هي القدرة على الجمع بين الأكسجين والهيدروجين لتكوين الماء ومنع الجفاف أثناء التدوير. تحدث عملية إعادة التركيب عند ضغط معتدل يبلغ 0.14 بار (2 رطل في البوصة المربعة). يعمل الصمام كفتحة تنفيس أمان إذا ارتفع تراكم الغاز. يجب تجنب التنفيس المتكرر لأن ذلك سيؤدي إلى الجفاف في نهاية المطاف. وفقًا ل RWTH، آخن، ألمانيا (2018)، تبلغ تكلفة VRLA حوالي $260 لكل كيلووات ساعة.

وقد ظهرت عدة أنواع من حمض الرصاص المختوم وأكثرها شيوعًا هي حمض الهلام، المعروف أيضًا باسم حمض الرصاص المنظم بالصمامات (VRLA)، وحصيرة الزجاج الماص (AGM). تحتوي الخلية الهلامية على هلام من نوع السيليكا الذي يعلق الإلكتروليت في عجينة. غالبًا ما تسمى العبوات الأصغر بسعات تصل إلى 30 أمبير في الساعة SLA (حمض الرصاص المختوم). يتم تعبئتها في حاوية بلاستيكية، وتستخدم هذه البطاريات في وحدات الإمداد بالطاقة غير المنقطعة الصغيرة والإضاءة في حالات الطوارئ والكراسي المتحركة. وبسبب السعر المنخفض، والخدمة التي يمكن الاعتماد عليها والصيانة المنخفضة، تظل بطاريات SLA الخيار المفضل للرعاية الصحية في المستشفيات ودور المسنين. تُستخدم بطاريات VRLA الأكبر حجماً كطاقة احتياطية لأبراج إعادة الإرسال الخلوية ومراكز الإنترنت والبنوك والمستشفيات والمطارات وغيرها.

يقوم نظام AGM بتعليق الإلكتروليت في حصيرة زجاجية مصممة خصيصاً. ويوفر ذلك العديد من المزايا لأنظمة حمض الرصاص، بما في ذلك الشحن الأسرع وتيارات الحمل العالية الفورية عند الطلب. تعمل AGM بشكل أفضل كبطارية متوسطة المدى بسعات تتراوح من 30 إلى 100 أمبير في الساعة، وهي أقل ملاءمة للأنظمة الكبيرة، مثل UPS. الاستخدامات النموذجية هي بطاريات بدء التشغيل للدراجات النارية، ووظيفة بدء التشغيل والتوقف للسيارات الهجينة الصغيرة، بالإضافة إلى البطاريات البحرية والمركبات الترفيهية التي تحتاج إلى بعض التدوير.

مع التدوير والتقدم في العمر، تتلاشى قدرة مذيبات الثلج العادي تدريجيًا؛ أما الهلام، من ناحية أخرى، فلديه منحنى أداء على شكل قبة ويبقى في نطاق الأداء العالي لفترة أطول ولكنه ينخفض فجأة عند نهاية العمر الافتراضي. إن AGM أغلى من المغمورة بالمياه، ولكنها أرخص من الجل. (سيكون الهلام مكلفاً جداً للاستخدام في السيارات عند بدء/إيقاف التشغيل).

على عكس البطارية المغمورة بالمياه، تم تصميم بطارية حمض الرصاص المختومة بإمكانية منخفضة للجهد الزائد لمنع البطارية من الوصول إلى إمكانية توليد الغاز أثناء الشحن. ويتسبب الشحن الزائد في توليد الغازات والتنفيس ونضوب الماء والجفاف اللاحق. وبالتالي، لا يمكن شحن الهلام، وجزئياً أيضاً AGM، إلى كامل إمكاناتها ويجب تعيين حد جهد الشحن أقل من الجهد الكهربائي للبطارية المغمورة بالمياه. وينطبق ذلك أيضاً على الشحن العائم عند الشحن الكامل. فيما يتعلق بالشحن، لا يعتبر الهلام ومضخة AGM بديلاً مباشراً للنوع المغمور بالمياه. إذا لم يتوفر شاحن مجمّد هلامي مع إعدادات جهد منخفض، افصل الشاحن بعد 24 ساعة من الشحن. يمنع هذا الأمر التسمم بالغاز بسبب ضبط جهد العوامة على جهد عائم مرتفع للغاية. (انظر BU-403: شحن حمض الرصاص)

درجة الحرارة المثلى لتشغيل بطارية VRLA هي 25 درجة مئوية (77 درجة فهرنهايت)؛ كل 8 درجات مئوية (15 درجة فهرنهايت) ارتفاع فوق عتبة درجة الحرارة هذه يقلل من عمر البطارية إلى النصف. (انظر BU-806a: كيف تؤثر الحرارة والتحميل على عمر البطارية) يتم تصنيف بطاريات الرصاص الحمضية بمعدل تفريغ لمدة 5 ساعات (0.2 درجة مئوية) و20 ساعة (0.05 درجة مئوية). يكون أداء البطارية أفضل عندما يتم تفريغها ببطء؛ حيث تكون قراءات السعة أعلى بكثير عند التفريغ الأبطأ من معدل 1C. ومع ذلك، يمكن لحمض الرصاص توفير تيارات نبضية عالية تصل إلى عدة درجات مئوية إذا تم تفريغها لبضع ثوانٍ فقط. وهذا يجعل حمض الرصاص مناسباً تماماً كبطارية بادئ التشغيل، والمعروف أيضاً باسم بطارية الإشعال الخفيف بادئ التشغيل (SLI). المحتوى العالي من الرصاص وحمض الكبريتيك يجعل حمض الرصاص غير صديق للبيئة.

تصنف بطاريات حمض الرصاص عادةً إلى ثلاثة استخدامات: السيارات (بادئ التشغيل أو SLI)، الطاقة المحركة (الجر أو الدورة العميقة) والثابتة (UPS).

بطاريات بدء التشغيل
تم تصميم بطارية البادئ لتشغيل المحرك بحمل لحظي عالي الطاقة يدوم لثانية أو نحو ذلك. بالنسبة لحجمها، فإن البطارية قادرة على توصيل تيار عالٍ ولكن لا يمكن تدويرها بعمق. يتم تصنيف بطاريات البادئ مع Ah أو RS (السعة الاحتياطية) للإشارة إلى قدرة تخزين الطاقة، بالإضافة إلى CCA (أمبير التدوير البارد) للدلالة على التيار الذي يمكن للبطارية توفيره في درجة الحرارة الباردة. يحدد المعيار SAE J537 30 ثانية من التفريغ عند درجة حرارة -18 درجة مئوية (0 درجة فهرنهايت) عند أمبير CCA المقدر دون أن ينخفض جهد البطارية إلى أقل من 7.2 فولت. يعكس RC وقت التشغيل بالدقائق عند تفريغ ثابت للتيار عند تفريغ ثابت قدره 25. (SAE تعني جمعية مهندسي السيارات.) انظر أيضًا BU-902a: كيفية قياس CCA.

تتميز بطاريات البادئ بمقاومة داخلية منخفضة للغاية يتم تحقيقها عن طريق إضافة ألواح إضافية لتحقيق أقصى مساحة سطحية (الشكل 1). تكون الألواح رقيقة ويتم تطبيق الرصاص في شكل يشبه الإسفنج الذي له مظهر الرغوة الناعمة، مما يوسع مساحة السطح بشكل أكبر. سمك اللوحات، وهو أمر مهم لبطارية الدورة العميقة أقل أهمية لأن التفريغ قصير ويتم إعادة شحن البطارية أثناء القيادة؛ وينصب التركيز على الطاقة بدلاً من السعة.

بطارية بدء التشغيل

الشكل 1: بطارية بدء التشغيل.
تحتوي بطارية البادئ على العديد من الألواح الرقيقة على التوازي لتحقيق مقاومة منخفضة مع مساحة سطح عالية.
لا تسمح بطارية البادئ بالدوران العميق. مجاملة من Cadex
بطارية ذات دورة عميقة
تم تصميم البطارية ذات الدورة العميقة لتوفير طاقة مستمرة للكراسي المتحركة وسيارات الجولف والرافعات الشوكية وغيرها. صُممت هذه البطارية لتحقيق أقصى سعة وعدد دورات عالية بشكل معقول. ويتم تحقيق ذلك من خلال جعل ألواح الرصاص سميكة (الشكل 2). على الرغم من أن البطارية مصممة لركوب الدراجات، إلا أن التفريغ الكامل لا يزال يحفز الإجهاد، ويرتبط عدد الدورات بعمق التفريغ (DoD). يتم تمييز البطاريات ذات الدورة العميقة بوحدة Ah أو دقائق من وقت التشغيل. يتم تصنيف السعة عادةً على أنها تفريغ لمدة 5 ساعات و20 ساعة.

بطارية ذات دورة عميقة

الشكل 2: بطارية ذات دورة عميقة.
تحتوي البطارية ذات الدورة العميقة على ألواح سميكة لتحسين قدرات التدوير.
تسمح البطارية ذات الدورة العميقة عموماً بحوالي 300 دورة. مجاملة من Cadex
لا يمكن تبديل بطارية البادئ ببطارية ذات دورة عميقة أو العكس. وفي حين أن أحد كبار السن المبتكرين قد يميل إلى تركيب بطارية بادئ تشغيل بدلاً من البطارية ذات الدورة العميقة الأغلى ثمناً على كرسيه المتحرك لتوفير المال، فإن بطارية بادئ التشغيل لن تدوم لأن الألواح الرقيقة الشبيهة بالإسفنج ستذوب بسرعة مع تكرار التدوير العميق.

تتوافر بطاريات مركبة لبدء التشغيل/الدورة العميقة للشاحنات والحافلات ومركبات السلامة العامة والمركبات العسكرية، ولكن هذه الوحدات كبيرة وثقيلة. وكمبدأ توجيهي بسيط، كلما كانت البطارية أثقل وزناً، كلما زادت كمية الرصاص التي تحتويها، وكلما طال عمرها. يقارن الجدول 3 بين العمر النموذجي لبطاريات بدء التشغيل والبطاريات ذات الدورة العميقة عند تدويرها بعمق.
يشير التفريغ 100% إلى تفريغ كامل؛ و50% إلى نصف التفريغ و30% إلى تفريغ متوسط مع بقاء 70%.
حمض الرصاص أم حمض الرصاص أم حمض الليثيوم أيون في سيارتك؟
منذ أن طرحت كاديلاك محرك بدء التشغيل في عام 1912، كانت بطاريات حمض الرصاص هي البطارية المفضلة. وقد حاول توماس أديسون استبدال حمض الرصاص بحمض النيكل والحديد (NiFe)، ولكن حمض الرصاص ساد بسبب طبيعته القوية والمتسامحة، فضلاً عن انخفاض تكلفته. والآن يتم تحدي حمض الرصاص الذي يُستخدم كبطارية بادئ تشغيل في السيارات بواسطة بطاريات الليثيوم أيون.

يوضح الشكل 4 خصائص حمض الرصاص وحمض الليثيوم أيون. يعمل كلا النوعين الكيميائيين بشكل متشابه في التحريك البارد. فحمض الرصاص أفضل قليلاً من حيث الواط/كجم، ولكن حمض الرصاص أفضل قليلاً من حيث الواط/كجم، ولكن الليثيوم أيون يوفر تحسينات كبيرة في عمر الدورة، وطاقة محددة أفضل من حيث الواط/كجم، وقبول جيد للشحن الديناميكي. أما ما يقصر فيه حمض الليثيوم أيون فهو التكلفة العالية لكل كيلوواط ساعة، وإعادة التدوير المعقدة، وسجل سلامة أقل من حمض الرصاص.

الشكل 4: مقارنة بين حمض الرصاص وبطارية ليثيوم أيون كبطارية بدء التشغيل.
يحافظ حمض الرصاص على صدارة قوية في بطارية بدء التشغيل. ويرجع الفضل في ذلك إلى الأداء الجيد في درجات الحرارة الباردة، والتكلفة المنخفضة، وسجل السلامة الجيد وسهولة إعادة التدوير.[1]
فالرصاص مادة سامة، ويرغب أنصار البيئة في استبدال بطارية حمض الرصاص بكيمياء بديلة. وقد نجحت أوروبا في إبعاد NiCd عن المنتجات الاستهلاكية، وتُبذل جهود مماثلة مع بطارية بدء التشغيل. الخيارات هي NiMH وLi-ion، ولكن السعر مرتفع جداً والأداء في درجات الحرارة المنخفضة ضعيف. مع معدل إعادة التدوير بنسبة 99 في المائة، فإن بطارية حمض الرصاص لا تشكل خطرًا بيئيًا كبيرًا ومن المرجح أن تظل البطارية المفضلة.