Μετάβαση στο περιεχόμενο

Μπαταρία μολύβδου-οξέος

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια
Μπαταρία μολύβδου-οξέος
12-volt μπαταρία αυτοκινήτου μολύβδου-οξέος
Ειδική ενέργεια35–40 Wh/kg[1]
Ενεργειακή πυκνότητα80–90 Wh/L[1]
Ειδική ισχύς180 W/kg[2]
Αποτελεσματικότητα φόρτισης/εκφόρτισης50–95%[3]
Ενέργεια/τιμή καταναλωτή7 (sld) έως 18 (fld) Wh/US$[4]
Ρυθμός αποφόρτισης3%–20%/μήνα[5]
Αντοχή κύκλων<350 κύκλοι[6]
Ονομαστική τάση στοιχείου2.1 V[7]
Διάστημα θερμοκρασιών φόρτισηςΕλαχ. −35°C, μεγ. 45°C

Η μπαταρία μολύβδου-οξέος (lead–acid battery) είναι ένας τύπος επαναφορτιζόμενης μπαταρίας που εφευρέθηκε για πρώτη φορά το 1859 από τον Γάλλο φυσικό Γκαστόν Πλαντέ. Ήταν ο πρώτος τύπος επαναφορτιζόμενης μπαταρίας που εφευρέθηκε. Σε σύγκριση με τις σύγχρονες επαναφορτιζόμενες μπαταρίες, οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος έχουν σχετικά χαμηλή ενεργειακή πυκνότητα. Παρά ταύτα, είναι σε θέση να παρέχουν υψηλό ρεύμα υπερτάσεων. Αυτά τα χαρακτηριστικά, μαζί με το χαμηλό κόστος τους, τις καθιστούν ελκυστικές για χρήση σε μηχανοκίνητα οχήματα, προκειμένου να παρέχουν το υψηλό ρεύμα που απαιτείται από τους εκκινητές (μίζες). Οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος υποφέρουν από σχετικά μικρή διάρκεια ζωής (συνήθως λιγότερο από 500 βαθείς κύκλους) και συνολική διάρκεια ζωής (λόγω της διπλής θείωσης στην κατάσταση εκφόρτισης), καθώς και από μεγάλους χρόνους φόρτισης.

Καθώς δεν είναι τόσο ακριβές σε σύγκριση με τις νεότερες τεχνολογίες, οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος χρησιμοποιούνται ευρέως ακόμη και όταν το ρεύμα υπερτάσεων δεν είναι σημαντικό και άλλα σχέδια θα μπορούσαν να παρέχουν υψηλότερες πυκνότητες ενέργειας. Το 1999, οι πωλήσεις μπαταριών μολύβδου-οξέος αντιπροσώπευαν το 40-50% της αξίας των μπαταριών που πωλήθηκαν παγκοσμίως (εκτός της Κίνας και της Ρωσίας), που ισοδυναμεί με μια αγοραία αξία κατασκευής περίπου 15 δισεκατομμυρίων δολαρίων ΗΠΑ.[8] Τα σχέδια μολύβδου-οξέος μεγάλης μορφής χρησιμοποιούνται ευρέως για αποθήκευση σε εφεδρικά τροφοδοτικά σε τηλεπικοινωνιακά δίκτυα, όπως για κυψελοειδή σημεία, συστήματα έκτακτης ανάγκης όπως αυτά που χρησιμοποιούνται σε νοσοκομεία και αυτόνομα συστήματα ισχύος. Για αυτούς τους ρόλους, μπορούν να χρησιμοποιηθούν τροποποιημένες εκδόσεις του τυπικού στοιχείου για τη βελτίωση των χρόνων αποθήκευσης και τη μείωση των απαιτήσεων συντήρησης. Οι μπαταρίες κυψελών πηκτής (γέλης) και απορροφημένου γυάλινου στρώματος είναι συνηθισμένες σε αυτούς τους ρόλους, συλλογικά γνωστές ως μπαταρίες μολύβδου-οξέος με ρύθμιση βαλβίδας (valve-regulated lead–acid, VRLA).

Όταν φορτίζεται, η χημική ενέργεια της μπαταρίας αποθηκεύεται στη διαφορά δυναμικού μεταξύ του μεταλλικού μολύβδου στην αρνητική πλευρά και του διοξειδίου του μολύβδου στη θετική πλευρά.

Ιστορικό

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Ο Γάλλος επιστήμονας Νικολά Γκοτερό (Nicolas Gautherot) παρατήρησε το 1801 ότι τα καλώδια που είχαν χρησιμοποιηθεί για πειράματα ηλεκτρόλυσης παρείχαν τα ίδια μια μικρή ποσότητα δευτερογενούς ρεύματος μετά την αποσύνδεση της κύριας μπαταρίας.[9] Το 1859, η μπαταρία μολύβδου-οξέος του Γκαστόν Πλαντέ (Gaston Planté) ήταν η πρώτη μπαταρία που μπορούσε να επαναφορτιστεί με τη διέλευση αντίστροφου ρεύματος. Το πρώτο μοντέλο του Planté αποτελούνταν από δύο φύλλα μολύβδου χωρισμένα από ταινίες από καουτσούκ και τυλιγμένα σε σπείρα.[10] Οι μπαταρίες του χρησιμοποιήθηκαν για πρώτη φορά για την τροφοδοσία των φώτων σε βαγόνια τρένων, ενώ ήταν σταματημένα σε έναν σταθμό. Το 1881, ο Καμίλ Αλφόνς Φωρ (Camille Alphonse Faure) εφηύρε μια βελτιωμένη έκδοση που αποτελούνταν από ένα πλέγμα μολύβδου στο οποίο πιέζονταν μια πάστα οξειδίου του μολύβδου, σχηματίζοντας μια πλάκα. Αυτός ο σχεδιασμός ήταν ευκολότερος στη μαζική παραγωγή. Ένας από τους πρώτους κατασκευαστές (από το 1886) μπαταριών μολύβδου-οξέος ήταν ο Ανρί Τυδώρ (Henri Tudor).

Η χρήση ηλεκτρολύτη πηκτής (γέλης) αντί για υγρό επιτρέπει τη χρήση της μπαταρίας σε διαφορετικές θέσεις χωρίς διαρροές. Οι μπαταρίες ηλεκτρολύτη γέλης για οποιαδήποτε θέση χρησιμοποιήθηκαν για πρώτη φορά στα τέλη της δεκαετίας του 1920 και τη δεκαετία του 1930, οι φορητές συσκευές ραδιοφώνου τύπου βαλίτσας επέτρεπαν την τοποθέτηση του στοιχείου κάθετα ή οριζόντια (αλλά όχι ανεστραμμένα) λόγω του σχεδιασμού της βαλβίδας.[11] Τη δεκαετία του 1970, αναπτύχθηκε η μπαταρία μολύβδου-οξέος με ρύθμιση βαλβίδας (valve-regulated lead–acid, VRLA) ή κλειστού κυκλώματος, συμπεριλαμβανομένων των σύγχρονων τύπων απορροφούμενου γυάλινου στρώματος (absorbed glass mat, AGM), επιτρέποντας τη λειτουργία σε οποιαδήποτε θέση.

Στις αρχές του 2011 ανακαλύφθηκε ότι οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος χρησιμοποιούν στην πραγματικότητα ορισμένες πτυχές της σχετικότητας για να λειτουργήσουν και, σε μικρότερο βαθμό, οι μπαταρίες υγρού μετάλλου και οι μπαταρίες τηγμένου άλατος, όπως οι Ca-Sb και Sn-Bi, χρησιμοποιούν επίσης αυτό το φαινόμενο.[12][13]

Ηλεκτροχημεία

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Εκφόρτιση

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
Ένα στοιχείο μολύβδου-οξέος με δύο πλάκες θειικού μολύβδου
Πλήρως εκφορτισμένο: δύο πανομοιότυπες πλάκες θειικού μολύβδου και αραιωμένο διάλυμα θειικού οξέος

Στην εκφορτισμένη κατάσταση, τόσο η θετική όσο και η αρνητική πλάκα γίνονται θειικός μόλυβδος(II) (PbSO4), και ο ηλεκτρολύτης χάνει μεγάλο μέρος του διαλυμένου θειικού οξέος του και γίνεται κυρίως νερό.

Αντίδραση αρνητικής πλάκας
Pb(s) + HSO−
4(aq) → PbSO4(s) + H+(aq) + 2e−

Η απελευθέρωση δύο ηλεκτρονίων αγωγιμότητας δίνει στο ηλεκτρόδιο μολύβδου αρνητικό φορτίο.

Καθώς τα ηλεκτρόνια συσσωρεύονται, δημιουργούν ένα ηλεκτρικό πεδίο που προσελκύει ιόντα υδρογόνου και απωθεί τα θειικά ιόντα, οδηγώντας σε ένα διπλό στρώμα κοντά στην επιφάνεια. Τα ιόντα υδρογόνου προστατεύουν το φορτισμένο ηλεκτρόδιο από το διάλυμα, γεγονός που περιορίζει την περαιτέρω αντίδραση, εκτός εάν επιτραπεί στο φορτίο να ρέει έξω από το ηλεκτρόδιο.

Αντίδραση θετικής πλάκας:PbO2(s) + HSO−
4(aq) + 3H+(aq) + 2e− → PbSO4(s) + 2H2O(l)

εκμεταλλευόμενοι την μεταλλική αγωγιμότητα του διοξειδίου του μολύβδου PbO2.

Η συνολική αντίδραση μπορεί να γραφτεί ως
Pb(s) + PbO2(s) + 2H2SO4(aq) → 2PbSO4(s) + 2H2O(l)

Η καθαρή ενέργεια που απελευθερώνεται ανά mole (207 g) Pb(s) που μετατρέπεται σε PbSO4(s) είναι περίπου 400 kJ, που αντιστοιχεί στο σχηματισμό 36 g νερού. Το άθροισμα των μοριακών μαζών των αντιδρώντων είναι 642,6 g/mole, επομένως θεωρητικά ένα στοιχείο μπορεί να παράγει δύο φαρεντέι φορτίου (192,971 Κουλόμπ) από 642,6 g αντιδρώντων ή 83,4 αμπερώρα ανά κιλό για ένα στοιχείο 2 βολτ (ή 13,9 αμπέρ-ώρες ανά κιλό για μια μπαταρία 12 βολτ). Αυτό αντιστοιχεί σε 167 βατώρες ανά κιλό αντιδρώντων, αλλά στην πράξη, ένα στοιχείο μολύβδου-οξέος δίνει μόνο 30-40 βατώρες ανά κιλό μπαταρίας, λόγω της μάζας του νερού και άλλων συστατικών του.

Μια άλλη μορφή για την αντίδραση εκφόρτισης:

Αρνητικός δίσκος:

Pb(s) + H₂SO₄(aq) → PbSO₄ + H₂ + 2e⁻

Θετικός δίσκος:

PbO₂(s) + H₂SO₄ + H₂ + 2e⁻ → PbSO₄(s) + 2H₂O

Φόρτιση

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
Πλήρως φορτισμένο: Πλάκα θετικού διοξειδίου του μολύβδου, πλάκα αρνητικής διοξειδίου του μολύβδου και πυκνό υδατικό διάλυμα θειικού οξέος.

Στην πλήρως φορτισμένη κατάσταση, η αρνητική πλάκα αποτελείται από μόλυβδο και η θετική πλάκα είναι διοξείδιο του μολύβδου. Το διάλυμα ηλεκτρολύτη έχει υψηλότερη συγκέντρωση υδατικού θειικού οξέος, το οποίο αποθηκεύει το μεγαλύτερο μέρος της χημικής ενέργειας.

Η υπερφόρτιση με υψηλή φόρτιση τάσης παράγει οξυγόνο και υδρογόνο αέριο μέσω ηλεκτρόλυσης νερού, το οποίο βγαίνει με φυσαλίδες και χάνεται. Ο σχεδιασμός ορισμένων τύπων μπαταριών μολύβδου-οξέος (π.χ., "ανοικτού κυκλώματος", αλλά όχι VRLA (AGM ή γέλης)) επιτρέπει τον έλεγχο της στάθμης του ηλεκτρολύτη και τη συμπλήρωση με καθαρό νερό για την αντικατάσταση όσων έχουν χαθεί με αυτόν τον τρόπο.

Επίδραση του επιπέδου φόρτισης στο σημείο πήξης

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Λόγω της ταπείνωσης του σημείου πήξης, ο ηλεκτρολύτης είναι πιο πιθανό να παγώσει σε κρύο περιβάλλον όταν η μπαταρία έχει χαμηλή φόρτιση και αντίστοιχα χαμηλή συγκέντρωση θειικού οξέος.

Κίνηση ιόντων

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Κατά την εκφόρτιση, το H+ που παράγεται στις αρνητικές πλάκες μετακινείται στο διάλυμα του ηλεκτρολύτη και στη συνέχεια καταναλώνεται στις θετικές πλάκες, ενώ το HSO−
4 καταναλώνεται και στις δύο πλάκες. Το αντίστροφο συμβαίνει κατά τη φόρτιση. Αυτή η κίνηση μπορεί να οφείλεται σε ηλεκτρικά κινούμενη ροή πρωτονίων (ο μηχανισμός Grotthuss), ή σε διάχυση μέσω του μέσου, ή σε ροή ενός υγρού ηλεκτρολυτικού μέσου. Δεδομένου ότι η πυκνότητα του ηλεκτρολύτη είναι μεγαλύτερη όταν η συγκέντρωση θειικού οξέος είναι υψηλότερη, το υγρό θα τείνει να κυκλοφορεί με συναγωγή θερμότητας. Επομένως, ένα στοιχείο υγρού μέσου τείνει να εκφορτίζεται γρήγορα και να φορτίζεται γρήγορα πιο αποτελεσματικά από ένα κατά τα άλλα παρόμοιο στοιχείο πηκτής (γέλης).

Μέτρηση του επιπέδου φόρτισης

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
Ένα υδρόμετρο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ελέγξει το ειδικό βάρος κάθε στοιχείου ως μέτρου της κατάστασης φόρτισής του.

Επειδή ο ηλεκτρολύτης συμμετέχει στην αντίδραση φόρτισης-εκφόρτισης, αυτή η μπαταρία έχει ένα σημαντικό πλεονέκτημα έναντι άλλων χημικών ενώσεων: είναι σχετικά απλό να προσδιοριστεί η κατάσταση φόρτισης μετρώντας απλώς τη ειδικό βάρος του ηλεκτρολύτη. Το ειδικό βάρος μειώνεται καθώς η μπαταρία αποφορτίζεται. Ορισμένα σχέδια μπαταριών περιλαμβάνουν ένα απλό υδρόμετρο που χρησιμοποιεί χρωματιστές αιωρούμενες μπάλες διαφορετικής πυκνότητας. Όταν χρησιμοποιείται σε ντιζελοηλεκτρικά υποβρύχια, το ειδικό βάρος μετριέται τακτικά και καταγράφεται σε έναν πίνακα στο θάλαμο ελέγχου για να υποδείξει πόσο περισσότερο μπορεί να παραμείνει βυθισμένο το σκάφος.[14]

Η τάση ανοιχτού κυκλώματος της μπαταρίας μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση της κατάστασης φόρτισης.[15] Εάν οι συνδέσεις με τα μεμονωμένα στοιχεία είναι προσβάσιμες, τότε μπορεί να προσδιοριστεί η κατάσταση φόρτισης κάθε στοιχείου, η οποία μπορεί να παράσχει έναν οδηγό ως προς την κατάσταση της υγείας της μπαταρίας στο σύνολό της. Διαφορετικά, μπορεί να αξιολογηθεί η συνολική τάση της μπαταρίας.

Τάσεις για κοινή χρήση

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Η φόρτιση μπαταρίας IUoU είναι μια διαδικασία φόρτισης τριών σταδίων για μπαταρίες μολύβδου-οξέος. Η ονομαστική τάση μιας μπαταρίας μολύβδου-οξέος είναι 2,2 V για κάθε στοιχείο. Για ένα μόνο στοιχείο, η τάση μπορεί να κυμαίνεται από 1,8 V σε πλήρη εκφόρτιση έως 2,10 V σε ανοιχτό κύκλωμα με πλήρη φόρτιση.

Η τάση επίπλευσης (float voltage) ποικίλλει ανάλογα με τον τύπο της μπαταρίας (ανοικτού τύπου, ηλεκτρολύτης με γέλη, απορροφημένο γυάλινο στρώμα) και κυμαίνεται από 1,8 V έως 2,27 V. Η τάση εξίσωσης και η τάση φόρτισης για τα θειωμένα στοιχεία μπορούν να κυμαίνονται από 2,67 V έως σχεδόν 3 V. [16] (μόνο μέχρι να ρέει ρεύμα φόρτισης).[17][18] Οι συγκεκριμένες τιμές για μια δεδομένη μπαταρία εξαρτώνται από τον σχεδιασμό και τις συστάσεις του κατασκευαστή και δίνονται συνήθως σε θερμοκρασία αναφοράς 20 °C (68 °F), απαιτώντας προσαρμογή για τις συνθήκες περιβάλλοντος. Το πρότυπο IEEE 485-2020 (δημοσιεύτηκε για πρώτη φορά το 1997) είναι η συνιστώμενη πρακτική του κλάδου για τη διαστασιολόγηση μπαταριών μολύβδου-οξέος σε σταθερές εφαρμογές.[19]

Κατασκευή

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Δίσκοι

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
Εσωτερική όψη μιας μικρής μπαταρίας μολύβδου-οξέος μοτοσικλέτας εξοπλισμένης με ηλεκτρική εκκίνηση

Το στοιχείο μολύβδου-οξέος μπορεί να αποδειχθεί χρησιμοποιώντας πλάκες μολύβδου σε φύλλα για τα δύο ηλεκτρόδια. Ωστόσο, μια τέτοια κατασκευή παράγει μόνο περίπου ένα αμπέρ για πλάκες μεγέθους περίπου καρτ ποστάλ και για λίγα μόνο λεπτά.

Ο Gaston Planté βρήκε έναν τρόπο να παρέχει μια πολύ μεγαλύτερη ενεργό επιφάνεια. Στο σχέδιο του Planté, οι θετικές και αρνητικές πλάκες σχηματίστηκαν από δύο σπείρες φύλλου μολύβδου, χωρισμένες με ένα φύλλο υφάσματος και τυλιγμένες. Τα στοιχεία είχαν αρχικά χαμηλή χωρητικότητα, επομένως απαιτήθηκε μια αργή διαδικασία διαμόρφωσης για τη διάβρωση των φύλλων μολύβδου, δημιουργώντας διοξείδιο του μολύβδου στις πλάκες και τραχύτητά για την αύξηση της επιφάνειας. Αρχικά, αυτή η διαδικασία χρησιμοποιούσε ηλεκτρική ενέργεια από πρωτογενείς μπαταρίες. Όταν οι γεννήτριες έγιναν διαθέσιμες μετά το 1870, το κόστος παραγωγής μπαταριών μειώθηκε σημαντικά.[8] Οι πλάκες Planté εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται σε ορισμένες στατικές εφαρμογές, όπου οι πλάκες αυλακώνονται μηχανικά για να αυξηθεί η επιφάνεια τους.

Το 1880, ο Camille Alphonse Faure κατοχύρωσε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας μια μέθοδο επικάλυψης ενός πλέγματος μολύβδου (το οποίο χρησιμεύει ως αγωγός ρεύματος) με μια πάστα από οξείδια του μολύβδου, θειικό οξύ και νερό, ακολουθούμενη από φάση σκλήρυνσης κατά την οποία οι πλάκες εκτέθηκαν σε ήπια θερμότητα σε περιβάλλον υψηλής υγρασίας. Η διαδικασία σκλήρυνσης μετέτρεψε την πάστα σε ένα μείγμα θειικών αλάτων μολύβδου που προσκολλήθηκαν στην πλάκα μολύβδου. Στη συνέχεια, κατά την αρχική φόρτιση της μπαταρίας (που ονομάζεται σχηματισμός), η σκληρυμένη πάστα στις πλάκες μετατράπηκε σε ηλεκτροχημικά ενεργό υλικό (την ενεργή μάζα). Η διαδικασία του Faure μείωσε σημαντικά τον χρόνο και το κόστος κατασκευής μπαταριών μολύβδου-οξέος και έδωσε σημαντική αύξηση στην χωρητικότητα σε σύγκριση με την μπαταρία του Planté.[20] Η μέθοδος του Faure εξακολουθεί να χρησιμοποιείται σήμερα, με μόνο σταδιακές βελτιώσεις στη σύνθεση της πάστας, στη σκλήρυνση (η οποία εξακολουθεί να γίνεται με ατμό, αλλά τώρα είναι μια πολύ αυστηρά ελεγχόμενη διαδικασία) και στη δομή και τη σύνθεση του πλέγματος στο οποίο εφαρμόζεται η πάστα.

Το πλέγμα που ανέπτυξε ο Faure ήταν από καθαρό μόλυβδο με συνδετικές ράβδους από μόλυβδο σε ορθή γωνία. Αντίθετα, τα σημερινά πλέγματα είναι δομημένα για βελτιωμένη μηχανική αντοχή και βελτιωμένη ροή ρεύματος. Εκτός από τα διαφορετικά μοτίβα πλέγματος (ιδανικά, όλα τα σημεία στην πλάκα ισαπέχουν από τον αγωγό ισχύος), οι σύγχρονες διαδικασίες εφαρμόζουν επίσης ένα ή δύο λεπτά στρώματα από υαλοβάμβακα πάνω από το πλέγμα για να κατανείμουν το βάρος πιο ομοιόμορφα. Και ενώ ο Faure είχε χρησιμοποιήσει καθαρό μόλυβδο για τα πλέγματά του, μέσα σε ένα χρόνο (1881) αυτά είχαν αντικατασταθεί από κράματα μολύβδου–αντιμονίου (8–12%) για να δώσουν στις δομές πρόσθετη ακαμψία. Ωστόσο, τα πλέγματα με υψηλή περιεκτικότητα σε αντιμόνιο έχουν υψηλότερη έκλυση υδρογόνου (η οποία επίσης επιταχύνεται καθώς η μπαταρία γερνάει) και, επομένως, μεγαλύτερη έκλυση αερίων και υψηλότερο κόστος συντήρησης. Αυτά τα ζητήματα εντοπίστηκαν από τους U. B. Thomas και W. E. Haring στα Bell Labs τη δεκαετία του 1930 και τελικά οδήγησαν στην ανάπτυξη κραμάτων πλέγματος μολύβδου–ασβεστίου το 1935 για μπαταρίες εφεδρικής ισχύος στο τηλεφωνικό δίκτυο των ΗΠΑ. Σχετική έρευνα οδήγησε στην ανάπτυξη κραμάτων πλέγματος μολύβδου-σεληνίου στην Ευρώπη λίγα χρόνια αργότερα. Τόσο τα κράματα πλέγματος μολύβδου-ασβεστίου όσο και τα κράματα πλέγματος μολύβδου-σεληνίου εξακολουθούν να προσθέτουν αντιμόνιο, αν και σε πολύ μικρότερες ποσότητες από τα παλαιότερα πλέγματα υψηλής περιεκτικότητας σε αντιμόνιο: τα πλέγματα μολύβδου-ασβεστίου έχουν 4-6% αντιμόνιο, ενώ τα πλέγματα μολύβδου-σεληνίου έχουν 1-2%. Αυτές οι μεταλλουργικές βελτιώσεις δίνουν στο πλέγμα μεγαλύτερη αντοχή, η οποία του επιτρέπει να φέρει περισσότερο βάρος και, επομένως, περισσότερο ενεργό υλικό, και έτσι οι πλάκες μπορούν να είναι παχύτερες, γεγονός που με τη σειρά του συμβάλλει στη διάρκεια ζωής της μπαταρίας, καθώς υπάρχει περισσότερο υλικό διαθέσιμο για απόρριψη πριν η μπαταρία καταστεί άχρηστη. Τα πλέγματα κραμάτων υψηλής περιεκτικότητας σε αντιμόνιο εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται σε μπαταρίες που προορίζονται για συχνή κυκλική λειτουργία, π.χ. σε εφαρμογές εκκίνησης κινητήρων όπου η συχνή διαστολή/συστολή των πλακών πρέπει να αντισταθμίζεται, αλλά όπου η απαγωγή αερίων δεν είναι σημαντική, καθώς τα ρεύματα φόρτισης παραμένουν χαμηλά. Από τη δεκαετία του 1950, οι μπαταρίες που έχουν σχεδιαστεί για εφαρμογές σπάνιας κυκλικής λειτουργίας (π.χ., μπαταρίες εφεδρικής ισχύος) έχουν ολοένα και περισσότερο πλέγματα μολύβδου-ασβεστίου ή κράματος μολύβδου-σεληνίου, καθώς αυτά έχουν λιγότερη έκλυση υδρογόνου και επομένως χαμηλότερο κόστος συντήρησης. Τα πλέγματα από κράμα μολύβδου-ασβεστίου είναι φθηνότερα στην κατασκευή (τα στοιχεία έχουν επομένως χαμηλότερο αρχικό κόστος) και έχουν χαμηλότερο ρυθμό αυτοεκφόρτισης και χαμηλότερες απαιτήσεις ποτίσματος, αλλά έχουν ελαφρώς χειρότερη αγωγιμότητα, είναι μηχανικά ασθενέστερα (και επομένως απαιτούν περισσότερο αντιμόνιο για αντιστάθμιση) και είναι πιο ευάλωτα στη διάβρωση (και επομένως έχουν μικρότερη διάρκεια ζωής) από τα στοιχεία με πλέγματα από κράμα μολύβδου-σεληνίου.

Το φαινόμενο ανοιχτού κυκλώματος είναι μια δραματική απώλεια της διάρκειας ζωής της μπαταρίας, η οποία παρατηρήθηκε όταν το αντιμόνιο αντικαταστάθηκε από ασβέστιο. Είναι επίσης γνωστό ως φαινόμενο χωρίς αντιμόνιο.[21]

Σύγχρονη προσέγγιση

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Η σύγχρονη πάστα περιέχει αιθάλη, blanc fixe (θειικό βάριο) και λιγνοσουλφονικό άλας. Το blanc fixe λειτουργεί ως κρύσταλλος εκκίνησης για την αντίδραση μολύβδου-προς-θειικό μόλυβδο. Το blanc fixe πρέπει να διασπαρεί πλήρως στην πάστα για να είναι αποτελεσματικό. Το λιγνοσουλφονικό άλας εμποδίζει την αρνητική πλάκα να σχηματίσει μια στερεά μάζα κατά τη διάρκεια του κύκλου εκφόρτισης, επιτρέποντας αντ' αυτού τον σχηματισμό μακρών βελονοειδών δενδριτών. Οι μακριοί κρύσταλλοι έχουν μεγαλύτερη επιφάνεια και επιστρέφουν εύκολα στην αρχική τους κατάσταση κατά τη φόρτιση. Η αιθάλη εξουδετερώνει την επίδραση της αναστολής του σχηματισμού που προκαλείται από τα λιγνοσουλφονικά άλατα. Το διασκορπιστικό συμπυκνώματος σουλφονωμένου ναφθαλινίου είναι ένας πιο αποτελεσματικός διαστολέας από το λιγνοσουλφονικό άλας και επιταχύνει τον σχηματισμό. Αυτό το διασκορπιστικό βελτιώνει τη διασπορά του θειικού βαρίου στην πάστα, μειώνει τον χρόνο υδροσκλήρυνσης, παράγει μια πλάκα πιο ανθεκτική στη θραύση, μειώνει τα λεπτά σωματίδια μολύβδου και, ως εκ τούτου, βελτιώνει τα χαρακτηριστικά χειρισμού και επικόλλησης. Παρατείνει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας αυξάνοντας την τάση στο τέλος της φόρτισης. Το σουλφονωμένο ναφθαλίνιο απαιτεί περίπου το ένα τρίτο έως το μισό της ποσότητας λιγνοσουλφονικού και είναι σταθερό σε υψηλότερες θερμοκρασίες.[22]

Μόλις στεγνώσουν, οι πλάκες στοιβάζονται με κατάλληλα διαχωριστικά και εισάγονται σε ένα δοχείο στοιχείων. Οι εναλλασσόμενες πλάκες στη συνέχεια αποτελούν εναλλασσόμενα θετικά και αρνητικά ηλεκτρόδια και, μέσα στο στοιχείο, αργότερα συνδέονται μεταξύ τους (αρνητικό με αρνητικό, θετικό με θετικό) παράλληλα. Οι διαχωριστές εμποδίζουν τις πλάκες να αγγίζουν μεταξύ τους, κάτι που διαφορετικά θα αποτελούσε βραχυκύκλωμα. Σε στοιχεία ανοιχτού κυκλώματος και κυψέλες με γέλες, οι διαχωριστές είναι μονωτικές ράγες ή καρφιά, παλαιότερα από γυαλί ή κεραμικό και τώρα από πλαστικό. Στα στοιχεία AGM, ο διαχωριστής είναι το ίδιο το γυάλινο υπόστρωμα και η σχάρα των πλακών με τους διαχωριστές συμπιέζεται μεταξύ τους πριν από την εισαγωγή τους στο στοιχείο. Μόλις εισέλθουν στο στοιχείο, τα γυάλινα υποστρώματα διαστέλλονται ελαφρώς, ασφαλίζοντας αποτελεσματικά τις πλάκες στη θέση τους. Στις μπαταρίες πολλαπλών στοιχείων, τα στοιχεία συνδέονται στη συνέχεια μεταξύ τους σε σειρά, είτε μέσω συνδετήρων που διαπερνούν τα τοιχώματα των στοιχείων, είτε μέσω γέφυρας πάνω από τα τοιχώματα των στοιχείων. Όλες οι συνδέσεις εντός και μεταξύ των στοιχείων είναι από το ίδιο κράμα μολύβδου με αυτό που χρησιμοποιείται στα πλέγματα. Αυτό είναι απαραίτητο για την πρόληψη της γαλβανικής διάβρωσης.

Οι μπαταρίες βαθέος κύκλου (Deep-cycle batteries) έχουν διαφορετική γεωμετρία για τα θετικά ηλεκτρόδιά τους. Το θετικό ηλεκτρόδιο δεν είναι μια επίπεδη πλάκα αλλά μια σειρά από κυλίνδρους ή σωλήνες μολύβδου-οξειδίου που είναι τοποθετημένοι δίπλα-δίπλα, επομένως η γεωμετρία τους ονομάζεται σωληνοειδής ή κυλινδρική. Το πλεονέκτημα τους είναι η αυξημένη επιφάνεια επαφής με τον ηλεκτρολύτη, με υψηλότερα ρεύματα εκφόρτισης και φόρτισης από ένα επίπεδο στοιχείο ίδιου όγκου και βάθους φόρτισης. Τα σωληνωτά ηλεκτρόδια έχουν υψηλότερη πυκνότητα ισχύος από τα επίπεδα ηλεκτρόδια. Αυτό καθιστά τις πλάκες κυλινδρικής γεωμετρίας ιδιαίτερα κατάλληλες για εφαρμογές υψηλού ρεύματος με περιορισμούς βάρους ή χώρου, όπως για περονοφόρα ανυψωτικά μηχανήματα ή για την εκκίνηση θαλάσσιων κινητήρων ντίζελ. Ωστόσο, επειδή οι κύλινδροι έχουν λιγότερο ενεργό υλικό στον ίδιο όγκο, έχουν επίσης χαμηλότερες ενεργειακές πυκνότητες από τα κατά τα άλλα συγκρίσιμα επίπεδα ηλεκτρόδια, και λιγότερο ενεργό υλικό στο ηλεκτρόδιο σημαίνει επίσης ότι έχουν λιγότερο υλικό διαθέσιμο για αποβολή πριν τα ηλεκτρόδια καταστούν άχρηστα. Τα κυλινδρικά ηλεκτρόδια είναι επίσης πιο περίπλοκα στην ομοιόμορφη κατασκευή τους, επειδή η ομοιόμορφη πυκνότητα του ενεργού υλικού είναι δύσκολο να ελεγχθεί σε μια σωληνωτή γεωμετρία, γεγονός που τα καθιστά πιο ακριβά από τα επίπεδα στοιχεία. Αυτοί οι συμβιβασμοί περιορίζουν το εύρος των εφαρμογών στις οποίες οι κυλινδρικές μπαταρίες έχουν νόημα σε περιπτώσεις όπου δεν υπάρχει επαρκής χώρος για την εγκατάσταση μονάδων επίπεδης πλάκας μεγαλύτερης χωρητικότητας.

Περίπου το 60% του βάρους μιας μπαταρίας μολύβδου-οξέος αυτοκινήτου με ονομαστική ισχύ περίπου 60 A•h αποτελείται από μόλυβδο ή εσωτερικά μέρη κατασκευασμένα από μόλυβδο, ενώ το υπόλοιπο είναι ηλεκτρολύτης, διαχωριστές και το περίβλημα.[8] Για παράδειγμα, υπάρχουν περίπου 87 kilograms (192 lb) μολύβδου σε μια τυπική μπαταρία 145-kilogram (320 lb).

Διαχωριστές

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Οι διαχωριστές (Separators) μεταξύ των θετικών και αρνητικών πλακών αποτρέπουν τα βραχυκυκλώματα μέσω φυσικής επαφής, κυρίως μέσω δενδριτών (δενδροποίηση), αλλά και μέσω της αποβολής του ενεργού υλικού. Οι διαχωριστές επιτρέπουν τη ροή ιόντων μεταξύ των πλακών ενός ηλεκτροχημικού στοιχείου για να σχηματίσουν ένα κλειστό κύκλωμα. Ξύλο, καουτσούκ, στρώμα από υαλοβάμβακα, κυτταρίνη και πλαστικό PVC ή πολυαιθυλένιο έχουν χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή διαχωριστών. Το ξύλο ήταν η αρχική επιλογή, αλλά φθείρεται στον όξινο ηλεκτρολύτη.

Ένας αποτελεσματικός διαχωριστής πρέπει να διαθέτει μια σειρά από μηχανικές ιδιότητες, όπως διαπερατότητα, πορώδες, κατανομή μεγέθους πόρων, ειδική επιφάνεια, μηχανικό σχεδιασμό και αντοχή, ηλεκτρική αντίσταση, ιοντική αγωγιμότητα και χημική συμβατότητα με τον ηλεκτρολύτη. Κατά τη λειτουργία, ο διαχωριστής πρέπει να έχει καλή αντοχή στο οξύ και την οξείδωση. Η επιφάνεια του διαχωριστή πρέπει να είναι λίγο μεγαλύτερη από την επιφάνεια των πλακών για να αποφευχθεί το βραχυκύκλωμα υλικού μεταξύ των πλακών. Οι διαχωριστές πρέπει να παραμένουν σταθεροί σε όλο το εύρος της θερμοκρασία λειτουργίας της μπαταρίας.

Προσροφητικό γυάλινο στρώμα

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Στον σχεδιασμό προσροφητικού γυάλινου στρώματος (absorbent glass mat, AGM), οι διαχωριστές μεταξύ των πλακών αντικαθίστανται από ένα στρώμα από υαλοβάμβακα εμποτισμένο σε ηλεκτρολύτη. Υπάρχει ηλεκτρολύτης στο υπόστρωμα μόνο όσο χρειάζεται για να το διατηρήσει υγρό και, εάν η μπαταρία τρυπηθεί, ο ηλεκτρολύτης δεν θα ρέει έξω από τα στρώμα. Ο κύριος σκοπός της αντικατάστασης του υγρού ηλεκτρολύτη σε μια μπαταρία ανοικτού κυκλώματος με ένα ημικορεσμένο στρώμα από υαλοβάμβακα είναι η σημαντική αύξηση της μεταφοράς αερίου μέσω του διαχωριστή. Το αέριο υδρογόνο ή οξυγόνο που παράγεται κατά την υπερφόρτιση ή τη φόρτιση (εάν το ρεύμα φόρτισης είναι υπερβολικό) μπορεί να διέλθει ελεύθερα μέσα από το γυάλινο στρώμα και να ανάγει ή να οξειδώσει την αντίθετη πλάκα, αντίστοιχα. Σε ένα στοιχείο ανοικτού κυκλώματος, οι φυσαλίδες αερίου επιπλέουν στην κορυφή της μπαταρίας και χάνονται στην ατμόσφαιρα. Αυτός ο μηχανισμός ανασύνθεσης του παραγόμενου αερίου και το πρόσθετο πλεονέκτημα ενός ημικορεσμένου στοιχείου που δεν παρέχει σημαντική διαρροή ηλεκτρολύτη κατά τη φυσική διάτρηση της θήκης της μπαταρίας, επιτρέπει την πλήρη στεγανοποίηση της μπαταρίας, γεγονός που την καθιστά χρήσιμη σε φορητές συσκευές και παρόμοιους ρόλους. Επιπλέον, η μπαταρία μπορεί να εγκατασταθεί σε οποιονδήποτε προσανατολισμό, αν και αν εγκατασταθεί ανάποδα, τότε μπορεί να εκτονωθεί οξύ μέσω της οπής υπερπίεσης.

Για να μειωθεί ο ρυθμός απώλειας νερού, το ασβέστιο προστίθεται σε κράμα με τις πλάκες. Ωστόσο, η συσσώρευση αερίου παραμένει πρόβλημα όταν η μπαταρία φορτίζεται ή αποφορτίζεται βαθιά ή γρήγορα. Για να αποφευχθεί η υπερπίεση του περιβλήματος της μπαταρίας, οι μπαταρίες AGM περιλαμβάνουν μια μονόδρομη βαλβίδα εκτόνωσης και είναι συχνά γνωστές ως σχεδιασμοί μολύβδου-οξέος με ρύθμιση βαλβίδας (valve-regulated lead–acid, VRLA).

Ένα άλλο πλεονέκτημα του σχεδιασμού AGM είναι ότι ο ηλεκτρολύτης γίνεται το υλικό διαχωρισμού και είναι μηχανικά ανθεκτικός. Αυτό επιτρέπει στη στοίβα πλακών να συμπιέζεται μαζί στο κέλυφος της μπαταρίας, αυξάνοντας ελαφρώς την ενεργειακή πυκνότητα σε σύγκριση με τις εκδόσεις υγρού ή γέλης. Οι μπαταρίες AGM εμφανίζουν συχνά μια χαρακτηριστική διόγκωση στα κελύφη τους όταν κατασκευάζονται σε κοινά ορθογώνια σχήματα, λόγω της διαστολής των θετικών πλακών.

Το στρώμα εμποδίζει επίσης την κατακόρυφη κίνηση του ηλεκτρολύτη μέσα στην μπαταρία. Όταν ένα κανονικό υγρό στοιχείο αποθηκεύεται σε αποφορτισμένη κατάσταση, τα βαρύτερα μόρια οξέος τείνουν να κατακάθονται στον πυθμένα της μπαταρίας, προκαλώντας τη στρωματοποίηση του ηλεκτρολύτη. Όταν η μπαταρία χρησιμοποιείται στη συνέχεια, το μεγαλύτερο μέρος του ρεύματος ρέει μόνο σε αυτήν την περιοχή και ο πυθμένας των πλακών τείνει να φθείρεται γρήγορα. Αυτός είναι ένας από τους λόγους για τους οποίους μια συμβατική μπαταρία αυτοκινήτου μπορεί να καταστραφεί αφήνοντάς την αποθηκευμένη για μεγάλο χρονικό διάστημα και στη συνέχεια προσπαθώντας να επαναφορτιστεί. Το στρώμα αποτρέπει σημαντικά αυτή τη διαστρωμάτωση, εξαλείφοντας την ανάγκη να ανακινούνται περιοδικά οι μπαταρίες, να βράζονται ή να εκτελείται φόρτιση εξισορρόπησης (equalization charge) για να αναμειχθεί ο ηλεκτρολύτης. Η διαστρωμάτωση προκαλεί επίσης τα ανώτερα στρώματα της μπαταρίας να αποτελούνται σχεδόν εξ ολοκλήρου από νερό, το οποίο μπορεί να παγώσει σε κρύο καιρό. Οι AGM είναι σημαντικά λιγότερο ευάλωτες σε ζημιές λόγω χρήσης σε χαμηλές θερμοκρασίες.

Ενώ τα στοιχεία AGM δεν επιτρέπουν την προσθήκη νερού (είναι αδύνατο συνήθως να προσθέσετε νερό χωρίς να ανοίξετε μια τρύπα στην μπαταρία), η διαδικασία ανασυνδυασμού τους περιορίζεται ουσιαστικά από τις συνήθεις χημικές διεργασίες. Το αέριο υδρογόνο θα διαχέεται ακόμη και μέσα από το ίδιο το πλαστικό περίβλημα. Κάποιοι έχουν διαπιστώσει ότι είναι επικερδές να προσθέσουν νερό σε μια μπαταρία AGM, αλλά αυτό πρέπει να γίνει αργά για να επιτραπεί στο νερό να αναμειχθεί σε όλη την μπαταρία μέσω διάχυσης. Όταν μια μπαταρία μολύβδου-οξέος χάνει νερό, η συγκέντρωση οξέος αυξάνεται, αυξάνοντας σημαντικά τον ρυθμό διάβρωσης των πλακών. Τα στοιχεία AGM έχουν ήδη υψηλή περιεκτικότητα σε οξύ σε μια προσπάθεια να μειωθεί ο ρυθμός απώλειας νερού και να αυξηθεί η τάση αναμονής, και αυτό επιφέρει μικρότερη διάρκεια ζωής σε σύγκριση με μια μπαταρία μολύβδου-αντιμονίου ανοιχτού κυκλώματος. Εάν η τάση ανοιχτού κυκλώματος των στοιχείων AGM είναι σημαντικά υψηλότερη από 2,093 βολτ ή 12,56 V για μια μπαταρία 12 V, τότε έχει υψηλότερη περιεκτικότητα σε οξύ από ένα στοιχείο ανοικτού κυκλώματος. Ενώ αυτό είναι φυσιολογικό για μια μπαταρία AGM, δεν είναι επιθυμητό όμως για μεγάλη διάρκεια ζωής.

Τα στοιχεία AGM που υπερφορτίζονται σκόπιμα ή κατά λάθος θα εμφανίσουν υψηλότερη τάση ανοιχτού κυκλώματος ανάλογα με την απώλεια νερού (και την αυξημένη συγκέντρωση οξέος). Μία αμπεροώρα υπερφόρτισης θα ηλεκτρολύσει 0,335 γραμμάρια νερού ανά στοιχείο. Μέρος αυτού του απελευθερωμένου υδρογόνου και οξυγόνου θα ανασυνδυαστεί, αλλά όχι όλο.

Ηλεκτρολύτες με πηκτή (γέλη)

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1970, οι ερευνητές ανέπτυξαν την έκδοση κλειστού κυκλώματος ή μπαταρία πηκτής (γέλης), η οποία αναμειγνύει έναν παράγοντα πηκτωματοποίησης πυριτίου στον ηλεκτρολύτη (με βάση πηκτή πυριτίου (silica gel) σε μπαταρίες μολύβδου-οξέος που χρησιμοποιούνταν σε φορητά ραδιόφωνα από τις αρχές της δεκαετίας του 1930 που δεν ήταν πλήρως κλειστές). Αυτό μετατρέπει το προηγουμένως υγρό εσωτερικό των στοιχείων σε μια ημι-άκαμπτη πάστα, παρέχοντας πολλά από τα ίδια πλεονεκτήματα της AGM. Τέτοια σχέδια είναι ακόμη λιγότερο ευαίσθητα στην εξάτμιση και χρησιμοποιούνται συχνά σε καταστάσεις όπου είναι δυνατή η ελάχιστη ή καθόλου περιοδική συντήρηση. Τα στοιχεία πηκτής έχουν επίσης χαμηλότερα σημεία πήξης και υψηλότερα σημεία βρασμού από τους υγρούς ηλεκτρολύτες που χρησιμοποιούνται σε συμβατικά υγρά στοιχεία και AGM, γεγονός που τα καθιστά κατάλληλα για χρήση σε ακραίες συνθήκες.

Το μόνο μειονέκτημα του σχεδιασμού πηκτής είναι ότι η πηκτή εμποδίζει την ταχεία κίνηση των ιόντων στον ηλεκτρολύτη, γεγονός που μειώνει την κινητικότητα των φορέων και, κατά συνέπεια, την ικανότητα ρεύματος υπέρτασης. Για αυτόν τον λόγο, τα στοιχεία πηκτής βρίσκονται συχνότερα σε εφαρμογές αποθήκευσης ενέργειας, όπως τα συστήματα εκτός δικτύου.

Χωρίς συντήρηση, κλειστού κυκλώματος και μολύβδου-οξέος με ρύθμιση βαλβίδας

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Τόσο τα σχέδια πηκτής όσο και τα σχέδια AGM είναι κλειστά, δεν απαιτούν προσθήκη νερού, μπορούν να χρησιμοποιηθούν με οποιονδήποτε προσανατολισμό και χρησιμοποιούν βαλβίδα για την εκκένωση αερίου. Για αυτόν τον λόγο, και τα δύο σχέδια μπορούν να ονομαστούν χωρίς συντήρηση, σφραγισμένα και VRLA. Ωστόσο, είναι αρκετά συνηθισμένο να βρίσκουμε πηγές που αναφέρουν ότι αυτοί οι όροι αναφέρονται συγκεκριμένα σε ένα από αυτά τα σχέδια.

Σε μια μπαταρία μολύβδου-οξέος ρυθμιζόμενη με βαλβίδα (valve-regulated lead–acid, VRLA), το υδρογόνο και το οξυγόνο που παράγονται στα στοιχεία ανασυνδυάζονται σε μεγάλο βαθμό στο νερό. Η διαρροή είναι ελάχιστη, αν και κάποιοι ηλεκτρολύτες εξακολουθούν να διαφεύγουν εάν ο ανασυνδυασμός δεν μπορεί να συμβαδίσει με την έκλυση αερίου. Δεδομένου ότι οι μπαταρίες VRLA δεν απαιτούν (και καθιστούν αδύνατο) τον τακτικό έλεγχο της στάθμης του ηλεκτρολύτη, έχουν ονομαστεί μπαταρίες χωρίς συντήρηση. Ωστόσο, αυτός είναι κάπως λανθασμένος όρος: Τα στοιχεία VRLA απαιτούν συντήρηση. Καθώς χάνεται ηλεκτρολύτης, τα στοιχεία VRLA στεγνώνουν και χάνουν χωρητικότητα. Αυτό μπορεί να ανιχνευθεί με τακτικές εσωτερικές μετρήσεις ηλεκτρικής αντίστασης, ηλεκτρικής αγωγιμότητας ή ηλεκτρικής σύνθετης αντίστασης. Οι τακτικές δοκιμές αποκαλύπτουν εάν απαιτούνται πιο περίπλοκες δοκιμές και συντήρηση. Πρόσφατα έχουν αναπτυχθεί διαδικασίες συντήρησης που επιτρέπουν την ενυδάτωση, αποκαθιστώντας συχνά σημαντικά ποσά χαμένης χωρητικότητας.

Οι τύποι VRLA έγιναν δημοφιλείς στις μοτοσικλέτες γύρω στο 1983,[23] επειδή ο διαχωριστής βελτιώνει την αντοχή στους κραδασμούς και αποτρέπει τη διαρροή του ηλεκτρολύτη οξέος.[24] Είναι επίσης δημοφιλείς σε στατικές εφαρμογές όπως οι τηλεπικοινωνιακές εγκαταστάσεις, λόγω του μικρού τους μεγέθους και της ευελιξίας εγκατάστασης.[25]

Εφαρμογές

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Οι περισσότερες από τις μπαταρίες μολύβδου-οξέος στον κόσμο είναι μπαταρίες εκκίνησης, φωτισμού και ανάφλεξης αυτοκινήτου (automobile starting, lighting, and ignition, SLI), με περίπου 320 εκατομμύρια μονάδες για το 1999.[8] Το 1992 περίπου 3 εκατομμύρια τόνοι μολύβδου χρησιμοποιήθηκαν στην κατασκευή μπαταριών.

Οι μπαταρίες υγρών στοιχείων σε αναμονή (στατικές) που έχουν σχεδιαστεί για βαθιά εκφόρτιση χρησιμοποιούνται συνήθως σε μεγάλα εφεδρικά τροφοδοτικά για τηλεφωνικά και υπολογιστικά κέντρα, αποθήκευση ενέργειας δικτύου και οικιακά συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας εκτός δικτύου.[26] Οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος χρησιμοποιούνται σε φωτισμό έκτακτης ανάγκης και για την τροφοδοσία αντλιών φρεατίου σε περίπτωση διακοπής ρεύματος.

Οι μπαταρίες έλξης (πρόωσης) χρησιμοποιούνται σε καροτσάκια του γκολφ και άλλα ηλεκτρικά οχήματα με μπαταρία. Μεγάλες μπαταρίες μολύβδου-οξέος χρησιμοποιούνται επίσης για την τροφοδοσία των ηλεκτροκινητήρων σε ηλεκτρικά ντίζελ (συμβατικά) υποβρύχια όταν βυθίζονται και χρησιμοποιούνται επίσης ως τροφοδοσία έκτακτης ανάγκης σε πυρηνικά υποβρύχια. Οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος που ρυθμίζονται με βαλβίδα δεν μπορούν να χύσουν τον ηλεκτρολύτη τους. Χρησιμοποιούνται σε τροφοδοτικά εφεδρικής τροφοδοσίας για συναγερμούς και μικρότερα συστήματα υπολογιστών και για ηλεκτρικά σκούτερ, ηλεκτρικά αναπηρικά αμαξίδια, ηλεκτρικά δίκυκλα, θαλάσσιες εφαρμογές, ηλεκτρικά οχήματα με μπαταρία ή μικροϋβριδικά οχήματα και μοτοσικλέτες. Πολλά ηλεκτρικά περονοφόρα χρησιμοποιούν μπαταρίες μολύβδου-οξέος, όπου το βάρος χρησιμοποιείται ως μέρος ενός αντίβαρου. Οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος χρησιμοποιούνταν για την παροχή της τάσης νήματος (θερμαντήρα), με τα 2 V να είναι συνηθισμένα στους πρώτους ραδιοφωνικούς δέκτες λυχνιών κενού.

Οι φορητές μπαταρίες για τις λάμπες των ανθρακωρύχων έχουν συνήθως δύο ή τρία στοιχεία.[27]

Κύκλοι

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Μπαταρίες εκκίνησης

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος που έχουν σχεδιαστεί για την εκκίνηση κινητήρων αυτοκινήτων δεν έχουν σχεδιαστεί για βαθιά εκφόρτιση. Διαθέτουν μεγάλο αριθμό λεπτών πλακών σχεδιασμένων για μέγιστη επιφάνεια και, επομένως, μέγιστη έξοδο ρεύματος, οι οποίες μπορούν εύκολα να καταστραφούν από βαθιά εκφόρτιση. Οι επαναλαμβανόμενες βαθιές εκφορτίσεις θα οδηγήσουν σε απώλεια χωρητικότητας και, τελικά, σε πρόωρη αστοχία, είτε καθώς οι πλάκες αποσυντίθενται λόγω μηχανικής καταπόνησης είτε από ταχεία θείωση όταν οι πλάκες βρίσκονται σε χαμηλές τάσεις κατά τη διάρκεια του βαθέος κύκλου.

Η εκκίνηση των μπαταριών που διατηρούνται σε συνεχή συντηρητική φόρτιση ενδέχεται να υποστούν διάβρωση στους εξωτερικούς πόλους της μπαταρίας, κάτι που μπορεί επίσης να οδηγήσει σε καταστάσεις βλάβης, όπου η μπαταρία δεν μπορεί να μεταφέρει την ισχύ της στον κινητήρα εκκίνησης. Οι μπαταρίες εκκίνησης μπορούν επομένως να διατηρούνται σε ανοιχτό κύκλωμα αλλά να φορτίζονται τακτικά (τουλάχιστον μία φορά κάθε δύο εβδομάδες) για την αποφυγή θείωσης.

Οι μπαταρίες εκκίνησης είναι ελαφρύτερες από τις μπαταρίες βαθιάς εκφόρτισης ίδιου μεγέθους, επειδή οι λεπτότερες και ελαφρύτερες πλάκες στοιχείων δεν εκτείνονται μέχρι το κάτω μέρος της θήκης της μπαταρίας. Αυτό επιτρέπει σε χαλαρό, αποσυντιθέμενο υλικό να πέσει από τις πλάκες και να συσσωρευτεί στο κάτω μέρος της μπαταρίας, παρατείνοντας τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Εάν αυτά τα χαλαρά υπολείμματα ανέβουν αρκετά, τότε μπορεί να αγγίξουν το κάτω μέρος των πλακών και να προκαλέσουν βλάβη σε ένα στοιχείο, με αποτέλεσμα την απώλεια τάσης και χωρητικότητας της μπαταρίας.

Μπαταρίες βαθέος κύκλου

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Τα ειδικά σχεδιασμένα στοιχεία βαθέος κύκλου (βαθιάς εκφόρτισης) είναι πολύ λιγότερο ευάλωτα στην υποβάθμιση λόγω κυκλικής εκφόρτισης και απαιτούνται για εφαρμογές όπου οι μπαταρίες αποφορτίζονται τακτικά, όπως φωτοβολταϊκά συστήματα, ηλεκτρικά οχήματα (περονοφόρα, καροτσάκια γκολφ, ηλεκτρικά αυτοκίνητα και άλλα) και αδιάλειπτα τροφοδοτικά. Αυτές οι μπαταρίες έχουν παχύτερες πλάκες που δεν μπορούν να παρέχουν τόσο πολύ μέγιστο ρεύμα, αλλά μπορούν να αντέξουν συχνές εκφορτίσεις.[28]

Ορισμένες μπαταρίες έχουν σχεδιαστεί ως συμβιβασμός μεταξύ της εκκίνησης (υψηλού ρεύματος) και της μπαταρίας βαθιάς εκφόρτισης. Μπορούν να αποφορτιστούν σε μεγαλύτερο βαθμό από τις μπαταρίες αυτοκινήτων, αλλά σε μικρότερο βαθμό από τις μπαταρίες βαθιάς εκφόρτισης. Μπορεί να αναφέρονται ως θαλάσσιες (marine), μπαταρίες τροχόσπιτων (motorhome) ή μπαταρίες αναψυχής (leisure batteries).

Γρήγορη και αργή φόρτιση και εκφόρτιση

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
Το ρεύμα φόρτισης πρέπει να ταιριάζει με την ικανότητα της μπαταρίας να απορροφά την ενέργεια. Η χρήση πολύ μεγάλου ρεύματος φόρτισης σε μια μικρή μπαταρία μπορεί να οδηγήσει σε βρασμό και εξαέρωση του ηλεκτρολύτη. Σε αυτήν την εικόνα, η θήκη μιας μπαταρίας VRLA έχει διογκωθεί λόγω της υψηλής πίεσης αερίου που αναπτύσσεται κατά την υπερφόρτιση.

Η χωρητικότητα μιας μπαταρίας μολύβδου-οξέος δεν είναι μια σταθερή ποσότητα, αλλά ποικίλλει ανάλογα με την ταχύτητα εκφόρτισης. Η εμπειρική σχέση μεταξύ του ρυθμού εκφόρτισης και της χωρητικότητας είναι γνωστή ως νόμος του Peukert.

Όταν μια μπαταρία φορτίζεται ή εκφορτίζεται, επηρεάζονται αρχικά μόνο οι αντιδρώσες χημικές ουσίες, οι οποίες βρίσκονται στη διεπαφή μεταξύ των ηλεκτροδίων και του ηλεκτρολύτη. Με την πάροδο του χρόνου, το φορτίο που αποθηκεύεται στις χημικές ουσίες στη διεπαφή, που συχνά ονομάζεται φορτίο διεπαφής ή επιφανειακό φορτίο, εξαπλώνεται με διάχυση αυτών των χημικών ουσιών σε όλο τον όγκο του ενεργού υλικού.

Θεωρήστε μια μπαταρία που έχει αποφορτιστεί πλήρως (όπως συμβαίνει όταν αφήνετε τα φώτα του αυτοκινήτου αναμμένα όλη τη νύχτα, μια κατανάλωση ρεύματος περίπου 6 αμπέρ). Εάν στη συνέχεια φορτιστεί γρήγορα μόνο για λίγα λεπτά, οι πλάκες της μπαταρίας φορτίζουν μόνο κοντά στη διεπαφή μεταξύ των πλακών και του ηλεκτρολύτη. Σε αυτήν την περίπτωση, η τάση της μπαταρίας μπορεί να αυξηθεί σε μια τιμή κοντά σε αυτήν της τάσης του φορτιστή. Αυτό προκαλεί σημαντική μείωση του ρεύματος φόρτισης. Μετά από λίγες ώρες, αυτό το φορτίο διεπαφής θα εξαπλωθεί στον όγκο του ηλεκτροδίου και του ηλεκτρολύτη. Αυτό οδηγεί σε ένα φορτίο διεπαφής τόσο χαμηλό που μπορεί να μην επαρκεί για την εκκίνηση του αυτοκινήτου.[29] Όσο η τάση φόρτισης παραμένει κάτω από την τάση αεριοποίησης (περίπου 14,4 βολτ σε μια κανονική μπαταρία μολύβδου-οξέος), η ζημιά στην μπαταρία είναι απίθανη και με την πάροδο του χρόνου η μπαταρία θα πρέπει να επιστρέψει σε ονομαστικά φορτισμένη κατάσταση.

Θείωση και αποθείωση

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
Θειωμένες πλάκες από μπαταρία 12-V 5-Ah

Οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος χάνουν την ικανότητα να δέχονται φορτίο όταν αποφορτίζονται για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα λόγω θείωσης, της κρυστάλλωσης του θειικού μολύβδου (ΙΙ).[30] Παράγουν ηλεκτρική ενέργεια μέσω μιας διπλής θειικής χημικής αντίδρασης. Ο μόλυβδος και το διοξείδιο του μολύβδου, τα ενεργά υλικά στις πλάκες της μπαταρίας, αντιδρούν με το θειικό οξύ στον ηλεκτρολύτη για να σχηματίσουν θειικό μόλυβδο. Ο θειικός μόλυβδος σχηματίζεται αρχικά σε λεπτώς διαιρεμένη, άμορφη κατάσταση και εύκολα μετατρέπεται σε μόλυβδο, διοξείδιο του μολύβδου και θειικό οξύ όταν η μπαταρία επαναφορτίζεται. Καθώς οι μπαταρίες υφίστανται κυκλικές εκφορτίσεις και φορτίσεις, ένα μέρος του θειικού μολύβδου δεν ανασυνδυάζεται στον ηλεκτρολύτη και μετατρέπεται αργά σε σταθερή κρυσταλλική μορφή που δεν διαλύεται πλέον κατά την επαναφόρτιση. Έτσι, δεν επιστρέφει όλος ο μόλυβδος στις πλάκες της μπαταρίας και η ποσότητα του χρησιμοποιήσιμου ενεργού υλικού που απαιτείται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας μειώνεται με την πάροδο του χρόνου.

Η θείωση εμφανίζεται στις μπαταρίες μολύβδου-οξέος όταν αυτές υπόκεινται σε ανεπαρκή φόρτιση κατά την κανονική λειτουργία, ενώ εμφανίζεται επίσης όταν οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος παραμένουν αχρησιμοποίητες με ατελή φόρτιση για μεγάλο χρονικό διάστημα.[31] Εμποδίζει την επαναφόρτιση. Οι θειικές εναποθέσεις τελικά διαστέλλονται, σπάζοντας τις πλάκες και καταστρέφοντας την μπαταρία. Τελικά, τόσο μεγάλο μέρος της επιφάνειας της πλάκας της μπαταρίας δεν μπορεί να παρέχει ρεύμα με αποτέλεσμα η χωρητικότητά της να μειώνεται σημαντικά. Επιπλέον, το θειικό τμήμα (του θειικού μολύβδου) δεν επιστρέφει στον ηλεκτρολύτη ως θειικό οξύ. Πιστεύεται ότι οι μεγάλοι κρύσταλλοι εμποδίζουν φυσικά την είσοδο του ηλεκτρολύτη στους πόρους των πλακών. Εμποδίζει την επαναφόρτιση. Οι θειικές εναποθέσεις τελικά διαστέλλονται, σπάζοντας τις πλάκες και καταστρέφοντας την μπαταρία. Τελικά, τόσο μεγάλο μέρος της επιφάνειας της πλάκας της μπαταρίας δεν μπορεί να παρέχει ρεύμα με αποτέλεσμα η χωρητικότητά της να μειώνεται σημαντικά. Επιπλέον, το θειικό τμήμα (του θειικού μολύβδου) δεν επιστρέφει στον ηλεκτρολύτη ως θειικό οξύ. Πιστεύεται ότι οι μεγάλοι κρύσταλλοι εμποδίζουν φυσικά την είσοδο του ηλεκτρολύτη στους πόρους των πλακών.

Οι μπαταρίες SLI (εκκίνησης, φωτισμού, ανάφλεξης• π.χ., οι μπαταρίες αυτοκινήτων) υφίστανται τη μεγαλύτερη φθορά επειδή τα οχήματα συνήθως παραμένουν αχρησιμοποίητα για σχετικά μεγάλα χρονικά διαστήματα. Οι μπαταρίες βαθιάς εκφόρτισης και κινητήριας ισχύος υπόκεινται σε τακτική ελεγχόμενη υπερφόρτιση, με αποτέλεσμα τελικά να παρουσιάζουν βλάβη λόγω διάβρωσης των πλεγμάτων των θετικών πλακών και όχι λόγω θείωσης.

Η θείωση μπορεί να αποφευχθεί εάν η μπαταρία επαναφορτιστεί πλήρως αμέσως μετά από έναν κύκλο εκφόρτισης.[32] Δεν υπάρχουν γνωστοί ανεξάρτητα επαληθευμένοι τρόποι αντιστροφής της θείωσης.[8][33] Υπάρχουν εμπορικά προϊόντα που ισχυρίζονται ότι επιτυγχάνουν αποθείωση μέσω διαφόρων τεχνικών, όπως η παλμική φόρτιση, αλλά δεν υπάρχουν δημοσιεύσεις με αξιολόγηση από ομότιμους που να επιβεβαιώνουν τους ισχυρισμούς τους. Η πρόληψη της θείωσης παραμένει η καλύτερη πορεία δράσης, με την περιοδική πλήρη φόρτιση των μπαταριών μολύβδου-οξέος.

Στρωμάτωση

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Μια τυπική μπαταρία μολύβδου-οξέος περιέχει ένα μείγμα με ποικίλες συγκεντρώσεις νερού και οξέος. Το θειικό οξύ έχει μεγαλύτερη πυκνότητα από το νερό, γεγονός που προκαλεί τη ροή του οξέος που σχηματίζεται στις πλάκες κατά τη φόρτιση προς τα κάτω και τη συσσώρευση στο κάτω μέρος της μπαταρίας. Τελικά, το μείγμα θα φτάσει και πάλι σε ομοιόμορφη σύνθεση μέσω μοριακής διάχυσης, αλλά αυτή είναι μια πολύ αργή διαδικασία. Οι επαναλαμβανόμενοι κύκλοι μερικής φόρτισης και εκφόρτισης θα αυξήσουν τη διαστρωμάτωση του ηλεκτρολύτη, μειώνοντας την χωρητικότητα και την απόδοση της μπαταρίας, επειδή η έλλειψη οξέος στην κορυφή περιορίζει την ενεργοποίηση της πλάκας. Η διαστρωμάτωση προάγει επίσης τη διάβρωση στο άνω μισό των πλακών και τη θείωση στο κάτω μέρος.[34]

Η περιοδική υπερφόρτιση δημιουργεί αέρια προϊόντα αντίδρασης στην πλάκα, προκαλώντας ρεύματα μεταφοράς που αναμειγνύουν τον ηλεκτρολύτη και διαλύουν τη στρωμάτωση. Η μηχανική ανάδευση του ηλεκτρολύτη θα είχε το ίδιο αποτέλεσμα. Οι μπαταρίες σε κινούμενα οχήματα υπόκεινται επίσης σε πιτσιλίσματα και χτυπήματα στα στοιχεία, καθώς το όχημα επιταχύνει, φρενάρει και στρίβει.

Ασφάλεια

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
Μπαταρία μολύβδου-οξέος αυτοκινήτου μετά από έκρηξη που εμφανίζει εύθραυστο κάταγμα στα άκρα του περιβλήματος

Η υπερβολική φόρτιση προκαλεί ηλεκτρόλυση, εκπέμποντας υδρογόνο και οξυγόνο σε μια διαδικασία γνωστή ως έκλυση αερίων. Τα υγρά στοιχεία έχουν ανοιχτούς αεραγωγούς για την απελευθέρωση οποιουδήποτε αερίου που παράγεται και οι μπαταρίες VRLA βασίζονται σε βαλβίδες που είναι τοποθετημένες σε κάθε στοιχείο. Διατίθενται καταλυτικά καπάκια για τα στοιχεία με υγρό ηλεκτρολύτη για τον ανασυνδυασμό υδρογόνου και οξυγόνου. Ένα στοιχείο VRLA ανασυνδυάζει κανονικά οποιοδήποτε υδρογόνο και οξυγόνο που παράγεται μέσα στο στοιχείο, αλλά η δυσλειτουργία ή η υπερθέρμανση μπορεί να προκαλέσει συσσώρευση αερίου. Εάν συμβεί αυτό (για παράδειγμα, κατά την υπερφόρτιση), τότε η βαλβίδα εξαερώνει το αέριο και ομαλοποιεί την πίεση, παράγοντας μια χαρακτηριστική όξινη οσμή. Ωστόσο, οι βαλβίδες μπορεί να παρουσιάσουν βλάβη, όπως εάν συσσωρευτούν βρωμιά και υπολείμματα, επιτρέποντας τη συσσώρευση πίεσης.

Το συσσωρευμένο υδρογόνο και οξυγόνο αναφλέγονται μερικές φορές σε μια εσωτερική έκρηξη. Η δύναμη της έκρηξης μπορεί να προκαλέσει τη θραύση του περιβλήματος της μπαταρίας ή την εκτόξευση του πάνω μέρους του, με αποτέλεσμα τον ψεκασμό του οξέος και θραυσμάτων του περιβλήματος. Μια έκρηξη σε ένα στοιχείο μπορεί να αναφλέξει οποιοδήποτε εύφλεκτο μείγμα αερίων στα υπόλοιπα στοιχεία. Ομοίως, σε έναν χώρο με κακό αερισμό, η σύνδεση ή η αποσύνδεση ενός κλειστού κυκλώματος (όπως ένα φορτίο ή ένας φορτιστής) στους ακροδέκτες της μπαταρίας μπορεί επίσης να προκαλέσει σπινθήρες και έκρηξη, εάν διαφύγει αέριο από τα στοιχεία.

Τα μεμονωμένα στοιχεία μιας μπαταρίας μπορούν επίσης να βραχυκυκλώσουν, προκαλώντας έκρηξη.

Τα στοιχεία των μπαταριών VRLA διογκώνονται συνήθως όταν αυξάνεται η εσωτερική πίεση, δίνοντας έτσι μια προειδοποίηση στους χρήστες και τους μηχανικούς. Η παραμόρφωση ποικίλλει από στοιχείο σε στοιχείο και είναι μεγαλύτερη στα άκρα όπου τα τοιχώματα δεν υποστηρίζονται από άλλα στοιχεία. Τέτοιες μπαταρίες υπό υπερπίεση θα πρέπει να απομονώνονται προσεκτικά και να απορρίπτονται. Το προσωπικό που εργάζεται κοντά σε μπαταρίες που διατρέχουν κίνδυνο έκρηξης θα πρέπει να προστατεύει τα μάτια και το εκτεθειμένο δέρμα του από εγκαύματα λόγω ψεκασμού οξέος και φωτιάς φορώντας προσωπίδα, φόρμα και γάντια. Η χρήση γυαλιών αντί για προσωπίδα αφήνει το πρόσωπο εκτεθειμένο σε πιθανό εκτοξευόμενο οξύ, θήκη ή θραύσματα μπαταρίας και θερμότητα από πιθανή έκρηξη.

Περιβάλλον

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Περιβαλλοντικές ανησυχίες

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Σύμφωνα με μια έκθεση του 2003 με τίτλο "Getting the Lead Out", από την Environmental Defense και το Οικολογικό Κέντρο του Αν Άρμπορ του Μίσιγκαν, οι μπαταρίες των οχημάτων που κυκλοφορούσαν στο δρόμο περιείχαν περίπου 2,600,000 metric tons (2,600,000 long tons; 2,900,000 short tons) μόλυβδου. Ορισμένες ενώσεις μολύβδου είναι εξαιρετικά τοξικές. Η μακροχρόνια έκθεση ακόμη και σε μικρές ποσότητες αυτών των ενώσεων μπορεί να προκαλέσει εγκεφαλική και νεφρική βλάβη, προβλήματα ακοής και μαθησιακά προβλήματα στα παιδιά.[35] Η αυτοκινητοβιομηχανία χρησιμοποιεί πάνω από 1,000,000 metric tons (980,000 long tons; 1,100,000 short tons) μολύβδου κάθε χρόνο, με το 90% να πηγαίνει σε συμβατικές μπαταρίες μολύβδου-οξέος οχημάτων. Ενώ η ανακύκλωση μολύβδου είναι μια καθιερωμένη βιομηχανία, περισσότερα από 40,000 metric tons (39,000 long tons; 44,000 short tons) καταλήγουν σε χώρους υγειονομικής ταφής κάθε χρόνο. Σύμφωνα με το ομοσπονδιακό Αρχείο Έκλυσης Τοξικών, άλλα 70,000 metric tons (69,000 long tons; 77,000 short tons) απελευθερώνονται κατά την εξόρυξη και τη διαδικασία παραγωγής μολύβδου.[36]

Καταβάλλονται προσπάθειες για την ανάπτυξη εναλλακτικών λύσεων (ιδίως για χρήση στην αυτοκινητοβιομηχανία) λόγω ανησυχιών σχετικά με τις περιβαλλοντικές συνέπειες της ακατάλληλης απόρριψης και των εργασιών τήξης μολύβδου, μεταξύ άλλων λόγων. Οι εναλλακτικές λύσεις είναι απίθανο να τις αντικαταστήσουν για εφαρμογές όπως η εκκίνηση του κινητήρα ή τα συστήματα εφεδρικής τροφοδοσίας, καθώς οι μπαταρίες, αν και βαριές, έχουν χαμηλό αρχικό κόστος.

Ανακύκλωση

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
Ένας εργαζόμενος που ανακυκλώνει λιωμένο μόλυβδο σε εγκατάσταση ανακύκλωσης μπαταριών

Σύμφωνα με το Συμβούλιο Μπαταριών, μια βιομηχανική ομάδα, η ανακύκλωση μπαταριών μολύβδου-οξέος είναι ένα από τα πιο επιτυχημένα προγράμματα ανακύκλωσης στον κόσμο. Στις Ηνωμένες Πολιτείες, το 99% όλου του μολύβδου από μπαταρίες ανακυκλώθηκε μεταξύ 2014 και 2018.[37] Ωστόσο, έγγραφα της Υπηρεσίας Προστασίας του Περιβάλλοντος των ΗΠΑ, από το 1982, έχουν δείξει ποσοστά που κυμαίνονται μεταξύ 60% και 95%.[38][39]

Ο μόλυβδος είναι εξαιρετικά τοξικός για τον άνθρωπο και η ανακύκλωσή του μπορεί να οδηγήσει σε ρύπανση και μόλυνση των ανθρώπων, με αποτέλεσμα πολλά και χρόνια προβλήματα υγείας.[40][41] Μία κατάταξη προσδιορίζει την ανακύκλωση μπαταριών μολύβδου-οξέος ως την πιο θανατηφόρα βιομηχανική διαδικασία στον κόσμο, όσον αφορά τα χαμένα έτη ζωής προσαρμοσμένα στην αναπηρία—με αποτέλεσμα την απώλεια 2.000.000 έως 4.800.000 ετών ανθρώπινης ζωής, παγκοσμίως.[42]

Οι εγκαταστάσεις ανακύκλωσης μπαταριών μολύβδου-οξέος έχουν γίνει οι ίδιες πηγή ρύπανσης από μόλυβδο και μέχρι το 1992, η EPA είχε επιλέξει 29 τέτοιες τοποθεσίες για τον καθαρισμό του υπερταμείου, με 22 να βρίσκονται στον Εθνικό Κατάλογο Προτεραιοτήτων της.[39]

Ένα αποτελεσματικό σύστημα ελέγχου της ρύπανσης είναι απαραίτητο για την πρόληψη των εκπομπών μολύβδου. Απαιτείται συνεχής βελτίωση στις μονάδες ανακύκλωσης μπαταριών και στα σχέδια κλιβάνων, ώστε να συμβαδίζει με τα πρότυπα εκπομπών για τα χυτήρια μολύβδου.

Πρόσθετα

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Χημικά πρόσθετα χρησιμοποιούνται από τότε που οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος έγιναν εμπορικά διαθέσιμες, για τη μείωση της συσσώρευσης θειικού μολύβδου στις πλάκες και τη βελτίωση της κατάστασης της μπαταρίας όταν προστίθενται στον ηλεκτρολύτη μιας εξαεριζόμενης μπαταρίας μολύβδου-οξέος. Τέτοιες επεξεργασίες σπάνια, αν όχι ποτέ, είναι αποτελεσματικές.[43]

Δύο ενώσεις που χρησιμοποιούνται για τέτοιους σκοπούς είναι τα άλατα Epsom και το EDTA. Τα άλατα Epsom μειώνουν την εσωτερική αντίσταση σε μια αδύναμη ή κατεστραμμένη μπαταρία και μπορεί να επιτρέψουν μια μικρή ποσότητα παρατεταμένης διάρκειας ζωής. Το EDTA μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διάλυση των θειικών εναποθέσεων από έντονα αποφορτισμένες πλάκες. Ωστόσο, το διαλυμένο υλικό δεν είναι πλέον διαθέσιμο για να συμμετάσχει στον κανονικό κύκλο φόρτισης-εκφόρτισης, επομένως μια μπαταρία που αναζωογονείται προσωρινά με EDTA θα έχει μειωμένο προσδόκιμο ζωής. Το υπολειμματικό EDTA στο στοιχείο μολύβδου-οξέος σχηματίζει οργανικά οξέα τα οποία θα επιταχύνουν τη διάβρωση των πλακών μολύβδου και των εσωτερικών συνδέσμων.

Τα ενεργά υλικά αλλάζουν φυσική μορφή κατά τη φόρτιση/εκφόρτιση, με αποτέλεσμα την ανάπτυξη και παραμόρφωση των ηλεκτροδίων, καθώς και την αποβολή τους στον ηλεκτρολύτη. Μόλις το ενεργό υλικό πέσει από τις πλάκες, δεν μπορεί να αποκατασταθεί στη θέση του με καμία χημική επεξεργασία. Ομοίως, εσωτερικά φυσικά προβλήματα, όπως ραγισμένες πλάκες, διαβρωμένοι σύνδεσμοι ή κατεστραμμένοι διαχωριστές, δεν μπορούν να αποκατασταθούν χημικά.

Προβλήματα διάβρωσης

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Η διάβρωση των εξωτερικών μεταλλικών μερών της μπαταρίας μολύβδου-οξέος προκύπτει από χημική αντίδραση των ακροδεκτών, των βυσμάτων και των συνδέσμων της μπαταρίας.

Η διάβρωση στον θετικό πόλο προκαλείται από την ηλεκτρόλυση, λόγω αναντιστοιχίας των μεταλλικών κραμάτων που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή του ακροδέκτη της μπαταρίας και του συνδέσμου του καλωδίου. Η λευκή διάβρωση είναι συνήθως κρύσταλλοι μολύβδου ή θειικού ψευδαργύρου. Οι σύνδεσμοι αλουμινίου διαβρώνονται σε θειικό αργίλιο. Οι σύνδεσμοι χαλκού παράγουν γαλάζιους και λευκούς κρυστάλλους διάβρωσης. Η διάβρωση των ακροδεκτών μιας μπαταρίας μπορεί να μειωθεί με την επικάλυψη των ακροδεκτών με βαζελίνη ή με ένα εμπορικά διαθέσιμο προϊόν που κατασκευάζεται για τον σκοπό αυτό.[44]

Εάν η μπαταρία υπερχειλίσει με νερό και ηλεκτρολύτη, τότε η θερμική διαστολή μπορεί να αναγκάσει μέρος του υγρού να βγει από τις οπές εξαερισμού της μπαταρίας στο πάνω μέρος της. Αυτό το διάλυμα μπορεί στη συνέχεια να αντιδράσει με τον μόλυβδο και άλλα μέταλλα στον σύνδεσμο της μπαταρίας και να προκαλέσει διάβρωση.

Ο ηλεκτρολύτης μπορεί να διαρρεύσει από την πλαστική σφράγιση μολύβδου, όπου οι ακροδέκτες της μπαταρίας διαπερνούν το πλαστικό περίβλημα.

Οι όξινες αναθυμιάσεις που εξατμίζονται μέσω των καπακιών εξαερισμού, που συχνά προκαλούνται από υπερφόρτιση, και ο ανεπαρκής αερισμός του πλαισίου της μπαταρίας, μπορούν να επιτρέψουν τη συσσώρευση των αναθυμιάσεων του θειικού οξέος και την αντίδρασή τους με τα εκτεθειμένα μέταλλα.

Παραπομπές

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
  1. 1 2 May, Geoffrey J.; Davidson, Alistair; Monahov, Boris (February 2018). «Lead batteries for utility energy storage: A review». Journal of Energy Storage 15: 145–157. doi:10.1016/j.est.2017.11.008. Bibcode: 2018JEnSt..15..145M.
  2. ↑ «Product Specification Guide» (PDF). Trojan Battery Company. 2008. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο (PDF) στις 4 Ιουνίου 2013. Ανακτήθηκε στις 9 Ιανουαρίου 2014.
  3. ↑ Technical Manual: Sealed Lead Acid Batteries, Power-Sonic Corporation, 2018-12-17, σελ. 19, https://www.power-sonic.com/wp-content/uploads/2018/12/Technical-Manual.pdf#page=21, ανακτήθηκε στις 2014-01-09
  4. ↑ Cowie, Ivan (13 Ιανουαρίου 2014). «All About Batteries, Part 3: Lead–acid Batteries». UBM Canon. Ανακτήθηκε στις 3 Νοεμβρίου 2015.
  5. ↑ PS and PSG General Purpose Battery Specifications, https://www.power-sonic.com/batteries/sealed-lead-acid/
  6. ↑ PS Series - VRLA, AGM Battery, Valve Regulated, https://www.power-sonic.com/batteries/ps-series
  7. ↑ Crompton, Thomas Roy (2000). Battery Reference Book (3rd έκδοση). Newnes. σελ. 1/10. ISBN 07506-4625-X.
  8. 1 2 3 4 5 Linden, David· Reddy, Thomas B., επιμ. (2002). Handbook Of BatteriesΑπαιτείται δωρεάν εγγραφή (3rd έκδοση). New York: McGraw-Hill. σελ. 23.5. ISBN 978-0-07-135978-8.
  9. ↑ «Lead Acid Battery History».
  10. ↑ "Gaston Planté (1834–1889)", Corrosion-doctors.org; Last accessed on Jan 3, 2007,
  11. ↑ Camm, Frederick James. «Lead–acid battery». Wireless Constructor's Encyclopaedia (third έκδοση).
  12. ↑ Schirber, Michael (2011-01-14). «Focus: Relativity Powers Your Car Battery». Physics (American Physical Society) 27. https://physics.aps.org/story/v27/st2. Ανακτήθηκε στις 2019-12-25.
  13. ↑ «Liquid Tin Bismuth Battery for Grid-Scale Energy Storage». InternationalTin.org. International Tin Association. 9 Ιανουαρίου 2018. Ανακτήθηκε στις 25 Δεκεμβρίου 2019.
  14. ↑ For one example account of the importance of battery specific gravity to submariners, see Ruhe, William J. (1996). War in the Boats: My World War II Submarine Battles. Brassey's. σελ. 112. ISBN 978-1-57488-028-1.
  15. ↑ «Deep Cycle Battery FAQ». WindSun.com. sec. "Battery voltages". Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 22 Ιουλίου 2010. Ανακτήθηκε στις 30 Ιουνίου 2010.
  16. ↑ «Handbook for stationary lead–acid batteries Part 1: basics, design, operation modes and applications» (PDF). Edition 6. GNB Industrial Power, Exide Technologies. Φεβρουαρίου 2012. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο (PDF) στις 18 Ιανουαρίου 2020.
  17. ↑ "Recommended voltage settings for 3 phase charging of flooded lead acid batteries.", Rolls Battery, Retrieved on 17 April 2015.
  18. ↑ Moderne Akkumulatoren, Page 55, (ISBN 3-939359-11-4)
  19. ↑ «IEEE 485-2020 Standard».
  20. ↑ Dell, Ronald· David Anthony· James Rand (2001). Understanding Batteries. Royal Society of Chemistry. ISBN 978-0-85404-605-8.
  21. ↑ «LABD». www.labatscience.com. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 20 Αυγούστου 2008.
  22. ↑ United States Patent 5,948,567
  23. ↑ Sudhan S. Misra (25 May 2007). «Advances in VRLAnext term battery technology for telecommunications». Journal of Power Sources 168 (1): 40–8. doi:10.1016/j.jpowsour.2006.11.005. Bibcode: 2007JPS...168...40M.
  24. ↑ Isoi, T.; Furukawa, H. (1996). «Valve-regulated lead/Acid batteries for SLI use in Japan». Journal of Power Sources 59 (1–2): 143–146. doi:10.1016/0378-7753(95)02315-1. Bibcode: 1996JPS....59..143I.
  25. ↑ EU Aviation News website Αρχειοθετήθηκε 2009-08-13 στο Wayback Machine. tells about history, usage and recent developments for VRLA.
  26. ↑ Introduction to Deep-Cycle Batteries in RE Systems
  27. ↑ Cowlishaw, M.F. (December 1974). «The Characteristics and Use of Lead–acid Cap Lamps». Trans. British Cave Research Association 1 (4): 199–214. https://speleotrove.com/caving/cowlishaw1974-lead-acid-cap-lamps.pdf.
  28. ↑ «"Battery FAQ" at Northern Arizona Wind & Sun, visited 2006-07-23». Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 22 Ιουλίου 2010. Ανακτήθηκε στις 23 Ιουλίου 2006.
  29. ↑ Saslow, Wayne M. (2002). Electricity, Magnetism, and Light. Toronto: Thomson Learning. σελίδες 302–4. ISBN 978-0-12-619455-5.
  30. ↑ J W Simms. The Boy Electrician. George G Haerrap & Co. σελ. 65.
  31. ↑ A K Pandey (Οκτωβρίου 2024). «What Is Battery Sulfation and How To Prevent It?».
  32. ↑ Equalize charging can prevent sulfation if performed prior to the lead sulfate forming crystals. Broussely, Michel· Pistoia, Gianfranco, επιμ. (2007). Industrial applications of batteries: from cars to aerospace and energy storage. Elsevier. σελίδες 502–3. ISBN 978-0-444-52160-6.
  33. ↑ «Sulfation Remedies Demystified». Batteryvitamin.net. Ανακτήθηκε στις 29 Αυγούστου 2020.
  34. ↑ Henry A. Catherino; Fred F. Feres; Francisco Trinidad (2004). «Sulfation in lead–acid batteries». Journal of Power Sources 129 (1): 113–120. doi:10.1016/j.jpowsour.2003.11.003. Bibcode: 2004JPS...129..113C. https://www.researchgate.net/publication/223280928.
  35. ↑ «2.3 LEAD DOSE-RESPONSE RELATIONSHIPS», TOXICOLOGICAL PROFILE FOR LEAD, USA: CDC Agency for Toxic Substances and Disease Registry, August 2007, σελ. 31, https://www.atsdr.cdc.gov/toxprofiles/tp13.pdf, ανακτήθηκε στις 2013-09-26
  36. ↑ DeCicco, John M.· Kliesch, James (Φεβρουαρίου 2001). ACEEE's Green Book: The Environmental Guide to Cars and Trucks. American Council for an Energy Efficient Economy. ISBN 978-0-918249-45-6.
  37. ↑ «Battery Council International» (PDF). Battery Council. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο (PDF) στις 20 Ιουνίου 2022. Ανακτήθηκε στις 25 Αυγούστου 2020.
  38. ↑ "Conclusions" in The Impacts of Lead Industry Economics and Hazardous Waste Regulations on Lead–Acid Battery Recycling: Revision and Update,, September 1987, prepared for the Office of Policy Analysis, U.S. Environmental Protection Agency, by Putnam, Hayes & Bartlett, Inc., Cambridge, Massachusetts, (also at nepis.epa.gov) retrieved May 15, 2021
  39. 1 2 "Engineering Bulletin: Selection of Control Technologies for Remediation of Lead Battery Recycling Sites", September 1992, Superfund: EPA/540/S-95/011, U.S. Environmental Protection Agency, (also at: nepis.epa.gov) retrieved May 15, 2021
  40. ↑ Ericson, Bret; Howard Hu; Emily Nash; Greg Ferraro; Julia Sinitsky; Mark Patrick Taylor: "Blood lead levels in low-income and middle-income countries: a systematic review,", March 2021 The Lancet Planetary Health, of The Lancet, DOI:https://doi.org/10.1016/S2542-5196(20)30278-3•, as cited in "Pure Earth, USC and Macquarie University Publish Landmark Lead Study in The Lancet Planetary Health Journal," The Pollution Blog, Pure Earth, retrieved May 15, 2021
  41. ↑ Pearce, Fred: "Getting the Lead Out: Why Battery Recycling Is a Global Health Hazard," November 2, 2020, Yale Environment 360, Yale School of the Environment, Yale University, retrieved May 15, 2021
  42. ↑ Ballantyne, Andrew D.; Hallett, Jason P.; Riley, D. Jason; Shah, Nilay; Payne, David J. (2018). «Lead acid battery recycling for the twenty-first century». Royal Society Open Science 5 (5): 171368. doi:10.1098/rsos.171368. PMID 29892351. Bibcode: 2018RSOS....571368B.
  43. ↑ http://museum.nist.gov/exhibits/adx2/partii.htm Αρχειοθετήθηκε 2016-03-14 στο Wayback Machine. A dispute on battery additives when Dr. Vinal of the National Bureau of Standards reported on this for the National Better Business Bureau.
  44. ↑ Horst Bauer, επιμ. (1996). Automotive Handbook (4th έκδοση). Robert Bosch. σελ. 805. ISBN 0-8376-0333-1.

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Γενικοί

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
Ανακτήθηκε από "https://el.wikipedia.org/w/index.php?title=Μπαταρία_μολύβδου-οξέος&oldid=11762976"