ที่มาของแบตเตอรี่กรดตะกั่ว
เป็นความจริงที่จะบอกว่าแบตเตอรี่เป็นหนึ่งในนวัตกรรมที่สำคัญที่ผสมผสานกับเทคโนโลยีอื่น ๆ เพื่อกำหนดโลกอุตสาหกรรมสมัยใหม่ จากอุตสาหกรรมสู่ครัวเรือน ไปจนถึงของใช้ส่วนตัว สิ่งเหล่านี้ให้อิสระและความเป็นไปได้แก่เราอย่างแท้จริง ซึ่งจะเป็นไปไม่ได้เลยหากไม่มีการจัดเก็บพลังงานแบบพกพาและอยู่กับที่
เป็นที่ชัดเจนมากสำหรับมนุษย์สมัยใหม่ทุกคน ที่การเดินขบวนของแบตเตอรี่ไปสู่แง่มุมต่างๆ ในชีวิตประจำวันของเรานั้นเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว จากการใช้เซลล์เดียวแบบใช้ครั้งเดียวในอุปกรณ์พกพา เช่น ถ่านอัลคาไลน์ AA สำหรับเมาส์คอมพิวเตอร์หรือ เซลล์กระดุมสังกะสี-แอร์ที่ใช้ในนาฬิกาข้อมือ ไปจนถึงระบบจัดเก็บพลังงานแบตเตอรี่เมกะวัตต์ขนาดตารางเมกะวัตต์ (BESS) แม้จะมีเคมีและการประยุกต์ใช้มากมายเหลือเฟือ แต่ก็เป็นเคมีของแบตเตอรี่ตะกั่วกรดซึ่งยังคงหลังจากผ่านไป 160 ปีนับตั้งแต่มีการประดิษฐ์ขึ้น ผู้ให้บริการด้านพลังงานสะสมที่อุดมสมบูรณ์ที่สุดในโลก รูปที่. 1 แสดงรายละเอียดยอดขายแบตเตอรี่ตามประเภทและ MWh ที่ขายได้ในช่วง 27 ปีที่ผ่านมา
นี่เป็นเรื่องแปลกใจสำหรับบางคนที่คิดว่า li-ion เป็นเทคโนโลยีที่มียอดขายสูงสุด สิ่งนี้เป็นจริงแต่ในมูลค่าเท่านั้น ไม่ใช่ในความจุ เนื่องจากต้นทุนต่อกิโลวัตต์ชั่วโมงที่สูงกว่า แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน จึงมีมูลค่าการขายและรายได้สูงกว่าแบตเตอรี่กรดตะกั่ว อย่างไรก็ตาม นี่เป็นสาเหตุหนึ่งที่ทำให้แบตเตอรี่ตะกั่วกรด (LAB) มีความทนทานยาวนานในสภาพแวดล้อมเชิงพาณิชย์ที่มีการแข่งขันสูงและเปลี่ยนแปลงไป
ในบล็อกนี้ เราจะพิจารณาการประดิษฐ์แบตเตอรี่กรดตะกั่ว – แบตเตอรี่เก็บไฟฟ้าเคมี และติดตามต้นกำเนิดของมันผ่านประวัติศาสตร์ ตั้งแต่ตัวอย่างแรกที่รู้จักของเซลล์ไฟฟ้าเคมี ไปจนถึง VRLA และรุ่นไบโพลาร์สมัยใหม่
ในปี ค.ศ. 1749 เบนจามิน แฟรงคลิน ผู้มีพหุคณิตศาสตร์ในสหรัฐฯ ใช้คำว่า “แบตเตอรี่” เป็นครั้งแรกเพื่ออธิบายชุดของตัวเก็บประจุแบบเชื่อมโยงที่เขาใช้สำหรับการทดลองไฟฟ้า ตัวเก็บประจุเหล่านี้เป็นแผงกระจกที่เคลือบด้วยโลหะในแต่ละพื้นผิว ตัวเก็บประจุเหล่านี้ถูกประจุด้วยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิตย์และคายประจุโดยการสัมผัสโลหะกับอิเล็กโทรด การเชื่อมต่อเข้าด้วยกันใน “แบตเตอรี่” ทำให้เกิดการคายประจุที่แรงขึ้น เดิมทีมีความหมายทั่วไปของ “กลุ่มของวัตถุที่คล้ายกันตั้งแต่สองชิ้นขึ้นไปทำงานร่วมกัน” เช่นเดียวกับในแบตเตอรี่ปืนใหญ่ คำนี้ใช้สำหรับกอง voltaic และอุปกรณ์ที่คล้ายคลึงกันซึ่งเซลล์ไฟฟ้าเคมีจำนวนมากเชื่อมต่อเข้าด้วยกัน
แบตเตอรี่กรดตะกั่วเป็นอุปกรณ์จัดเก็บไฟฟ้าเคมี และด้วยเหตุนี้จึงมีหลักการเดียวกันในการจ่ายกระแสไฟและแรงดันไฟให้เหมือนกับแบตเตอรี่ไฟฟ้าเคมีอื่นๆ ทั้งหมด ซึ่งบางก้อนนำหน้าการนำแบตเตอรี่กรดตะกั่วมาใช้เป็นวิธีการจัดเก็บและส่งไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม มันเป็นแบตเตอรี่ก้อนแรกที่ชาร์จใหม่ได้ ซึ่งหมายความว่าสามารถใช้งานได้หลายครั้งและนำกลับไปสู่สถานะเต็มเมื่อจำเป็น นี่คือสิ่งที่ทำให้แตกต่างจากเคมีของแบตเตอรี่อื่น ๆ ในยุคนั้น
ย้อนกลับไปเมื่อเซลล์ไฟฟ้าเคมีแรกถูกประดิษฐ์ขึ้นนั้นยังมีข้อโต้แย้งอยู่เล็กน้อย มีการค้นพบของชาวบาบิโลนโบราณซึ่งบางคนอ้างว่าเป็นเซลล์ไฟฟ้าเคมีที่ใช้งานได้ รูปที่. 2 เป็นภาพสิ่งที่เรียกว่า “แบตเตอรี่แบกแดด” ไม่มีความเห็นเป็นเอกฉันท์ว่าภาชนะเหล่านี้ถูกใช้เป็นแบตเตอรี่และไม่ได้มีวัตถุประสงค์ทางไฟฟ้าเคมีแต่อย่างใด อย่างไรก็ตาม หากเติมอิเล็กโทรไลต์ เช่น กรดอะซิติก จะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้า โลหะสองชนิดที่ไม่เหมือนกันในตัวนำไอออนิก – ทำไมพวกเขาถึงไม่เป็นเช่นนั้น?
ไม่ว่ากรณีที่แท้จริงจะเป็นอย่างไร เราต้องก้าวไปข้างหน้าเกือบ 3,000 ปีจนถึงศตวรรษที่ 18 เมื่อชาวดัตช์สองคนคือ Musschenbroek และ Cunaeus พร้อมด้วยนักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน Ewald Georg von Kleist สร้างโถ Leydon เวอร์ชันที่ใช้งานได้ โดยพื้นฐานแล้วนี่คือตัวเก็บประจุและยังไม่ใช่แบตเตอรี่จริง เป็นชาวฝรั่งเศส Allesandro Volta ที่คิดค้นสิ่งที่เราจะเรียกว่าเซลล์ไฟฟ้าเคมีแห่งแรกในปี 1800 ซึ่งปัจจุบันรู้จักกันในชื่อ Voltaic Pile ของ Volta ซึ่งเป็นหอคอยแนวตั้งที่มีแผ่นทองแดงและสังกะสีสลับกันโดยมีผ้าชุบน้ำเกลืออยู่ระหว่างพวกเขา รูปที่ 3
ปัญหาในการใช้งานจริงของแบตเตอรี่ก้อนแรกนี้ค่อนข้างชัดเจน (กางเกงด้านข้างเนื่องจากอิเล็กโทรไลต์รั่ว ทำให้ผ้าเปียก ฯลฯ) อย่างไรก็ตาม มันสร้างความตกใจอย่างมาก และเมื่อทำการเชื่อมต่อแบบอนุกรมระหว่างเซลล์แต่ละเซลล์ ทำให้เกิดการกระแทกที่ใหญ่ขึ้น ถึงกระนั้นก็ไม่ใช่วิธีที่ดีในการจัดเก็บและส่งกระแสไฟฟ้า มีการปรับปรุงบางอย่างในการออกแบบซึ่งอนุญาตให้ทำแบตเตอรี่โดยการเชื่อมต่อเซลล์ที่บรรจุในขวดแก้วแต่ละใบ และมันเป็นชาวสก็อต – วิลเลียม คริกแชงค์ ผู้สร้างกล่องและวางจานไว้ด้านข้างแทนที่จะวางซ้อนกัน สิ่งนี้กลายเป็นที่รู้จักในนามแบตเตอรี่แบบรางและในความเป็นจริงแล้วเป็นสารตั้งต้นของโครงสร้างแบตเตอรี่ที่ทันสมัยเกือบทั้งหมด
อย่างไรก็ตาม ปัญหาใหญ่ของการออกแบบเหล่านี้ก็คือไม่สามารถชาร์จใหม่ได้ ปล่อยครั้งเดียวและคุณต้องใส่เพลทและอิเล็กโทรไลต์ใหม่และเริ่มต้นใหม่อีกครั้ง ไม่ใช่วิธีแก้ปัญหาในทางปฏิบัติสำหรับการจัดเก็บและการจ่ายไฟฟ้า
จนกระทั่งปี 1859 Gustav Planté ชาวฝรั่งเศสได้คิดค้นเซลล์ไฟฟ้าเคมีแบบชาร์จไฟได้เครื่องแรกของโลก นี่คือตะกั่วสองแผ่นที่มีแผลเป็นเกลียวซึ่งคั่นด้วยแถบยาง แช่ในอิเล็กโทรไลต์กรดซัลฟิวริกและบรรจุในเหยือกแก้ว รูปที่ 4.
เพลตถูกอัดประจุด้วยไฟฟ้าเพื่อนำและตะกั่วไดออกไซด์โดยมีสายดึงที่ติดอยู่กับแผ่นตะกั่วแต่ละแผ่น ความต่างศักย์ระหว่างแผ่นเปลือกโลกคือ 2 โวลต์ มันให้แรงดันไฟและกระแสที่ยั่งยืนที่สูงกว่าเสาเข็ม voltaic แต่ที่สำคัญกว่านั้น มันสามารถชาร์จจากแหล่งไฟฟ้าได้โดยไม่ต้องเปลี่ยนส่วนประกอบใดๆ ความสามารถในการชาร์จใหม่และแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นและระยะเวลาปัจจุบันที่ยาวนานขึ้นของสารเคมีนี้มาในช่วงเวลาที่เหมาะสมในอุตสาหกรรมและช่วยในการกระจายโทรคมนาคมและพลังงานสำรองซึ่งแหล่งจ่ายไฟหลักไม่น่าเชื่อถือ
แม้ว่าแบตเตอรี่จะกลายเป็นความรู้สึกในชั่วข้ามคืนในธุรกิจจัดหาพลังงาน แต่ก็ยังมีความจุจำกัด สิ่งนี้ยังคงเป็นปัญหาจนกระทั่งมีการพัฒนาครั้งใหญ่ในการจำหน่ายแบตเตอรี่ตะกั่วกรดในปี 1880 โดย Camille Alphonse Fauré เพื่อเพิ่มระยะเวลาของกระแสไฟฟ้าในระหว่างการปล่อย เขามีแนวคิดที่จะเคลือบแผ่นตะกั่วด้วยตะกั่วออกไซด์ กรดซัลฟิวริก และน้ำ จากนั้นเขาได้พัฒนากระบวนการบ่มโดยนำเพลตที่เคลือบไปไว้ในบรรยากาศที่อบอุ่นและชื้น
ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ ส่วนผสมเพสต์จะก่อตัวเป็นตะกั่วซัลเฟตพื้นฐาน ซึ่งทำปฏิกิริยากับอิเล็กโทรดตะกั่วด้วยเพื่อสร้างพันธะต้านทานต่ำ จากนั้นเพลตถูกอัดประจุด้วยกรดซัลฟิวริกและเพสต์ที่บ่มถูกแปลงเป็นวัสดุที่ออกฤทธิ์ทางไฟฟ้าเคมี ทำให้มีความจุสูงกว่าเซลล์ Planté แบบเดิมมาก
นอกจากนี้ในปี 1881 Ernest Volkmar ได้เปลี่ยนตัวนำแผ่นตะกั่วโดยใช้ตารางตะกั่ว การออกแบบกริดนี้มีประโยชน์สองประการในการให้พื้นที่มากขึ้นสำหรับวัสดุแอคทีฟ ซึ่งให้แบตเตอรี่ที่มีความจุสูงขึ้น และยังช่วยให้การยึดติดของวัสดุแอคทีฟกับกริดดีขึ้น
คุณประโยชน์ทั้งสองนี้ทำให้มีความต้านทานต่ำลงและแบตเตอรี่มีความทนทานมากขึ้นด้วยความหนาแน่นของพลังงานจำเพาะที่สูงขึ้น Scudamore Sellon ปรับปรุงสิ่งนี้โดยเพิ่มพลวงไปที่ตะกั่วเพื่อทำให้กริดแข็งพอที่จะประมวลผลทางกลไก และเริ่มแนะนำความเร็วในการผลิตที่เร็วขึ้นจริงๆ อันที่จริง พ.ศ. 2424 เป็นปีแห่งนวัตกรรมผลิตภัณฑ์ซึ่งขับเคลื่อนโดยการใช้แหล่งจ่ายไฟแบบพกพาแบบใหม่ เช่นเดียวกับรถยนต์ไฟฟ้าคันแรกที่ขับเคลื่อนด้วยแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ ซึ่งเป็นสกู๊ตเตอร์ 3 ล้อของ Gustave Trouvé ซึ่งมีความเร็วถึง 12 กิโลเมตรต่อชั่วโมง
ฝันร้ายประกันภัย! ในปี พ.ศ. 2429 เรือดำน้ำลำแรกที่ขับเคลื่อนด้วยแบตเตอรี่กรดตะกั่วได้เปิดตัวในฝรั่งเศส นอกจากนี้เรายังมีการออกแบบแผ่นเพลทแบบท่อสำหรับแบตเตอรี่ตะกั่วกรดซึ่งออกแบบโดย SC Currie ซึ่งให้อายุการใช้งานและความหนาแน่นของพลังงานที่ดีขึ้น
ถึงตอนนี้แบตเตอรี่กรดตะกั่วเริ่มติดขัด และในปี พ.ศ. 2442 Camille Jenatzy ทำความเร็วได้ถึง 109 กม./ชม. ในรถยนต์ไฟฟ้าที่ขับเคลื่อนด้วยแบตเตอรี่กรดตะกั่ว ด้วยการเดินขบวนของพลังงานไฟฟ้า ซึ่งรวมถึงการติดตั้งระบบจำหน่ายไฟฟ้าในกรุงปารีสในปี พ.ศ. 2425 และการเกิดขึ้นของโทรเลขไฟฟ้ามอร์สในสหรัฐอเมริกา เป็นที่ชัดเจนว่าแบตเตอรี่กรดตะกั่วจะต้องถูกผลิตในลักษณะเชิงพาณิชย์ที่เหมาะสม
จุดเริ่มต้นของความทันสมัยของการก่อสร้างแบตเตอรี่ตะกั่วกรด
การออกแบบที่มีอยู่และกระบวนการผลิตตะกั่วออกไซด์ไม่ได้ให้ความสำคัญกับวิธีการผลิตจำนวนมาก ความต้องการแบตเตอรี่ตะกั่วกรดในยุคนี้แซงหน้าความสามารถในการผลิตอย่างรวดเร็ว จำเป็นต้องมีวิธีการที่เป็นมิตรต่อการผลิตใหม่และการออกแบบแบตเตอรี่อย่างเร่งด่วน ความก้าวหน้าครั้งแรกเกิดขึ้นในปี พ.ศ. 2441 เมื่อจอร์จ บาร์ตันได้จดสิทธิบัตรวิธีการผลิตตะกั่วออกไซด์แบบใหม่ที่เร็วกว่ามากซึ่งใช้ในการผลิตวัสดุแอคทีฟที่ Fauré คิดค้น Barton ใช้วิธีการดั้งเดิมในการหลอมและออกซิไดซ์ตะกั่วโดยใช้ลมร้อน นวัตกรรมของเขาคือการผลิตละอองละเอียดซึ่งเกิดจากการกวนของตะกั่วหลอมเหลว จากนั้นจึงนำไปผ่านกระแสลมที่มีความชื้นซึ่งไหลเร็ว
- มีข้อดีสองประการในการเร่งกระบวนการให้เร็วขึ้นอย่างมาก และให้ขนาดอนุภาคที่ละเอียดกว่าวิธีการแบบเดิมมาก ซึ่งต้องใช้การเจียรเพิ่มเติมเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่เหมาะสมกับวัสดุที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ จนกระทั่ง 30 ปีต่อมา Genzo Shimadzu แห่ง Shimadzu Corporation เป็นผู้คิดค้นกระบวนการทางเลือก
วิธีการของเขาคือการหล่อตะกั่วก้อนเล็กๆ และกองไว้ในโรงสีลูกหมุนด้วยลมร้อนที่พัดผ่าน สิ่งนี้ทำให้เกิดออกไซด์ของพื้นผิวบนนักเก็ตซึ่งเปราะและหลุดลอกออก จากนั้นจึงบดให้เป็นผงละเอียด ความเร็วการไหลของอากาศถูกควบคุมเพื่อขนอนุภาคขนาดเฉพาะออกจากโรงสีและเก็บไว้ในไซโลที่พร้อมสำหรับการผสมแบบแปะ
วิธีการแรก ๆ ในการผลิตตะกั่วออกไซด์สำหรับอุตสาหกรรมแบตเตอรี่ยังคงไม่มีใครคัดค้านมาเกือบศตวรรษ การพัฒนาล่าสุดในการหาวิธีรีไซเคิลแบตเตอรี่ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้น (การตกตะกอนของตะกั่วจากสารละลายตะกั่วอะซิเตท) อาจเป็นทางเลือกในการผลิตในอนาคต แต่สำหรับตอนนี้ ยังไม่มีทางเลือกอื่นที่ใช้งานได้จริง
การออกแบบ Gaston Planté ไม่ใช่โซลูชันที่ใช้งานได้จริงสำหรับแบตเตอรี่ที่ผลิตในปริมาณมาก แม้แต่การปรับปรุงของ Fauré และ William Cruickshank ชาวสก็อตที่ใส่ชิ้นส่วนเพลตของ Planté ลงในช่องกล่องเพื่อสร้างแบตเตอรี่ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรม ก็ไม่ได้ให้ความน่าเชื่อถือหรือความสามารถในการผลิตในปริมาณมาก
เป็นวิศวกรและนักประดิษฐ์ชาวลักเซมเบิร์ก อองรี โอเว่น ทูดอร์ ผู้ซึ่งได้รับเครดิตในการพัฒนาการออกแบบแบตเตอรี่กรดตะกั่วที่ใช้งานได้จริงเป็นครั้งแรกในปี พ.ศ. 2409 เขาก่อตั้งโรงงานผลิตแห่งแรกในเมืองโรสปอร์ต ลักเซมเบิร์ก และร่วมมือกับนักลงทุนรายอื่นๆ เพื่อตั้งโรงงานทั่วยุโรป กุญแจสู่ความสำเร็จของเขาคือแผ่นแบตเตอรี่ที่ทนทานกว่า ซึ่งมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าการออกแบบที่มีอยู่
แบตเตอรี่กรดตะกั่วทำงาน
ในช่วงเวลานี้ Genzo Shimadzu ได้จัดตั้งโรงงานผลิตแบตเตอรี่ตะกั่วกรดแห่งแรกในญี่ปุ่น และผลิตแบตเตอรี่กรดตะกั่วแบบ แผ่นวาง ที่มีความจุ 10 Ah นี่คือจุดเริ่มต้นของบริษัทญี่ปุ่นที่ตอนนี้คุ้นเคยอย่างแบตเตอรี่ GS ทั้งสองบริษัทเป็นผู้บุกเบิกกระบวนการสมัยใหม่และทำให้แบตเตอรี่กรดตะกั่วมีความน่าเชื่อถือและอายุการใช้งานยาวนานขึ้น
ศตวรรษที่ 20 มีการอัพเกรดแบตเตอรี่กรดตะกั่วเป็นจำนวนมาก การอัพเกรดเริ่มต้นด้วยวัสดุก่อสร้าง จนถึงสองสามทศวรรษแรกของศตวรรษที่ 20 ภาชนะบรรจุเซลล์แบตเตอรี่ประกอบด้วยกล่องไม้ที่ปูด้วยยางหรือสนาม ในช่วงต้นทศวรรษ 1920 เทคนิคการขึ้นรูปแบบยางแข็ง (ebonite) ได้ปรับปรุงจนถึงจุดที่สามารถจัดหากล่องยางแข็งแบบหลายเซลล์ที่ป้องกันการรั่วซึมสำหรับเซลล์กรดตะกั่วที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมของตัวเรือนได้ การใช้ฝาปิดแบบพิทช์ทำให้สามารถปิดผนึกได้ เหนือการเชื่อมต่อตะกั่วด้านบนระหว่างเซลล์ การก่อสร้างนี้รวมกับ เครื่องแยก ไม้และแผ่นหนามาก กินเวลาจนถึงต้นทศวรรษ 1950
อายุการใช้งานแบตเตอรี่กรด
การพัฒนาที่ด้านในของแบตเตอรี่ไม่ได้หยุดนิ่งอย่างสิ้นเชิงในช่วงเวลานี้ เครื่องแยกเส้นใยเซลลูโลสที่ชุบด้วยเรซินกลายเป็นตัวเลือกที่มีน้ำหนักเบาและมีความต้านทานต่ำสำหรับเครื่องแยกไม้ ข้อดีเหล่านี้และการกำจัดกรดที่ต่ำกว่าทำให้การออกแบบเป็นไปได้มากขึ้น ซึ่งทำให้มีความจุสูงขึ้นและประสิทธิภาพการคายประจุที่มีอัตราสูงดีขึ้น การปรับปรุงโลหะผสมตะกั่ว-พลวงทำให้กริดแข็งแกร่งขึ้น สามารถทนต่อกระบวนการอัตโนมัติได้มากขึ้น และในที่สุดก็อนุญาตให้วางเครื่องจักรได้ สารเติมแต่งในแป้งเพสต์ เช่น คาร์บอนสำหรับเพลตลบและเส้นใยเซลลูโลสในวัสดุแอกทีฟเพลต เชิงบวก ช่วยเพิ่มอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ตะกั่วกรดได้อย่างมาก
อย่างไรก็ตาม ในช่วงต้นทศวรรษ 1950 เมื่อพลาสติกเริ่มกลายเป็นส่วนสำคัญของวิถีชีวิตสมัยใหม่ของเรา วัสดุแบตเตอรี่และวิธีการแปรรูปเริ่มเปลี่ยนไปจริงๆ คุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมี บวกกับพลาสติกประเภทต่างๆ ที่มีอยู่ หมายความว่าวิธีการก่อสร้างและการผลิตแบตเตอรี่สามารถยกเครื่องใหม่ได้อย่างจริงจังในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 20 เพิ่มความก้าวหน้าในด้านโลหะวิทยาของโลหะผสมตะกั่วที่ใช้ในการผลิตกริด และอุตสาหกรรมแบตเตอรี่ประสบกับความเร่งอย่างมากในการปรับปรุงประสิทธิภาพและต้นทุนของผลิตภัณฑ์ในช่วงเวลานี้
เป็นเรื่องยากจริงๆ ที่จะรู้ว่าจะเริ่มรายการการพัฒนาที่สำคัญที่สุดจากที่ใด ดังนั้นบางทีการเรียงลำดับตามลำดับเวลาจึงเหมาะสมที่สุด ส่วนใหญ่เป็นความทรงจำส่วนตัวมากกว่าข้อเท็จจริงทางประวัติศาสตร์โดยตรง แต่มีความถูกต้องเพียงพอที่จะอธิบายขั้นตอนทางเทคโนโลยีที่สมเหตุสมผลซึ่งนำไปสู่การออกแบบแบตเตอรี่กรดตะกั่วในปัจจุบัน ฉันคิดว่าย้อนกลับไปในทศวรรษที่ 1960 เราเห็นการวางแผ่นเพลตและการหล่อกริดแบบกึ่งอัตโนมัติได้มาตรฐานที่สูงขึ้นในด้านความแม่นยำและการควบคุม
สิ่งนี้นำไปสู่การเปลี่ยนการหล่อด้วยมือและการวางด้วยมือทีละน้อยโดยการหล่อตารางแม่พิมพ์หนังสือที่เร็วขึ้นมากและวิธีการวางสายพานแบบเกรียง – กลิ้งสำหรับแผ่นเดียวหรือสอง เทคนิคทั้งสองนี้ให้ระดับการผลิตที่สูงขึ้นและควบคุมน้ำหนักและขนาดของตารางและวัสดุที่ใช้งานได้ดีขึ้น ผลกระทบเบื้องต้นคือการประหยัดเงินทั้งค่าแรงและค่าวัสดุ ผลกระทบรองคือการปูทางสำหรับแถบพิกัดความเผื่อที่แคบลงซึ่งจำเป็นสำหรับแบตเตอรี่แบบผสมใหม่
แน่นอนว่าสิ่งนี้เป็นไปได้ เพราะการเชื่อมต่อสายแบตเตอรี่ภายในเซลล์ผ่านผนัง เทคนิคการเชื่อมแบบบีบนี้เป็นฮีโร่ที่ไม่มีใครพูดถึงในโลกของวิศวกรรมแบตเตอรี่ โดยพื้นฐานแล้ว มันเป็นอุปกรณ์ที่ชาญฉลาดมากโดยใช้ค่าความต้านทานของการถอดระหว่างเซลล์ตะกั่วที่หลอมด้วยไฟฟ้าที่หลอมเหลว เพื่อกำหนดว่าเมื่อใดที่รูพาร์ทิชันระหว่างเซลล์ถูกเติมด้วยตะกั่ว
วิธีนี้ช่วยขจัดตะกั่วที่มีราคาแพงและมีราคาแพง และทำให้แผ่นกระจกแบบทำความร้อนได้ง่ายกว่ามากเพื่อใช้สำหรับการปิดผนึกกล่องและฝาปิด โดยไม่ต้องพลิกการประกอบกลับหัว เช่นเดียวกับวิธีการเรซินและกาว วิธีการประกอบนี้ไม่เพียงแต่ปรับปรุงอัตราการผลิตและลดต้นทุน แต่ยังขจัดสาเหตุสำคัญของการส่งคืนการรับประกันได้อย่างแท้จริง นั่นคือ กรดรั่ว
ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีตัวแยกยังช่วยในด้านวิศวกรรมของวิธีการผลิตที่ดีขึ้น เช่นเดียวกับการจัดการกับโหมดทั่วไปของความล้มเหลวของแบตเตอรี่ ซึ่งก็คือการลัดวงจรภายใน ในขั้นต้น ความแข็งทางกลของเซลลูโลส และจากนั้นเครื่องแยกพีวีซีที่เผาผนึกทำให้สามารถวางชุดแบตเตอรี่ซ้อนกันได้โดยอัตโนมัติ สิ่งนี้นำไปสู่การพัฒนาแบบหล่อบนสายรัดและการประกอบอัตโนมัติของแบตเตอรี่กรดตะกั่ว นี่เป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญ วิธีการต่อเพลทจนถึงจุดนี้เป็นการเผาด้วยมือเสมอ โดยใช้แม่พิมพ์บัสบาร์แบบแยกซึ่งมีช่องสำหรับใส่เพลตด้วยมือ จากนั้นจึงเชื่อมเข้าด้วยกันด้วยการหลอมแท่งโลหะผสมตะกั่วลงในแม่พิมพ์โดยใช้คบเพลิงที่มีออกซิเจน-อะเซทิลีน
สิ่งนี้ยังคงใช้อยู่ในปัจจุบัน แต่ส่วนใหญ่จำกัดไว้เฉพาะแบตเตอรี่อุตสาหกรรมขนาดใหญ่ ซึ่งยากต่อการจัดการด้วยอุปกรณ์อัตโนมัติ นอกเหนือจากผลผลิตที่ต่ำแล้ว ยังเป็นแหล่งสำคัญของความล้มเหลวในการรับประกันในอุตสาหกรรม เนื่องจากเพลตถูกเชื่อมตั้งตรง จึงมีความเป็นไปได้ที่ตะกั่วหลอมเหลวจะรั่วจากช่องว่างในแม่พิมพ์บัสบาร์ลงไประหว่างเพลตเพื่อสร้างไฟฟ้าลัดวงจรในทันทีหรือในอนาคต
แผนภาพแบตเตอรี่กรดตะกั่ว
วิธีการแบบหล่อบนสายรัด โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับแบตเตอรี่ SLI ที่มีขนาดเล็กลง ได้เปลี่ยนวิธีการเบิร์นด้วยมือแบบแมนนวลแทน แม้ว่าจะเป็นตัวเลือกที่มีราคาแพง แต่ก็ให้การรันตะกั่วเป็นศูนย์ และหากใช้การดึงและทำความสะอาดตัวดึงที่ถูกต้อง ยังให้การดึงความต้านทานที่ต่ำกว่าสำหรับการเชื่อมสายรัด การปรับแต่งเพิ่มเติมสำหรับกระบวนการนี้คือวิธีการห่อซ้อน การถือกำเนิดของตัวแยกโพลีเอทิลีนซึ่งมีความยืดหยุ่นสูงและเชื่อมได้ หมายความว่าแบตเตอรี่สามารถผลิตด้วยเพลตที่แยกออกจากกันโดยสิ้นเชิง
ในวิธีนี้ แผ่นบวกหรือลบสามารถแทรกโดยอัตโนมัติในแถบคั่น แถบพับ และตัดรอบแผ่น และจากนั้น ใช้ความร้อน อัลตราโซนิก หรือการจีบ สร้างตราประทับสมบูรณ์รอบ ๆ แผ่น วิธีนี้เมื่อรวมกับการสวมสายแบบหล่อบนสายรัดและการใส่กลุ่มอัตโนมัติลงในกล่องแบตเตอรี่ ให้อัตราการผลิตที่สูง การรับประกันต่ำ และที่สำคัญที่สุดคือช่วยลดการสัมผัสสารตะกั่วของผู้ปฏิบัติงานได้อย่างมาก
จนถึงปี 1970 แบตเตอรี่กรดตะกั่วมีข้อบกพร่องร้ายแรงบางประการ สิ่งเหล่านี้เป็นค่าบำรุงรักษาที่สูงเนื่องจากการสูญเสียน้ำจากการผลิตไอกรดและก๊าซที่ระเบิดได้โดยมีประจุ นี่เป็นค่าใช้จ่ายที่ร้ายแรงสำหรับกิจกรรมทางอุตสาหกรรมจำนวนมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งอุตสาหกรรมรถยกซึ่งต้องการห้อง ชาร์จ พิเศษที่มีขั้นตอนการสกัดและเติมน้ำอย่างต่อเนื่องเพื่อป้องกันไม่ให้แบตเตอรี่แห้ง การแก้ปัญหาเหล่านี้เริ่มปรากฏให้เห็นในปี 1970 เมื่อผู้ผลิตแบตเตอรี่เปลี่ยนไปใช้โลหะผสมพลวงต่ำสำหรับแบตเตอรี่รถยนต์
ประเภทแบตเตอรี่ตะกั่ว
แม้ว่าในตอนแรกจะช่วยประหยัดค่าใช้จ่าย แต่ในไม่ช้าก็พบว่าเมื่อรวมกับการชาร์จด้วยอัลเทอร์เนเตอร์ที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้าในรถยนต์ การสูญเสียน้ำจากแบตเตอรี่ และการเติมค่าบำรุงรักษาก็ลดลงอย่างมาก ไม่นานนัก โลหะผสมตะกั่ว-พลวงก็ลดลงเหลือ 1.8% Sb เมื่อเทียบกับ 11% ที่ใช้ในครึ่งแรกของศตวรรษ โดยพื้นฐานแล้วสิ่งนี้ทำให้แบตเตอรี่ SLI ที่ถูกน้ำท่วมและไม่ต้องบำรุงรักษา
แนวคิดในการใช้โลหะผสมตะกั่วที่มีก๊าซต่ำทำให้เกิดโมเมนตัมขึ้นในยุค 80 เมื่อแบตเตอรี่กรดตะกั่วอิเล็กโทรไลต์ที่อดอาหารเริ่มปรากฏขึ้นในภาชนะแบตเตอรี่ที่คุ้นเคยในขณะนี้โดยใช้เพลตและการออกแบบกริดเดียวกันกับช่วงน้ำท่วมมาตรฐาน นี่คือแบตเตอรี่ที่ปิดสนิทซึ่งจะไม่สูญเสียน้ำหรือปล่อยก๊าซที่ระเบิดได้ ไฮโดรเจนและออกซิเจนที่ผลิตขึ้นที่อิเล็กโทรดจะถูกกักไว้ในแบตเตอรี่ในอิเล็กโทรไลต์ที่ถูกตรึงและถูกรวมตัวใหม่เพื่อสร้างน้ำ
กรดถูกตรึงโดยการผสมกับซิลิกาเพื่อสร้าง GEL หรือถูกระงับในเครื่องแยกแผ่นแก้วดูดซับแรงอัดสูง แม้ว่าแบตเตอรี่กรดตะกั่วที่ควบคุมด้วยวาล์วจะมีการใช้งานเชิงพาณิชย์มาตั้งแต่ปี 1960 (ซอนเนนชอิน จากนั้นเป็นเกตส์) การออกแบบเหล่านี้ใช้ตะกั่วบริสุทธิ์สำหรับกริด ซึ่งนิ่มมาก ซึ่งหมายความว่าความเป็นไปได้ในการออกแบบและวิธีการประมวลผลมีจำกัด
โลหะผสมใหม่ได้รับการออกแบบโดยเอาพลวงออกอย่างสมบูรณ์และแทนที่แคลเซียมให้เป็นสารชุบแข็ง สิ่งนี้ทำให้ไฮโดรเจนและออกซิเจนมีศักยภาพสูงเกินจริงบนตะกั่วที่สูงกว่า 2.4 โวลต์ต่อเกณฑ์การชาร์จเซลล์ ซึ่งจะทำให้สามารถชาร์จใหม่ได้ภายใน 15 ชั่วโมงหรือการทำงานหนึ่งรอบต่อวัน อย่างไรก็ตาม ปัญหาร้ายแรงเกิดขึ้นในช่วงต้นทศวรรษ 1980 เมื่อความล้มเหลวของแบตเตอรี่จำนวนมากเนื่องจากสิ่งที่เรียกว่าการสูญเสียความจุก่อนเวลาอันควรหรือ PCL ส่งผลกระทบต่อบริษัทแบตเตอรี่ส่วนใหญ่อย่างหนัก นี่เป็นการสูญเสียความจุอย่างรวดเร็วอย่างมากจากแบตเตอรี่กรดตะกั่วภายในสองสามสัปดาห์หรือเดือนแรกของการใช้งาน
ในที่สุดก็ได้รับการแก้ไขในปี 1990 ด้วยการนำดีบุกเข้าไปในโลหะผสมตะกั่ว การกระทำที่แม่นยำของดีบุกบนอินเทอร์เฟซและความสมบูรณ์ของวัสดุที่ใช้งานอยู่นั้นเป็นที่ถกเถียงกัน แต่พบว่าใช้งานได้ ผลข้างเคียงประการหนึ่งคือ หากความสมดุลระหว่างดีบุกและแคลเซียมในกริดขั้วบวกผิดไป สิ่งนี้อาจนำไปสู่ความล้มเหลวจากการกัดกร่อนที่ร้ายแรงของกริด งานของ David Prengaman ในยุค 90 ได้แก้ไขปัญหานี้ และตอนนี้เราสนุกกับแบตเตอรี่กรดตะกั่วที่ปราศจากปัญหาและไม่ต้องบำรุงรักษา
แบตเตอรี่กรดตะกั่วแบบควบคุมด้วยวาล์ว
เครื่องจักรผลิตแบตเตอรี่กรดตะกั่ว
ในช่วงทศวรรษ 1980 การออกแบบจานแบบท่อก็มีการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่เช่นกัน ตั้งแต่จุดเริ่มต้นในปี 1910 จนถึงช่วงกลางทศวรรษที่ 60 บริษัทใช้กระบอกสูบยางที่มีรูพรุนแต่ละอันซึ่งติดตั้งอยู่บนสันของตะแกรงเพื่อยึดวัสดุที่เคลื่อนไหว สิ่งนี้ถูกแทนที่ด้วยการใช้หลอดไฟเบอร์กลาสที่ชุบเรซิน (pg) แต่ละตัว เนื่องจากอัตราของเสียที่สูงและความยากทางกายภาพในการจัดการกับผลิตภัณฑ์นี้ใน สภาพแวดล้อม การผลิตจำนวนมาก ถุงมือแบบทอหลายท่อจึงได้รับการพัฒนา สิ่งนี้สร้างหน่วยเดียวของกริดที่ยังไม่ได้บรรจุและตัวขนส่งวัสดุที่ใช้งานอยู่
ในช่วงทศวรรษ 1980 กระเป๋า PT แบบ Multi-tube ได้เข้ามาแทนที่เกือบทั้งหมดจาก pg tube ซึ่งยังคงใช้งานอยู่เนื่องจากการประหยัดที่ผิดพลาดในการมีต้นทุนที่ต่ำลง ถุงมือ PT Bags อนุญาตให้ใช้ระบบอัตโนมัติของส่วนการหล่อและการสอดกระดูกสันหลังของการผลิตเพลท การพัฒนาในภายหลังในช่วงปลายยุค 80 ขยายสิ่งนี้เพื่อเติมแผ่นด้วยวัสดุที่ใช้งานได้
Hadi เป็นผู้นำในการผลิตไลน์การผลิตแบบอัตโนมัติทั้งหมด ตั้งแต่การหล่อกระดูกสันหลังไปจนถึงการบรรจุ การปิดฝา และการอบแห้ง/การบ่มเพลต ในช่วงเวลานี้เองที่มีการแนะนำวิธีการเติมแบบอัตโนมัติทั้งแบบเปียกหรือแบบสารละลาย วิธีการเหล่านี้ดีกว่ามากเมื่อเทียบกับจุดยืนด้านสุขภาพและความปลอดภัย เนื่องจากช่วยลดปัญหาสารตะกั่วในอากาศของทางเลือกในการเติมผงแห้ง
สหัสวรรษที่สองมุ่งความสนใจไปที่ประเด็นใหม่สำหรับแบตเตอรี่กรดตะกั่ว การหยุด-สตาร์ท และการใช้งานอื่นๆ ได้เน้นย้ำถึงปัญหาสำหรับ แบตเตอรี่กรดตะกั่วที่ถูกน้ำท่วม ซึ่งทำงานในสภาวะการชาร์จบางส่วน (PSoC) ด้วยเหตุนี้ วัสดุที่ใช้งานในเพลตจะหยาบกว่าด้วยพื้นที่ผิวที่มีประสิทธิภาพต่ำกว่า วัสดุจึงมีปฏิกิริยาน้อยกว่า ทำให้มีความจุต่ำกว่าและความสามารถในการคายประจุที่มีอัตราสูงต่ำ
เพื่อต่อสู้กับงานที่สำคัญนี้ อย่างต่อเนื่องเพื่อค้นหาสารเติมแต่ง กล่าวคือ คาร์บอนในรูปแบบต่าง ๆ ซึ่งป้องกันการหยาบนี้และปรับปรุงการนำของวัสดุที่ใช้งาน นอกจากนี้ยังช่วยปรับปรุงการรับประจุ (สำคัญในการใช้งานการสตาร์ท-หยุด) ตลอดจนการจัดหานิวเคลียสสำหรับการตกตะกอนในสภาวะ PSoC เพื่อป้องกันไม่ให้อนุภาค AM หยาบ มีการรายงานความสำเร็จบางอย่างแล้ว แต่ไม่มีหลักฐานที่แน่ชัดว่าสารเติมแต่งราคาแพงเหล่านี้ได้รับการยอมรับในระดับสากล
ซัพพลายเออร์ของผู้ผลิตสารเติมแต่งและตัวแยกได้ดำเนินการทำงานสำคัญๆ เพื่อปรับปรุงทั้ง PSoC และประสิทธิภาพทางไฟฟ้าของแบตเตอรี่กรดตะกั่ว มีการวางตลาดการออกแบบเครื่องแยกแบบใหม่ซึ่งป้องกันการแบ่งชั้นของกรดในสภาวะ PSoC เช่นเดียวกับเครื่องแยกที่มีสารเติมแต่งในตัวเพื่อช่วยลดการหยาบของอนุภาคในวัสดุที่ใช้งาน สิ่งนี้มีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ เมื่อตลาด SLI แบบดั้งเดิมเปลี่ยนแปลงไปเพื่อรองรับการเพิ่มขึ้นของ รถยนต์ไฟฟ้า และรุ่นไฮบริด
การใช้งานแบตเตอรี่กรดตะกั่ว
ในขณะที่เครื่องยนต์สันดาปภายในเริ่มจางหายไปจากถนนของเรา และตลาด EV ยังคงขยายตัวต่อไป แบตเตอรี่กรดตะกั่ว แม้ว่ายังคงเป็นเทคโนโลยีที่มียอดขายสูงสุดในตลาดการจัดเก็บพลังงานในปัจจุบัน จะต้องได้รับการดัดแปลงเพิ่มเติม การออกแบบใหม่ เช่น รุ่น สองขั้ว ให้พลังงานและความหนาแน่นของพลังงานที่สูงกว่ามาก และต้นทุนที่ต่ำกว่าเนื่องจากใช้สารตะกั่วในการก่อสร้างน้อยกว่าอย่างมาก
การเพิ่มขึ้นของตลาดใหม่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการจัดเก็บพลังงาน นำเสนอโอกาสใหม่ๆ สำหรับแบตเตอรี่กรดตะกั่ว การมุ่งเน้นที่อายุการใช้งานที่ดีขึ้น ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน และต้นทุนที่ต่ำลง จะทำให้ ROI น่าสนใจยิ่งขึ้นสำหรับธุรกิจเหล่านั้นที่ติดตั้งระบบขนาดกริด แม้ว่าตลาด SLI จะลดลงจากภาค EV ที่กำลังเติบโต แต่แบตเตอรี่ตะกั่วกรดยังคงมีศักยภาพทางการตลาดสูง อย่างไรก็ตาม มันขึ้นอยู่กับการตลาดมากพอๆ กับเทคโนโลยี ระบบแบตเตอรี่ใหม่ โดยเฉพาะแบตเตอรี่เคมีแบบลิเธียมไอออน ยังคงมีความกังวลด้านสิ่งแวดล้อมที่สำคัญเกี่ยวกับการขาดโครงสร้างพื้นฐานในการรีไซเคิลหรือการกำจัดทิ้ง นอกเหนือจากต้นทุนเริ่มต้นที่สูง
ซึ่งอาจหมายถึงการสิ้นสุดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่มีราคาแพง หากมีการใช้ค่าใช้จ่ายในการกำจัดแบตเตอรี่ ซึ่งสำหรับบริษัทจำนวนมากที่มีการลงทุนด้านแบตเตอรี่จำนวนมากอาจมีค่ามหาศาล สิ่งนี้และต้นทุนการซื้อที่สูงหมายความว่า ROI สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีความน่าสนใจน้อยกว่าแบตเตอรี่กรดตะกั่วในการใช้งานที่มีอยู่และที่เกิดขึ้นใหม่ส่วนใหญ่ ตัวอย่างเช่น ในตลาด EV เจ้าของรถลากไฟฟ้าจำนวนมากไม่ต้องการต้นทุนต้นทุนของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนและยินดีที่จะใช้แบตเตอรี่ตะกั่วกรดที่มีน้ำท่วมขัง
โดยสรุป สิ่งที่เราพูดได้ก็คือแบตเตอรี่ตะกั่วกรดยังคงพัฒนาเพื่อตอบสนองการใช้งานใหม่และสภาพแวดล้อมของตลาดใหม่ ด้วยวิธีการรีไซเคิลแบตเตอรี่กรดตะกั่วแบบใหม่ ราคาถูก และปลอดภัยต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้น จึงยังคงเป็นแบตเตอรี่ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม เชื่อถือได้ และปลอดภัยที่สุดที่คุณสามารถซื้อได้ และมาในราคาที่ต่ำมาก ลองนึกถึงสิ่งนั้นในครั้งต่อไปที่คุณทำการเปรียบเทียบระหว่างนักเคมีของแบตเตอรี่ที่แข่งขันกัน
