ปรับสมดุลประจุในแบตเตอรี่กรดตะกั่ว
จุดประสงค์ของการปรับประจุให้เท่ากันคือการนำแรงดันประจุไฟฟ้าของแบตเตอรี่ตะกั่วกรดไปสู่ระดับก๊าซ เพื่อให้ตะกั่วซัลเฟตที่ยังไม่ได้แปลงทั้งหมดถูกประจุเป็นตะกั่วและตะกั่วไดออกไซด์ตามลำดับใน NAM และ PAM
ประจุไฟฟ้าที่เท่ากัน: การปรับประจุแบตเตอรี่
การบำรุงรักษาแบตเตอรี่กรดตะกั่วอย่างเหมาะสมจะช่วยยืดอายุแบตเตอรี่ การชาร์จที่สมดุลถือเป็นหนึ่งในส่วนที่สำคัญที่สุดของขั้นตอนการบำรุงรักษานี้
นิยามประจุที่เท่ากัน
สำหรับแบตเตอรี่ประเภทดังกล่าว ความตั้งใจในการปรับประจุให้เท่ากันคือการทำให้แรงดันไฟชาร์จของแบตเตอรี่ 12V ไปถึงระดับก๊าซ เพื่อให้ตะกั่วซัลเฟตที่ยังไม่ได้แปลงทั้งหมดถูกประจุเป็นตะกั่วและตะกั่วไดออกไซด์ตามลำดับใน NAM และ PAM เมื่อมีการปล่อยก๊าซอย่างอิสระและปริมาณมาก ซัลเฟตไอออนที่ไม่มีประจุทั้งหมดจะเข้าสู่อิเล็กโทรไลต์และเพิ่มความหนาแน่นของกรด
Vinal ในหนังสือคลาสสิกของเขาให้ความสัมพันธ์ของแรงดันไฟฟ้าของเซลล์และระดับก๊าซ
ระดับก๊าซและแรงดันเซลล์ที่ประจุ เซลล์ที่ถูกน้ำท่วม
(เครดิต: Vinal, GW, Storage Batteries, John Wiley & Sons, New York, 1954, หน้า 262)
| แรงดันเซลล์ (V) | ระดับของก๊าซ | องค์ประกอบของก๊าซวิวัฒนาการ H 2 เปอร์เซ็นต์ | องค์ประกอบของก๊าซวิวัฒนาการ O 2 เปอร์เซ็นต์ |
|---|---|---|---|
| 2.2 | ไม่มีแก๊ส | - | - |
| 2.3 | เล็กน้อย | 52 | 47 |
| 2.4 | ปกติ | 60 | 38 |
| 2.5 | มากมาย | 67 | 33 |
ในทำนองเดียวกัน แบตเตอรี่ที่ไม่ได้ชาร์จในครั้งแรกอย่างถูกต้องในโรงงานจะต้องมีการ ชาร์จ ที่สมดุลเพิ่มเติม สิ่งนี้สามารถพิสูจน์ได้จากความถ่วงจำเพาะของอิเล็กโทรไลต์ที่เพิ่มขึ้นภายในเวลาไม่กี่เดือนหลังจากเริ่มใช้งานแบตเตอรี่ เช่น แบตเตอรี่อินเวอร์เตอร์ โดยปกติค่าความถ่วงจำเพาะจะอยู่ที่ 1.240 ก่อนจัดส่ง เมื่อได้ค่านี้แล้ว ผู้ผลิตบางรายจะหยุดชาร์จและถือว่าชาร์จแบตเตอรี่จนเต็มแล้ว
ที่จริงแล้ว หากพวกเขายังคงประจุเริ่มต้นต่อไปอีก พวกเขาจะได้เห็นความถ่วงจำเพาะเพิ่มขึ้นอย่างมาก ลักษณะของการชาร์จเริ่มต้นนี้บ่งชี้ว่ามีตะกั่วซัลเฟตที่ไม่มีประจุในเพลต ปริมาณตะกั่วซัลเฟตนี้ช่วยเพิ่มความถ่วงจำเพาะของอิเล็กโทรไลต์ในกระบวนการชาร์จเพิ่มเติม
การชาร์จที่สมดุลช่วยได้อย่างไร?
การ ชาร์จ ที่สมดุลจะช่วยทำให้แบตเตอรี่มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น หลีกเลี่ยงความล้มเหลวก่อนเวลาอันควรอันเนื่องมาจากการชาร์จไม่เพียงพอ แบตเตอรี่ที่ได้รับประจุไฟฟ้าเท่ากันจะมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าแบตเตอรี่ที่ไม่มีประจุ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีของแบตเตอรี่รถยก แบตเตอรี่รถยนต์ และแบตเตอรี่อินเวอร์เตอร์ เราได้เห็นแล้วว่าการให้แบตเตอรี่รถฟอร์คลิฟท์แบบ ชาร์จ ประจุไฟฟ้าให้เท่ากันช่วยให้มั่นใจได้ ถึงประสิทธิภาพที่ดีขึ้นของแบตเตอรี่รถฟอร์คลิฟท์ การยืดอายุแบตเตอรี่ด้วยการควบคุมการปรับประจุให้เท่ากันเป็นวิธีที่กำหนดขึ้นเพื่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ที่ดีขึ้น
ในบางประเทศ UPS และแบตเตอรี่ของแหล่งจ่ายไฟแบบอยู่กับที่จะไม่มีไฟดับแม้เพียงไม่กี่นาทีในหนึ่งปี ในสถานการณ์เช่นนี้ ผู้ผลิตแบตเตอรี่แนะนำให้ผู้บริโภคปิดแหล่งจ่ายไฟหลักสักสองสามนาที นี้จะหลีกเลี่ยง “ทู่ลอย”
ค่าอีควอไลเซอร์สำหรับแบตเตอรี่คืออะไร
ทุกแง่มุมที่กล่าวถึงข้างต้นใช้กับแบตเตอรี่ VR ด้วย ข้อแตกต่างเพียงอย่างเดียวคือแรงดันการชาร์จสำหรับประจุที่ปรับให้เท่ากันนั้นต่ำกว่า จะต้องชาร์จแบตเตอรี่ไม่เกิน 14.4 V (สำหรับแบตเตอรี่ 12V) ระหว่างการชาร์จแบบอีควอไลเซอร์ อัตราก๊าซคือ:
ระดับแก๊สและแรงดันลอยของเซลล์ในการชาร์จของเซลล์ที่ควบคุมด้วยวาล์ว
ปรับสมดุลแรงดันประจุ
| แรงดันเซลล์ (V) | ระดับของก๊าซ | ประสิทธิภาพการรวมตัวใหม่ (%) | อัตราการเติมแก๊ส * | อัตราการเกิดก๊าซสัมพัทธ์ |
|---|---|---|---|---|
| 2.25 ถึง 2.3 | ก๊าซเล็กน้อย | ~ 99.87 | ~ 0.0185 | ~ 1 |
| 2.4 | มีแก๊สบ้าง | ~ 99.74 | ~ 0.037 | ~ 2 |
| 2.5 | แก๊ส | ~ 97.4 | ~ 0.37 | ~ 20 |
*cc/h/Ah/cell จาก: เครดิต: C&D Technologies : Technical Bulletin 41-6739, 2012.) 1 ลูกบาศก์ฟุต = 28317 ซีซี (= (12*2.54) 3 = 28316.85)
การชาร์จที่สมดุล - แบตเตอรี่ VRLA แตกต่างจากแบตเตอรี่กรดตะกั่วที่ถูกน้ำท่วมอย่างไร
เคมีพื้นฐานของแบตเตอรี่กรดตะกั่วสองรุ่นจะเหมือนกัน ปฏิกิริยาการคายประจุมีความคล้ายคลึงกัน แต่ปฏิกิริยาการชาร์จต่างกันในขั้นตอนกลาง
ก๊าซ (ไฮโดรเจนและออกซิเจน) ที่วิวัฒนาการมาใกล้กับจุดสิ้นสุดของประจุในแบตเตอรี่กรดตะกั่วที่ถูกน้ำท่วมจะถูกระบายออก ก๊าซออกซิเจนที่พัฒนาขึ้นบนเพลตบวกของเซลล์ VR จะเคลื่อนไปที่เพลตลบและออกซิไดซ์ที่ตะกั่วได้ง่าย เนื่องจากมีค่าสัมประสิทธิ์การแพร่สูงในตัวกลางที่เป็นก๊าซ นี่คือปฏิกิริยาที่รวดเร็วในเซลล์ VR การเคลื่อนที่ของก๊าซดังกล่าวเป็นไปไม่ได้ในเซลล์ที่ถูกน้ำท่วมเนื่องจากมีค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ที่ต่ำกว่า สภาวะที่คล้ายกับเซลล์ที่ถูกน้ำท่วมจะเกิดขึ้นในเซลล์ VR ด้วย หาก AGM อิ่มตัวเต็มที่แล้ว และปฏิกิริยาการรวมตัวของออกซิเจนจะเริ่มขึ้นก็ต่อเมื่อสภาวะอิเล็กโทรไลต์ที่อดอาหารเริ่มพัฒนาเนื่องจากอิเล็กโทรไลซิสในน้ำและการสูญเสียน้ำบางส่วน
ในเซลล์ควบคุมด้วยวาล์ว วิวัฒนาการของไฮโดรเจนถูกยับยั้งโดยการก่อตัวของตะกั่วซัลเฟตระหว่างการชาร์จ ตะกั่วซัลเฟตนี้นำศักยภาพของเพลตลบไปสู่ค่าบวกมากขึ้นเพื่อให้วิวัฒนาการของไฮโดรเจนลดลงอย่างมาก โลหะผสมพิเศษยังใช้ในกริดเชิงลบซึ่งจะมีแรงดันไฮโดรเจนสูงเกินไป
การชาร์จที่สมดุล: แบตเตอรี่ VRLA ที่ชาญฉลาดสำหรับการก่อสร้างมีความแตกต่างดังต่อไปนี้:
- ปริมาณอิเล็กโทรไลต์ในแบตเตอรี่ VRLA น้อยกว่า สิ่งนี้ถูกเก็บไว้โดยเจตนาเพราะควรมีช่องทางสำหรับออกซิเจนที่วิวัฒนาการมาจาก PAM เพื่อสัมผัสกับ NAM ผ่านรูพรุนที่ไม่อิ่มตัวในตัวแยกแผ่นแก้วดูดซับ (AGM) เพื่อชดเชยปริมาณอิเล็กโทรไลต์ที่ลดลง กรดที่มีความหนาแน่นสูงขึ้นจึงถูกใช้ในแบตเตอรี่ VR สิ่งนี้จะชดเชยความสามารถที่มีอัตราต่ำที่ลดลงด้วย
องค์ประกอบต่างๆ ถูกบีบอัดอย่างมากในแบตเตอรี่ VRLA แง่มุมนี้มีบทบาทสำคัญในการยืดอายุแบตเตอรี่ การบีบอัดผนังแผ่นคั่นระหว่างภาชนะและจานเป็นส่วนสำคัญของการออกแบบ สิ่งนี้ทำให้แน่ใจได้ว่าอิเล็กโทรไลต์จะกระจายตัวได้ดีระหว่างเพลตและตัวแยก อายุยังเพิ่มขึ้นเนื่องจากการลดลงของการขยายตัวของวัสดุที่เป็นบวกและการสูญเสียกำลังการผลิตที่เป็นผลลัพธ์
- แบตเตอรี่ VRLA มีวาล์วปิดผนึกทางเดียวในแต่ละเซลล์ หรืออาจมีวาล์วทั่วไปสำหรับเซลล์สองสามเซลล์ (โดยเฉพาะในเซลล์ความจุขนาดเล็ก) วาล์วเอนกประสงค์นี้ทำงานในลักษณะดังต่อไปนี้:
ผม. ป้องกันการเข้าของอากาศในบรรยากาศ (ออกซิเจน) โดยไม่ได้ตั้งใจ
ii ช่วยในการขนส่งออกซิเจนโดยใช้แรงดันจาก PAM ไปยัง NAM
สาม. ป้องกันการระเบิดในกรณีที่เกิดแรงดันเกินควรภายในแบตเตอรี่อันเนื่องมาจากการชาร์จที่ไม่เหมาะสมหรือเครื่องชาร์จทำงานผิดปกติ
- การทำงานที่เหมาะสมของแบตเตอรี่ VRLA ขึ้นอยู่กับวัฏจักรของออกซิเจนภายใน ซึ่งจะขึ้นอยู่กับโครงสร้างที่ป้องกันการรั่ว: ฝาปิดสำหรับซีลและหม้อสำหรับปิดซีล วัฏจักรออกซิเจนภายในช่วยลดการวิวัฒนาการของไฮโดรเจนและช่วยลดการสูญเสียน้ำ
วัฏจักรออกซิเจนภายใน
ในระหว่างการชาร์จแบตเตอรี่ VRLA:
ที่แผ่นขั้วบวก ก๊าซ O2 จะถูกวิวัฒนาการและผลิตโปรตอนและอิเล็กตรอน
2H2O → 4H + + O2 ↑ + 4e- ……… สมการ 1
ก๊าซออกซิเจน ไฮโดรเจนไอออน และอิเลคตรอนเกิดขึ้นจากการที่น้ำบนแผ่นขั้วบวกไหลผ่านรูพรุนที่ว่างเปล่า รูพรุนที่เต็มไปด้วยก๊าซ และช่องอิเล็กโทรไลต์ในตัวแยก AGM (หรือรอยแตกละเอียดในเมทริกซ์อิเล็กโทรไลต์แบบเจลในกรณีของ แบตเตอรี่ VR เจล) และไปถึงแผ่นลบ ก๊าซนี้รวมกับตะกั่วใน NAM จะกลายเป็น PbO และออกซิเจนที่ลดลงจะรวมกับไฮโดรเจนไอออนเพื่อสร้างน้ำ ออกไซด์นี้รวมตัว ทางเคมี กับไอออนของซัลเฟตเพื่อสร้างตะกั่วซัลเฟต
2Pb + O2 → 2PbO
2PbO + 2H 2 SO 4 → 2PbSO 4 + 2H 2 O
——————————————————
2Pb + O2 + 2H 2 SO 4 → 2PbSO 4 + 2H 2 O + ความร้อน ……… สมการ 2
—————————————————–
แต่เนื่องจากเป็นกระบวนการชาร์จ ตะกั่วซัลเฟตที่ผลิตขึ้นอีกครั้งจึงต้องถูกแปลงเป็นตะกั่ว กรดซัลฟิวริกถูกสร้างขึ้นโดยเส้นทางไฟฟ้าเคมีโดยทำปฏิกิริยากับโปรตอน (ไอออนของไฮโดรเจน) และอิเล็กตรอนที่เกิดจากการสลายตัวของน้ำที่เพลตบวกเมื่อพวกมันถูกประจุ
2PbSO 4 + 4H + + 4e − → 2Pb + 2H 2 SO 4 ……… สมการ 3
เมื่อ NAM ถูกแปลงเป็น PbSO 4 ระหว่างการชาร์จ ศักยภาพของเพลตลบจะเป็นบวกมากขึ้น (เช่น ในกรณีของการคายประจุ) ซึ่งจะช่วยในการขัดขวางปฏิกิริยาการวิวัฒนาการของไฮโดรเจน มีการผลิตก๊าซไฮโดรเจนในปริมาณเล็กน้อยมาก แต่วาล์วทางเดียวช่วยให้แน่ใจว่าแรงดันภายในโถจะไม่ถึงระดับที่เป็นอันตรายโดยการระบายไฮโดรเจนออกสู่ชั้นบรรยากาศ จึงช่วยป้องกันแบตเตอรี่จากการบวมและข้อบกพร่องอื่นๆ
ปฏิกิริยาสุดท้ายคืนความสมดุลทางเคมีของเซลล์ ผลรวมสุทธิของปฏิกิริยา (Eq 1) ถึง (Eq 3) เป็นศูนย์ พลังงานไฟฟ้าที่ใช้ระหว่างประจุจะถูกแปลงเป็นความร้อนแทนที่จะเป็นพลังงานเคมี [Ref RF Nelson, Proc. สัมมนา Int Lead Acid Battery ครั้งที่ 4, 25-27 เมษายน 1990, ซานฟรานซิสโก, สหรัฐอเมริกา, ILZRO, Inc.,1990, pp.31-60]
ข้อได้เปรียบที่สำคัญที่สุดของเซลล์ VRLA คือไม่จำเป็นต้องเติมน้ำเป็นขั้นตอนการบำรุงรักษา ข้อได้เปรียบต่อไปคือ มันมีวิวัฒนาการของก๊าซในปริมาณเล็กน้อยในระหว่างการทำงาน เนื่องจากการรวมตัวกันใหม่ใกล้ 100 % ที่แรงดันลอยที่แนะนำ 2.25 ถึง 2.3 V ต่อเซลล์ ยิ่งไปกว่านั้น ไม่มีข้อจำกัดในการขนส่งในการเคลื่อนย้ายแบตเตอรี่เหล่านี้จากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง
แบตเตอรี่หลักและแบบชาร์จได้
แบตเตอรี่ถูกกำหนดให้เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าเคมีที่สามารถแปลงพลังงานเคมีเป็นพลังงานไฟฟ้าผ่านปฏิกิริยารีดอกซ์และทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงานไฟฟ้าเคมี แต่มันไม่ใช่แหล่งพลังงานที่ยืนต้น แบตเตอรี่จะจ่ายไฟจนกว่าจะมีวัสดุแอคทีฟเพียงพอที่จะคงปฏิกิริยาที่สร้างพลังงานไว้ เมื่อระดับแรงดันไฟของแบตเตอรี่ถึงระดับที่ต่ำกว่าที่กำหนดโดยคุณสมบัติทางเคมีของระบบ ปฏิกิริยาจะต้องถูกย้อนกลับ กล่าวคือ แบตเตอรี่จะต้องได้รับกระแสตรง การกระทำของการจ่ายกระแสตรงในทิศทางย้อนกลับของการคายประจุไปยังแบตเตอรี่ที่คายประจุเพื่อย้อนกลับปฏิกิริยาการคายประจุนี้เรียกว่า “การชาร์จ”
สิ่งนี้จะสร้างวัสดุแอคทีฟดั้งเดิมขึ้นมาใหม่จากผลิตภัณฑ์การคายประจุ และยังจะเพิ่มแรงดันไฟของแบตเตอรี่ให้เป็นค่าที่สูงขึ้น ซึ่งกำหนดโดยคุณสมบัติทางเคมีของระบบอีกครั้ง คำชี้แจงนี้ใช้กับแบตเตอรี่ที่เรียกว่าแบตเตอรี่สำรองหรือแบตเตอรี่สำรอง ไม่เกี่ยวข้องกับเซลล์ปฐมภูมิ เช่น เซลล์ที่ใช้ในคบเพลิงไฟฟ้าและนาฬิกาข้อมือ แรงดันไฟแบตเตอรี่ที่ลดลงในระหว่างการคายประจุเกิดขึ้นเนื่องจากวัสดุที่ใช้งานหมดไปและสาเหตุอื่นๆ อีกหลายประการ
หน่วยแบตเตอรี่อิสระเรียกว่า “เซลล์” แบตเตอรี่คือการรวมกันของเซลล์ตั้งแต่สองเซลล์ขึ้นไปที่เชื่อมต่อกันในรูปแบบต่างๆ เพื่อให้ได้พิกัดแรงดันไฟและความจุที่ออกแบบไว้ หรือพิกัด kWh ทั้งหมด โดยทั่วไป แบตเตอรี่แบบโมโนบล็อคใช้ในรถยนต์และแบตเตอรี่ตะกั่วกรดควบคุมวาล์วความจุขนาดเล็ก ( VRLA ) และ แบตเตอรี่แบบท่อ (สูงสุด 12V/200 Ah) นอกเหนือจากความจุนี้ เซลล์เดี่ยวจะใช้สำหรับการได้รับการจัดอันดับ kWh ที่ต้องการ โดยการรวมเซลล์เหล่านี้ในการจัดเรียงแบบอนุกรมหรือแบบอนุกรม-ขนาน
แบตเตอรี่กรดตะกั่วที่มีอัตรา 48V/1500 Ah (หรือ 72 kWh) อาจมีเซลล์ความจุ 2V/1500 Ah จำนวน 24 เซลล์ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมอย่างง่าย หรือเซลล์ความจุ 2V/750 Ah จำนวน 48 เซลล์เชื่อมต่อแบบอนุกรมขนาน นั่นคือ 24 เซลล์ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมเพื่อสร้างแบตเตอรี่ 48V/750Ah (หรือ 36 kWh) แบตเตอรี่ 48V/750 อีกก้อนดังกล่าวจะเชื่อมต่อแบบขนานกับแบตเตอรี่ก้อนแรกเพื่อให้เป็นแบตเตอรี่ 48V/1500 Ah (72 kWh)
อีกตัวอย่างหนึ่งจากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (Li-ion) ของ รถยนต์ไฟฟ้า (EV):
ขึ้นอยู่กับขนาดของก้อนแบตเตอรี่ ผู้ผลิต EV Tesla ใช้ประมาณ 6,000-8,000 เซลล์ต่อแพ็ค แต่ละเซลล์มีความจุ 3.6V/3.1 ถึง 3.4 Ah เพื่อสร้างก้อนแบตเตอรี่ 70 หรือ 90 kWh
แบตเตอรี่ Tesla EV ขนาด 70 kWh ใช้เซลล์ NCA ชนิด 18650 ที่มีความจุ 3.7 V/3.4 Ah ประมาณ 6000 เซลล์ ซึ่งเชื่อมต่อด้วยการจัดเรียงแบบขนานแบบอนุกรมที่ซับซ้อน มีระยะทาง 325 กม. ต่อการชาร์จหนึ่งครั้ง (ในที่นี้ รูปที่ 18650 หมายถึงเซลล์ Li-ion ชนิดใดชนิดหนึ่งที่มีขนาดโดยประมาณของความยาว (หรือความสูง) 65 มม. และเส้นผ่านศูนย์กลาง 18 มม. คำว่า “NCA” หมายถึงวัสดุแคโทดที่ใช้ในเซลล์นี้ เช่น N =Nickel, C= Cobalt และ A = aluminium ซึ่งเป็นวัสดุแคโทดนิกเกิล-โคบอลต์-อะลูมิเนียมออกไซด์)
แพ็ค 90kWh มี 7,616 เซลล์ใน 16 โมดูล น้ำหนัก 540 กก. มีระยะทาง 426 กม. ต่อการชาร์จหนึ่งครั้ง
ส่วนประกอบของเซลล์แบตเตอรี่:
ส่วนประกอบที่สำคัญที่สุดของแบตเตอรี่คือ:
ก. แอโนด (แผ่นลบ)
ข. แคโทด (จานบวก)
ค. อิเล็กโทรไลต์ (ในแบตเตอรี่กรดตะกั่ว อิเล็กโทรไลต์ยังเป็นวัสดุที่ทำงานอยู่ แต่ไม่เป็นเช่นนั้นในระบบอื่นๆ ส่วนใหญ่)
ทั้งสามข้างต้นเรียกว่าส่วนประกอบที่ใช้งานอยู่
แน่นอนว่ามีส่วนประกอบที่ไม่ใช้งานเช่น
ก. ไห
ข. กริดการรวบรวมปัจจุบัน
ค. บัสบาร์หรือสายรัดคอนเนคเตอร์
ง. ตัวแยก
อี ขั้วต่อระหว่างเซลล์
ฉ โพสต์เทอร์มินัล ฯลฯ
ในแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด อิเล็กโทรไลต์ (กรดซัลฟิวริกเจือจาง) มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาที่สร้างพลังงานดังที่เห็นได้จากปฏิกิริยาของเซลล์ที่ระบุด้านล่าง กรดซัลฟิวริกถูกใช้เพื่อเปลี่ยนตะกั่วไดออกไซด์และนำไปสู่ตะกั่วซัลเฟต ดังนั้นความหนาแน่นของอิเล็กโทรไลต์จึงลดลงเมื่อปฏิกิริยาการคายประจุดำเนินไป ในทางตรงกันข้าม เมื่อเซลล์มีประจุ ความหนาแน่นของอิเล็กโทรไลต์จะเพิ่มขึ้นเมื่อปฏิกิริยาประจุดำเนินไป เหตุผลก็คือซัลเฟตไอออนที่ดูดซับโดยวัสดุออกฤทธิ์ทั้งสองในระหว่างการปลดปล่อยจะถูกปล่อยออกมาในอิเล็กโทรไลต์และความหนาแน่นของอิเล็กโทรไลต์จะเพิ่มขึ้น
ปฏิกิริยาการคายประจุและประจุ
ปฏิกิริยาของเซลล์กัลวานิกหรือแบตเตอรี่มีความเฉพาะเจาะจงกับระบบหรือเคมี:
ตัวอย่างเช่น เซลล์กรดตะกั่ว:
Pb + PbO 2 + 2H 2 SO 4 การคายประจุ ↔ ประจุ 2PbSO 4 + 2H 2 O E° = 2.04 V
ในเซลล์ Ni-Cd
Cd + 2NiOOH + 2H 2 O การคายประจุ ↔ ประจุ Cd(OH) 2 + 2Ni(OH) 2 E° = 1.32 V
ในเซลล์ Zn-Cl 2 :
Zn + Cl 2 การคายประจุ ↔ ประจุ ZnCl 2 E° = 2.12 V
ในเซลล์ของแดเนียล (นี่คือเซลล์หลัก ในที่นี้ ให้สังเกตว่าไม่มีลูกศรย้อนกลับ)
Zn + Cu 2+ การคายประจุ ↔ ประจุ Zn 2+ + Cu(s) E° = 1.1 V
การปรับแรงดันไฟให้เท่ากัน: เพิ่มเติมเกี่ยวกับการชาร์จแบตเตอรี่
ตามที่อธิบายไว้ข้างต้น แบตเตอรี่สำหรับจัดเก็บไม่ใช่แหล่งพลังงานที่ยืนต้น เมื่อมันหมดจะต้องชาร์จใหม่เพื่อรับพลังจากมันอีกครั้ง คาดว่าแบตเตอรี่จะมีอายุการใช้งาน เรียกว่า อายุขัย เพื่อให้ได้อายุการใช้งานและความน่าเชื่อถือที่ออกแบบไว้ จะต้องชาร์จและบำรุงรักษาแบตเตอรี่สำหรับจัดเก็บอย่างเหมาะสมตามคำแนะนำของผู้ผลิต ควรใช้วิธีการชาร์จที่เหมาะสมเพื่อให้ได้อายุการใช้งานแบตเตอรี่สูงสุด
ปฏิกิริยาในเซลล์กรดตะกั่ว:
ระหว่างการคายประจุ : PbO 2 + Pb + 2H 2 SO 4 2PbSO 4 + 2H 2 O
การปลดปล่อยจะดำเนินการจนกว่าจะมีวัสดุนำไฟฟ้าจำนวนหนึ่งอยู่ในเซลล์เท่านั้น หลังจากนั้นอัตราแรงดันตกจะเร็วมากจนแรงดันไฟสิ้นสุดในไม่ช้า ดังนั้นจึงมีสิ่งที่เรียกว่าแรงดันไฟตัดหรือแรงดันไฟปลายทาง ซึ่งเกินกว่านั้นไม่ควรปล่อยต่อไป การปล่อยประจุออกไปจะทำให้การชาร์จทำได้ยากและอาจนำไปสู่ผลลัพธ์ภัยพิบัติที่ไม่คาดคิด
จะต้องชาร์จแบตเตอรี่ทันทีหลังจากคายประจุในอัตราที่ผู้ผลิตแนะนำหรือตามคำแนะนำที่ให้มา
จะเกิดอะไรขึ้นระหว่างปฏิกิริยาการปลดปล่อยและประจุภายในเซลล์?
อิเล็กโทรไลต์: 2H 2 SO 4 = 2H + + 2HSO 4‾
เพลทลบ: Pb° = Pb 2+ HSO 4 + 2e
Pb 2+ + HSO 4‾ = PbSO 4 ↓ + H +
⇓
เพลทบวก: PbO 2 = Pb 4+ + 2O 2-
Pb 4+ + 2e = Pb 2+
Pb 2+ + 3H + + HSO 4‾ +2O 2- =PbSO 4 ¯ ↓+ 2H 2 O
กรดซัลฟิวริกเป็นอิเล็กโทรไลต์ที่แรง โดยแยกออกเป็นไฮโดรเจนไอออนและไบซัลเฟตไอออน (เรียกอีกอย่างว่าไฮโดรเจนซัลเฟตไอออน)
เมื่อเริ่มการคายประจุ ตะกั่วที่มีรูพรุนในแผ่นลบจะถูกออกซิไดซ์เป็นไอออนของตะกั่ว (Pb2+) และเนื่องจากมันสัมผัสกับกรดอิเล็กโทรไลต์ซัลฟิวริกเสมอ มันจึงถูกแปลงเป็นตะกั่วซัลเฟต (PbSO4) หลังถูกฝากไว้เป็นวัสดุสีขาวบนรูพรุน พื้นผิว และรอยแตกของแผ่นลบ ปฏิกิริยาก่อนหน้า (ตะกั่วกลายเป็นไอออนของตะกั่ว) เป็นเคมีไฟฟ้าในธรรมชาติในขณะที่ปฏิกิริยาหลัง (ไอออนของตะกั่วกลายเป็นตะกั่วซัลเฟต) เป็นปฏิกิริยาเคมี
เราบอกว่าตะกั่วละลายเป็นไอออนของตะกั่วในบริเวณใกล้เคียงบริเวณที่เกิดปฏิกิริยาและสะสมเป็นตะกั่วซัลเฟตทันทีหลังจากรวมกับไอออนของไบซัลเฟตจากอิเล็กโทรไลต์บนสารออกฤทธิ์เชิงลบ (NAM) ปฏิกิริยาประเภทนี้เรียกว่ากลไกการละลาย – การสะสมหรือกลไกการตกตะกอน – การตกตะกอนใน ไฟฟ้าเคมี
ในทำนองเดียวกัน วัสดุแอกทีฟเชิงบวก (PAM) จะรวมตัวกับอิเล็กตรอนที่มาจาก NAM และกลายเป็นตะกั่วไอออน ซึ่งรวมกับไอออนของไบซัลเฟตจากอิเล็กโทรไลต์และสะสมเป็นตะกั่วซัลเฟตบนวัสดุแอกทีฟเชิงบวก ตามกลไกการละลายและการสะสมตัวแบบเดียวกัน
ระหว่างการชาร์จ: 2PbSO4 + 2H2O Charge→ PbO2 + Pb + 2H2SO4
ผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาที่ได้จากการคายประจุบนเพลตบวกและลบจะถูกแปลงกลับเป็นวัสดุดั้งเดิมในระหว่างการประจุ ที่นี่ปฏิกิริยามีการกำหนดย้อนกลับไปยังการปลดปล่อย แผ่นขั้วบวกผ่านการออกซิเดชัน ในขณะที่แผ่นขั้วตรงข้ามผ่านการลดลง
การชาร์จที่สมดุล: การชาร์จเต็มจะเสร็จสมบูรณ์เมื่อใด
ให้ถือว่าแบตเตอรี่ได้เสร็จสิ้นการชาร์จตามปกติแล้ว หากเป็นไปตามเงื่อนไขต่อไปนี้:
| พารามิเตอร์ | แบตเตอรี่กรดตะกั่วน้ำท่วม | แบตเตอรี่ตะกั่วกรดแบบควบคุมด้วยวาล์ว (VRLA) |
|---|---|---|
| แรงดันไฟชาร์จ & กระแสไฟ | สมมติว่ามีประจุกระแสคงที่: แรงดันไฟของแบตเตอรี่ที่จุดสิ้นสุดของประจุควรคงที่สำหรับกระแสใดกระแสหนึ่ง ค่าอาจเป็น 16.2 ถึง 16.5v สำหรับแบตเตอรี่ aa 12v | สำหรับแรงดันคงที่ที่น่าประทับใจ (เช่น 13.8v ถึง 14.4v สำหรับแบตเตอรี่ 12v) กระแสไฟควรคงที่เป็นเวลาอย่างน้อยสองชั่วโมง |
| ความถ่วงจำเพาะของอิเล็กโทรไลต์ | ความถ่วงจำเพาะของอิเล็กโทรไลต์ก็ควรจะถึงค่าคงที่เช่นกัน ค่านี้จะขึ้นอยู่กับแบตเตอรี่ที่ชาร์จจนเต็มเมื่อผู้ผลิตจัดหาให้ | ไม่สามารถวัดความถ่วงจำเพาะของอิเล็กโทรไลต์ได้ |
| ลักษณะของก๊าซ | ก๊าซที่สม่ำเสมอและปริมาณมากบนแผ่นทั้งสอง ปริมาตรของก๊าซที่วิวัฒนาการจะเป็น 1:2 เช่นเดียวกับในน้ำ กล่าวคือ ไฮโดรเจน 2 ปริมาตรต่อออกซิเจน 1 ปริมาตร | ที่ระดับของแรงดันการชาร์จที่แนะนำสำหรับ VRLAB จะพบว่ามีก๊าซเพียงเล็กน้อย ที่ประจุลอยตัว 2.25 ถึง 2.3 โวลต์ต่อเซลล์ (Vpc) จะไม่มีการวิวัฒนาการของก๊าซ ที่ 2.3 Vpc, VRLAB ขนาด 12V 100Ah อาจปล่อยแบตเตอรี่ 8 ถึง 11 มล./ชม./12V แต่ที่ 2.4 Vpc จะเป็นสองเท่าของแบตเตอรี่ 18 ถึง 21 มล./ชม./12V (i. pbq VRLA Batteries, มกราคม, 2010. ii. เทคโนโลยี C&D: กระดานข่าวทางเทคนิค 41-6739, 2012) |
Equalizing Charge: การชาร์จที่เท่ากันสำหรับแบตเตอรี่คืออะไร
- แบตเตอรี่กรดตะกั่วที่ประกอบใหม่ต้องมีการเติมและ การชาร์จครั้งแรก
- แบตเตอรี่ที่คายประจุต้อง ชาร์จใหม่ตามปกติ
- โดยปกติแบตเตอรี่ที่เชื่อมต่อกับเครื่องใช้และอุปกรณ์จะไม่ได้ชาร์จจนเต็ม ในแง่ที่ว่าแบตเตอรี่ดังกล่าวไม่ถึงแรงดันไฟฟ้าที่ชาร์จจนเต็มของ> 16V สำหรับแบตเตอรี่ 12V ตัวอย่างเช่น ในแอปพลิเคชัน SLI (การสตาร์ท การส่องสว่าง และการจุดระเบิด) ในรถยนต์ แรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่แบตเตอรี่สามารถรับได้คือประมาณ 14.4 V สำหรับแบตเตอรี่ 12V ในทำนองเดียวกัน แรงดันการชาร์จของอินเวอร์เตอร์/แบตเตอรี่ UPS ไม่เกิน 13.8 ถึง 14.4 V ในการใช้งานดังกล่าว กระบวนการสะสมของตะกั่วซัลเฟตที่ยังไม่ได้แปลงในเพลตทั้งขั้วบวกและขั้วลบจะเพิ่มขึ้นตามอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ที่เพิ่มขึ้น
เหตุผลก็คือค่าของแรงดันไฟฟ้าที่อ้างถึงข้างต้นนั้นไม่เพียงพอต่อการคืนค่าผลิตภัณฑ์ที่ปล่อยออกมาทั้งหมดให้เป็นวัสดุที่ใช้งานดั้งเดิม แบตเตอรี่ดังกล่าวจำเป็นต้องชาร์จเป็นระยะเพื่อให้เซลล์ทั้งหมดมีประจุเต็มและอยู่ในระดับเดียวกัน ซึ่งจะช่วยในการขจัดผลกระทบของการแบ่งชั้นของอิเล็กโทรไลต์ การชาร์จอุปกรณ์พิเศษดังกล่าวเรียกว่าการชาร์จแบบตั้งโต๊ะหรือการชาร์จแบบสมดุล
ข้อสรุปเกี่ยวกับการปรับสมดุลค่าใช้จ่าย:
ค่าปรับ เป็นส่วนหนึ่งของขั้นตอนการบำรุงรักษา แรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่สามารถ ประจุไฟฟ้า ให้เท่ากันได้นั้นขึ้นอยู่กับชนิดของแบตเตอรี่กรดตะกั่ว ไม่ว่าจะเป็นแบบน้ำท่วมหรือประเภท VRLA เซลล์ประเภทเดิมสามารถชาร์จด้วยกระแสไฟคงที่ที่แรงดันไฟฟ้า 16.5 V สำหรับแบตเตอรี่ 12V เพื่อให้เซลล์ทั้งหมดในแบตเตอรี่อยู่ในระดับเดียวกัน
อย่างไรก็ตาม เซลล์ VRLA จะต้องชาร์จด้วยวิธีแรงดันคงที่เท่านั้น และแรงดันไฟฟ้าที่ประทับใจนี้ไม่ควรเกินแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่แนะนำที่ 14.4 V สำหรับแบตเตอรี่ 12V ในกรณีที่ไม่มีสิ่งอำนวยความสะดวกในการชาร์จด้วยแรงดันไฟคงที่ สามารถชาร์จแบตเตอรี่ VRLA ที่กระแสไฟคงที่ด้วยการตรวจสอบแรงดันขั้ว (TV) ของแบตเตอรี่อย่างต่อเนื่อง เมื่อใดก็ตามที่ทีวีอยู่ใกล้หรือเกินระดับ 14.4 V กระแสไฟชาร์จควรลดลงอย่างต่อเนื่องเพื่อไม่ให้ทีวีเกิน 14.4 V
