الألواح الأنبوبية: البطارية الأنبوبية الطويلة مقابل البطارية المسطحة
1. ما هي بطارية لوحة أنبوبي
مقدمة عن البطاريات
هناك عدة أنواع من مصادر الطاقة الكهروكيميائية (المعروفة أيضًا باسم الخلايا الجلفانية أو الخلايا الفولتية أو البطاريات). تعرف البطارية بأنها جهاز كهروكيميائي يحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية والعكس صحيح. يأتي موضوع البطارية تحت الكيمياء الكهربية ، والتي يتم تعريفها ببساطة على أنها الموضوع الذي يتعامل مع التحويل البيني للطاقة الكيميائية والطاقة الكهربائية. سنناقش في هذه المقالة بمزيد من التفصيل حول الألواح الأنبوبية والصفيحة شبه الأنبوبية.
تنتج هذه الخلايا طاقة كهربائية عن طريق تفاعلات الأكسدة التلقائية (تفاعلات الأكسدة والاختزال) التي تتضمن المواد الكيميائية الموجودة في الأقطاب الموجبة والسالبة والكهارل ، والتي تحدث في كل قطب كهربائي ، تسمى نصف خلية. تتحول الطاقة الكيميائية في المواد الفعالة إلى طاقة كهربائية. تمر الإلكترونات الناتجة في تفاعل الاختزال عبر الدائرة الخارجية التي تربط نصف الخلايا ، وبالتالي تنتج تيارًا كهربائيًا. يحدث تفاعل الأكسدة عن طريق إطلاق الإلكترونات من مادة الأنود (معظمها معادن) ويحدث تفاعل الاختزال عندما تصل الإلكترونات إلى الكاثود (معظمها أكاسيد ، كلوريدات ، أكسجين ، إلخ) عبر الدائرة الخارجية. تكتمل الدائرة عن طريق المنحل بالكهرباء.
نظام بطارية الرصاص الحمضية:
عندما يتم إغلاق الدائرة الخارجية ، تبدأ الإلكترونات في الانتقال من القطب السالب نتيجة التفاعل الذي يحول (يؤكسد كهربائيًا) الرصاص (Pb) إلى أيونات الرصاص ثنائية التكافؤ (Pb2 +). (تتفاعل الأيونات الأخيرة مع جزيئات الكبريتات لتكوين كبريتات الرصاص (PbSO4) داخل الخلية). تنتقل هذه الإلكترونات عبر الدائرة الخارجية وتصل إلى اللوحة الموجبة حيث تقوم بتحويل ثاني أكسيد الرصاص إلى كبريتات الرصاص ، أي أن ثاني أكسيد الرصاص يتم اختزاله كهربائيًا إلى كبريتات الرصاص نتيجة تحويل أيونات Pb4 + إلى أيونات PbSO4.
تكنولوجيا بطارية اللوح الأنبوبي
يتم كتابة التفاعل الكلي للخلية على النحو التالي:
شحن PbO2 + Pb + 2PbSO4 ↔ تفريغ 2PbSO4 + 2H2O
يمكننا أن نرى أن تكافؤ الرصاص (Pb ° ) يزداد إلى Pb 2+ ، بإطلاق 2 إلكترون أثناء التفريغ. هذه الزيادة في التكافؤ تسمى الأكسدة في المصطلحات الكهروكيميائية.
في الاتجاه الآخر ، يتم تقليل تكافؤ الرصاص في ثاني أكسيد الرصاص (يحتوي الرصاص على 4 تكافؤ في ثاني أكسيد الرصاص) إلى 2 +
عن طريق امتصاص الإلكترونين القادمين من تفاعل الأكسدة. يسمى هذا الانخفاض في التكافؤ انخفاض في المصطلحات الكهروكيميائية.
يمكن أيضًا وصف هذه المصطلحات من خلال التغييرات في إمكانات القطب الفردية للخلية أثناء التفريغ. تزداد إمكانية (جهد) قطب الرصاص (الأنود أثناء التفريغ) بالانتقال إلى قيم أكثر إيجابية أثناء التفريغ. هذه الزيادة في القيمة المحتملة تسمى الأكسدة. وهكذا تتغير قدرة اللوحة السلبية للرصاص في خلية حمض الرصاص من حوالي -0.35 إلى حوالي -0.20 فولت. هذه زيادة في الإمكانات. لذلك يسمى هذا التفاعل بطبيعته أنوديك.
على العكس من ذلك ، تقل إمكانات قطب ثاني أكسيد الرصاص (الكاثود أثناء التفريغ) من خلال التحرك نحو الجانب السلبي ، أي أن القيمة تصبح أقل وأقل مع استمرار التفريغ. تتغير القدرة الموجبة للوحة لثاني أكسيد الرصاص في خلية حمض الرصاص من حوالي 1.69 إلى حوالي 1.5 فولت. هذا هو انخفاض في الإمكانات. لذلك يسمى هذا التفاعل كاثوديًا بطبيعته ونقول إن الاختزال يحدث على صفيحة موجبة أثناء التفريغ.
تنشأ هذه التخفيضات في جهد العمل أثناء التفريغ بسبب ما يسمى الاستقطاب ، الناجم عن مزيج من الجهد الزائد ، η ، والمقاومة الداخلية ، والتي تحدث على كلا القطبين. يُقال ببساطة ، الجهد الزائد هو الفرق في OCV وجهود التشغيل.
وهكذا ، أثناء التفريغ ، E disch = EOCV – ηPOS – ηNEG – IR.
ولكن ، بالنسبة لتفاعل الشحن ، E Ch = EOCV + ηPOS + NEG + IR.
يشير IR إلى المقاومة الداخلية التي توفرها المواد داخل الخلية مثل المنحل بالكهرباء والمواد الفعالة وما إلى ذلك. تعتمد الأشعة تحت الحمراء على تصميم الخلية ، أي الفاصل المستخدم ، والخطوة بين الألواح ، والمعلمات الداخلية للمادة النشطة (حجم الجسيمات ، ومساحة السطح ، والمسامية ، وما إلى ذلك) ، ودرجة الحرارة وكمية PbSO4 في المادة الفعالة. يمكن تقديمه كمجموع للعديد من المقاومة التي يقدمها الرصاص العلوي والكتلة النشطة وطبقة التآكل والإلكتروليت والفاصل واستقطاب المواد الفعالة.
تتأثر العوامل الثلاثة الأولى بتصميم الخلية. لا يمكن الإدلاء ببيان عام حول قيم الاستقطاب ، ولكنه عادة ما يكون بنفس حجم المقاومة الأولية التي تقدمها الصدارة العليا. تحتوي اللوحات الأطول على المزيد من الأشعة تحت الحمراء. يمكن تحديده من منحدر الجزء الأولي من منحنى التفريغ. لنفس التصميم ، سيكون للخلية ذات السعة الأعلى مقاومة داخلية أقل. تبلغ المقاومة الداخلية لـ 12V / 28Ah VRLAB 6 متر مكعب ، بينما تبلغ المقاومة الداخلية للبطارية ذات السعة المنخفضة (12 فولت / 7 أمبير) من 20 إلى 23 متر مكعب.
عند قيم منخفضة جدًا ، تأخذ العلاقة بين η والتيار ، I ، شكل قانون أوم ويتم تبسيط المعادلات المشار إليها أعلاه
Edisch = EOCV – IR.
ECh = EOCV + IR.
تتناول المناقشة أعلاه تفاعل تصريف خلية حمض الرصاص.
تحدث الظواهر المعاكسة أثناء تفاعل الشحن لخلية حمض الرصاص.
في حالة البطاريات الأولية ، يُطلق على القطب الموجب عادةً اسم الكاثود بينما يسمى القطب السالب بالقطب الموجب ، وهذا لا لبس فيه نظرًا لأن التفريغ يحدث فقط.
وبالتالي فإن قطب الرصاص الذي يعمل كأنود يتصرف كقطب كاثود أثناء تفاعل الشحن وقطب ثنائي أكسيد الرصاص الذي يعمل كقطب كاثود يتصرف الآن كقطب موجب. لتجنب الغموض ، نستخدم أقطابًا كهربائية موجبة وسالبة أو لوحات في الخلايا الثانوية.
لتوضيح كيفية عمل ذلك في الممارسة العملية ، يوضح الشكل التالي بعض المنحنيات الافتراضية لتفريغ وشحن بطارية الرصاص الحمضية.
من الواضح أن جهد التفريغ العملي يقع تحت جهد الدائرة المفتوحة البالغ 2.05 فولت ، وأن جهد الشحن العملي يقع فوق هذه القيمة. الانحراف عن η هو مقياس للتأثير المشترك للمقاومة الداخلية للخلية وخسائر الاستقطاب. عندما يتم رفع تيار التفريغ أو الشحن ، تصبح قيمة η أكبر ، وفقًا للمعادلات المذكورة أعلاه.
الشكل 2 التغيرات في جهد الألواح والخلية أثناء مثال تفريغ الشحنة المأخوذة هي خلية حمض الرصاص
لتلخيص ردود الفعل:
الرصاص ، المادة الفعالة السلبية:
أثناء التفريغ: Pb → Pb2 + + 2e-
أثناء الشحن: Pb2 + → Pb (أي PbSO4 → Pb)
ثاني أكسيد الرصاص ، المادة الفعالة الإيجابية:
أثناء التفريغ: Pb4 + → Pb2 + (PbO2 → PbSO4)
أثناء الشحن: Pb2 + → PbO2 (أي PbSO4 → PbO2)
نظرًا لأنه يتم تحويل كل من مادتي القطب إلى كبريتات الرصاص ، فقد تم تسمية هذا التفاعل باسم “نظرية الكبريتات المزدوجة” بواسطة Gladstone and Tribe في عام 1882.
تصنيف البطاريات
اعتمادًا على طبيعة التفاعلات الكهروكيميائية التي تحدث في هذه الخلايا ، يمكن تصنيفها إلى
- البطاريات الأساسية
- ثانوي (أو بطارية تخزين أو تراكم)
- خلايا الوقود
في البداية ، من الأفضل فهم الاختلافات بين هذه الأنواع. في البطارية الأولية ، يكون التفاعل الكهروكيميائي لا رجوع فيه ، في حين أن الخلايا الثانوية معروفة بإمكانية عكس تفاعلها. خلية الوقود هي أيضًا خلية أولية ، ولكن الاختلاف بين خلية الوقود والخلية الأولية هو أن المواد المتفاعلة تُحفظ خارج حاوية الخلية ، بينما في الخلية الأولية توجد المواد المتفاعلة داخل الخلية.
- في الخلايا الأولية (على سبيل المثال ، خلايا أكسيد الفضة والزنك المستخدمة في ساعات اليد ، وخلايا MnO2- Zn المستخدمة في مشاعل الفلاش وأجهزة التحكم عن بعد لوحدات التيار المتردد ، وأجهزة التلفزيون ، إلخ) تندرج في هذه الفئة ، في هذه الخلايا ، يمكن أن تستمر التفاعلات فقط في اتجاه واحد ولا يمكننا عكس التفاعل بتمرير الكهرباء في الاتجاه المعاكس.
- على العكس من ذلك ، فإن النداءات الثانوية معروفة بإمكانية عكسها للتفاعلات المنتجة للطاقة. بعد التفريغ ، إذا مررنا تيارًا مباشرًا في الاتجاه المعاكس ، يتم تجديد المواد المتفاعلة الأصلية من نواتج التفاعل. ومن الأمثلة على هذا النوع من البطاريات بطارية الرصاص الحمضية ، وبطارية Li-ion ، وبطارية Ni-Cd (في الواقع بطارية NiOOH-Cd) ، وبطارية Ni-Fe ، وبطارية Ni-MH ، لذكر البطاريات الثانوية الأكثر شيوعًا.
- لتوضيح مفهوم الانعكاس ، يتم تحويل كل من ثاني أكسيد الرصاص (PbO2) في القطب الموجب (يسمى عادةً “الصفائح”) والرصاص (Pb) في اللوحة السلبية لخلية حمض الرصاص ، إلى كبريتات الرصاص (PbSO4) عند كليهما تتفاعل المواد مع المنحل بالكهرباء ، ويخفف حمض الكبريتيك ، أثناء تفاعل إنتاج الطاقة. ويمثله علماء الكيمياء الكهربية على النحو التالي:
- شحن PbO2 + Pb + 2PbSO4 ↔ تفريغ 2PbSO4 + 2H2O
- خلية الوقود هي أيضًا خلية أولية ، ولكن يتم تغذية المواد المتفاعلة من الخارج. القطب الكهربي لخلية الوقود خامل من حيث أنه لا يتم استهلاكه أثناء تفاعل الخلية ، ولكنه يساعد ببساطة في التوصيل الإلكتروني وله تأثيرات تحفيزية كهربائية. تسمح الخصائص الأخيرة بالاختزال الكهربائي أو الأكسدة الكهربائية للمواد المتفاعلة (المواد الفعالة).
- عادةً ما تكون المواد الفعالة للأنود المستخدمة في خلايا الوقود عبارة عن وقود غازي أو سائل مثل الهيدروجين والميثانول والهيدروكربونات والغاز الطبيعي (تسمى المواد الغنية بالهيدروجين بالوقود) والتي يتم تغذيتها في جانب الأنود لخلية الوقود. نظرًا لأن هذه المواد تشبه الوقود التقليدي المستخدم في المحركات الحرارية ، فقد أثبت مصطلح “خلية الوقود” نفسه لوصف هذا النوع من الخلايا. الأكسجين ، غالبًا ما يكون الهواء ، هو العامل المؤكسد السائد ويتم تغذيته في القطب السالب.
خلايا الوقود
من الناحية النظرية ، يمكن لخلية وقود H2 / O2 أن تنتج 1.23 فولت في الظروف المحيطة.
التفاعل هو: H2 + ½ O2 → H2O أو 2H2 + O2 → 2H2O E ° = 1.23 V
من الناحية العملية ، تنتج خلايا الوقود مخرجات جهد مفيدة بعيدة كل البعد عن الجهد النظري البالغ 1.23 فولت ونتيجة لذلك ، تعمل خلايا الوقود بشكل عام بين 0.5 و 0.9 فولت. ويشار إلى الخسائر أو الانخفاضات في الجهد من القيمة النظرية على أنها “الاستقطاب” ، وهو المصطلح والظاهرة التي تنطبق على جميع البطاريات بدرجات مختلفة.
بطارية الرصاص الحمضية
في إنتاج بطاريات الرصاص الحمضية ، يتم استخدام مجموعة متنوعة من الأقطاب الكهربائية الموجبة (أو كما يطلق عليها عادةً “الألواح”):
هم انهم:
أ. لوحة مسطحة أو لوحة شبكية أو لوحة لصق أو من النوع الشبكي أو لوحة Fauré (سمك 1.3 إلى 4.0 مم)
ب. ألواح أنبوبية (القطر الداخلي من 4.9 إلى 7.5 مم)
ج. ألواح بلانتيه (من 6 إلى 10 مم)
د. لوحات مخروطية
ه. ألواح لفائف الهلام (0.6 إلى 0.9 مم)
F. صفائح ثنائية القطب
- من بين هؤلاء النوع الأول المسطح هو الأكثر استخدامًا ؛ على الرغم من قدرتها على توفير تيارات ثقيلة لفترة قصيرة (على سبيل المثال ، بدء تشغيل سيارة أو مجموعة DG) ، إلا أنها تتمتع بعمر أقصر. هنا ، يتم تعبئة نوع شبكي من مجمعات التيار المستطيلة بعجينة مصنوعة من خليط من أكسيد الرصاص والماء وحمض الكبريتيك ، وتجفيفها وتشكيلها بعناية. يتم تصنيع كل من الألواح الموجبة والسالبة بنفس الطريقة ، باستثناء الفرق في المواد المضافة. نظرًا لكونها رقيقة ، فإن البطاريات المصنوعة من هذه الألواح يمكن أن توفر تيارات عالية جدًا مطلوبة لبدء تشغيل السيارة. متوسط العمر المتوقع هو 4 إلى 5 سنوات في مثل هذا التطبيق. قبل ظهور ترتيب المولد المعدل ، كانت الحياة أقصر.
- الألواح الأنبوبية: النوع التالي الأكثر استخدامًا من الألواح هو الصفيحة الأنبوبية التي تتمتع بعمر أطول ، ولكن لا يمكنها توفير تيار من التيار كما هو الحال في نوع البطاريات المسطحة. نناقش اللوحات الأنبوبية بالتفصيل أدناه.
- لحياة طويلة مع متطلبات الموثوقية الأكثر صرامة في أماكن مثل محطات الطاقة ومبادلات الهاتف ، نوع خلية حمض الرصاص المفضل هو نوع بلانتي. تبلغ سماكة مادة البداية للوحة الأنبوبية حوالي 6-10 مم من صب صفائح الرصاص عالية النقاء مع العديد من التصفيح الرأسية الرقيقة. يتم تعزيز مساحة السطح الأساسية للوحة الأنبوبية بشكل كبير من خلال البناء الرقائقي ، مما ينتج عنه مساحة سطح فعالة تبلغ 12 ضعف مساحتها الهندسية.
- الصفيحة المخروطية هي عبارة عن شبكات من الرصاص النقي على شكل دائري من النوع الشبكي (مقوسة بزاوية 10 درجات) ، صفائح مكدسة أفقيًا واحدة فوق الأخرى ومصنوعة من الرصاص النقي. تم تطوير هذا من قبل شركة Bell Telephone Laboratories ، الولايات المتحدة الأمريكية.
- ألواح جيلي رول عبارة عن ألواح شبكية رفيعة ومستمرة مصنوعة من سبيكة قصدير منخفضة الرصاص بسماكة 0.6 إلى 0.9 مم مما يسهل معدلات عالية. يتم لصق الألواح بأكاسيد الرصاص ، مفصولة بساط زجاجي ماص ، ويتم لفها حلزونيًا لتشكيل عنصر الخلية الأساسي.
- صفائح ثنائية القطب: تحتوي هذه الألواح على لوح موصّل مركزي مصنوع إما من المعدن أو من البوليمر الموصّل ولها مادة نشطة موجبة على جانب واحد ومادة سالبة على الجانب الآخر. يتم تكديس هذه الألواح بطريقة تجعل المواد النشطة ذات القطبية المعاكسة تواجه بعضها البعض مع فاصل بينهما. ، للحصول على الجهد المطلوب.
- هنا يتم التخلص من الاتصال المنفصل بين الخلايا ، وبالتالي تقليل المقاومة الداخلية. وتجدر الإشارة إلى أن الألواح المتطرفة في البطارية ثنائية القطب تكون دائمًا من النوع أحادي القطب ، سواء كانت موجبة أو سالبة
2. الاختلافات - البطارية الأنبوبية مقابل البطارية المسطحة
بطاريات اللوح المسطح مخصصة للتيار العالي والتفريغ قصير المدى كما هو الحال في بطاريات بدء تشغيل السيارات ومجموعة DG. عادة ما يكون لها عمر من 4 إلى 5 سنوات ونهاية العمر ترجع أساسًا إلى تآكل الشبكات الإيجابية ، مما يؤدي إلى فقدان الاتصال بين الشبكة والمواد الفعالة والسفك اللاحق.
أيهما أفضل بطارية أنبوبية أم مسطحة؟
تتميز الألواح الأنبوبية بالمتانة ، ومن ثم فإن عمرها الافتراضي يتراوح من 10 إلى 15 عامًا في عملية الطفو. كما أنها مناسبة للخدمة الدورية وتوفر أعلى دورة حياة. يتم احتواء المادة الفعالة في الفراغ الحلقي بين العمود الفقري وحامل الأكسيد. هذا يقيد الإجهاد بسبب تغيرات الحجم التي تحدث عندما يتم تدوير الخلايا.
تعود نهاية الحياة مرة أخرى إلى تآكل العمود الفقري وفقدان الاتصال بين العمود الفقري والمادة النشطة. ومع ذلك ، يتم تقليل منطقة التلامس بين العمود الفقري والكتلة النشطة في مثل هذا البناء ، وبالتالي تحت مصارف التيار الثقيل ، ينتج عن كثافة التيار الأعلى تسخين موضعي يؤدي إلى تمزق الأنابيب وتشقق طبقة التآكل.
تتمتع خلايا بلانتيه بأطول عمر ، لكن السعة ضعيفة مقارنة بالأنواع الأخرى. لكن هذه الخلايا توفر أعلى موثوقية وأطول عمر تعويم. تكلفتها أعلى أيضًا ، ولكن إذا تم تقديرها على مدار العمر ، فهي في الواقع أقل مقارنة بخلايا النوع الثابت الأخرى. والسبب في إطالة العمر هو أن سطح اللوحة الموجبة يتجدد باستمرار دون أي خسارة في السعة تقريبًا على مدار عمرها الافتراضي.
تم تصميم خلايا الألواح المخروطية خصيصًا من قبل شركة Lucent Technologies (المعروفة سابقًا باسم AT&T Bell Laboratories) لعمر طويل جدًا لأكثر من 30 عامًا. تشير بيانات التآكل الأخيرة التي تبلغ 23 عامًا إلى عمر من 68 إلى 69 عامًا لمثل هذه البطاريات.
تصميم لفة الهلام يفسح المجال للإنتاج الضخم بسبب الخصائص الميكانيكية والكهربائية الممتازة. يمكن أن تحافظ بنية جيلي رول (الأقطاب الكهربائية الحلزونية) في حاوية أسطوانية على ضغوط داخلية أعلى دون تشوه ويمكن تصميمها بحيث يكون لها ضغط تحرير أعلى
من الخلايا المنشورية. ويرجع ذلك إلى استخدام حاوية معدنية خارجية لمنع تشوه العلب البلاستيكية عند درجات الحرارة المرتفعة وضغط الخلية الداخلي. قد يصل نطاق ضغوط التنفيس إلى 170 كيلو باسكال إلى 275 كيلو باسكال (25 إلى 40 رطل لكل بوصة مربعة »1.7 إلى 2.75 بار) لخلية مغلفة بالمعادن وملفوفة حلزونيًا إلى 7 كيلو باسكال إلى 14 كيلو باسكال (1 إلى 2 رطل لكل بوصة مربعة» 0.07 إلى 0.14 بار) لبطارية موشورية كبيرة.
بطاريات ثنائية القطب
في تصميم الصفيحة ثنائية القطب ، توجد مادة مركزية موصلة إلكترونيًا (إما صفيحة معدنية أو صفيحة بوليمر موصلة) على أحد جانبيها مادة نشطة موجبة والآخر مادة نشطة سالبة. هنا يتم التخلص من الاتصال المنفصل بين الخلايا ، وبالتالي تقليل المقاومة الداخلية. وتجدر الإشارة إلى أن الصفائح المتطرفة في الخلايا الطرفية ثنائية القطب تكون دائمًا من النوع أحادي القطب ، سواء كانت موجبة أو سالبة.
هذه البطاريات لها
- طاقة نوعية أعلى وكثافة طاقة أعلى (أي 40٪ حجم أقل أو 60٪ حجم بطارية حمض الرصاص العادية ، 30٪ وزن أقل أو 70٪ كتلة بطاريات حمض الرصاص العادية.
- ضاعف دورة الحياة
- هناك حاجة إلى نصف كمية الرصاص ويتم أيضًا تقليل المواد الأخرى.
3. لماذا البطارية الأنبوبية؟
تُستخدم البطاريات ذات الألواح الأنبوبية بشكل أساسي عندما تكون هناك حاجة لعمر طويل بسعة أعلى. يتم استخدامها بشكل أساسي في التطبيقات الاحتياطية في بدالات الهاتف والمصانع الكبيرة لشاحنات مناولة المواد والجرارات ومركبات التعدين ، وإلى حد ما ، عربات الغولف.
في الوقت الحاضر ، توجد هذه البطاريات في كل مكان في كل منزل لتطبيقات العاكس UPS.
يتم استخدام لوحات من النوع الطويل جدًا (يصل ارتفاعها إلى متر واحد أو أكثر) في البطاريات الغواصة لتوفير الطاقة عند غمر الغواصة. يوفر قوة صامتة. القدرات تتراوح من 5000 إلى 22000 آه. تحتوي الخلايا الغواصة على مضخات هواء يتم إدخالها فيها لإبطال التقسيم الطبقي الحمضي للكهارل لخلايا بطول 1 إلى 1.4 متر.
تُستخدم بطاريات الرصاص الحمضية المُنظَّمة بصمام المنحل بالكهرباء الهلامية على نطاق واسع في أنظمة الطاقة غير المتجددة مثل التطبيقات الشمسية.
تجد بطاريات EV ذات الألواح الرقيقة للشاحنات الصغيرة والحافلات تطبيقات في مجال المركبات الكهربائية وهي قادرة على تقديم 800 إلى 1500 دورة اعتمادًا على سمك العمود الفقري والطاقة المحددة.
يوضح الجدول التالي العلاقة بين سمك العمود الفقري ، وخطوة اللوح ، وكثافة المنحل بالكهرباء ، والطاقة المحددة ، وعدد دورات الحياة.
| قطر الأنبوب مم -> | 7.5 | 6.1 | 4.9 |
|---|---|---|---|
| كثافة المنحل بالكهرباء (كجم / لتر) | 1.280 | 1.300 | 1.320 |
| عدد الأشواك | 19 | 24 | 30 |
| الملعب لوحة أنبوبي | 15.9 | 13.5 | 11.4 |
| سمك العمود الفقري | 3.2 | 2.3 | 1.85 |
| طاقة محددة (Wh لكل كجم) بمعدل 5 ساعات | 28 | 36 | 40 |
| دورة الحياة | 1500 | 1000 | 800 |
المرجع: KD Merz، J. Power Sources، 73 (1998) 146-151.
4. كيف تصنع لوحة بطارية أنبوبي؟
أكياس أنبوبي
تم إنشاء الصفيحة الأنبوبية المبكرة باستخدام حلقات فردية بواسطة Phillipart وتم الإبلاغ عن استخدام الأكياس الأنبوبية بواسطة Woodward في 1890-1900 وتم تطوير استخدام الأنابيب المطاطية المشقوقة (Exide Ironclad) بواسطة Smith في عام 1910.
تم تطبيق تجميع الأنابيب الفردية على العمود الفقري في وقت سابق وكانت هذه عملية أبطأ من إدخال شبكة كاملة في تصميم متعدد الأنابيب. علاوة على ذلك ، فإن الترابط المادي بين الأنابيب الفردية للأنبوب المتعدد يعطي صلابة أكبر أثناء تشغيل الوحدة للحشو. يتم التخلص من انحناء العمود الفقري بسبب الحركة الجانبية. هذه هي الأسباب التي تجعل مصنعي البطاريات يفضلون استخدام القفازات متعددة الأنابيب أكياس PT.
تحضير الأنبوب. في الوقت الحاضر ، يتم إنتاج الأنابيب المتعددة أو أكياس PT (القفازات) من زجاج مقاوم كيميائيًا أو ألياف عضوية (بوليستر ، بولي بروبيلين ، أكريلونيتريل كوبوليمرات ، إلخ) عن طريق النسج أو التضفير أو التلبيد.
في الأيام الأولى للأنابيب المتعددة ، تم استخدام قماش منسوج أفقيًا في خيوط من البوليمر المشترك من كلوريد الفينيل وخلات الفينيل. تم تمرير طبقتين من القماش على جانبي صف من المشكلين الأسطواني (مغزل) وكان التماس بين المشكلين المتجاورين ملحومًا بالحرارة.
لكن أسيتات الفينيل تحطمت لتطلق حمض الأسيتيك الذي أدى بدوره إلى تآكل العمود الفقري وفشل البطارية قبل الأوان. علاوة على ذلك ، يجب التحكم في الختم الحراري وتحديد أبعاده. إذا تم تجاوز ضغط الختم الحد ، فإن اللحامات كانت ضعيفة وسرعان ما تنفصل الطبقات في الخدمة. على العكس من ذلك ، إذا كان ضغط الختم ثقيلًا جدًا ، فإن الختم كان جيدًا ولكن التماس الفعلي كان رقيقًا وسرعان ما انفصل في الخدمة.
في حين أن هذا لم يسبب مشكلة خطيرة في الخدمة ، كان هناك ميل للدرز للانفصال أثناء العمليات الأولية للمناولة والتعبئة وكان مركز الصفيحة الأنبوبية يميل إلى الانحناء ، مما تسبب في مشاكل في عمليات الوحدة التالية ، على سبيل المثال ، في بعض الأحيان كانت هناك صعوبة في إدخال اللوحة في حاوية الخلية بسبب الصفائح كبيرة الحجم.
تمت تجربة طرق مختلفة لاستبدال الختم الحراري ، مثل تقنية النسيج المركب التي تم فيها نسج الأنابيب في عملية واحدة مع تقاطع الشعيرات بين الأنابيب لتشكيل خط اللحام المتكامل. تستخدم الأنابيب المتعددة المودم الختم الحراري أو الخياطة باستخدام خيوط بوليستر منسوجة في أقمشة أو أقمشة بوليستر غير منسوجة.
تكمن جاذبية الأقمشة غير المنسوجة في حقيقة أن تكلفة التصنيع أقل بسبب انخفاض تكلفة المواد الأساسية من خلال التخلص من عملية النسيج. ومع ذلك ، لتحقيق نفس الترتيب لقوة الانفجار ، يجب أن يكون الأنبوب غير المنسوج أكثر سمكًا من نظيره المنسوج. هذا يقلل من حجم عمل المنحل بالكهرباء (بسبب الحجم الأكبر لمواد الأنبوب غير المنسوجة). يتم أيضًا تقليل حجم المادة النشطة داخل الأنبوب ، مما يؤدي بدوره إلى تقليل قدرة الخلية بشكل هامشي.
يمكن تصنيع الألواح الأنبوبية الممتازة إما بأنابيب فردية أو متعددة الأنابيب المتوفرة
والغزل المستخدم في صناعة الأنابيب هو الذي لا يفسد بسهولة في الخدمة. تلبي كل من خيوط الزجاج والبوليستر المصممة خصيصًا هذا المطلب.
تكون بطاريات الألواح الأنبوبية ثابتة في التطبيق أو في المخزون الدارجة ، وعادة ما تكون مشحونة بالعوامة بجهد من 2.2 إلى 2.30 فولت لكل خلية ، اعتمادًا على الثقل النوعي للإلكتروليت. ومن الأمثلة على ذلك بطاريات العاكس / UPS الشائعة وبطاريات الهاتف وإضاءة القطار وخلايا تكييف الهواء (خلايا TL & AC).
آلة تعبئة اللوح الأنبوبي
في الصفيحة الأنبوبية ، يتم توصيل سلسلة من الأشواك ذات السماكة المناسبة المصبوبة من سبيكة الرصاص بقضيب ناقل علوي ، إما يدويًا أو باستخدام آلة الصب بالضغط. يتم إدخال العمود الفقري في أكياس أنبوبية ويتم ملء الفراغ بين العمود الفقري وحقيبة PT (وتسمى أيضًا حامل الأكسيد) إما بأكسيد جاف أو معجون متغير الانسيابية. يتم الاحتفاظ بالأشواك في موضع مركزي بواسطة نتوء يشبه النجمة يتم توفيره في العمود الفقري. تصنع أكياس PT بشكل ثابت من ألياف البوليستر المنسوجة أو الملبدة. يتم بعد ذلك تخليل الألواح الأنبوبية المعدة على هذا النحو ، ومعالجتها / تجفيفها وتشكيلها إما في الخزان أو في جرة بكثافة إلكتروليت مناسبة.
يمكن أن يكون لأكسيد التعبئة أي تركيبة: فقط أكسيد رمادي وأكسيد رمادي ورصاص أحمر (ويسمى أيضًا “مينيوم”) بنسب متفاوتة.
تتمثل فائدة وجود الرصاص الأحمر في المزيج الإيجابي في تقليل وقت التكوين بشكل متناسب مع النسبة المئوية للرصاص الأحمر الذي يحتوي عليه. وذلك لأن الرصاص الأحمر يحتوي بالفعل على حوالي ثلث ثاني أكسيد الرصاص ، والباقي هو أول أكسيد الرصاص. أي أن الرصاص الأحمر Pb3O4 = 2PbO + PbO2.
بالتناوب ، يمكن تجميع الألواح الأنبوبية المملوءة مباشرة ، بعد إزالة جزيئات الأكسيد السائبة الملتصقة بالأنابيب بالخارج ، في الخلايا والبطاريات وتشكيل الجرة.
يتم تصنيع اللوحة السلبية كالمعتاد باتباع ممارسات تصنيع الألواح المسطحة. الموسعات هي نفسها ، ولكن كمية “blanc fixe” تكون أكثر مقارنةً بمعجون السيارات. يتم معالجة الألواح الأنبوبية في أفران المعالجة لمدة 2 إلى 3 أيام تقريبًا ، بعد مرورها عبر نفق تجفيف يتم تسخينه بواسطة الكهرباء أو الغاز لإزالة الرطوبة السطحية ، بحيث لا تلتصق الألواح ببعضها البعض أثناء عمليات المعالجة اللاحقة.
ينشأ الاختلاف في الثقل النوعي للملء الأولي للحمض للمخلل وغير المخلل من حقيقة أن الأول يحتوي على المزيد من الأحماض وبالتالي يتم اختيار ثقل نوعي أقل للبطاريات ذات الألواح الأنبوبية المخللة ، وعادة ما تكون أقل بحوالي 20 نقطة. الجاذبية النوعية النهائية للإلكتروليت هي 1.240 ± 0.010 عند 27 درجة مئوية.
كلما زادت الثقل النوعي للإلكتروليت ، زادت السعة التي يمكن الحصول عليها من هذه البطاريات ، لكن العمر سيتأثر سلبًا.
أو يمكن تشكيل الألواح الأنبوبية في الخزان وتجفيفها وتجميعها وشحنها كالمعتاد.
5. أنواع مختلفة من الصفيحة الأنبوبية
يستخدم معظم مصنعي البطاريات أنابيب أسطوانية لصنع الألواح والبطاريات الأنبوبية. حتى في هذا الصدد ، قد يختلف قطر الأنابيب وبالتالي قطر العمود الفقري من حوالي 8 مم إلى 4.5 مم.
ومع ذلك ، قد تكون الأنابيب أيضًا بيضاوية أو مسطحة أو مربعة أو مستطيلة الشكل. الهيكل الأساسي هو نفس الألواح الأنبوبية الأسطوانية السابقة (كما هو موضح أعلاه).
7. مزايا استخدام الألواح الأنبوبية
تتميز الألواح الأنبوبية بعمرها الطويل بسبب عدم وجود ذرف للمواد الفعالة. يتم الاحتفاظ بالمادة الفعالة بواسطة الكيس الأنبوبي ، وبالتالي يمكن استخدام كثافة تعبئة أقل لتعظيم معامل الاستخدام. يمكن أن تساعد المسامية العالية الناتجة أيضًا في استخدام مواد أكثر نشاطًا في عملية إنتاج الطاقة. كلما زاد سمك العمود الفقري ، زادت دورات الحياة التي يمكن الحصول عليها من هذه الصفائح الأنبوبية.
يتراوح عدد دورات الحياة بين 1000 إلى 2000 دورة حسب سماكة الألواح. كلما زادت سماكة الصفيحة الأنبوبية ، زاد عدد الدورات التي يقدمونها. يقال أن الألواح الأنبوبية يمكن أن تقدم ضعف عدد دورات الحياة عند مقارنتها بصفيحة مسطحة من نفس السماكة.
8. كيف يتم تحسين عمر البطارية باستخدام الألواح الاسطوانية؟
كما نوقش أعلاه ، فإن عمر بطارية اللوحة الأنبوبية أعلى من عمر البطاريات المسطحة. تصف الجمل التالية أسباب العمر المتوقع الأطول لبطاريات الألواح الأنبوبية. الأهم من ذلك ، أن المادة الفعالة يتم تثبيتها بقوة بواسطة أنابيب حامل الأكسيد ، وبالتالي تمنع تساقط المواد ، وهو السبب الرئيسي لفشل البطاريات. أيضًا ، بمرور الوقت ، تحصل العمود الفقري على غطاء واق من ثاني أكسيد الرصاص مما يساعد في تقليل معدل تآكل العمود الفقري. التآكل هو ببساطة تحويل العمود الفقري من سبيكة الرصاص إلى ثاني أكسيد الرصاص.
من الناحية الديناميكية الحرارية ، يكون الرصاص وسبائك الرصاص غير مستقرتين في ظل إمكانات أنودية عالية تزيد عن 1.7 إلى 2.0 فولت وتحت الغلاف الجوي المسبب للتآكل لحمض الكبريتيك يميل إلى التآكل وتحويله إلى PbO2.
عندما تكون الخلية في حالة شحن بجهد كهربائي بعيدًا عن جهد الدائرة المفتوحة (OCV) على الجانب الأعلى ، يتطور الأكسجين نتيجة لتفكك الماء بالكهرباء ويتطور الأكسجين على سطح الصفائح الأنبوبية الموجبة وله لتنتشر في العمود الفقري من أجل تآكله. نظرًا لوجود طبقة سميكة من المادة الفعالة الإيجابية (PAM) تحيط بالأشواك ، يجب أن ينتقل الأكسجين من السطح لمسافة طويلة وبالتالي ينخفض معدل التآكل. هذا يساعد في إطالة عمر خلايا الصفائح الأنبوبية.
9. ما تطبيقات البطارية التي يجب أن تستخدم بشكل مثالي ألواح البطارية الأنبوبية؟
تُستخدم الألواح الأنبوبية بشكل أساسي للبطاريات عالية السعة ذات الدورة الطويلة مثل مركبات النقل الصناعية الداخلية (الرافعات الشوكية والسيارات الكهربائية وما إلى ذلك). يتم استخدامه أيضًا في بطارية OPzS لتطبيقات تخزين الطاقة مثل نظام تخزين طاقة البطارية (BESS) ، حيث قد تصل سعة الخلايا إلى 11000 أمبير في الساعة ومن 200 إلى 500 كيلو واط في الساعة وتصل إلى 20 ميجاوات في الساعة.
التطبيقات النموذجية لـ BESS هي حلاقة الذروة ، والتحكم في التردد ، واحتياطي الدوران ، وتسوية الحمل ، وطاقة الطوارئ ، إلخ.
في الوقت الحاضر ، تمتلك كل أسرة في بعض البلدان بطارية لوحة أنبوبية واحدة على الأقل لتطبيقات العاكس UPS. ناهيك عن بعض المؤسسات التجارية ، على سبيل المثال ، مراكز التصفح ، حيث يلزم توفير إمدادات مستمرة من الطاقة.
في الآونة الأخيرة ، يتم استخدام بطاريات الرصاص الحمضية التي يتم تنظيمها بصمام أنبوبي الشكل على نطاق واسع في أنظمة الطاقة غير المتجددة مثل تطبيقات الطاقة الشمسية. هنا النوع المبلل هو الأنسب.
يمكن للمركبات الكهربائية التي تتطلب 800 دورة مع 40 واط / كغ من الطاقة المحددة أن تستخدم أفضل بطاريات EV الأنبوبية الرقيقة. نطاق السعة المتاح هو 200Ah إلى 1000Ah بمعدل 5 ساعات.
10. الميزات التقنية الهامة للبطارية لوحة أنبوبي
الميزة التقنية الأكثر أهمية للبطارية ذات اللوحة الأنبوبية هي قدرتها على الاحتفاظ بالمواد النشطة طوال العمر المتوقع دون حدوث عملية التخلص في المسار الطبيعي وبالتالي وضع الأساس لحياة طويلة.
تتمتع البطاريات التي تستخدم هذه الألواح بعمر طويل من 15 إلى 20 عامًا في التطبيقات الثابتة في ظل ظروف الشحن العائم ، مثل بدالات الهاتف وتخزين الطاقة. بالنسبة للعمليات الدورية (مثل بطاريات الجر) ، يمكن أن توفر البطاريات في أي مكان من 800 إلى 1500 دورة اعتمادًا على ناتج الطاقة لكل دورة. كلما انخفض إنتاج الطاقة لكل دورة ، كلما زاد العمر الافتراضي.
الألواح الأنبوبية هي الأنسب للتطبيقات الشمسية في إصدار منظم بصمام بالكهرباء الهلامية مع عدم وجود مشكلة في التقسيم الطبقي في المنحل بالكهرباء. نظرًا لأنها لا تتطلب تعبئة دورية بالمياه المعتمدة ، وبما أنه لا توجد غازات بغيضة تنبعث من هذه الخلايا ، فهي مناسبة بشكل كبير للتطبيقات الشمسية.
11. الخلاصة
من بين مصادر الطاقة الكهروكيميائية المستخدمة في الوقت الحاضر ، تفوق بطارية الرصاص الحمضية جميع الأنظمة الأخرى التي يتم النظر فيها بشكل فردي. في بطارية الرصاص الحمضية ، تقود بطاريات السيارات الموجودة في كل مكان الفريق. بعد ذلك تأتي البطارية الصناعية ذات اللوح الأنبوبي. تتراوح طاقات بطاريات السيارات بين 33 و 180 آه ، كلها في حاويات أحادية الكتلة ، لكن النوع الآخر تبلغ سعته 45 إلى آلاف آه.
يتم تجميع بطاريات الألواح الأنبوبية ذات السعة الصغيرة (حتى 200 أمبير في الساعة) في كتل أحادية وخلايا 2 فولت ذات سعة كبيرة في حاويات فردية ومتصلة في سلسلة وترتيبات متوازية. تُستخدم البطاريات ذات الألواح الأنبوبية ذات السعة الكبيرة كمصادر طاقة ثابتة في مقسم الهاتف ، ومؤسسات تخزين الطاقة وما إلى ذلك. لبطاريات الجر العديد من التطبيقات مثل شاحنات مناولة المواد ، والرافعات الشوكية ، وعربات الجولف ، إلخ.
