แบตเตอรี่กรดตะกั่ว: การทำงานการก่อสร้างและการชาร์จ / การคายประจุ

อุปกรณ์พกพาและมือถือเกือบทุกชนิดประกอบด้วยแบตเตอรี่ แบตเตอรี่เป็นอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลที่จัดเก็บพลังงานไว้เพื่อให้จ่ายไฟได้ทุกเมื่อที่ต้องการ มีแบตเตอรี่ประเภทต่างๆที่มีอยู่ในโลกอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่นี้โดยทั่วไปแล้วแบตเตอรี่ตะกั่วกรดมักใช้สำหรับแหล่งจ่ายไฟสูง โดยปกติแบตเตอรี่ Lead Acid จะมีขนาดที่ใหญ่กว่าด้วยโครงสร้างที่แข็งและหนักสามารถกักเก็บพลังงานได้สูงและโดยทั่วไปจะใช้ในรถยนต์และอินเวอร์เตอร์

แม้ว่าจะมีการแข่งขันกับแบตเตอรี่ Li-ion แต่ความต้องการแบตเตอรี่ตะกั่วกรดก็เพิ่มขึ้นทุกวันเนื่องจากมีราคาถูกกว่าและง่ายต่อการจัดการเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ Li-ion ตามการวิจัยตลาดตลาดแบตเตอรี่ตะกั่วกรดของอินเดียคาดว่าจะเติบโตที่ CAGR กว่า 9% ในช่วงปี 2018-24 ดังนั้นจึงมีความต้องการของตลาดอย่างมากในด้านระบบอัตโนมัติยานยนต์และเครื่องใช้ไฟฟ้า แม้ว่ารถยนต์ไฟฟ้าส่วนใหญ่จะมาพร้อมกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน แต่ก็ยังมีรถสองล้อไฟฟ้าจำนวนมากที่ใช้ตะกั่วกรดแบตเตอรีในการขับเคลื่อนรถ

ในบทช่วยสอนก่อนหน้านี้เราได้เรียนรู้เกี่ยวกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่นี่เราจะเข้าใจการทำงานการสร้างและการใช้งานของแบตเตอรี่กรดตะกั่ว นอกจากนี้เรายังจะได้เรียนรู้เกี่ยวกับการให้คะแนนการชาร์จ / การคายประจุข้อกำหนดและความปลอดภัยของแบตเตอรี่กรดตะกั่ว

การสร้างแบตเตอรี่ตะกั่วกรด

แบตเตอรี่ตะกั่วกรดคืออะไร? ถ้าเราทำลายชื่อแบตเตอรี่ตะกั่วกรดเราจะได้รับตะกั่วกรดและแบตเตอรี่ตะกั่วเป็นองค์ประกอบทางเคมี (สัญลักษณ์คือ Pb และเลขอะตอมคือ 82) เป็นองค์ประกอบที่อ่อนนุ่มและอ่อนตัวได้ เรารู้ว่ากรดคืออะไร มันสามารถบริจาคโปรตอนหรือรับคู่อิเล็กตรอนเมื่อมันทำปฏิกิริยา ดังนั้นแบตเตอรี่ซึ่งประกอบด้วยตะกั่วและกรดพลูมบิกที่ปราศจากน้ำ (บางครั้งเรียกผิดว่าเป็นตะกั่วเปอร์ออกไซด์) จึงเรียกว่าแบตเตอรี่กรดตะกั่ว

ตอนนี้การก่อสร้างภายในเป็นอย่างไร?

แบตเตอรี่ตะกั่วกรดประกอบด้วยสิ่งต่างๆดังต่อไปนี้เราสามารถดูได้ในภาพด้านล่าง:

ตะกั่วกรดแบตเตอรี่ประกอบด้วยแผ่นแยกและอิเล็กโทรไลพลาสติกแข็งกับกรณียางแข็ง

ในแบตเตอรี่จานมีสองประเภทคือบวกและลบ ค่าบวกประกอบด้วยตะกั่วไดออกไซด์และค่าลบประกอบด้วยตะกั่วฟองน้ำ แผ่นทั้งสองนี้แยกออกจากกันโดยใช้ตัวคั่นซึ่งเป็นวัสดุฉนวน โครงสร้างทั้งหมดนี้ถูกเก็บไว้ในกล่องพลาสติกแข็งที่มีอิเล็กโทรไลต์ อิเล็กโทรไลน้ำและกรดซัลฟูริก

กล่องพลาสติกแข็งเป็นเซลล์เดียว ที่เก็บเซลล์เดียวโดยทั่วไปคือ 2.1V ด้วยเหตุนี้แบตเตอรี่ตะกั่วกรด 12V จึงประกอบด้วย 6 เซลล์และโดยทั่วไปจะมี 6 x 2.1V / Cell = 12.6V

ตอนนี้ความจุที่เก็บประจุคืออะไร?

ขึ้นอยู่กับวัสดุที่ใช้งาน (ปริมาณอิเล็กโทรไลต์) และขนาดของเพลท คุณอาจจะได้เห็นว่าความจุแบตเตอรี่ลิเธียมอธิบายไว้ในมิลลิแอมป์หรือคะแนน milliamp ชั่วโมง แต่ในกรณีของแบตเตอรี่ตะกั่วกรดที่มันเป็นแอมป์ชั่วโมงเราจะอธิบายสิ่งนี้ในส่วนต่อไป

การทำงานของแบตเตอรี่กรดตะกั่ว

การทำงานของแบตเตอรี่ตะกั่วกรดเป็นเรื่องเกี่ยวกับเคมีและเป็นเรื่องที่น่าสนใจมากที่จะรู้เกี่ยวกับเรื่องนี้ มีกระบวนการทางเคมีจำนวนมากที่เกี่ยวข้องกับสภาพการชาร์จและการคายประจุของแบตเตอรี่ตะกั่วกรด กรดซัลฟิวริกที่เจือจาง H ₂ SO ₄โมเลกุลจะแตกออกเป็นสองส่วนเมื่อกรดละลาย มันจะสร้างไอออนบวก 2H + และไอออนลบ SO ₄ - อย่างที่เราบอกไปก่อนหน้านี้อิเล็กโทรดสองตัวเชื่อมต่อกันเป็นเพลตแอโนดและแคโทด แอโนดจับไอออนลบและแคโทดดึงดูดไอออนบวก พันธะนี้ในแอโนดและ SO ₄ - และแคโทดที่มีอิเล็กตรอนแลกเปลี่ยน 2H + และซึ่งจะทำปฏิกิริยากับ H2O หรือกับน้ำต่อไป (กรดซัลฟิวริกเจือจางกรดซัลฟิวริก + น้ำ)

แบตเตอรี่มีสองรัฐของการเกิดปฏิกิริยาเคมีในการชาร์จและการปฏิบัติ

ตะกั่วกรดแบตเตอรี่ชาร์จ

ดังที่เราทราบในการชาร์จแบตเตอรี่เราจำเป็นต้องให้แรงดันไฟฟ้าที่มากกว่าแรงดันไฟฟ้าขั้ว ดังนั้นในการชาร์จแบตเตอรี่ 12.6V สามารถใช้ 13V ได้

แต่จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อเราชาร์จแบตเตอรี่ตะกั่วกรด?

ปฏิกิริยาเคมีเดียวกันกับที่เราอธิบายไว้ก่อนหน้านี้ โดยเฉพาะเมื่อเชื่อมต่อแบตเตอรี่กับเครื่องชาร์จโมเลกุลของกรดซัลฟิวริกจะแตกออกเป็นสองไอออนไอออนบวก 2H + และไอออนลบ SO ₄ - ไฮโดรเจนแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนกับแคโทดและกลายเป็นไฮโดรเจนไฮโดรเจนนี้ทำปฏิกิริยากับ PbSO ₄ในแคโทดและสร้างกรดซัลฟิวริก (H ₂ SO ₄) และตะกั่ว (Pb) บนมืออื่น ๆ, SO ₄ - อิเล็กตรอนแลกเปลี่ยนกับขั้วบวกและกลายเป็นอนุมูลอิสระ4 SO _{4 นี้}ทำปฏิกิริยากับ PbSO ₄ของแอโนดและสร้างตะกั่วเปอร์ออกไซด์ PbO ₂และกรดซัลฟิวริก (H ₂ SO ₄). พลังงานจะถูกกักเก็บโดยการเพิ่มแรงโน้มถ่วงของกรดซัลฟิวริกและเพิ่มแรงดันไฟฟ้าที่มีศักยภาพของเซลล์

ตามที่อธิบายไว้ข้างต้นปฏิกิริยาทางเคมีต่อไปนี้เกิดขึ้นที่แอโนดและแคโทดในระหว่างกระบวนการชาร์จ

ที่แคโทด

PbSO ₄ + 2e ^- => Pb + ดังนั้น₄ ^2-

ที่ขั้วบวก

PbSO ₄ + 2H ₂ O => PbO ₂ + ดังนั้น₄ ^2- + 4H ^- + 2e ^-

เมื่อรวมสองสมการข้างต้นปฏิกิริยาเคมีโดยรวมจะเป็น

2PbSO ₄ + 2H ₂ O => PbO ₂ + Pb + 2H ₂ SO ₄

มีหลายวิธีที่ใช้ในการชาร์จแบตเตอรี่ตะกั่วกรด แต่ละวิธีสามารถใช้สำหรับแบตเตอรี่ตะกั่วกรดเฉพาะสำหรับการใช้งานเฉพาะ แอพพลิเคชั่นบางตัวใช้วิธีการชาร์จด้วยแรงดันคงที่แอพพลิเคชั่นบางตัวใช้วิธีกระแสคงที่ในขณะที่การชาร์จแบบจี้ยังมีประโยชน์ในบางกรณี โดยปกติผู้ผลิตแบตเตอรี่จะมีวิธีการชาร์จแบตเตอรี่ตะกั่วกรดเฉพาะที่เหมาะสมชาร์จกระแสคงไม่ได้มักจะใช้ในการชาร์จตะกั่วกรดแบตเตอรี่

วิธีการชาร์จโดยทั่วไปที่ใช้ในแบตเตอรี่กรดตะกั่วคือวิธีการชาร์จด้วยแรงดันไฟฟ้าคงที่ซึ่งเป็นกระบวนการที่มีประสิทธิภาพในแง่ของเวลาในการชาร์จ ในรอบการชาร์จเต็มแรงดันประจุจะคงที่และกระแสจะค่อยๆลดลงตามระดับการชาร์จแบตเตอรี่ที่เพิ่มขึ้น

ตะกั่วกรดแบตเตอรี่ออก

การปล่อยแบตเตอรี่ตะกั่วกรดมีส่วนเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาทางเคมีอีกครั้ง กรดซัลฟิวริกอยู่ในรูปแบบเจือจางโดยทั่วไปอัตราส่วน 3: 1 กับน้ำและกรดซัลฟิวริก เมื่อโหลดเชื่อมต่อกันบนเพลตกรดซัลฟิวริกจะแตกตัวเป็นไอออนบวก 2H + และไอออนลบ SO ₄อีกครั้ง ไอออนของไฮโดรเจนทำปฏิกิริยากับ PbO ₂และทำให้ PbO และน้ำ H ₂ O PbO เริ่มทำปฏิกิริยากับ H ₂ SO ₄และสร้าง PbSO ₄และ H ₂ O

ในอีกด้านหนึ่ง SO ₄ - ไอออนแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนจาก Pb สร้างอนุมูล SO ₄ซึ่งจะสร้าง PbSO ₄ทำปฏิกิริยากับ Pb

ดังที่อธิบายไว้ข้างต้นปฏิกิริยาทางเคมีต่อไปนี้เกิดขึ้นที่ Anode และ Cathode ในระหว่างกระบวนการคายประจุ ปฏิกิริยาเหล่านี้ตรงข้ามกับปฏิกิริยาการชาร์จ:

ที่แคโทด

Pb + ดังนั้น₄ ^2- => PbSO ₄ + 2e ^-

ที่ขั้วบวก:

PbO ₂ + ดังนั้น₄ ^2- + 4H ^- + 2e ^- => PbSO ₄ + 2H ₂ O

เมื่อรวมสองสมการข้างต้นปฏิกิริยาเคมีโดยรวมจะเป็น

PbO ₂ + Pb + 2H ₂ SO ₄ => 2PbSO ₄ + 2H ₂ O

เนื่องจากการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนระหว่างขั้วบวกและแคโทดทำให้สมดุลของอิเล็กตรอนบนแผ่นเปลือกโลกได้รับผลกระทบ จากนั้นอิเล็กตรอนจะไหลผ่านโหลดและแบตเตอรี่จะถูกคายประจุ

ในระหว่างการปลดปล่อยนี้แรงโน้มถ่วงของกรดซัลฟิวริกที่เจือจางจะลดลง นอกจากนี้ในเวลาเดียวกันความต่างศักย์ของเซลล์ก็ลดลง

ปัจจัยความเสี่ยงและการให้คะแนนทางไฟฟ้า

แบตเตอรี่ตะกั่วกรดเป็นอันตรายหากไม่ได้รับการดูแลอย่างปลอดภัย เนื่องจากแบตเตอรี่สร้างก๊าซไฮโดรเจนในระหว่างกระบวนการทางเคมีจึงเป็นอันตรายอย่างมากหากไม่ใช้ในบริเวณที่อากาศถ่ายเท นอกจากนี้การชาร์จที่ไม่ถูกต้องจะทำให้แบตเตอรี่เสียหายอย่างรุนแรง

การจัดอันดับมาตรฐานของแบตเตอรี่ตะกั่วกรดคืออะไร?

แบตเตอรี่ตะกั่วกรดทุกก้อนมีแผ่นข้อมูลสำหรับกระแสประจุมาตรฐานและกระแสไฟที่ปล่อยออกมา โดยทั่วไปแบตเตอรี่ตะกั่วกรด 12V ที่ใช้ได้กับการใช้งานยานยนต์อาจอยู่ในช่วงตั้งแต่ 100Ah ถึง 350Ah การให้คะแนนนี้ถูกกำหนดให้เป็นคะแนนการปลดปล่อยโดยมีช่วงเวลา 8 ชั่วโมง

ยกตัวอย่างเช่นแบตเตอรี่ 160Ah สามารถให้ 20A ของอุปทานในปัจจุบันเพื่อโหลด 8 ชั่วโมงของช่วง เราสามารถดึงกระแสได้มากขึ้น แต่ไม่แนะนำให้ทำเช่นนั้น การดึงกระแสไฟฟ้ามากกว่ากระแสสูงสุดในช่วง 8 ชั่วโมงจะทำให้ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่เสียหายและความต้านทานภายในของแบตเตอรี่อาจเปลี่ยนแปลงได้ซึ่งจะทำให้อุณหภูมิของแบตเตอรี่เพิ่มขึ้น

ในทางกลับกันในระหว่างขั้นตอนการชาร์จเราควรระมัดระวังเกี่ยวกับขั้วของเครื่องชาร์จควรเชื่อมต่อกับขั้วแบตเตอรี่อย่างถูกต้อง การกลับขั้วเป็นอันตรายต่อการชาร์จแบตเตอรี่ตะกั่วกรด เครื่องชาร์จสำเร็จรูปมาพร้อมกับแรงดันไฟฟ้าในการชาร์จและเครื่องวัดกระแสไฟฟ้าพร้อมตัวเลือกการควบคุม เราควรให้แรงดันไฟฟ้ามากกว่าแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่เพื่อชาร์จแบตเตอรี่ กระแสไฟฟ้าสูงสุดควรเท่ากับกระแสจ่ายสูงสุดที่อัตราการคายประจุ 8 ชั่วโมง หากเราใช้ตัวอย่าง 12V 160Ah เดียวกันดังนั้นกระแสไฟฟ้าสูงสุดคือ 20A ดังนั้นกระแสไฟชาร์จที่ปลอดภัยสูงสุดคือ 20A

เราไม่ควรเพิ่มหรือให้กระแสชาร์จมากเพราะจะทำให้เกิดความร้อนและการสร้างก๊าซเพิ่มขึ้น

กฎการบำรุงรักษาแบตเตอรี่ตะกั่วกรด

1. การรดน้ำเป็นคุณสมบัติการบำรุงรักษาที่ถูกละเลยมากที่สุดของแบตเตอรี่ตะกั่วกรดที่ถูกน้ำท่วม เนื่องจากการเติมน้ำมากเกินไปทำให้น้ำลดลงเราจำเป็นต้องตรวจสอบบ่อยๆ น้ำน้อยลงทำให้เกิดการออกซิเดชั่นในเพลตและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลดลง เติมน้ำกลั่นหรือไอออไนซ์เมื่อจำเป็น
2. ตรวจสอบช่องระบายอากาศพวกเขาจำเป็นต้องได้รับการปิดผนึกด้วยฝายางบ่อยครั้งที่หมวกยางยึดกับรูแน่นเกินไป
3. ชาร์จแบตเตอรี่ตะกั่วกรดใหม่ทุกครั้งหลังการใช้งาน ระยะเวลานานโดยไม่ต้องชาร์จใหม่จะทำให้เกิดซัลเฟตในจาน
4. อย่าแช่แข็งแบตเตอรี่หรือชาร์จแบตเตอรี่มากกว่า 49 องศาเซนติเกรด ในแบตเตอรี่ที่เย็นโดยรอบจะต้องชาร์จให้เต็มเนื่องจากแบตเตอรี่ที่ชาร์จจนเต็มปลอดภัยกว่าแบตเตอรี่ที่หมดเมื่อเทียบกับการแช่แข็ง
5. อย่าปล่อยแบตเตอรี่ให้ลึกน้อยกว่า 1.7V ต่อเซลล์
6. ในการจัดเก็บแบตเตอรี่กรดตะกั่วจำเป็นต้องชาร์จจนหมดจากนั้นจึงต้องระบายอิเล็กโทรไลต์ออก จากนั้นแบตเตอรี่จะแห้งและสามารถเก็บไว้ได้เป็นเวลานาน