۸ دلیل اصلی که منجر به خرابی باتری سرب-اسید می‌شوند
خرابی باتری‌های سرب-اسیدی را می‌توان به عوامل مختلفی از جمله ولکانیزاسیون، از دست دادن آب، فرار حرارتی، ریزش مواد فعال، نرم شدن صفحه و غیره نسبت داد. در بخش‌های بعدی، هر یک از این عوامل را به صورت جداگانه معرفی و تحلیل خواهیم کرد.
-
ولکانیزاسیون در باتری
فرآیند شارژ و دشارژ باتری‌های سرب-اسیدی شامل یک واکنش الکتروشیمیایی است. سولفات سرب در هنگام تخلیه تولید می‌شود و در هنگام شارژ، سولفات سرب به اکسید سرب احیا می‌شود.
در حالی که این فرآیند الکتروشیمیایی معمولاً برگشت‌پذیر است، سولفات سرب تمایل به کریستالیزه شدن دارد. هنگامی که غلظت سولفات سرب در محلول الکترولیتی باتری خیلی زیاد باشد یا زمان بیکاری استاتیک طولانی شود، خوشه‌ها و کریستال‌های کوچک تشکیل می‌دهد.
این کریستال‌های کوچک سولفات سرب اطراف را جذب می‌کنند و کریستال‌های بزرگ بی‌اثر را تشکیل می‌دهند که چرخه برگشت‌پذیر اصلی را مختل می‌کند و منجر به سولفات سرب برگشت‌ناپذیر می‌شود. اگر محلول خیلی زیاد باشد یا زمان بیکاری استاتیک طولانی شود، خوشه‌ها و کریستال‌های کوچک تشکیل می‌شوند. این کریستال‌های کوچک محلول اطراف را جذب می‌کنند تا شارژ سولفات سرب متبلور شده منجر به عدم احیای آن به اکسید سرب شود. در عوض، روی صفحه شبکه جذب می‌شود.
این امر منجر به کاهش سطح کار صفحه شبکه، اتلاف گرما در باتری سرب-اسید و کاهش ظرفیت باتری می‌شود، پدیده‌ای که به عنوان گوگردزدایی شناخته می‌شود. ولکانیزاسیون همچنین می‌تواند باعث اتصال کوتاه، شل شدن و ریختن مواد فعال، تغییر شکل صفحه شبکه و شکستگی و سایر عوارض شود.
ولکانیزاسیون تا زمانی که باتری‌های سرب-اسید در حال استفاده هستند، یک فرآیند اجتناب‌ناپذیر است. با این حال، باتری‌های سرب-اسید در برخی کاربردها به دلیل محیط کاری نامناسب‌تر برای ولکانیزاسیون، طول عمر بیشتری نسبت به باتری‌های مورد استفاده در دوچرخه‌های برقی دارند.
برخلاف باتری‌های استارت خودرو که پس از احتراق و تخلیه به طور مداوم در حالت شارژ شناور هستند، باتری‌های خودروهای الکتریکی مقدار قابل توجهی سولفات سرب را در حین تخلیه جمع می‌کنند. اگر یک وسیله نقلیه الکتریکی عمیقاً تخلیه شود، غلظت سولفات سرب بالا است و شارژ باتری بلافاصله پس از استفاده چالش برانگیز می‌شود. عدم شارژ به موقع سولفات سرب تخلیه شده منجر به تشکیل کریستال می‌شود.
عمر چرخه باتری‌های سرب-اسید به طور قابل توجهی بر اساس عمق تخلیه متفاوت است. عمق تخلیه عمیق‌تر منجر به چرخه‌های کمتر می‌شود، در حالی که عمق تخلیه کم‌عمق‌تر منجر به چرخه‌های بیشتر می‌شود. نتایج آزمایش رابطه زیر را بین عمق تخلیه و چرخه‌ها نشان می‌دهد:
در طول چرخه‌های جریان بالای مداوم شارژ 70٪ 1C و تخلیه 60٪ 2C در برخی از باتری‌های سرب-اسید، شرایط تولید کریستال‌های بزرگ سولفات سرب از بین می‌رود و آسیب ناشی از ولکانیزاسیون باتری سرب-اسید را کاهش می‌دهد.
با این حال، اگر آزمایش قبل از موعد قطع شود، ممکن است مشکلات مربوط به ولکانیزاسیون باتری سرب-اسید ظاهر شود. به دلیل وزن قابل توجه باتری، برخی از کاربران مرتباً باتری را پس از چندین چرخه استفاده و تخلیه شارژ می‌کنند. عدم شارژ سریع باتری پس از تخلیه می‌تواند منجر به گوگردزدایی شدید باتری سرب-اسید شود.
علاوه بر این، نسبت نسبتاً بالای اسید سولفوریک در باتری‌های سرب-اسید عامل مهمی در گوگردزدایی آنها است. گوگردزدایی توانایی صفحه منفی در گردش اکسیژن را مختل می‌کند و از دست دادن آب را تسریع می‌کند. در نتیجه، نسبت بالاتر اسید سولفوریک در باتری‌های سرب-اسید احتمال ولکانیزاسیون باتری سرب-اسید را افزایش می‌دهد. در حالی که درجه گوگردزدایی ممکن است متفاوت باشد، تأثیر آن بر طول عمر باتری‌های سرب-اسید جهانی است.
۲. کم شدن اسید باتری
یکی از اصول اساسی باتری‌های سرب-اسید مهر و موم شده این است که پس از آزاد شدن اکسیژن از صفحه مثبت، هیدروژن مستقیماً به صفحه منفی منتقل می‌شود و در آنجا به آب تبدیل می‌شود. پارامتری که برای ارزیابی شاخص فنی باتری‌های سرب-اسید استفاده می‌شود، «راندمان واکنش آب‌بندی» نامیده می‌شود و این پدیده «چرخه اکسیژن» نامیده می‌شود. این فرآیند، حداقل اتلاف آب را در باتری‌های سرب-اسید تضمین می‌کند و به وضعیت «بدون نیاز به تعمیر و نگهداری» که در آن نیازی به افزودن آب نیست، دست می‌یابد. با این حال، چرخه اکسیژن باتری‌های سرب-اسید مهر و موم شده در دوچرخه‌های برقی به خطر می‌افتد و منجر به اتلاف قابل توجه آب از باتری می‌شود.
برای دستیابی به شارژ کامل در عرض ۸ ساعت، در طول شارژ سه مرحله‌ای با محدود کردن جریان ولتاژ ثابت، ولتاژ ثابت یک شارژر ۳۶ ولتی روی ۴۴.۴ ولت تنظیم می‌شود. با سه باتری تکی، که هر کدام ۱۸ سلول دارند (معادل ۲.۴۶۶ ولت در هر سلول)، ولتاژ آزاد شدن اکسیژن صفحه مثبت ۲.۳۵ ولت و ولتاژ آزاد شدن هیدروژن صفحه منفی ۲.۴۲ ولت است.
برای کاهش زمان شارژ مشخص شده، برخی از تولیدکنندگان شارژر، جریان را از ولتاژ ثابت به شارژ شناور افزایش داده‌اند. پس از اینکه نشانگر شارژ، شارژ کامل را نشان می‌دهد، ممکن است باتری کاملاً شارژ نشده باشد که این امر با افزایش ولتاژ شارژ شناور جبران می‌شود. در نتیجه، بسیاری از شارژرها ولتاژ شارژ شناور ۲.۳۵ ولت بالاتر از ولتاژ تک شبکه دارند که منجر به ادامه تکامل اکسیژن در طول مرحله شارژ شناور می‌شود. با این حال، چرخه اکسیژن ضعیف باتری‌های سرب-اسید منجر به تخلیه مداوم در طول مرحله شارژ شناور می‌شود. تولیدکنندگان جریان را از ولتاژ ثابت به شارژ شناور افزایش داده‌اند. پس از اینکه نشانگر شارژ، شارژ کامل را نشان می‌دهد، ممکن است باتری کاملاً شارژ نشده باشد که این امر با افزایش ولتاژ شارژ شناور جبران می‌شود. در نتیجه، بسیاری از شارژرها ولتاژ شارژ شناور ۲.۳۵ ولت بالاتر از ولتاژ ثابت دارند که تولیدکنندگان جریان را از ولتاژ ثابت به شارژ شناور افزایش داده‌اند. پس از اینکه نشانگر شارژ، شارژ کامل را نشان می‌دهد، ممکن است باتری کاملاً شارژ نشده باشد که این امر با افزایش ولتاژ شارژ شناور جبران می‌شود. در نتیجه، بسیاری از شارژرها ولتاژ شارژ شناور دارند که تولیدکنندگان جریان را از ولتاژ ثابت به شارژ شناور افزایش داده‌اند. پس از اینکه نشانگر شارژ، شارژ کامل را نشان داد، ممکن است باتری به طور کامل شارژ نشده باشد، که برای جبران آن، تولیدکنندگان جریان را از ولتاژ ثابت به شارژ شناور افزایش داده‌اند. پس از اینکه نشانگر شارژ یک گروه باتری سرب-اسید ۳۶ ولتی از سه سلول تکی تشکیل شده است که هر کدام شش سلول دارند و در مجموع بیش از ۱۵ صفحه شبکه مثبت و منفی در هر سلول دارند. یک گروه باتری حداقل ۲۷۰ اتصال لحیم دارد و اگر حتی یک هزارم این اتصالات معیوب باشد، از هر چهار گروه باتری، یکی رد صلاحیت می‌شود. صفحات سرب-کلسیم، که به دلیل رسوب کلسیم مستعد مشکلات اتصال لحیم هستند، اغلب توسط تولیدکنندگان باتری استفاده می‌شوند. صفحات آلیاژ آنتیموان کم مورد استفاده برای این باتری‌ها ولتاژ تکامل گاز کمتری دارند که منجر به افزایش خروجی هوا و اتلاف آب قابل توجه‌تری می‌شود.
در حالی که وزن مخصوص استاندارد اسید سولفوریک برای باتری‌های سرب-اسید شناور باید بین ۱.۲۱ تا ۱.۲۸ باشد، باتری‌های دوچرخه‌های برقی که برای ظرفیت بالا و تخلیه جریان بالا طراحی شده‌اند، اغلب دارای اسید سولفوریک با وزن مخصوص حدود ۱.۳۶ تا ۱.۳۸ هستند. نسبت بالاتر اسید سولفوریک، گوگردزدایی باتری را تشدید می‌کند و بر توانایی گردش اکسیژن آن تأثیر می‌گذارد و اتلاف آب را تسریع می‌کند. این از دست دادن آب، نسبت بیشتری از اسید سولفوریک را به جا می‌گذارد و باتری سرب-اسیدی را بیشتر مستعد ولکانیزاسیون می‌کند.
بنابراین، گوگردزدایی باعث افزایش از دست دادن آب می‌شود و افزایش از دست دادن آب، به نوبه خود، گوگردزایی را تشدید می‌کند. برای کاربران، اطمینان از آب‌بندی مناسب برای جلوگیری از عواقب غیرقابل تصور ریختن اسید ضروری است. با این حال، ترویج بیش از حد مفهوم «بدون نیاز به تعمیر و نگهداری» در حوزه خودروهای الکتریکی ممکن است نامناسب باشد.
۴. جدا شدن ماده فعال و نرم شدن صفحه الکترود
ماده فعال صفحه مثبت باتری سرب-اسیدی شامل اکسید سرب α-PbO2 و β-PbO2 است. آلفا-PbO2، که سخت و کم ظرفیت است، به شکل سوراخ‌هایی به صفحه الکترود متصل می‌شود تا سطح صفحه الکترود را گسترش داده و پشتیبانی ایجاد کند. بتا-PbO2، که به اسکلت تشکیل شده از PbO2 متصل است، نسبت ظرفیت شارژ بسیار قوی‌تری نسبت به آلفا-PbO2 دارد. سولفات سرب پس از تخلیه اکسید سرب تشکیل می‌شود و در یک محیط اسیدی قوی، β-PbO2 تحت ریزش ماده فعال قرار می‌گیرد در حالی که α-PbO2 ریزش می‌کند.
عوامل متعددی در ریزش مواد فعال نقش دارند:
توزیع ناهموار مواد فعال روی صفحه الکترود به دلیل کشش انبساطی متفاوت در هنگام تخلیه منجر به ریزش می‌شود. دشارژ بیش از حد و ولتاژ پایین باتری سرب-اسیدی، β-PbO2 را کاهش می‌دهد و باعث می‌شود α-PbO2 در واکنش دشارژ شرکت کند و سولفات سرب تولید کند.
کشش انبساطی کریستال‌های سولفیدی که روی صفحه الکترود رشد می‌کنند نیز می‌تواند منجر به ریزش مواد فعال شود.
هنگامی که صفحه مثبت نرم می‌شود، ساختار متخلخل پشتیبان آن از بین می‌رود. ساختار متخلخل فشرده، مساحت واقعی درگیر در واکنش را کاهش می‌دهد و ظرفیت باتری سرب-اسیدی را کاهش می‌دهد. جلوگیری از دشارژ بیش از حد و مهار گوگردزایی، اقدامات حیاتی برای کنترل نرم شدن صفحه مثبت هستند. عمر یک باتری سرب-اسیدی که معمولاً استفاده می‌شود، به نرم شدن صفحه مثبت بدون کم آبی، ولکانیزاسیون و دشارژ بیش از حد بستگی دارد.
5. اتصال کوتاه در باتری
اتصال کوتاه باتری سرب-اسیدی به اتصال گروه‌های قطب مثبت و منفی در داخل باتری اشاره دارد. برای افزایش ظرفیت باتری سرب-اسیدی، تعداد صفحات در باتری‌های خودروهای الکتریکی عموماً افزایش می‌یابد و در نتیجه جداکننده نازک‌تری در مقایسه با سایر باتری‌ها ایجاد می‌شود. کریستال‌های سولفات سرب روی صفحه منفی رشد می‌کنند و پس از شارژ، مقداری سولفات سرب در جداکننده باقی می‌ماند. هنگامی که سولفات سرب در جداکننده به سرب تبدیل می‌شود، باتری سرب-اسید دچار اتصال کوتاه میکرو می‌شود که به عنوان "پل سربی" شناخته می‌شود.
این اتصال کوتاه کوچک باعث ایجاد تأخیر در ولتاژ تک شبکه می‌شود و در موارد شدید، ممکن است اتصال کوتاه تک شبکه رخ دهد. انبساط و ریزش مواد فعال روی صفحه همچنین می‌تواند باعث اتصال صفحات مثبت و منفی شود.
6. عدم تعادل در باتری
در حالی که بسیاری از باتری‌های سرب-اسید در آزمایش‌های جداگانه عملکرد خوبی دارند، باتری‌های سرب-اسید سریالی ممکن است به دلیل خطاهای گروه‌بندی اولیه مانند تفاوت در ظرفیت و ولتاژ مدار باز با چالش‌هایی روبرو شوند. باتری‌هایی با ولتاژ بالاتر ممکن است در حین شارژ آب از دست بدهند، در حالی که باتری‌هایی با ولتاژ پایین‌تر ممکن است کمتر از حد شارژ شوند. این امر منجر به تخلیه بیش از حد در باتری‌هایی با ولتاژ پایین می‌شود و باعث ولکانیزاسیون باتری سرب-اسید می‌شود. با ادامه چرخه شارژ و دشارژ، مونومر سولفوره شده باتری سرب-اسید بیشتر مستعد سولفوریزاسیون است و این اختلاف را افزایش می‌دهد و در نهایت بر عمر کل گروه باتری تأثیر می‌گذارد.
7. عدم توانایی در شارژ باتری
ولتاژ تخلیه ترمینال یک باتری سرب-اسید 12 ولتی 10.5 ولت است. اگر تخلیه اجباری زیر این ولتاژ ترمینال رخ دهد، باتری سرب-اسید احتمال زیادی دارد که ظرفیت شارژ مجدد خود را از دست بدهد. کنترل‌کننده‌های خودروهای الکتریکی معمولاً دارای یک دستگاه محافظ هستند. هنگامی که باتری سرب-اسید به ولتاژ انتهایی می‌رسد، دستگاه محافظ مدار را به زور قطع می‌کند. با این حال، اگر دستگاه محافظ دچار نقص شود یا ولتاژ باتری پس از قطع برق افزایش یابد، ممکن است دستگاه محافظ به درستی تشخیص ندهد.
8. خود تخلیه باتری سرب-اسید باتری
پدیده‌ای که در آن باتری‌های سرب-اسید کاملاً شارژ شده به تدریج در هنگام عدم استفاده، قدرت خود را از دست می‌دهند، خود تخلیه نامیده می‌شود. خود تخلیه اجتناب‌ناپذیر است و در شرایط عادی، میزان تخلیه روزانه نباید از 0.35٪ تا 0.5٪ تجاوز کند. دلایل اصلی تخلیه خود به خودی باتری سرب-اسید عبارتند از:
صفحه الکترود یا الکترولیت حاوی ناخالصی‌هایی است که منجر به ایجاد اختلاف پتانسیل بین ناخالصی‌ها و صفحه الکترود یا بین ناخالصی‌های مختلف می‌شود. این امر باعث ایجاد یک باتری محلی در مدار تشکیل شده توسط الکترولیت می‌شود و جریانی موضعی ایجاد می‌کند که باتری سرب-اسید را تخلیه می‌کند.
دیافراگم آسیب دیده و در نتیجه اتصال کوتاه بین صفحات مثبت و منفی ایجاد می‌شود.
الکترولیت یا آب روی سطح پوسته باتری سرب-اسید به عنوان یک رسانا بین قطب‌ها عمل می‌کند و باعث تخلیه باتری سرب-اسید می‌شود.
ریزش بیش از حد مواد فعال، با رسوب بعدی در پایین باتری، منجر به اتصال کوتاه صفحه الکترود و تخلیه می‌شود.
