باتری‌های لید-اسید و پایه نیکل

جعبه‌ی خاطرات ادیسون
موضوع: باتری‌ها
محققین و نویسندگان: علیرضا صف‌شکن، مبینا کریمی، مصطفی بهنام‌فر، عماد ملائی
گویندگان: سید مصطفی ناظمی، آیدین خلقی، مبینا کریمی، محدثه قانعی
اسفند1400

باتری لید - اسید

زمانی که گاستون پلانته باتری سرب - اسید را حدود 160 سال پیش اختراع کرد، فکرش رو نمی‌کرد این باتری‌ها باعث ایجاد یک صنعت چندمیلیارددلاری بشه. هرچند این باتری‌ها چگالی انرژی به‌ظاهر پایینی دارن، ولی از مواد فراوون و ارزون قیمت و الکترولیتی غیر قابل اشتعال بر پایه آب ساخته میشن. الکترولیت آبی به همراه سولفوریک اسید در کنار الکترودهای سربی، ساختار کلی این باتری‌ها رو تشکیل میدن. فرایند شارژ و تخلیه به این صورت انجام میشه که در تخلیه، یون‌های سرب به‌سرعت با اسیدسولفوریک واکنش میدن و ترکیب سرب (II)سولفات به‌صورت نامحلول رسوب میکنه. در طول شارژ سرب (II)سولفات باید به فلز سرب و دی‌اکسید سرب تبدیل بشه که به دلیل حلالیت پایین ترکیب از نظر ترمودینامیکی فرایند سختیه. ریزساختار الکترودهای مثبت و منفی همچنین تغییرات ساختار خوردگی شبکه‌های الکترودی که از سرب خالص و آلیاژهای سرب ساخته شده تاثیر مهمی توی عمر باتری داره، چون حفظ سطح کلی الکترود فرایند شارژ و تخلیه رو تضمین میکنه.

این فناوری در سال 2018، 70% بازار ذخیره انرژی جهانی رو تصاحب کرده بود. باتری‌های لید - اسید در ماژول‌های بدون وقفه، شبکه برق و کاربردهای خودرو از جمله اکثر وسایل نقلیه هیبریدی استفاده میشن. شاید بهترین آینده برای باتری‌های سرب - اسید استفاده اونها در ذخیره‌سازی شبکه برق باشه که پتانسیل خوبی دارن. هزینه پایین تولید و مواد، کاهش نگرانی درمورد وزن باتری، فراوری مواد خام، قابلیت بازیافت و روش ساخت ساده از مزایای این باتری‌ها و دلایل ما برای استفاده بیشتر از اونهاست. تنها نگرانی ما در این مورد مشکلات زیست‌محیطی سربه که با قوانین سختگیرانه، آموزش‌های مناسب و فرایندهای مهندسی، نرخ بازیافت به نزدیک 99% رسیده.

در مقایسه این باتری‌ها با نوع دیگه ای مثل لیتیوم یونی، جایی که چگالی انرژی مهم باشه باتری‌های لیتیوم یون برتری دارن ولی وقتی بحث هزینه به میون میاد، کفه ترازو به سمت لید - اسید سنگینی میکنه؛ تولید اونها از باتری‌های لیتیوم یونی کم‌هزینه تره. در مورد خطرات، باتری‌های لیتیوم یونی به دلیل داشتن ترکیبات خطرناک‌تر و قابل انفجار نسبت به لید اسیدها بازنده رقابت هستن. یکی از مشکلات این باتری‌ها نیاز به چک شدن آب و اسیده که نگهداری اونها رو سخت میکنه.

باتری نیکل - کادمیم

در آخرین سال‌های قرن 19 ام بود که دانشمند سوئدی ویلیام جاگنر، به دنبال باتری جدیدتر از نسل سرب - اسید باتری‌های نیکل کادیم را ساخت. شاید جالب باشه که تا حوالی قرن 20 ام استفاده متعددی از این باتری صورت نمیگرفت. چرا که اولاً اونقدر دستگاه قابل‌حمل برقی ساخته نشده بود دوما باتری‌های نیکل کادمیم قابلیت خوبی از خودشون نشون نمیدادن. با دست‌کاری متعدد دانشمندان در خواص الکترودها و الکترولیت خواص این باتری‌ها تا 70 درصد افزایش پیدا کرد و حوالی دهه 70 میلادی بود که کاربرد اون گسترده شد.

شاید شما یادتون بیاد، یک‌زمان‌هایی وقتی باتری رو از مغازه می‌خریدیم باید به شارژ می‌زدیم تا بتونیم ازش استفاده کنیم. اصلاً لفظ آب‌بندی باتری که توی جامعه هست از همین حرف گرفته شده که مثلاً برای اولین‌بار 8 یا 12 ساعت باتری رو شارژ می‌زدیم تا به‌نوعی در طول عمرش حسن نیتمون رو ثابت کرده باشیم. در واقع این عمل برگرفته پیشینه همین باتری‌ها هست. به‌طورکلی باتری‌های پایه نیکل نیاز به شارژ اولیه زیاد دارند تا بتونند عملکرد بهتری از خودشون نشون بدند. (نکته کنکوری این صحبت اینه که اگر باتری گوشیتون لیتیومی هست نیاز به آب‌بندی یا شارژ بلندمدت اولیه نداره)

و اما خواص این باتری‌ها: باتری نیکل کادمیم عمدتاً از کاتد اکسید نیکل و در آند از فلز کادمیم بهره میبره. همچنین از ترکیبات مثل پتاسیم هیدروکسید به‌صورت محلول به‌عنوان الکترولیت استفاده میشه. این نوع باتری‌ها به دلیل داشتن طول عمر بلندمدت و تعداد سیکل‌های متعدد بازار رو تا حدودی در تسخیر خودشون قرار دادند. این در حالیه که اگر نسبت قیمت الکترودها به تعداد سیکل‌ها رو حساب کنیم، نیکل کادمیوم یکی از به‌صرفه‌ترین باتری‌های حال حاضره. اما باتوجه‌به عملکرد نسبتاً متوسط، با جریان و ولتاژ مداری پایین‌تری از باتری‌های لیتیومی مواجه هستیم.

تا قبل از شیوع باتری‌های لیتیومی، باتری‌های نیکل کادمیم بخش عظیمی از استفاده‌های خانگی و صنعتی رو شامل میشدن. ولی با مزایای زیاد باتری لیتیوم یون جایگاه این باتری‌ها کم‌رنگ‌تر شد. البته باتوجه‌به قیمت کمی که نسبت با لیتیومی ارائه میدن هنوز در بعضی کشورهای نیمه‌صنعتی یا توسعه‌نیافته مورداستفاده قرار میگیرن.

باتری نیکل - متال هیدرید

وجود عناصر سمی مثل سرب، کادمیوم و جیوه در ساختار باتری‌ها یک مشکل همیشگیه. باتری‌های نیکل - متال هیدرید دقیقاً با رفع کردن این مشکل توی دل خیلی‌ها جا بازکردن. ساختار این باتری‌ها شبیه به نوع نیکل - کادمیومی از یک صفحه کاتد از جنس نیکل مثبت یا نیکل اکسی‌هیدروکسید به عنوان ماده فعال و یک الکترولیت آبی هیدروکسید پتاسیم تشکیل شده؛ ولی در نوع آند متفاوتن، ماده فعال آند باتری‌های نیکل - متال هیدرید هیدروژن جذب‌شده در آلیاژ فلزه. آلیاژهای فلزی ذخیره‌کننده هیدروژن دو دسته ان: دسته اول آلیاژهایی بر اساس مخلوط نیکل و منابع فلزی کمیاب و دسته دوم آلیاژهای پایه نیکل که با تیتانیوم، وانادیوم و زیرکونیم مخلوط شدن. آلیاژهای نوع دوم چگالی ذخیره‌سازی انرژی بیشتری دارن اما نوع اول هیدروژن رو بهتر نگه میدارن و این باعث کاهش نرخ خود تخلیه‌شوندگی میشه؛ همچنین، قیمت کمتری دارن و استفاده ازشون راحت‌تره. در کل نوع و کیفیت آلیاژ ذخیره‌ساز هیدروژن در کیفیت باتری تاثیر زیادی داره.

سلول‌های باتری‌های نیکل - متال هیدرید سه نوع دکمه‌ای، استوانه‌ای و منشوری دارن. سلول‌های دکمه‌ای غالباً از الکترودهای پودری فشرده ساخته میشن که به وسیله یک صفحه نیکلی پوشش داده شدن. الکترود مثبت از مخلوط هیدروکسید نیکل، اکسید کبالت و سایر افزودنی‌های فلزی همراه با مواد رسانا مثل گرافیت و پودر نیکل تشکیل شده. الکترود منفی از یک آلیاژ ذخیره ساز هیدروژن نوع اول و مواد افزودنی و چسب ساخته میشه. الکترودهای نسبتاً ضخیم این نوع سلول، باعث محدودیت در عملکردشون شده. با این حال درکنار نرخ خود تخلیه‌شوندگی پایین، تولید ارزوونی هم دارن. سلول‌های استوانه‌ای با الکترودهای نازک، منعطف و مارپیچی ساخته میشن. کاتد این سلول‌ها از نوعی خمیر شامل هیدروکسید نیکل، اکسید کبالت و سایر افزودنی‌ها به‌علاوه یک عامل رسانا تشکیل شده که توی یک بستر فوم نیکل ساخته میشه. این فوم نیکل قیمت بالایی داره پس دانشمندها در حال توسعه راه‌های ساخت سلول بدون استفاده از اون هستن. این نوع سلول عملکرد سریعی داره اما نرخ خود تخلیه‌شوندگی بالای اون یک امتیاز منفی حساب میشه. دلیلش هم ناپایداری الکترود نیکله که با افزودن کبالت باعث بهبود عملکرد باتری میشه. هرچند بیشتر باتری‌های متال‌هیدرید با سلول‌های استوانه‌ای ساخته میشن، اما استفاده از الکترودهای نازک و مسطح در سلول‌های منشوری در حال افزایشه. یکی از زمینه‌های استفاده شون هم در حمل و نقل الکتریکی مثل خودروهای برقی عه.

در مقایسه با سیستم‌های قابل شارژ دیگه، در شاخص انرژی در واحد حجم و انرژی در واحد وزن باتری‌های متال‌هیدرید بهتر از نیکل کادمیم و لید - اسید عمل میکنن. به پشتوانه این دلیل و سازگاری خوب با محیط‌زیست، در بیشتر استفاده‌ها نسبت به نیکل - کادمیم و سرب - اسید اولویت دارن. فقط زمانی که بحث استفاده در اندازه بزرگ باشه، مثل وسایل‌نقلیه، باتری‌های لید-اسید عملکرد بهتری رو نشون میدن.

یکی از فاکتورهای مهم برای پیشرفت یه باتری سهولت بازیافت اونه. باتری‌های نیکل - متال هیدرید در ابعاد فیزیکی شبیه نیکل کادمیوم‌ان پس باهم جمع‌آوری میشن. هرچند این باتری‌ها کادمیم ندارن ولی محتوای فلزات سنگین رو دارن پس ریختن اونها در زباله سوز و یا دفن کردنشون کار درستی نیست. جداسازی‌های مکانیزه بر اساس چگالی برای نیکل - کادمیم و متال هیدرید سخته، چونکه چگالی نزدیکی دارن، پس یه جورایی باتری‌های نیکل - کادمیم و نیکل - متال هیدرید باهم بازیافت میشن.