رأيت عن طريق الخطأ
مقالًا يحتوي على تعليقات عليه ، وبالتالي بدأ الغضب بداخلي يغلي حول جهل الأشخاص في مجال البطاريات الحمضية (الرصاص في عامة الناس) التي لم أستطع تحملها وقررت الكتابة إلى "المهوسون" (كما اتضح ، لا يكفي شراء هاتف باهظ الثمن) مقالة قصيرة عن البطاريات. مع النظر في تلك الأخطاء التي تزعج عيني باستمرار وتسبب رغبة صحيحة في تصحيحها.
لنبدأ بالاسم. كثيرا ما أرى أن الأحرف الثلاثة AK تطالب بكل شيء يمكن شحنه ، أي بطارية على الإطلاق. خاصة ثلاثة أحرف يحب الناس استدعاء البطاريات مثل Li-ion. في الواقع ، البطارية هي اختصار لبطارية حمض قابلة للشحن. إنها تعني نوع واحد فقط من البطاريات - حمض الرصاص. من وجهة النظر الحديثة ، يسبب هذا الاسم بعض التنافر المعرفي ، لأنه في الوقت الحالي معنى كلمة "بطارية" ، أي تحولت خلية كلفانية لا يمكن شحنها إلى كلمة "بطارية". وتبين كما لو كانت كلمة "قابلة لإعادة الشحن" بطارية يمكن شحنها ، وبسبب كلمة "بطارية" فهي مثل بطارية لا يمكن شحنها. في الواقع ، البطارية هي مجرد دائرة من الخلايا الجلفانية ومع كلمة "بطارية" لها جذر مشترك فقط.
بعد ذلك ، ننتقل إلى بعض الأساطير ، وهي الأسطورة الرئيسية - بطارية السيارة لديها بعض الاختلافات الكبيرة عن بطارية UPS. ولا يمكنك استخدامها هناك وهناك.
من وجهة نظر كيميائية ، أي بطارية هي
نفسها تمامًا . كيف يتم ترتيبها؟ لفترة وجيزة جدًا - إذا كانت البطارية مشحونة ، فإن قطبًا واحدًا هو عبارة عن صريف رصاص مع لصق PbO
2 المطبق عليه ، والثاني هو نفس صريف مع معجون إسفنجي للرصاص. المنحل بالكهرباء هو محلول حمض الكبريتيك. أثناء التفريغ ،
يتم تقليل PbO
2 ، والتفاعل مع حمض الكبريتيك ، يشكل PbSO
4 . يؤدي الرصاص على القطب الآخر المؤكسد ويشكل مرة أخرى PbSO
4 . في نهاية التفريغ ، لدينا صفائح شعرية مليئة بكبريتات الرصاص (أكثر أو أقل). عندما يتم شحن البطارية ، يتم التحليل الكهربائي ويتشكل الرصاص والرصاص المعدني مرة أخرى من كبريتات الرصاص. بالطبع ، يجب التأكيد هنا على أن الأقطاب الكهربائية ليست متساوية ولا يجب الخلط بين قطبيتها. حتى في مرحلة الإنتاج ، يتم إضافة إضافات مناسبة لطلاء القطب الكهربائي لتحسين خصائصها التشغيلية. علاوة على ذلك ، فإن الإضافات المفيدة لقطب كهربائي ضارة لآخر. في العصور القديمة جدًا ، في مكان ما في بداية القرن الماضي ، في ظروف البطاريات البسيطة ، ربما كان من الممكن عكس البطارية عن طريق الخطأ أو لبعض الأغراض ، وقد عملت لبعض الوقت بعد ذلك. أنه صحيح الآن ، أشك في ذلك.
هناك 6 خلايا كهذه في بطارية 12 فولت ، و 3 خلايا في بطارية 6 فولت. الخ. يضلل الكثير من الناس بقيمة الجهد على البطاريات. علاوة على ذلك ، فإن قيم الجهد الاسمي والشحنة والتفريغ. من ناحية ، تسمى البطاريات 12V (و 6 V ، 24V لديها أيضًا ، في رأيي ، حتى 4V تحدث أحيانًا) ، ولكن في حالة نفس البطاريات لـ UPS ، تشير الشركة المصنعة إلى جهد فوق 13.5V.
على سبيل المثال:
هنا نرى أنه في الوضع القسري يمكن أن يكون جهد
الشحن يصل إلى 15 فولت.
سيشرح منحنى الجهد على البطارية كل شيء:
على اليسار نرى الجهد للبطارية من 12 خلية (اسمية 24 فولت) ، 6 (اسمية 12V) ، والأكثر فائدة ، لخلية واحدة. لوحظت أيضًا مناطق الفولتية غير المرغوب فيها أثناء التفريغ / الشحن. من المنحنى يمكننا أن نستنتج:
1 الجهد 12 فولت ، 24 فولت ، إلخ. هي اسمية وتظهر فقط عدد الخلايا الجلفانية (عن طريق القسمة على اثنين) في البطارية. هذا مجرد اسم للراحة.
2 يمكن أن يصل جهد الشحن إلى 2.5 فولت / خلية ، وهو ما يتوافق مع 15 فولت لبطارية 12 فولت.
3 يعتبر جهد البطارية المشحونة مقبولًا بقيمة 2.1-2.2 فولت / خلية ، وهو ما يتوافق مع 12.6-13.2 فولت للبطارية 12V.
نظريًا ، يمكن شحن البطارية حتى 2.4 فولت / خلية أو حتى أعلى قليلاً ، ومع ذلك ، فإن هذا الشحن سيؤثر سلبًا على كل من حالة الأقطاب وتركيز الإلكتروليت. مرة واحدة ، قبل أن يتم التخلص منها ، قمت بشحن بطارية 12V بسهولة تقريبًا. 14.5 فولت (لا أتذكر القيمة الدقيقة).
لذا ، قرر كاتب المقال الذي بدأت به ، أن جهد الشحن لبطارية السيارة وبطارية من UPS مختلفان. هذا ليس صحيحًا ، لديهم نفس النوع من الأقطاب الكهربائية ونفس تركيز حمض الكبريتيك في المنحل بالكهرباء (تم اختياره تجريبيًا منذ فترة طويلة لتوفير أقصى جهد وأقل تفريغ ذاتي). ومع ذلك ، ماذا يحدث في البطارية ، لماذا لا يمكن شحنها عندما تكون قيمة الجهد عالية جدًا؟
لماذا أحتاج إلى إضافة الماء إلى بطارية السيارة ، لكن لا أحتاج إلى بطارية UPS؟ تتيح لنا هذه الأسئلة الانتقال بسلاسة إلى منطقة التحلل المائي للماء. كما كتبت أعلاه ، عند شحن البطارية ، يحدث التحليل الكهربائي. ومع ذلك ، لا يتم إنفاق كل التيار على تحويل PbSO
4 إلى PbO
2 و Pb. سيتم إنفاق جزء من التيار حتمًا على تحلل الماء ، والذي يشكل جزءًا كبيرًا من المنحل بالكهرباء:
2H
2 O = 2H
2 + O
2يعطي الحساب النظري قيمة جهد لهذا التفاعل تقريبًا. 1.2 فولت. أذكركم بأن الجهد على الخلية عندما تكون الشحنة أكبر من 2V. لحسن الحظ ، يبدأ الماء النشط في التحلل فوق 2 فولت فقط ، وفي الصناعة لإنتاج الهيدروجين والأكسجين منه ، تتم العملية على الإطلاق عند 2.1-2.6 فولت (عند درجة حرارة مرتفعة). كن على هذا النحو ، نصل هنا إلى استنتاج مفاده أنه في نهاية عملية شحن البطارية ، ستحدث
حتمًا عملية تحلل الماء في الإلكتروليت إلى الخلايا. يختفي الأكسجين والهيدروجين الناتج ببساطة من مجال التفاعل. توجد الأساطير التالية عنها:
1. الهيدروجين شديد الانفجار! أعد شحن البطارية وخسر على الأقل الغرفة التي كانت فيها!
في الواقع ، الهيدروجين لا يكاد يذكر في عملية التحليل الكهربائي مقارنة بحجم الغرفة. ينفجر الهيدروجين بتركيز 4٪ في الهواء. إذا افترضنا أن التحليل الكهربائي يتم في غرفة بقياس 3 * 3 * 3 متر أو 27 متر مكعب ، فسوف نحتاج لملء الغرفة 27 * 0.04 = 1.1 متر مكعب. الهيدروجين. للحصول على هذه الكمية من H2 ، سيكون من الضروري أن تتحلل تقريبًا. 49 مول من الماء أو 884 جرامًا منه. إذا لاحظ شخص ما التحليل الكهربائي ، فسوف يفهم مقدار هذا. أو حاول الانتقال إلى الوقت. مع اتساع الشحن القياسي للبطاريات الكبيرة عند 6 أمبير ، تعطي معادلة فاراداي الوقت اللازم للحصول على هذه الكمية من الهيدروجين ، والتي تبلغ بالفعل 437 ساعة أو 18.2 يومًا. لملء الغرفة بالهيدروجين إلى تركيز متفجر ، تحتاج إلى نسيان الشحن لمدة أسبوعين ونصف! ولكن حتى لو حدث هذا ، فإن تركيز حمض الكبريتيك سيزداد ببساطة حتى يكتسب محلوله مقاومة عالية جدًا لشحن بائس 12 فولت وتصبح القوة الحالية ضئيلة. وسيختفي الهيدروجين ببساطة.
من النادر جدًا أن تحدث انفجارات مباشرة في أجسام البطاريات الكبيرة نظرًا لأن الهيدروجين المنطلق لا يمكن أن يترك المساحة المحصورة لسبب ما. ولكن في هذه الحالة ، لا يوجد شيء فظيع - غالبًا ما يكون الانفجار كافيًا فقط لتشوه صغير في الجزء العلوي من الجسم ، ولكن ليس لكسر مركبات الرصاص. ويمكن للبطارية أن تعمل حتى بعد هذا الضرر.
2. أثناء التحليل الكهربائي ، السامة القاتلة ، والتي لا تقل قابلية للانفجار عن الهيدروجين ، يمكن أن يتشكل كبريتيد الهيدروجين!
ليست أسطورتنا ، فقد ظهرت الأسطورة من وقت لآخر في المنشورات الإنجليزية. من الناحية النظرية ، بالطبع ، من الممكن تطبيق مثل هذا الجهد الكبير وخلق ذلك مثل هذا التيار الكبير الذي يبدأ عند الكاثود عملية اختزال أيون الكبريتات. سيكون الجهد لذلك كافياً ، ولن يكون لدى منتجات الاسترداد الوقت للانتشار بعيدًا عن القطب الكهربائي وسوف يستمر الاسترداد إلى أبعد من ذلك. لكن الشحن في غضون اثني عشر أو ثلاثة فولت ومع الحد الحالي من 6A بالكاد قادر على ذلك. ذات مرة ، شاهدت عملية اختزال الكبريتات إلى SO
2 ، نعم ، هذا ممكن ؛ زملاء الدراسة فعلوا خطأً أثناء التجربة. ولكن هذا نادر جدا لأنه هناك كان تركيز حمض الكبريتيك أعلى بشكل ملحوظ من ذلك المستخدم في البطارية ، وكان هناك تصميم مختلف للقطب ومواده الأخرى ، وبطبيعة الحال ، كان الجهد والتيار مفرطين. و SO
2 ليس H
2 S.
3. خلال التحليل الكهربائي ، سيتم تقليل الزرنيخ والأنتيمون من مادة الحواجز إلى مادة arsine و stibine السامة!
في الواقع ، تحتوي المشابك على الكثير من الأنتيمون نسبيًا ؛ ربما لا يوجد الزرنيخ في المشابك الحديثة على الإطلاق. عندما تعمل البطارية ، الشبكة التي تحدث فيها عملية الاستعادة ، أي الكاثود ، لا يمكن تدميره. تبرز حتى بطريقة ما stibine ، فسوف يتفاعل على الفور مع PbSO4 ، مما يقللها إلى المعدن.
ومع ذلك ، هناك بعض الإزعاج العملي هنا.
يمكن أن يشتمل الهيدروجين والأكسجين الغازيان على قطرات من المنحل بالكهرباء ، مما يخلق هباءً من حمض الكبريتيك. الهباء من حامض الكبريتيك ، حتى المركّز ، ليس خطيرًا على الشخص ويسبب السعال ببساطة. ومع ذلك ، حمض الكبريتيك كابوس للأقمشة والورق. يجدر حتى الحصول على كمية صغيرة من حمض الكبريتيك للحصول على الملابس والثقوب ستظهر هناك أو سينفجر النسيج في هذا المكان. في الأسبوع ، إذا كان هناك الكثير من الأحماض ، في غضون شهر ، لكن الملابس ستتحلل.
لذلك لا يستحق القلق بشأن تطور الغاز من وجهة نظر منزلية أو أنه يستحق ذلك ، لكنك تحتاج إلى التركيز على هباء حمض الكبريتيك.
لذا ، بدأ الماء يتحلل إلى هيدروجين وأكسجين ، ويصبح أقل وأقل في المنحل بالكهرباء ، فما الخطوة التالية؟ إذا كانت هذه بطارية يتم فيها سكب الإلكتروليت ببساطة على شكل طبقة سائلة ، فإن التفريغ الذاتي سيبدأ في الزيادة بسبب زيادة تركيز حمض الكبريتيك. ومن المثير للاهتمام ، أن هذا سيرافقه زيادة طفيفة في الجهد (زيادة تركيز الحمض) على الخلية. لهذا السبب يجب على مالكي السيارات مراقبة تركيز حمض الكبريتيك باستمرار في بطارياتهم (باستخدام مقياس كثافة السوائل) وإضافة الماء هناك. يعد إجراء إضافة الماء
جزءًا ضروريًا من عملية الصيانة لأي بطارية. باستثناء نوع من أنواعهم ، سنتحدث عنه الآن.
من المؤكد أنه من غير المريح وجود بطارية يتم فيها تنفيذ طبقة من السوائل الكاوية ، فيما يتعلق بالمعادن ، والسوائل ، وبالتالي محاولات التخلص من السائل مباشرة لفترة طويلة ، تقريبًا في النصف الأول من القرن العشرين. بالمناسبة ، ليس أن طبقة حمض الكبريتيك تتناثر مباشرة حول الأقطاب الكهربائية. في الواقع ، يتم توزيعه جيدًا بين الأقطاب الكهربائية والفواصل المحيطة بها ، حتى في النماذج منخفضة التكلفة. لذا ، كان الخيار الأول هو استخدام الألياف الزجاجية. يكفي فقط إحاطة الأقطاب الكهربائية بالفيبرجلاس المشبع بحمض الكبريتيك وسيتم حل معظم المشاكل. يسمى هذا النوع من البطاريات AGM (حصيرة زجاجية ماصة) والغالبية العظمى من هذه البطاريات لـ UPS. على الرغم من أن هذه البطاريات ذات الشكل الصغير غالبًا ما يتم وضعها مثل تلك التي يمكن تشغيلها في أي موضع ، لا يمكن للمرء أن يتفق تمامًا مع هذا. يُظهر فتح غطاء بطارية AGM القياسية الرخيصة أنه لا توجد أغطية خاصة هناك ، وبالتالي ، فإن القوى الشعرية فقط هي التي تمنع الإلكتروليت من التدفق. أنا متأكد تقريبًا من أنك إذا قمت بقيادة بطارية AGM مقلوبة ، فبعد شحنة واحدة فقط ، سيتدفق حمض الكبريتيك منها تحت ضغط الغاز.
النوع الشائع الثاني أكثر إثارة للاهتمام ، وهذا هو ما يسمى بطاريات هلام. واتضح بفضل ما يلي. إذا تم تحمض السيليكات القابلة للذوبان ، فسيتم إطلاق حمض السيليك:
Na
2 SiO
3 + H
2 SO
4 = Na
2 SO
4 +
SiO 2 + H
2 O
إذا لم يختلف محلول السيليكات الأولي في الجودة ، فسيتم إطلاق حمض السليكون على شكل كتلة زجاجية ، ولكن إذا كان نقيًا بما فيه الكفاية ، فإن حمض السليكون يترسب على شكل قطعة جميلة من هلام شفاف موحد. تعتمد طريقة إنتاج بطاريات الهلام على ذلك - تؤدي إضافة بسيطة للسيليكات إلى المحلول الكهربائي إلى تجمدها إلى كتلة تشبه الهلام. وفقًا لذلك ، لا يوجد شيء يمكن التسرب منه ومن الممكن تشغيل البطارية في أي وضع. لا تزيد عملية تشكيل الجل نفسها من قدرة البطارية ولا تحسن من جودتها ، ومع ذلك ، يستخدمها المصنعون في إنتاج نماذج عالية الجودة ، وبالتالي فإن هذه البطاريات ذات جودة عالية وسعة أعلى. من المثير للاهتمام أنه في كلتا الحالتين ، يكون الحامل المنحل بالكهرباء هو SiO2 بشكل أو بآخر.
يتم دمج كلا النوعين من البطاريات في النوع المجيد VRLA - بطارية حمض الرصاص التي ينظمها الصمام والتي يتم استخدامها في UPS. من الناحية الرسمية ، تعتبر الصيانة مجانية وقابلة للاستغلال في أي موقف ، ولكن هذا ليس صحيحًا تمامًا. علاوة على ذلك ، فإن الكثير قد اجتمع بالفعل مع التأثير عندما حرفيا بضعة مل من الماء ينبض بالحياة بطارية يبدو أنها ميتة من UPS. يحدث هذا لأن هذه البطاريات ليست قطرة آمنة من التحليل الكهربائي للماء في المنحل بالكهرباء ، وبالتالي تجف. كل شيء يحدث تمامًا كما يحدث في البطاريات الكبيرة. لكن أغلى وأروع البطاريات الخالية من الصيانة تحتوي على محفز لإعادة تركيب الغازات المنبعثة مرة أخرى في الماء ، والآن حالتها قابلة للتسرب تمامًا. ألفت انتباهكم إلى حقيقة أن بطاريات AGM و GEL يمكن أن تكون حقا مانعة للتسرب وخالية من الصيانة ، ولكنها قد لا تكون كذلك ولا تحتوي على محفزات إعادة تكوين الأكسجين والهيدروجين. بعد ذلك ، على الرغم من التصميم المتقدم على ما يبدو ، سيتعين على المستخدم إما شراء بطاريات جديدة في كثير من الأحيان ، أو إضافة الماء باستخدام حقنة.
أود أن أضيف بضع كلمات حول أوضاع التفريغ. تشير الشركات المصنعة للبطاريات إلى أي تيار هو أقصى مسموح به لطراز معين ، ولكن عليك أن تفهم أن البطارية ليست سوى خليط من المواد الكيميائية وأن EMF يتم إنشاؤه حصريًا بوسائل كيميائية. هذا ليس مكثفًا ، من خلال القياس الهيدروليكي الكهربي ، يمكن مقارنته بأوعية ميكانيكية معينة (مع غشاء مرن). على الرغم من أن البطاريات يمكن أن تنتج تيارات كبيرة جدًا ، إلا أنه في الواقع من الأفضل استخدامها في التيارات المنخفضة ، والتي تكون في التفريغ والمسؤول. لذلك ، فإن UPSs المصممة لشحن البطاريات الصغيرة ، عند العمل مع البطاريات الكبيرة ، ستشحنها في الوضع الأكثر رقة. ومع ذلك ، خلال فترة بعيدة عن يوم واحد. من المثير للاهتمام الانتباه إلى حقيقة أنه كلما زادت قوة UPS ، زادت البطاريات التي تفضل الشركة المصنعة تجميعها بالتتابع. كل شيء منطقي هنا - تيارات التفريغ الكبيرة تحمل البطاريات الصغيرة بشكل سيئ للغاية.
لتلخيص:
1. البطاريات الصغيرة والكبيرة متطابقة في التصميم.
2. بالنسبة للغالبية العظمى من البطاريات من أي حجم ، يعد تعبئة الماء جزءًا ضروريًا من الصيانة الروتينية.
3. يحتوي عدد قليل فقط من طرازات البطاريات باهظة الثمن على آلية إعادة تركيب الغازات ويمكن تسميتها بدون صيانة حقيقية.
4. الهيدروجين في حد ذاته ، الذي يتم إطلاقه أثناء الشحن (وهذا يساوي التشغيل المستمر في UPS) للبطارية ، ليس تهديدًا أو مشكلة كبيرة.
5. تحتاج إلى العمل بعناية فائقة مع البطارية ، وتجنب سكب حتى أصغر قطرات المنحل بالكهرباء بعناية ، أو فقدان ملابسك.
6. التفريغ والشحن مع التيارات المنخفضة هي أكثر الأساليب المفضلة لتشغيل البطارية.