باتری TPPL سرب خالص صفحه نازک

سرب خالص صفحه نازک Thin Plate Pure Lead (TPPL) یک فناوری ساخت باتری که در طیف گسترده ای از سناریوهای کاربردی مختلف استفاده می شود. همانطور که از نام آن پیداست، از الکترودهایی استفاده می‌کند که ساختار نازک‌تری نسبت به آنهایی که در طرح‌های معمولی استفاده می‌شوند (و همچنین خلوص بالاتر) دارند. در میان بسیاری از بخش‌های صنعتی که از آن استفاده می کنند، مراکز داده (دیتاسنترها) بیشترین استفاده را از این تکنولوژی می برند.
زیرساخت های مخابراتی، حمل و نقل عمومی، حمل و نقل مواد و تدارکات، و همچنین وسایل نقلیه نظامی و تجاری از جمله بخش هایی هستند که با این نوع باتری ها سرو کار دارند.

بنابراین دقیقاً TPPL چیست و چگونه با تکامل مداوم باتری سرب-اسید مطابقت دارد؟ به دنبال پاسخ به این سوالات خواهیم بود و مزایایی که می توان از استفاده از این فناوری به دست آورد نیز پوشش داده خواهد شد و چندین نمونه مطالعه موردی ارائه خواهد شد.

کار مهندسی اولیه که منجر به TPPL شد تقریباً 50 سال پیش در Gates® Inc. انجام شد، جایی که آزمایش بر روی فناوری صفحه نازک با استفاده از تکنیک‌های نوترکیب گاز ثبت شده انجام شد. باتری‌های TPPL به لطف صفحات نازک‌ترشان، می‌توانند پیک‌های جریان بالاتری را ارائه دهند و همچنین سریع‌تر از باتری‌های رقیب شارژ می‌شوند.

همراه با Cyclon®، Gates® Inc. شروع به تولید فناوری حصیر شیشه ای جاذب سلولی (AGM) کرد. که اغلب به عنوان Valve Regulated Lead Acid(VRLA) نامیده می شود.
این فناوری که EnerSys® آن را نیز به ارث برده است، امکان تولید محصولاتی را فراهم می کند که غرق در الکترولیت نبوده و نیازی به پر کردن آب ندارند. AGM بر استفاده موثر از نوترکیب اکسیژن تکیه داشت.

اصول اساسی عملکرد باتری AGM در مقایسه باتری باتری اسیدی

شکل 2 اصول اساسی عملکرد AGM را توضیح می دهد. در یک باتری معمولی سیلد اسید (همانطور که در سمت چپ این شماتیک نشان داده شده است) گاز اکسیژن در الکترود مثبت و برعکس هیدروژن در الکترود منفی تولید می شود که منجر به از دست دادن آب می شود. آزاد شدن گاز و از دست دادن آب به این معنی است که باتری باید به طور دوره ای با آب اضافی پر شود.

AGM (که در سمت چپ این شماتیک نشان داده شده است) متفاوت عمل می کند.

ساختار نمد پشم شیشه بسیار جاذب مورد استفاده در اینجا کمی اشباع شده است بنابراین حفره هایی وجود دارد. به لطف این حفره ها امکان انتقال اکسیژن تولید شده به الکترود منفی وجود دارد.

با گذشت زمان، فناوری AGM توسط اکثر تولید کنندگان باتری های سرب اسیدی مورد استفاده قرار گرفت و جایگزین آرایش سلول های غرقابی flooded cell شد. شرکت EnerSys® اکنون این فناوری به بلوغ رسیده را تقویت کرده و از آن به عنوان پایه ای برای محصولات پیشرو در صنعت TPPL استفاده کرده است.

موفقیت‌های اولیه برای TPPL در بخش‌های اویونیک (الکترونیک هوانوردی) و صنایع دفاعی دیده می‌شد، اما این صنعت مخابرات بود که نیاز طولانی مدت برای این نوع نسل ها باتری ها داشت.

قابلیت‌های چرخه‌ای بالای این باتری ها برای صنعت مخابرات بسیار جذاب بود. در سال 2007، طیف محصولات SBS EON راه اندازی شد. آنها عمدتاً در سایت‌های هیبریدی مخابراتی خارج از شبکه مورد استفاده قرار گرفتند، جایی که باتری‌ها روزانه و گاهی اوقات چندین بار در یک روز سیکل را تجربه می کنند. با فعال کردن شارژ سریع‌تر، محصولات XFC متعاقباً برای حضور در بازار نیروی محرکه (برای اهداف جابجایی مواد و انبارداری) عرضه شدند.

در سال 2013، هر دو طیف محصولات SBS EON و XFC گسترش یافتند تا ظرفیت بیشتری برای واحدها فراهم شود. سه سال بعد برنامه ای برای توسعه باتری ها برای رسیدگی به طیف وسیع تری از کاربردهای جابجایی مواد آغاز شد. اینها با نام NexSys® نامگذاری شدند. کار بر روی یک الگوریتم پیچیده جدید بود که اجازه می داد تکنولوژی ساخت باتری از یک شارژ سریع به یک شارژ معمولی همراه با یک چرخه عمر بهینه حرکت کند.

توسعه TPPL تقویت‌شده با کربن نقطه عطف مهم دیگری است که می‌تواند به برنامه‌های برق مخابراتی هیبریدی (چند منبع انرژی، بدون برق شبکه) توجه شود. این بدان معناست که عمر باتری در مقایسه با باتری های معمولی TPPL تا 50 درصد افزایش می یابد. اولین باتری‌های TPPL تقویت‌شده کربن در سال 2018 برای بخش مخابرات وارد بازار شدند. ادامه پیشرفت‌های مهندسی در اینجا بر این واقعیت تأکید می‌کند که، حتی با توجه به علاقه فزاینده به لیتیوم یون (Li-Ion)، بدون شک همچنان نیاز به باتری‌های سرب اسیدی مبتنی بر TPPL در آینده وجود خواهد داشت.

عوامل موثر بر عملکرد و طول عمر باتری های سرب اسیدی

برای درک ماهیت حیاتی خلوص سرب در محصولات TPPL، لازم است درک درستی از برخی مکانیسم‌های اساسی پایان عمر و ویژگی‌های عملکردی که عموماً با باتری‌های اسید سرب مرتبط هستند و اینکه چگونه خلوص سرب و ضخامت صفحه روی آنها تأثیر می‌گذارد، به دست آوریم.

1. افزایش زمان اجرا با نرخ بالا و عمر طولانی

شبکه مثبت یک باتری سرب اسیدی از یک چارچوب سرب استفاده می کند که از ماده فعال مثبت باتری (PAM) پشتیبانی می کند.

شبکه و PAM با هم یک الکترود را تشکیل می دهند که اغلب به آن صفحه می گویند. علاوه بر این، شبکه یک رسانای الکتریکی است. با این حال، در طول عمر باتری، سرب درون شبکه تمایل به خوردگی دارد. این خوردگی از تبدیل سرب فلزی به تدریج به اکسید سرب ناشی می شود.

خوردگی شبکه مثبت همیشه در یک باتری سرب اسیدی وجود دارد زیرا شبکه مثبت در محیط اسید سولفوریک با ولتاژی کار می کند که در آن از نظر ترمودینامیکی برای اکسید شدن مطلوب است. این خوردگی در نهایت از دو جهت برای باتری مخرب است.

• اولاً، با خوردگی شبکه، رسانایی خود را از دست خواهد داد. این کار باعث می شود که در اجازه دادن به جریان موثر نباشد.
• ثانیاً، از آنجایی که محصول خوردگی (که اکسید سرب است) چگالی کمتری نسبت به سرب فلزی اصلی دارد، حجم شبکه در طول زمان افزایش خواهد یافت.

این رشد می تواند باعث شود که PAM تماس الکتریکی با شبکه را از دست بدهد. هر دوی این دینامیک ها می توانند رسانایی و عملکرد باتری را کاهش دهند و در نهایت منجر به خرابی باتری شوند.

این خوردگی شبکه در تمام باتری های سرب اسیدی اتفاق می افتد، اما با سرعتی که توسط عوامل متعددی کنترل می شود. برخی، مانند ولتاژ و دمای شناور، به کاربرد و عملکرد خاص مربوط می شوند. با این حال، خلوص سرب نیز بر میزان خوردگی تأثیر می گذارد.

سرب با خلوص بالا نرخ خوردگی کمتری نسبت به سرب با آلیاژ دارد (به ویژه آلیاژهایی مانند کلسیم یا آنتیموان که اغلب در شبکه باتری استفاده می شوند). کلسیم به سرب اضافه می شود تا استحکام شبکه را افزایش دهد و ساختار شبکه را در هنگام پردازش آسان تر کند.

با این حال، نه تنها نرخ خوردگی برای آلیاژهای سرب-کلسیم بیشتر است، بلکه خوردگی می تواند نسبتاً سریع در ضخامت شبکه گسترش یابد و در نتیجه یکپارچگی شبکه را کاهش دهد.

فناوری ساخت باتری با صفحات نازک سرب TPPL در مقایسه با باتری های سرب اسید کلسیمی 

فناوری TPPL که دارای ساختار سرب با خلوص بالایی است، شکل 3 مقایسه شبکه های سرب خالص و کلسیم سرب مثبت را پس از آزمایش accelerated life نشان می دهد. توجه داشته باشید که مقداری از دست دادن سرب فلزی از شبکه TPPL وجود دارد، اما در امتداد سطح همگن است و ظرفیت حمل جریان را حفظ می کند.

در مقابل، شبکه کلسیم از دست دادن کامل یکپارچگی را نشان می دهد که نشان دهنده افزایش نرخ خوردگی است.

دیگر طرح‌های باتری‌های سرب اسیدی مبتنی بر آلیاژهایی مانند کلسیم تمایل دارند از شبکه‌های صفحه های ضخیم‌تر سرب استفاده کنند که مواد موثر را برای افزایش عمر باتری فراهم می‌کنند زیرا روند خوردگی شبکه را با ضخیم تر شدن شبکه صفحه باتری به تاخیر می افتد . از طرف دیگر، این باتری ها ممکن است از صفحه های سرب نازکی داشته باشند و کاهش عمر باتری را که با این کار همراه است، بپذیرند.

استفاده از شبکه‌های ضخیم‌تر برای افزایش عمر شبکه‌های آلیاژی زمانی که مرزهای دانه‌ها grain boundaries به درستی مدیریت می‌شوند، می‌تواند مفید باشد، اما منجر به صفحات ضخیم‌تر می‌شود. اینها به اندازه مواد نازک تر تخلیه نمی شوند زیرا مواد فعال در مراکز صفحات فقط دسترسی محدودی به الکترولیت خواهند داشت. با طراحی TPPL غیر آلیاژی، استفاده از الکترودهای نازک تر به این معنی است که تعداد بیشتری الکترود را می توان در داخل سلول نصب کرد.
الکترودهای بیشتر به سطح الکترود بیشتر (یا سطح حساس تر، سطح الکترود واکنش پذیرتر) تبدیل می شود.
سطح واکنش پذیر بالاتر باعث استفاده بهتر از مواد فعال می شود. با افزایش سرعت تخلیه، اثربخشی یک الکترود ضخیم برای استفاده از ماده فعال در مرکز صفحه به طور قابل توجهی کاهش می یابد.

نکته اصلی این است که محصولات TPPL می توانند از شبکه های نازک تری بدون کاهش عمر باتری استفاده کنند، زیرا نرخ خوردگی کاهش می یابد.

2. قابلیت شارژ سریع

عواملی که کارایی استفاده از مواد فعال را در حین دشارژ کنترل می کنند، در طول شارژ مجدد نیز عمل می کنند. با در دسترس بودن سطح راکتیو بزرگتر، TPPL فرصتی را برای کاهش زمان شارژ مجدد یک باتری منبع تغذیه بدون وقفه (UPS) پس از یک رویداد تخلیه (به شرطی که جریان شارژ کافی در دسترس باشد) ارائه می دهد.

به عنوان مثال، محصولات TPPL به محدودیت جریان نیاز ندارند، مشروط بر اینکه ولتاژ شارژ به طور مناسب تنظیم شود. باتری TPPL به راحتی 1C (100A برای باتری 100Ahr) را می پذیرد تا زمانی که به 80 تا 85% حالت شارژ (SoC) نزدیک شود و در عین حال سطح بسیار بالایی از بهره وری انرژی را حفظ کند.

این بدان معناست که باتری می تواند پس از تخلیه کامل عمقی (و در کمتر از 2.5 ساعت 100٪ SoC) در حدود 50 دقیقه به 80٪ SoC برسد. در شرایط معمولی کمتر از تخلیه کامل، زمان شارژ مورد انتظار کوتاهتر خواهد بود

3. تولید و انتشار گاز کم

الکترولیت باتری سرب اسید مخلوطی از آب و اسید سولفوریک است. در محیط داخلی باتری، آب از نظر ترمودینامیکی برای تجزیه به اکسیژن و هیدروژن مطلوب است. این گازها یا از باتری خارج می شوند و باعث خشک شدن (حالت خرابی) می شوند یا با سایر مواد موجود در سلول واکنش می دهند. اگر واکنش با شبکه باشد، نتیجه آن خوردگی شبکه و کاهش عمر است. واکنش با ماده فعال نیز باعث خود تخلیه شدن باتری می شود.

با این حال، سرعت تجزیه به شدت تحت تاثیر عوامل دیگر است. الکترولیز نیاز به سطح فلزی برای کاتالیزور دارد و معمولاً روی سطح سرب خالص بسیار آهسته اتفاق می افتد. در مقابل، ناخالصی های فلزی تمایل به افزایش الکترولیز دارند.

سرکوب الکترولیز در سطوح با خلوص بالای سرب TPPL به طور قابل توجهی نرخ تولید گاز را کاهش می دهد و در نتیجه خشکی باتری را کاهش می دهد.

البته باید توجه داشت که میزان تولید گاز فقط به خلوص سرب صفحات بستگی ندارد. این نیز تحت تأثیر خلوص تمام مواد مورد استفاده در ساخت سلول است (در حالی که خوردگی شبکه مستقیماً فقط توسط آلیاژهای داخل فلز شبکه تأثیر می گذارد).

این مواد دیگر شامل الکترولیت و هر چیزی است که با آن تماس پیدا می کند. با سطوح خلوص بسیار بالا برای تمام مواد داخلی، TPPL نرخ گازگیری بسیار پایینی را نشان می دهد.

همچنین بین تولید و انتشار گاز تفاوت وجود دارد. بسیاری از طرح‌های AGM اکنون بازده نوترکیبی اکسیژن بالایی را ارائه می‌دهند و اجازه انتشار گاز کم از سلول به محیط را می‌دهند. با این وجود، تولید گاز داخلی ممکن است همچنان زیاد باشد و منجر به خوردگی مثبت شبکه شود.

همچنین ممکن است یک واکنش نوترکیبی وجود داشته باشد که الکترود منفی را تخلیه می کند و خود را به صورت افزایش جریان شناور نشان می دهد. علاوه بر این، واکنش نوترکیب گرمازا است، بنابراین به بار گرمایی که باید از بین برود اضافه می کند.

باتری های مبتنی بر AGM با استفاده از فناوری TPPL نرخ تولید گاز را کاهش می دهند. این به نوبه خود دمای کار و جریان شناور را کاهش می دهد و همچنین خوردگی شبکه مثبت را کاهش می دهد. علاوه بر این، نرخ خود تخلیه کمتر در مقایسه با باتری‌های معمولی، مشکلات مربوط به خطوط تامین طولانی به تاسیسات از راه دور را کاهش می‌دهد و مدیریت موجودی را آسان می‌کند.

چرا و چگونه باتری خود را از کیان باتری تهیه کنیم ؟!  

کیان باتری به عنوان یک استارت آپ تخصصی در زمینه فروش باتری ماشین و یو پی اس و ارائه انواع باتری خودرویی و صنعتی به فعالیت می پردازد. کیان باتری به صورت شبانه روزی و در تمام ایام سال، حتی تعطیلات رسمی باز بوده و به ارائه خدمات میپردازد. حمل، نصب و تست دینام و سیستم برق خودرو کاملا رایگان بوده و به جز هزینه باتری، شما هیچ هزینه دیگری پرداخت نخواهید کرد.

برای آشنایی با مجموعه کیان باتری توصیه میشود فیلم زیر را مشاهده نمایید: