تفاوت باتری نیکل کادمیوم و سرب اسید در یو پی اس

باتریهای سرب اسید و نیکل کادمیوم از پرکاربرد ترین انواع باتریها در صنعت یوپی اس می‌باشند. با این که هر دو به عنوان باتری یو پی اس کاربرد دارند اما اغلب این سوال پیش می‌آید که تفاوت باتری نیکل کادمیوم و سرب اسید در چیست؟ در چه مواردی بهتر است باتری سرب اسیدی پیشنهاد شود و بالعکس؟ نقاط ضعف و قدرت هر نوع باتری چیست؟ در ادامه سعی شده‌است حتی الامکان بطور خلاصه این دو نوع باتری با یکدیگر از زوایای گوناگون مقایسه شوند.

مقایسه باتری یو پی اس سرب اسیدی با باتری نیکل کادمیوم

تفاوت های باتری یو پی اس سیلد لید اسید (سرب اسید) و باتری یو پی اس نیکل کادمیوم در موارد زیر به ترتیب بررسی می کنیم:

1- تفاوت تاریخچه باتری سیلد اسید با نیکل کادمیوم

باتری سرب اسید (Lead Acid): در سال 1859 برای اولین بار توسط یک فیزیکدان فرانسوی به نام Gaston Planté به عنوان اولین باتری با قابلیت شارژ مجدد بصورت تجاری به بازار عرضه شد.

 در تصویر زیر شکل ظاهری باتری‌های سرب اسید را مشاهده میکنید.

باتری نیکل کادمیوم (Nickel Cadmium): در سال 1899 توسط یک مخترع سوئدی به نام Waldemar Jungner ابداع گردید. تمایل چندانی به استفاده از این باتریها در صنایع تا اوایل دهه 1960 وجود نداشت ولی پس از آن و با افزایش چشمگیر مصارف الکتریکی بویژه در آمریکا و ژاپن طرفدار پیدا کرد.

 تصویر زیر  شکل ظاهری باتری‌های نیکل کادمیم را نشان میدهد.

2- مواد سازنده باتری نیکل کادمیوم و سرب اسید

• باتری سرب اسید (Lead Acid): آند یا قطب مثبت از اکسید سرب وقطب منفی یا کاتد از سرب  تشکیل شده و الکترولیت آن محلول اسید سولفوریک  و آب  می‌باشد. (H2SO4) خالص عموما بین ۲۵ تا ۴۰ درصد از کل محلول را تشکیل می‌دهد.
• باتری نیکل کادمیوم (Nickel Cadmium): هیدرات نیکل (NiOOH) بخش عمده قطب مثبت را تشکیل می‌دهد در حالیکه کادمیوم اسفنجی (Cd) عنصر غالب در مواد تشکیل دهنده قطب منفی است. محلول هیدروکسید پتاسیم (KOH) در آب نیز نقش الکترولیت باتری را دارد. غلظت هیدروکسید پتاسیم عموما بین 20 تا 35 درصد از کل محلول الکترولیت است.

3- قیمت باتری نیکل کادمیوم و سیلد اسید

باتریهای نیکل کادمیوم حدودا بین 2 تا 4 بار گرانتر از نمونه مشابه خود از نوع سرب اسید هستند. البته بسته به کیفیت و نوع آلیاژ و تکنیک ساخت باتری این امکان وجود دارد که این اختلاف بیشتر از 5 برابر نیز بشود. به همین دلیل سرمایه اولیه مورد نیاز برای تامین نیروی بکاپ از باتریهای نیکل-کادمیومی بسیار بالاتر تمام خواهد شد.

برای تامین پشتیبانی از بکاپ باتری های نیکل کادمیوم باید هزینه های صرف شود. ولی با این همه گرانی ، روند خرید و استفاده از باتری نیکل کادمیوم به مراتب خیلی بیشتر از باتری سرب اسید است. دلیل این همه خواهان این محصول چیست؟

4- طول عمر باتری سرب اسید و نیکل کادمیوم

در مقالات قبلی به این موضوع اشاره شد که طول عمر باتری بستگی به میزان شارژ و دشارژ، خالی شدن باتری، محیط که باتری قرارا میگیرد و دمای محیط دارد.

طول عمر باتری نسبت عکسی با تعداد دفعات دشارژ باتری دارد. با افزایش تعداد دفعات دشارژ از طول عمر آن کم خواهد شد. به این معنی که اگر مثلا باتری به طور متوسط ۳۰ درصد دشارژ شود طول عمر آن خیلی بیشتر از حالتی است که به طور متوسط تا ۸۰ درصد دشارژ می گردد.

گرچه باتری های نیکل کادمیوم بسیار گرانتر از باتری های سرب اسیدی هستند اما تعداد دفعاتی که می توان آنها را دشارژ کرد بسیار بیشتر از باتری های سربی است. به علاوه سرعت دشارژ باتری های نیکل کادمیم به سایز آن ها نیز بستگی دارد. هرچه سایز آن ها بیشتر باشد سرعت دشارژشان بیشتر می شود.

بنابراین تفاوت بین باتری سرب اسید و نیکل کادمیوم این است که نیکل کادمیوم گران قیمت بوده و تعداد دفعات دشارژ بیشتری می تواند نسبت به باتری های سربی داشته باشد.

همانطور که دیده می‌شود با افزایش عمق دشارژ به بیش از 50 درصد، تفاوت عملکرد دو باتری به خوبی مشهود می‌گردد.

5- حساسیت به دما در باتری های Ni-Ca و سرب اسید

باتری های سیلد اسید: باتریهای سرب اسیدی بیشتر برای عملکرد در محیط 10 تا 35 درجه سانتیگراد پیشنهاد می‌شوند، زیرا نسبت به تغییرات دما حساسیت زیادی از خود نشان می‌دهند. ظرفیت ظاهری باتریهای سرب اسیدی نسبت به کاهش دما سریعا افت می‌کند و از طرفی دیگر نیز با افزایش دما عمر متوسط آنها به شدت کاهش می‌یابد (با افزایش هر 10 درجه طول عمر مفید باتریهای سرب اسیدی نصف می‌شود!).

باتری های نیکل کادمیوم: اما باتریهای نیکل کادمیوم نسبت به تغییر دما حساسیت کمتری از خود نشان می‌دهند. بویژه در مواردی که باتری می‌بایست در دماهای پایین مورد استفاده قرار گیرد بهترین گزینه استفاده از باتریهای نیکل است.

بازه دمایی مناسب برای عملکرد باتری نیکل کادمیم چیزی بین 60 تا 20- درجه سانتیگراد است. البته طول عمر متوسط آن نیز با افزایش دما کاهش می‌یابد. شکل زیر مقایسه ایست بین تغییرات ظرفیت دو باتری در یک بازه دمایی نسبتا زیاد.

6- پدیده خود دشارژی در باتری های نیکل و سرب اسید

حتی درصورتیکه هر کدام از این دو نوع باتری به مدار متصل نباشند نیز، بعد از گذشت مدتی دشارژ می‌شوند. به این پدیده خود دشارژی می‌گویند. سرعت این پدیده در باتریهای نیکل کادمیوم چندین برابر باتریهای سرب اسیدی است.

باتریهای نیکل بسته به آلیاژ مورد استفاده در ساختشان و همچنین دمای محیط، حتی امکان دارد که روزانه 1 درصد از ظرفیتشان را در هنگام انبارش از دست بدهند. این مساله نیاز به شارژ مجدد باتری در هنگام استفاده و همچنین اتلاف انرژی را سبب می‌شود.

اشاره به این تفاوت نیز ضروریست که گرچه خود دشارژی در باتریهای نیکل چندین برابر باتریهای سربی است، اما باتریهای نیکل را می‌توان حتی بطور دشارژ کامل نیز انبارش نمود، اما همانطور که در مقاله آشنایی بیشتر با باتریهای سرب اسیدی توضیح داده شد، باتریهای سرب اسیدی را نمی‌بایست با سطح شارژ پایین نگهداری کرد. زیرا در این صورت باتری سولفاته شده و طول عمر مفید آن بشدت کاهش می‌یابد.

7- نحوه افت ولتاژ در هنگام دشارژ

یکی دیگر از تفاوت باتری نیکل کادمیوم با سرب اسید این است که ولتاژ باتریهای نیکل کادمیوم تقریبا تا لحظات آخر افت چندانی ندارد و می‌توان با تقریب، آن را ثابت فرض کرد. اما برعکس باتری های اسیدی که درهردفعه دشارژ، ولتاژشان به مرور کم می شود.

8- آلایندگی محیط زیست

در ساختار هر دو نوع باتری از فلزات سنگین (سرب و کادمیوم) استفاده شده است، که این به معنی دیر ترکیبی این فلزات است. در صورتیکه پروسه بازیافت لاشه‌ی باتریها بدرستی انجام نشود هردو بشدت محیط زیست را آلوده می‌نمایند. اما پروسه بازیافت کادمیوم پیچیده‌تر از سرب بوده و در عین حال این فلز شدیدا سرطان زا می‌باشد.

9- سایز و وزن و پروسه ساخت

باتریهای سرب اسیدی روند ساخت ساده‌تری از باتریهای نیکل کادمیومی دارند. اما در عین حال نسبت انرژی ذخیره شده در باتری نسبت به وزن آن، یکی از کمترین مقادیر بین انواع باتریهاست (Wh/kg 30-50). درصورتیکه چگالی انرژی به وزن در باتریهای نیکل کادمیوم چیزی بین Wh/kg 45-80 می‌باشد.

این بدان معنی است که باتریهای نیکل-کادمیوم 30 درصد انرژی بیشتری نسبت به باتریهای سرب اسیدی در یک وزن برابر، در خود ذخیره می‌کنند. پس در مواردی که وزن مجموعه باتریها مهم است استفاده از باتریهای نیکل کادمیوم توصیه می‌شود.

10- سرعت شارژ

باتریهای نیکل کادمیوم را می‌توان در زمانهای کوتاهی همچون 1 ساعت نیز شارژ نمود درصورتیکه شارژ سریع باتریهای سرب اسیدی در زمانی کمتر از 4 ساعت توصیه نمی‌شود و عموما چیزی در حدود 8 تا 10 ساعت را برای شارژ آنها مناسب می‌دانند.

11- جریان پیک دشارژ

دشارژ باتریهای سرب اسیدی با جریانی بیشتر از 5 برابر جریان نامی آن توصیه نمی‌شود (فرضا باتری 9 آمپر ساعت را نباید با جریانی بیش از 45 آمپر دشارژ کرد) اما می‌توان باتریهای نیکل کادمیوم را حتی با جریان‌های 10 تا 15 برابر جریان نامی خود نیز دشارژ نمود.

12- پدیده‌ی حافظه‌ای (Memory Effect) در باتریهای نیکل

یکی از مهمترین نقاط ضعف باتریهای نیکل نسبت به سربی، وجود “پدیده حافظه” در باتری است. اگر باتری را چندین بار فرضا تا 60 درصد ظرفیتش دشارژ کرده و مجددا شارژ نماییم. باتری حدود 60 درصد را به “حافظه” سپرده و اگر بار دیگر باتری را بخواهیم بیشتر از 60 درصد دشارژ نماییم این بار ناگهان ولتاژ خروجی باتری افت شدیدی می‌نماید.

این پدیده باعث می‌شود که نتوان از ظرفیت باتری به طور مناسب استفاده نمود. بویژه در کاربردهای یوپی اسی که باتریها به حالت آماده به کار بوده و مرتبا شارژ و دشارژ نمی‌شوند این پدیده باعث می‌شود که نتوان از کل ظرفیت نصب شده‌ی باتریها استفاده بهینه نمود.

13- تفاوت ولتاژ نامی باتری های سرب اسید و نیکل

بدلیل ساختار متفاوت شیمیایی دو باتری، ولتاژ نامی سلولهایشان نیز متفاوت است. ولتاژ هر سلول در باتریهای نیکل کادمیم 1. 2 ولت و در باتریهای سرب اسیدی 2 ولت می‌باشد.

به همین دلیل برای ساخت یک باتری 12 ولت نیکل کادمیوم، می‌بایست 10 سلول را با هم سری کرد؛ در حالیکه سری کردن 6 سلول باتری سرب اسیدی، همین ولتاژ را تولید خواهد نمود.

فرق بین باتری سیلد اسید و باتری نیکل کادمیوم

حال که با خصوصیات هر کدام و تفاوت باتری نیکل کادمیوم با سرب اسید آشنا شدیم، خوب است که کاربرد، مزایا و معایب هر کدام را به اختصار بیان کنیم.

مزایای باتری سرب اسید

• بسیار ارزان
• جریان بسیار بالا
•  جریان تخلیه‌ی خود به خودی بسیار کم
•  محدوده دمای کاری بسیار خوب
• عدم داشتن پدیده‌ی حافظه(memory effect
•  تکنولوژی ساده و قابل اطمینان

معایب باتری سرب اسید

• حجم و وزن زیاد
• چگالی انرژی پایین
• سرعت کم در شارژ شدن
• عمر سیکلی پایین
• عدم نگه‌داری در حالت تخلیه
• بسیار سمی برای محیط زیست

کاربرد باتری سرب اسید

• قابل استفاده در استارت وسایل نقلیه
• منبع انرژی پشتیبان در محل‌هایی مانند بیمارستان
•  قابل استفاده در وسایل موتوری از جمله باتری ماشین

مزایا باتری نیکل کادمیم

• سرعت بالای شارژ و دشارژ
• طول عمر سیکلی بالا
• تحویل‌دهی حداکثری ظرفیت در هنگام دشارژ
• محدوده‌ی دمای کاری بالا
•  ارزان قیمت

معایب باتری نیکل کادمیم

• دشارژ خود به خودی بالا
•  چگالی انرژی پایین
• بروز اثر حافظه
• بسیار خطرناک برای محیط زیست

کاربرد باتری نیکل کادمیم

سلول های نیکل کادمیوم می توانند به صورت تک یا چند سلول پک شوند. سلول های کوچک میتواند برای کاربردهایی نظیر اسباب بازی ها یا وسایل الکترونیکی همراه به کاربرده شود.

• قابل استفاده در وسایل الکترونیکی کوچک مانند ریموت کنترل و اسباب بازی
• قابل استفاده در ابزارآلات قدرت که نیاز به توان  بالا دارند
• به طور عمده بیشترین کاربرد باتری های نیکل کادمیوم در تلفن های بی سیم، روشنایی اضطراری، کامپیوترها استفاده میشود.
• باتری های نیکل کادمیوم بزرگ در خودروهای الکتریکی، قایق ها، سیستم های برق اضطراری ( UPS) و استارتر هواپیما استفاده میشود.

نکات پایانی در تفاوت باتری سرب اسید با نیکل کادمیوم

فیلم زیر شما را در درک تفاوت بین باتری یو پی اس سیلد اسید و باتری نیکل کادمیوم کمک خواهد کرد.

• ولتاژ هر سلول در باتری سرب اسید برابر ۲ ولت و در باتری نیکل کادمیوم برابر با ۱٫۲ ولت است.
• تغییرات دما در باتری های نیکل کادمیوم تاثیر کمتری نسبت به باتری های سرب اسید دارد.
• در ظرفیت یکسان باتری نیکل کادمیوم میتواند با نرخ جریان بالاتری شارژ و دشارژ شود.
• در شرایط یکسان و ظرفیت مشابه باتری نیکل کادمیوم طول عمر بیشتری دارد اما باتری سرب اسید کمتر از نصف قیمت باتری نیکل کادمیوم است.
• باتری نیکل کادمیوم پروفیل ولتاژ تقریبا ثابتی از شارژ کامل تا دشارژ دارد اما در باتری سرب اسید افت ولتاژ بیشتر است.