Σε αυτό το άρθρο
Ο μόλυβδος και το οξύ είναι δύο πράγματα που οι περισσότεροι άνθρωποι γνωρίζουν αρκετά καλά για να αποφύγουν. Ο μόλυβδος είναι ένα βαρύ μέταλλο που μπορεί να προκαλέσει μια ολόκληρη λίστα πλυντηρίων με προβλήματα υγείας και το οξύ είναι, καλά, οξύ. Η απλή αναφορά της λέξης δημιουργεί εικόνες φυσαλίδων πράσινων υγρών και τρελών επιστημόνων που κινούνται στην παγκόσμια κυριαρχία. Αλλά όπως η σοκολάτα και το φυστικοβούτυρο, ο μόλυβδος και το οξύ δεν φαίνεται να πηγαίνουν μαζί, αλλά το κάνουν. Χωρίς μόλυβδο και οξύ, δεν θα είχαμε μπαταρίες αυτοκινήτου και χωρίς μπαταρίες αυτοκινήτου, δεν θα είχαμε κανένα από τα μοντέρνα αξεσουάρ – ή βασικές ανάγκες, όπως προβολείς – που απαιτούν λειτουργία ενός ηλεκτρικού συστήματος. Λοιπόν, πώς, ακριβώς, αυτές οι δύο θανατηφόρες ουσίες ενώθηκαν για να σχηματίσουν τη σταθερή βάση των ηλεκτρονικών συστημάτων αυτοκινήτων; Η απάντηση, για να δανειστεί μια σειρά φράσεων, είναι στοιχειώδης.
Η επιστήμη της αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας
Οι ηλεκτρικές μπαταρίες είναι απλά δοχεία αποθήκευσης που μπορούν να συγκρατήσουν ένα ηλεκτρικό φορτίο και στη συνέχεια να το αποφορτίσουν σε ένα φορτίο. Ορισμένες μπαταρίες είναι σε θέση να παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα από τα βασικά τους εξαρτήματα μόλις συναρμολογηθούν. Αυτές οι μπαταρίες ονομάζονται πρωτεύουσες μπαταρίες, και συνήθως απορρίπτονται μόλις εξαντληθεί η φόρτιση. Οι μπαταρίες αυτοκινήτου χωράνε σε μια διαφορετική κατηγορία ηλεκτρικής μπαταρίας που μπορεί να φορτιστεί, να αποφορτιστεί και να επαναφορτιστεί ξανά και ξανά. Αυτά τα δευτερεύουσες μπαταρίες χρησιμοποιήστε μια αναστρέψιμη χημική αντίδραση που διαφέρει από έναν τύπο επαναφορτιζόμενης μπαταρίας σε άλλο. Με όρους που οι περισσότεροι άνθρωποι μπορούν εύκολα να καταλάβουν, οι μπαταρίες AA ή AAA που αγοράζετε στο κατάστημα, κολλούν στο τηλεχειριστήριό σας και, στη συνέχεια, πετάτε όταν πεθαίνουν είναι βασικές μπαταρίες. Συναρμολογούνται, συνήθως από κύτταρα ψευδάργυρου-άνθρακα ή ψευδαργύρου και διοξειδίου του μαγγανίου, και είναι ικανά να παρέχουν ρεύμα χωρίς να φορτίζονται. Όταν πεθάνουν, τα πετάτε – ή τα πετάτε σωστά, αν προτιμάτε. Φυσικά, μπορείτε να αγοράσετε τις ίδιες μπαταρίες AA ή AAA σε μια «επαναφορτιζόμενη» φόρμα που κοστίζει περισσότερο. Αυτές οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες χρησιμοποιούν συνήθως κυψέλες υδριδίου νικελίου-καδμίου ή νικελίου-μετάλλου. Σε αντίθεση με τις παραδοσιακές «αλκαλικές» μπαταρίες, οι μπαταρίες NiCd και NiMH δεν είναι ικανές να παρέχουν ρεύμα σε ένα φορτίο κατά τη συναρμολόγηση. Αντ ‘αυτού, ένα ηλεκτρικό ρεύμα εφαρμόζεται στα κύτταρα, το οποίο προκαλεί μια χημική αντίδραση μέσα στην μπαταρία. Στη συνέχεια, κολλάτε την μπαταρία στο τηλεχειριστήριό σας και όταν πεθαίνει, την τοποθετείτε σε φορτιστή και η εφαρμογή ενός ρεύματος αντιστρέφει τη χημική διαδικασία που συνέβη κατά την εκφόρτιση. Οι μπαταρίες αυτοκινήτων, οι οποίες χρησιμοποιούν μόλυβδο και θειικό οξύ αντί για οξυϋδροξείδιο του νικελίου και κράμα απορρόφησης υδρογόνου, είναι παρόμοιες με τις μπαταρίες NiMH σε λειτουργία. Όταν εφαρμόζεται ηλεκτρικό ρεύμα στην μπαταρία, εμφανίζεται μια χημική αντίδραση και αποθηκεύεται ένα ηλεκτρικό φορτίο. Όταν ένα φορτίο συνδέεται με την μπαταρία, αυτή η αντίδραση αντιστρέφεται και παρέχεται ρεύμα στο φορτίο.
Αποθήκευση ενέργειας με μόλυβδο και οξύ
Εάν χρησιμοποιείτε μόλυβδο και οξύ για αποθήκευση ηλεκτρικού φορτίου ακούγεται αρχαϊκό, είναι. Η πρώτη μπαταρία μολύβδου-οξέος εφευρέθηκε τη δεκαετία του 1850 και η μπαταρία στο αυτοκίνητό σας χρησιμοποιεί τις ίδιες βασικές αρχές. Τα σχέδια και τα υλικά έχουν εξελιχθεί με τα χρόνια, αλλά η ίδια βασική ιδέα είναι στο παιχνίδι. Όταν μια μπαταρία μολύβδου-οξέος αποφορτίζεται, ο ηλεκτρολύτης γίνεται ένα πολύ αραιό διάλυμα θειικού οξέος – που σημαίνει ότι είναι συνήθως απλό H20 με κάποιο H2SO4 να αιωρείται γύρω του. Οι πλάκες μολύβδου, αφού απορροφήσουν το θειικό οξύ, γίνονται κυρίως θειικός μόλυβδος. Όταν εφαρμόζεται ηλεκτρικό ρεύμα στην μπαταρία, αυτή η διαδικασία αντιστρέφεται. Οι πλάκες θειικού μολύβδου γυρίζουν (κυρίως) πίσω στον μόλυβδο και το αραιωμένο διάλυμα θειικού οξέος συμπυκνώνεται. Αυτός δεν είναι ένας εξαιρετικά αποτελεσματικός τρόπος αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας, όσον αφορά το πόσο βαριά και μεγάλα τα κύτταρα συγκρίνονται με την ποσότητα ενέργειας που αποθηκεύουν, αλλά οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται σήμερα για δύο λόγους. Το πρώτο είναι θέμα οικονομικών. Οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος είναι πολύ φθηνότερες στην κατασκευή από οποιαδήποτε άλλη επιλογή. Ο άλλος λόγος είναι ότι οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος είναι ικανές να παρέχουν τεράστιες ποσότητες ρεύματος κατ ‘απαίτηση ταυτόχρονα, γεγονός που τις καθιστά μοναδικά κατάλληλες για χρήση ως μπαταρίες εκκίνησης.
Πόσο ρηχός είναι ο κύκλος σας;
Οι παραδοσιακές μπαταρίες αυτοκινήτων αναφέρονται μερικές φορές ως Μπαταρίες SLI, όπου το «SLI» σημαίνει εκκίνηση, φωτισμό και ανάφλεξη. Αυτή η συντομογραφία απεικονίζει τους βασικούς σκοπούς μιας μπαταρίας αυτοκινήτου αρκετά καλά, καθώς η κύρια δουλειά οποιασδήποτε μπαταρίας αυτοκινήτου είναι να λειτουργεί ο κινητήρας της μίζας, τα φώτα και η ανάφλεξη πριν από τη λειτουργία του κινητήρα. Μετά τη λειτουργία του κινητήρα, ο εναλλάκτης παρέχει όλη την απαραίτητη ηλεκτρική ενέργεια και η μπαταρία επαναφορτίζεται. Αυτός ο τύπος χρήσης είναι ένας ρηχός τύπος κύκλου λειτουργίας, δεδομένου ότι παρέχει μια μικρή έκρηξη μεγάλου όγκου ρεύματος, και αυτό είναι ειδικά σχεδιασμένο να κάνουν οι μπαταρίες αυτοκινήτων. Έχοντας αυτό κατά νου, οι σύγχρονες μπαταρίες αυτοκινήτων περιέχουν πολύ λεπτές πλάκες μολύβδου, οι οποίες επιτρέπουν μέγιστη έκθεση στον ηλεκτρολύτη και παρέχει την πιο δυνατή ένταση για σύντομα χρονικά διαστήματα. Αυτός ο σχεδιασμός είναι απαραίτητος λόγω των τεράστιων απαιτήσεων των κινητήρων εκκίνησης. Σε αντίθεση με τις μπαταρίες εκκίνησης, οι μπαταρίες βαθιού κύκλου είναι ένας άλλος τύπος μπαταρίας μολύβδου-οξέος που έχει σχεδιαστεί για έναν «βαθύτερο» κύκλο. Η διαμόρφωση των πλακών είναι διαφορετική, επομένως δεν είναι κατάλληλες για την παροχή μεγάλων ποσοτήτων ρεύματος κατά παραγγελία. Αντ ‘αυτού, έχουν σχεδιαστεί για να παρέχουν λιγότερη ισχύ για μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα. Ο κύκλος είναι «βαθύτερος» επειδή είναι μεγαλύτερος, παρά λόγω του ότι η συνολική εκφόρτιση είναι μεγαλύτερη. Σε αντίθεση με τις μπαταρίες εκκίνησης, οι οποίες επαναφορτίζονται αυτόματα μετά από κάθε χρήση, οι μπαταρίες βαθιού κύκλου μπορούν να αποφορτιστούν αργά – σε ασφαλές επίπεδο – πριν επαναφορτιστούν ξανά. Όπως οι μπαταρίες εκκίνησης, οι μπαταρίες μολύβδου οξέος σε βαθύ κύκλο δεν πρέπει να αποφορτιστούν κάτω από το συνιστώμενο επίπεδο για να αποφευχθούν μόνιμες ζημιές.
Διαφορετικό πακέτο, ίδια τεχνολογία
Αν και η βασική τεχνολογία πίσω από τις μπαταρίες μολύβδου-οξέος παρέμεινε λίγο πολύ η ίδια, οι εξελίξεις στα υλικά και τις τεχνικές έχουν οδηγήσει σε διάφορες παραλλαγές. Οι μπαταρίες βαθιού κύκλου, φυσικά, χρησιμοποιούν διαφορετική διαμόρφωση πλακών για να επιτρέψουν έναν βαθύτερο κύκλο λειτουργίας. Άλλες παραλλαγές κάνουν τα πράγματα ακόμη πιο μακριά. Η μεγαλύτερη πρόοδος στην τεχνολογία μπαταρίας μολύβδου-οξέος είναι πιθανώς οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος (VRLA) που ρυθμίζονται με βαλβίδα. Χρησιμοποιούν ακόμα μόλυβδο και θειικό οξύ, αλλά δεν έχουν «πλημμυρίσει» υγρά κύτταρα. Αντ ‘αυτού, χρησιμοποιούν είτε κυψελίδες γέλης είτε απορροφητικό γυάλινο στρώμα (AGM) για τον ηλεκτρολύτη. Η χημική διαδικασία είναι η ίδια σε βασικό επίπεδο, αλλά αυτές οι μπαταρίες δεν υπόκεινται σε εκκένωση αερίου, όπως οι μπαταρίες πλημμυρισμένων κυψελών, ούτε είναι ευάλωτες σε διαρροή, εάν ανατραπούν. Αν και οι μπαταρίες VRLA έχουν πολλά πλεονεκτήματα, είναι πολύ πιο ακριβές στην παραγωγή από τις παραδοσιακές μπαταρίες πλημμυρών. Έτσι, ενώ η τεχνολογία συνεχίζει να βαδίζει προς τα εμπρός, οι πιθανότητες είναι ότι θα συνεχίσετε να ταξιδεύετε με την τεχνολογία αιχμής της δεκαετίας του 1860 κάτω από την κουκούλα σας για κάποιο χρονικό διάστημα ακόμα – εκτός αν είστε ηλεκτρικοί. Αλλά αυτό είναι ένα εντελώς διαφορετικό θέμα όσον αφορά τις μπαταρίες.