باتری های قلیایی، پیل های سوختی و باتری های سدیم-گوگردی

پیشرفت های نوین در ذخیره سازی الکتریسیته

پیشرفت های ایجاد شده در ساخت باتری های سرب- اسیدی

باتری های سرب-اسیدی نسبت به طرح های بسیار قدیمی (که پلانشه در 1859 اختراع کرد)، دست کم از لحاظ مواد مورد استفاده، تغییر چندانی نیافته اند. تغییرات تدریجی، به ویژه ابداع کنترل گر دقیق برای سیستم باتری پر کنی، استفاده از باتری های بسته و عمری را امکان پذیر کرده است

تحول مهم دیگر طراحی باتری برای کاربرد های خاص بوده است؛ به عنوان مثال می توان از باتری های کمکی برای کاروان یا منبع تغذیه برای ماشین های چمن زنی یا وسایل دیگر نام برد.

این باتری ها طوری طراحی شده اند که بتوان آن ها را به طور کامل تخلیه کرد. باتری های کمکی کاروان ممکن است لوله هایی نیز داشته باشند تا گاز های تولید شده در باتری را به بیرون هدایت کنند. بعضی از باتری ها برای مقاومت در برابر ارتعاش شدید طراحی شده اند و می توان آن ها را روی خودروهای کارگاهی نصب کرد.

باتری های معمولی با الکترولیت خمیری که پیش از این شرح داده شدند چندین سال قبل به بازار آمدند و در آن زمان ادعا می شد اعتماد پذیری آنها بسیار بالا و عمرشان بسیار طولانی است. این باتری ها زیاد در بازار دوام نیاوردند. برای منسوخ شدن این باتری ها دو دلیل ذکر می شود: اول اینکه به سبب پایین بودن سرعت انجام واکنش هایشیمیایی در این باتری ها، خروجی آنها برای موتور گردانی کافی نبوده است؛ دوم اینکه همه ادعا ها درست بوده و هر کس از این باتری ها خریده دیگر نیازی به خرید مجدد باتری و تعویض آن پیدا نکرده است. تجربه شخصی من نشان می دهد که دلیل اول درست است، اما کسی چه می داند!

باتری های قلیایی

نگهداری باتری های سرب- اسیدی معمولی در وضعیت خوب مستلزم انجام مراقبت های خاصی است. البته با به بازار آمدن باتری های بسته و عمری این مشکل تا حدودی برطرف شده است. اما اگر بخواهیم باتری بتواند تخلیه و پر شدن را با آهنگی بالا و بر اساسی منظم تحمل کند، یا بتوانیم به مدت طولانی از آن استفاده نکنیم باتری سرب- اسیدی باتری مطلوبی نیست. از سوی دیگر باتری های قلیایی به حداقل نگهداری نیاز دارند و در برابر استفاده نا درست، مثلا تخلیه شدید یا پر کردن بیش از حد مقاوم اند.

باتری های قلیایی معیبی هم دارند، از جمله اینکه باتری های قلیایی خیلی حجیم اند، چگالی انرژی پایین تری دارند و از باتری سرب-اسیدی معادل گران تر اند. وقتی طول عمر و شرایط نگهداری باتری مورد نظر باشد، در بعضی از کاربرد ها، پرداخت هزینه اولیه بالاتر منطقی است. تا کنون شرکت های اتوبوسرانی داخل شهری و بین شهری و بعضی از شرکت های حمل و نقل کالا از این نوع باتری استفاده کرده اند.

در خودروها معمولا باتری های قلیایی نیکل – کادمیمی نصب می کنند، زیرا نوع دیگر این باتری ها، یعنی باتری های نیکل- آهنی برای کار روی خودرو چندان مناسب نیستند. اما اجزای اصلی باتری های نیکل- کادمیمی مورد استفاده در خودروها، عملا ترکیبی از اجزای این دو نوع باتری است:

صفحه مثبت : هیدروکسید نیکل             NiOOH
صفحه منفی : کادمیم                                Cd
الکترولیت : هیدروکسید پتاسیم                KOH

فرایند پر شدن باتری شامل حرکت اکسیژن از صفحه منفی به طرف صفحه مثبت و فرایند خالی شدن باتری شامل حرکت اکسیژن در جهت عکس است. وقتی باتری کاملا پر باشد، صفحه منفی کادمیم خالص(اسفنجی)  و صفحه مثبت هیدرات نیکل است. در زیر واکنش شیمیایی مربوط به انجام این فرایند ها نقل شده است، اما باید توجه داشت که این واکنش صورت بسیار ساده شده واکنشی بسیار پیچیده تر است.

2HiOOH  +  Cd  +  2(H₂ O)  –→  2Ni(OH)₂   +CdO₂

2(H₂ O) عملا به صورت اکسیژن و هیدروژن آزاد می شود، زیرا همیشه گاز زایی در حین پر کردن باتری رخ می دهد. در حقیقت همین مصرف آب است که نشان می دهد خانه های باتری فعال اند. معادله بالا حاکی از آن است که در طی انجام واکنش الکترولیت تغییر نمی کند. بنا بر این با استفاده از چگالی سنج نمی توان وضعیت شارژ این نوع باتری را تعیین کرد. این باتری ها بیش از اندازه پر نمی شوند زیرا وقتی تمام اکسید کادمیم به کادمیم تبدیل شد، دیگر واکنش انجام نمی شود.

ولتاژ هر خانه کاملا پر باتری 1.4 ولت است، اما به محض آغاز تخلیه ولتاژ به سرعت کاهش می یابد و به 1.3 ولت می رسد. وثتی باتری خالی تلقی می شود که ولتاژ هر خانه آن به 1.1 ولت رسیده باشد. در شکل زیر تصویر ساده شده یک خانه از باتری نیکل- کادمیمی نشان داده شده است.

شکل 1

پیل های سوختی

انرژی اکسایش سوخت های معمولی را، که معمولا به صورت گرما جلوه گر می شود، می توان، با استفاده از پیل سوختی، مستقیما به برق تبدیل کرد. اکسایش در اصل عبارت است از تبادل الکترون بین سوخت و عامل اکساینده؛ در پیل سوختی از همین فرایند برای تبدیل انرژی سوخت به برق استفاده می شود.در همه پیل ها در بخشی از فرایند شیمیایی که در آنها انجام می شود، در قطب مثبت اکسیدی احیا می شود و در قطب منفی اکسایش انجام می گیرد. برای جدا کردن این واکنش ها در پیل سوختی به یک آند، یک کاتد و الکترولیت نیاز است. الکترولیت مستقیما همراه سوخت وارد باتری می شود. ترکیب کردن سوخت هیدروژنی با اکسیژن بیشترین بازده را دارد. پیل های سوختی بسیار قابل اعتماد اند و بیصدا کار می کنند، اما در حال حاضر ساخت آنها بسیار پر هزینه است. در شکی زیر تصویر ساده شده یک پیل سوختی مشاهده می شود

شکل 2

نوعی پیل سوختی چنان کار می کند که با عبور هیدروژن از روی الکترودی از جنس نیکل متخلخل (آند)، که با کاتالیزوری پوشش داده شده است، هیدروژن در الکترولیت پخش می شود. در نتیجه این پدیده اتم های هیدروژن الکترون از دست می دهند. همین الکترون ها از مدار خارجی عبور می کنند. آنیون های هیدروژن(OH^–) که بار منفی دارند در الکترودی تشکیل می شوند که اکسیژن از روی آن عبور می کند، به طوری که آنها نیز در الکترولیت پخش می شوند. این آنیون ها در الکترولیت به سوی آند می روند. الکترولیت مورد استفاده محلول هیدروکسید پتاسیم (KOH) است. آب فراورده جانبی واکنشی است که در آن یون های هیدروژن، الکترون ها و اتم های اکسیژن شرکت دارند. اگر از گرمای حاصل از پیل سوختی استفاده شود، آن گاه می توان به بازده بالا تر از80% و چگالی انرژی مطلوبی رسید.

دمای کار این پیل ها متغیر است، اما دمایی در حدود 200 درجه سانتیگراد متداول است. از فشار بالا نیز استفاده می شود و فشار مورد نیاز در حدود 30 بار است. بالا بودن فشار و ذخیره سازی هیدروژن مشکلات مهمی هستند که باید بر آنها غلبه کرد تا بتوان در بازار پیل سوختی را جانشین پیلهای دیگر کرد

باتری سدیم- گوگردی و سایر انواع باتری

در حال حاضر تحقیقات زیادی روی تکنولوژی نوعی باتری با چگالی انرژی بالاتر، برای نصب روی اتومبیل برقی، در دست انجام است. در یکی از بخش های وبلاگ در باره «اتومبیل های برقی» به طور مفصل بحث شده است. اما یکی از گام های بالقوه مهمی که به جلو برداشته شده است ابداع باتری سدیم- گوگردی است که اکنون به مرحله تولید رسیده است. در جدول زیر چگالی انرژی بالقوه چهار نوع باتری مقایسه شده است

جدول چگالی انرژی باتری های مختلف

همه باتری های مقایسه شده در جدول بالا قابلیت های بالقوه زیادی دارند، اما همه آنها، از جمله باتری سدیم- گوگردی، نقایص خاص هم دارند. مثلا یکی از مشکلات پیل های سوختی ذخیره سازی و حمل هیدروژن است.
باتری سدیم- گوگردی یا باتری NaS از کاتدی از جنس سدیم مذاب تشکیل می شود که در آن یک جریان گیر قرار دارد. جریان گیر الکترود جامدی از جنس β (نوعی اکسید آلومینیم) است. کل مجموعه در یک ظرف فلزی قرار دارد که با آند، الکترودی از جنس گوگرد، در تماس است.
مشکل اصلی این سیستم آن است که باید در دمایی در حدود 300 تا 350 در جه سانتیگراد کار کند. گرمکن با توان چند صد وات بخشی از مدار باتری پر کنی را تشکیل می دهد. وقتی اتومبیل خاموش است این گرمکن باتری را گرم نگه می دارد. وقتی باتری مشغول کاری می شود، در نتیجه عبور جریان و طبق قاعده I²R گرم می ماند.
پیل های این باتری بسیار کوچک اند و هر یک از آنها فقط 15 گرم سدیم دارد. این ویژگی از لحاظ ایمنی اهمیت دارد، زیرا در صورت صدمه دیدن پیل، گوگردی که در بیرون آن قرار دارد سبب می شود که سدیم بالقوه خطر ناک به سولفید های نسبتا بی زیان تبدیل شود. کوچک بودن پیل ها این مزیت را نیز دارد که می توان آن ها را در نقاط مختلف اتومبیل پخش کرد. ظرفیت هر پیل در حدود 10 آمپر ساعت است. این پیل ها در وضعیت قطعی مدار خراب می شوند و این نکته ای حائز اهمیت است زیرا در چنین وظعیتی همه پیل های مورد استفاده برای تامین ولتاژ لازم از کار می افتند. ولتاژ خروجی هر پیل در حدود 2 ولت است. در شکل زیر یک باتری سدیم- گوگردی نشان داده شده است

شکل 3

یکی از مشکلاتی که هنوز برطرف نشده، جنس بدنه باتری است که به سبب خورندگی شدید سدیم در معرض تخریب است. در حال حاظر از نوعی بدنه با پوشش کرمی گران قیمت استفاده می شود.
به نظر می رسد که این نوع باتری، به همراه یک الکترو موتور (موتور الکتریکی) رقیب خوبی برای موتور احتراقی باشد. باید ساختار های زیر بنایی لازم برای تعمیر و پر کردن باتری ها نیز احداث شود، اما به نظر می رسد که این طرح آینده خوبی داشته باشد. هزینه بهره برداری از یک اتومبیل برقی معادل 15 درصد هزینه بهره برداری از اتومبیل بنزینی معادل تخمین زده شده است و این صرفه جویی می تواند هزینه اضافی تولید اتومبیل برقی را جبران کند