แผ่น (อังกฤษ: plate)

เซลล์ตะกั่วกรดสามารถถูกสาธิตให้เห็นถึงการใช้แผ่นตะกั่วทำเป็นสองขั้วไฟฟ้า. อย่างไรก็ตามการสร้างดังกล่าวจะผลิตไฟฟ้าได้เพียงประมาณหนึ่งแอมแปร์เท่านั้นสำหรับแผ่นที่มีขนาดประมาณเท่าไปรษณียบัตรและทำงานได้เพียงไม่กี่นาที.

แกสตัน Planté ได้พบวิธีที่จะทำให้มีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่ที่มีประสิทธิภาพ. ในการออกแบบของ Planté, แผ่นบวกและแผ่นลบจะถูกก่อตัวให้เป็นเกลียวของฟอยล์ตะกั่วสองเกลียว, คั่นด้วยแผ่นผ้าและม้วนขึ้น. เซลล์ในตอนแรกมีความจุต่ำ, ดังนั้นกระบวนการที่ช้าของ "การก่อตัว" (อังกฤษ: forming) เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อกัดกร่อนฟอยล์ตะกั่ว, เพื่อสร้างตะกั่วไดอ็อกไซด์บนจานและทำให้มันหยาบเพื่อเพิ่มพื้นที่ผิว. ในขั้นต้นขั้นตอนนี้ใช้ไฟฟ้าจากแบตเตอรี่หลัก; เมื่อมีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพร้อมใช้งานหลังจากปี 1870, ค่าใช้จ่ายในการผลิตแบตเตอรี่ได้ลดลงอย่างมาก[5]. แผ่นของ Planté ยังคงถูกใช้ในบางแอปพลิเคชันที่อยู่กับที่, ในที่ซึ่งแผ่นจะถูกเซาะร่องด้วยกลไกเพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวของพวกมัน.

คามิลล์ อัลฟองส์ Faure ได้ประดิษฐ์การสร้างแบบแผ่นที่ถูกป้าย (อังกฤษ: pasted-plate construction) ซึ่งเป็นแบบโดยทั่วไปของแบตเตอรี่รถยนต์ในปัจจุบัน. แต่ละแผ่นของ Faure ประกอบด้วยตารางตะกั่วสี่เหลี่ยมผสมกับพลวงหรือแคลเซียมเพื่อปรับปรุงคุณลักษณะทางกล. หลุมของตารางถูกเติมด้วยตัวป้ายที่เป็นตะกั่วสีแดงและกรดซัลฟูริกเจือจาง 33%. (ผู้ผลิตที่แตกต่างกันก็มีส่วนผสมที่แตกต่างกัน). ตัวป้ายจะถูกกดลงไปในหลุมในตาราง, ซึ่งจะถูกทำให้เรียวเล็กน้อยทั้งสองด้านเพื่อให้ตัวป้ายติดแน่นกว่า. รูพรุนของตัวป้ายนี้ช่วยให้กรดทำปฏิกิริยากับตะกั่วภายในแผ่น, เป็นการเพิ่มบริเวณพื้นผิวได้หลายเท่า. เมื่อแห้ง, แผ่นจะถูกวางซ้อนกันคั่นด้วยวัสดุที่เหมาะสมและใส่ลงในภาชนะบรรจุแบตเตอรี่. ปกติจะใช้จำนวนแผ่นเป็นเลขคี่, ที่มีแผ่นลบมากกว่าแผ่นบวกอยู่หนึ่งแผ่น. แต่ละแผ่นเชื่อมต่อสลับกัน.

แผ่นบวกจะมีสีน้ำตาลช็อคโกแลตของตะกั่วไดอ็อกไซด์, และแผ่นมีสีสีเทาของตะกั่ว "ฟู" ในช่วงเวลาของการผลิต. ในสถานะการชาร์จไฟนี้แผ่นจะเรียกว่า "ก่อตัว" (อังกฤษ: formed).

หนึ่งในปัญหาที่เกิดกับแผ่นก็คือแผ่นจะเพิ่มขนาดเมื่อวัสดุใช้งานดูดซับซัลเฟตจากกรดในระหว่างการดีสชาร์จและลดขนาดเมื่อพวกมันหยุดการดูดซับระหว่างการชาร์จ. นี่ทำให้แผ่นค่อยๆกัดเซาะตัวป้าย. มันเป็นสิ่งสำคัญเพราะมีที่ว่างอยู่ใต้แผ่นที่จะสะสมวัสดุที่ถูกกัดเชาะนี้. ถ้ามันสะสมจนถึงแผ่น, เซลล์จะลัดวงจร.

ตัวป้ายประกอบด้วยคาร์บอนดำ (อังกฤษ: carbon black), blanc fixe (แบเรียมซัลเฟต) และ lignosulfonate. Blanc fixe ทำหน้าที่เป็น seed crystal สำหรับปฏิกิริยาตะกั่ว-ตะกั่วซัลเฟต. fixe Blanc จะต้องถูกกระจายจนทั่วในตัวป้ายเพื่อให้มันมีประสิทธิภาพ. Lignosulfonate จะปกป้องแผ่นลบจากการก่อตัวให้เป็นรูปมวลแข็งในระหว่างรอบการดีสชาร์จ, แต่จะช่วยให้การก่อตัวของผลึกเหมือนเข็มยาว. ผลึกยาวมีพื้นที่ผิวมากกว่าและถูกเปลี่ยนกลับสู่สถานะเดิมง่ายกว่าในการชาร์จ. คาร์บอนดำจะต่อต้านกับผลกระทบของการก่อตัวที่มีการยับยั้งที่เกิดจากการ lignosulfonates. สารช่วยกระจายที่เรียกว่า Sulfonated naphthalene condensate dispersant เป็นตัวกระจายที่มีประสิทธิภาพมากกว่า lignosulfonate และเพิ่มความเร็วในการก่อตัว. สารนี้จะช่วยปรับปรุงการกระจายตัวของแบเรียมซัลเฟตในตัวป้าย, ช่วยลดเวลา Hydroset, สร้างแผ่นทนการแตกหักที่ดีกว่า, ช่วยลดอนุภาคตะกั่วที่ดีและทั้งหมดนี้จะช่วยปรับปรุงการจัดการและคุณลักษณะของตัวป้าย. มันยืดอายุแบตเตอรี่โดยการเพิ่มแรงดันสิ้นสุดการชาร์จ. naphthalene ที่ผ่านการ sulfonated ต้องการปริมาณของ lignosulfonate ประมาณหนึ่งในสามถึงครึ่งหนึ่ง และมันจะเสถียรที่อุณหภูมิสูงกว่า[6]

เซลล์ในทางปฏิบัติไม่ได้ทำด้วยตะกั่วล้วนๆแต่มีพลวง, ดีบุก, แคลเซียมหรือซีลีเนียมจำนวนเล็กน้อยผสมอยู่ในวัสดุที่ทำแผ่นเพื่อเพิ่มความแข็งแรงและลดความซับซ้อนของการผลิต. องค์ประกอบผสมเหล่านี้มีผลกระทบอย่างใหญ่หลวงต่ออายุและการใช้น้ำของแบตเตอรี่. แผ่นที่ผสมพลวงให้อายุการทำงานยาวขึ้น แต่แผ่นที่ผสมแคลเซียมเป็นที่โปรดปรานมากกว่าพลวงเนื่องจากมีการใช้น้ำลดลงถึงแปดเท่า.

เนื่องจากพลวงมีราคาแพง, เกือบทั้งหมดของแบตเตอรี่รถยนต์, แบตเตอรี่ที่ปิดผนึกแบบกำกับด้วยวาล์ว, และแบตเตอรี่ที่ไม่ใช้ในงานอุตสาหกรรมส่วนใหญ่อื่นๆถูกทำขึ้นจากตะแกรงตะกั่ว-แคลเซียมตั้งแต่ต้นปี 1990s และอาจจะก่อนหน้านั้น. ดีบุกถูกเพิ่มให้กับเซลล์ตะกั่ว-แคลเซียมเพื่อลดการกัดกร่อนและผลกระทบเนื่องจากวงจรเปิด (แคลเซียมจะ oxidizes เมื่อใดก็ตามที่แรงดันไฟฟ้าที่แผ่นบวกต่ำกว่า 40-80 mV บนวงจรเปิดและก่อตัวเป็นฉนวนระหว่างวัสดุใช้งานและตาราง. การบำบัดด้วยคลื่นชีพจรสามารถช่วยในการกู้คืนแบตเตอรี่ที่ได้รับผลกระทบจากออกไซด์). ดีบุกจะช่วยลดการกัดกร่อนนี้, แต่ประโยชน์ก็ถือว่าไม่คุ้มค่ากับค่าใช้จ่าย 20 ดอลลาร์สหรัฐ/ปอนด์, และผู้ผลิตจำนวนมากไม่ใช้ดีบุก. ตอนนี้มันเป็นเรื่องยากที่จะหาเซลล์ที่ทำด้วยพลวง, ด้วยข้อยกเว้นของพลังขับเคลื่อน. มันเป็นไปได้ที่จะทำแผ่นบวกที่ทำด้วยตะกั่ว-พลวงและแผ่นลบที่ทำด้วยตะกั่ว-แคลเซียม, อย่างไรก็ตาม, พลวงถูกชุบออกสู่แผ่นลบและนี่เป็นสาเหตุที่ทำให้ผลประโยชน์จากการประหยัดน้ำของแผ่นลบที่ทำจากแคลเซียมหายไป. ในขณะที่มันอาจเป็นที่ถกเถียงกันว่าแคลเซียมจะช่วยประหยัดค่าใช้จ่ายด้านน้ำและด้านการบำรุงรักษา, มันก็เกือบจะไม่คุ้มค่าในการตัดอายุแบตเตอรี่จาก 20 ปีเป็น 5 ปี[ต้องการอ้างอิง].

ประมาณ 60% ของน้ำหนักของแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดขนิดที่ใช้กับยานยนต์ที่มีขนาดประมาณ 60 A·h (หนัก 8.7 กิโลกรัมสำหรับแบตเตอรี่หนัก 14.5 กก.) จะเป็นตะกั่วหรือส่วนภายในทำจากตะกั่ว; ที่เหลือเป็นอิเล็กโทรไลท์, ตัวคั่น, และกล่องใส่[5].

ตัวคั่น

ตัวคั่นระหว่างแผ่นบวกและแผ่นลบช่วยป้องกันการลัดวงจรโดยการสัมผัสกันของทั้งสองแผ่น, ส่วนใหญ่ผ่าน dendrites ("treeing"), แต่ยังผ่านการเศษของวัสดุใช้งานอีกด้วย. ตัวคั่นจะขัดขวางการไหลของไอออนระหว่างทั้งสองแผ่นและเพิ่มความต้านทานภายในของเซลล์. ไม้, ยางพารา, แผ่นใยแก้ว, เซลลูโลส, และพีวีซีหรือพลาสติก polyethylene ได้ถูกนำมาใช้ทำตัวคั่น. ไม้เป็นทางเลือกเดิม, แต่เน่าเปื่อยในกรดอิเล็กโทรไลท์. ตัวคั่นยางมีความเสถียรในกรดแบตเตอรี่. ยางมีข้อได้เปรียบทางไฟฟ้าที่มีคุณค่าที่วัสดุอื่นๆไม่มี.

ตัวคั่นที่มีประสิทธิภาพจะต้องมีคุณสมบัติทางกลจำนวนมาก; เช่นการซึมผ่าน, การพรุน, กระจายขนาดรูขุมขน, พื้นที่ผิวเฉพาะ, การออกแบบเครื่องจักรกลและความแข็งแรง, ความต้านทานไฟฟ้า, การนำแบบไอออนิก (อังกฤษ: ionic conductivity), และความเข้ากันได้ทางเคมีกับอิเล็กโทรไลท์. ในการบริการ, ตัวคั่นต้องมีความต้านทานที่ดีต่อกรดและการออกซิเดชัน. พื้นที่ของตัวคั่นจะต้องใหญ่กว่าพื้นที่ของแผ่นเล็กน้อยเพื่อป้องกันการแตะกันของวัสดุระหว่างแผ่น. ตัวคั่นจะต้องยังคงมีเสถียรภาพตลอดช่วงอุณหภูมิการทำงานของแบตเตอรี่.

แก้วดูดซึม

ในการออกแบบของแก้วดูดซึม, หรือสั้นๆว่า AGM, ซึ่งเป็นตัวคั่นระหว่างเซลล์ด้วยกันจะถูกแทนที่ด้วยแผ่นใยที่ทำด้วยแก้ว (อังกฤษ: glass fiber) ที่แช่ในอิเล็กโทรไลท์. ในวัสดุจะมีอิเล็กโทรไลท์เพียงพอที่จะให้มันเปียกเท่านั้น, และหากแบตเตอรี่ถูกเจาะอิเล็กโทรไลท?จะไม่ไหลออกจากวัสดุ. ในทำนองเดียวกันวัสดุจะช่วยลดการระเหย, ไปยังจุดที่แบตเตอรี่ไม่จำเป็นต้องมีการเติมน้ำตามช่วงระยะเวลา. การรวมกันของคุณสมบัตินี้จะช่วยให้แบตเตอรี่สามารถที่จะถูกปิดผนึกได้อย่างสมบูรณ์ซึ่งจะทำให้พวกมันมีประโยชน์ในอุปกรณ์พกพาและบทบาทที่คล้ายกัน.

เพื่อแก้ไขการก่อตัวของก๊าซไฮโดรเจนในระหว่างการดีสชาร์จ, แคลเซียมจะถูกเพิ่มลงแผ่นเพื่อดูดซับก๊าซ. วิธีนี้จะใชัได้แต่เฉพาะในช่วงการดีสชาร์จช้าๆเท่านั้น, และการสะสมของก๊าซยังคงเป็นปัญหาเมื่อแบตเตอรี่ถูกดีสชาร์จลึกๆหรืออย่างรวดเร็ว. เพื่อจัดการกับเหตุการณ์เหล่านี้ AGMs มักจะเพิ่มวาล์วทางเดียวแบบระเบิดออก, ซึ่งมักจะเป็นที่รู้จักกันว่า "ตะกั่ว-กรดแบบใช้วาล์วกำกับ" หรือ (อังกฤษ: valve regulated lead-acid (VRLA)).

ข้อได้เปรียบอีกประการหนึ่งของการออกแบบ AGM ก็คืออิเล็กโทรไลท์จะกลายเป็นตัวคั่น, และแข็งแรงทางกล. นี้จะช่วยให้แผ่นที่ซ้อนกันถูกบีบอัดเข้าด้วยกันในเปลือกของแบตเตอรี่. เป็นการเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานอีกนิดหน่อยเมื่อเทียบกับแบบที่ใช้ของเหลวหรือเจล. แบตเตอรี่ AGM มักจะแสดงลักษณะที่ "ปูด" ในเปลือกของพวกมันเมื่อสร้างขึ้นในรูปทรงสี่เหลี่ยมที่พบบ่อย.

AGM ยังช่วยป้องกันการเคลื่อนไหวในแนวตั้งของอิเล็กโทรไลท์ภายในแบตเตอรี่อีกด้วย. เมื่อเซลล์เปียกปกติถูกเก็บไว้ในสภาพดีสชาร์จ, โมเลกุลของกรดที่หนักกว่ามีแนวโน้มที่จะตกผลึกลงไปด้านล่างของแบตเตอรี่, ทำให้อิเล็กโทรไลท์แยกเป็นชั้นๆ. เมื่อแบตเตอรี่ถุกนำไปใช้ทันที, ส่วนใหญ่ของการกระแสจะไหลในพื้นที่นี้เท่านั้น, และด้านล่างของแผ่นจะมีแนวโน้มที่จะสึกหรออย่างรวดเร็ว. นี่คือหนึ่งในเหตุผลที่แบตเตอรี่รถยนต์ทั่วไปสามารถเสียหายโดยปล่อยให้มันถูกเก็บไว้เป็นระยะเวลานานและนำไปใช้ทันทีและชาร์จใหม่. AGM จะช่วยป้องกันการแยกเป็นชั้นๆนี้อย่างมีนัยสำคัญ, โดยไม่จำเป็นต้องเขย่าแบตเตอรี่เป็นระยะๆ, หรือต้มพวกมัน, หรือทำ "การชาร์จแบบปรับสมดุล" (อังกฤษ: equalization charge) ให้พวกมันเพื่อทำการผสมอิเล็กโทรไลท์. การแยกเป็นชั้นยังทำให้ชั้นบนของแบตเตอรี่กลายเป็นน้ำเกือบจะทั้งหมด, ซึ่งสามารถแข็งตัวในสภาพอากาศหนาวเย็น, AGMs ยังมีความไวต่อความเสียหายน้อยอย่างมีนัยสำคัญเนื่องจากการใช้งานที่อุณหภูมิต่ำ.

อิเล็กโทรไลท์แบบเจล

บทความหลัก: VRLA_battery#Gel_battery

ในช่วงปี 1970s นักวิจัยได้พัฒนารุ่นที่ปิดผนึกหรือ "แบตเตอรี่เจล", ซึ่งผสมสารเจลซิลิก้าเข้ากับอิเล็กโทรไลท์ (แบตเตอรี่ตะกั่วกรดเจลซิลิกาที่ใช้ในวิทยุพกพาจากช่วงต้นทศวรรษที่ 1930 ไม่ได้ถูกปิดผนึกอย่างเต็มที่). วิธีนี้จะแปลงภายในของเซลล์ที่เคยเป็นของเหลวให้เป็นตัวป้ายกึ่งแข็ง, ซึ่งจะให้ข้อได้เปรียบแบบเดียวกับ AGM หลายประการ. การออกแบบดังกล่าวมีความไวต่อการระเหยน้อยกว่าด้วยซ้ำและมักจะถูกใช้ในสถานการณ์ที่การบำรุงรักษาเป็นไปได้น้อยหรือไม่มีเลย. เซลล์แบบเจลยังมีจุดเยือกแข็งต่ำกว่าและจุดเดือดสูงกว่าอิเล็กโทรไลท์แบบของเหลวที่ใช้ในเซลล์เปียกและ AGMs ธรรมดา, ซึ่งทำให้พวกมันเหมาะสำหรับการใช้งานในสภาวะที่รุนแรง.

ข้อเสียเพียงอย่างเดียวในการใช้เจลคือเจลป้องกันไม่ให้ไอออนในอิเล็กโทรไลท์มีการเคลื่อนไหวอย่างรวดเร็ว, ซึ่งจะลดความสามารถในการเคลื่อนที่ของพาหะและดังนั้นมันจึงลดความสามารถในการจ่ายกระแสกระชาก. ด้วยเหตุผลนี้, เซลล์เจลจะพบมากที่สุดในการใช้งานการจัดเก็บพลังงานเช่นระบบปิดกริด (อังกฤษ: off-grid system).

"ไม่มีการบำรุงรักษา", "ปิดผนึก" และ "VRLA"

ทั้งแบบเจลและแบบ AGM มีการปิดผนึก, จึงไม่จำเป็นต้องเติมน้ำ, สามารถนำมาใช้ในทุกทิศทางและใช้วาล์วสำหรับปล่อยทิ้งก๊าซ. ด้วยเหตุผลนี้, ทั้งสองแบบสามารถเรียกว่า maintenance free, ปิดผนึกและ VRLA. อย่างไรก็ตาม เป็นเรื่องธรรมดาที่จะหาหลายแหล่งข้อมูลที่ระบุว่าคำเหล่านี้หมายถึงการออกแบบเหล่านี้เป็นเรื่องเดียวกันหรืออย่างใดอย่างหนึ่งโดยเฉพาะ.