استفاده از مواد کامپوزیتی در شبکه های سربی, باتری های سربی اسیدی

از آنجا که برآورده شدن تمام ملزومات با بهترین شرایط, با یک آلیاژ میسر نیست برای ساخت شبکه, تعدادی از آلیاژها را با هم ترکیب می کنند

● مقدمه

از آنجا که برآورده شدن تمام ملزومات با بهترین شرایط، با یک آلیاژ میسر نیست برای ساخت شبکه، تعدادی از آلیاژها را با هم ترکیب می کنند. این آلیاژها که در صنعت به صورت آلیاژ سه تایی سرب- کلسیم – قلع و یا آلیاژهای چهارتایی سرب- کلسیم- قلع- آلومنیوم وجود دارند، دارای مزایای بهتر و کیفیت بالاتری هستند. اخیراً تحقیقات نشان داده است افزودن باریم به آلیاژ چهارگانه فوق، باعث افزایش سختی و استحکام شبکه و کاهش خوردگی شبکه مثبت می شود. علاوه بر این، با بکارگیری باریم، عمر باتری در دماهای بالا افزایش پیدا می کند که این موضوع در باتری های استارتی حائز اهمیت است. زیرا باتری های استارتی معمولاً در محیط هایی با دمای بالا، از قبیل خودروها که در زیر کاپوت آنها و در مجاورت باتری حرارت زیادی وجود دارد، به کار گرفته می شوند.

تا چند سال پیش از این، برای باتری های صنعتی مورد استفاده در مراکز مخابراتی، از آلیاژهای آنتیموآن استفاده می شد. اما با شناخته شدن مزایای آلیاژهای کلسیم، این آلیاژها به تدریج جایگزین آلیاژهای آنتیموانی شدند و سپس با پیدایش آلیاژهای ترکیبی، انتظار می رود ساخت باتری با آلیاژهای ترکیبی ادامه یابد. تنها ایراد آلیاژهای سه تایی نرمی آنهاست که به این ترتیب حمل و نقل و جابجایی آن دقت بیشتری می طلبد. در ساخت تمامی آلیاژهای مورد بحث، احیای سرب از مواد قراضه از نظر اقتصادی بسیار مقرون به صرف است. سرب- اکسیدها و ترکیبات آن را از باتری های استارتی جدا می کنند و در یک کوره دوار همراه با شن، آهک، ذغال و نیترات سدیم حرارت می دهند تا کاملاً ذوب شود و سپس دوباره در مراحل ساخت باتری از آن استفاده می کنند.

● بهبود ویژگی های شبکه های ترکیبی در باتری های سربی – اسیدی

شبکه های ترکیبی چند لایه ای ساخته شده اند که به شکل شبکه ای واحد و بسیار کارآمد و طی چند مرحله گالوانوتکنیک (گالوانیزه کردن) تولید می شوند. این مواد ترکیبی از لایه هایی با ساختار متفاوت و ویژگی های متفاوت تشکیل شده اند که برای عملکرد مکانیکی و فنی، عملکرد الکتریکی، مقاومت در برابر خوردگی، ترکیبی از ویژگی های موثر و کارآمد دارند. این مقاله به شرح و تفصیل این ویژگی ها پرداخته و مهندسی و طراحی همزمان تولید ماده ی شبکه را مورد بررسی قرار می دهد.

● معرفی

باتری های شبکه ای کنونی از مواد آلیاژی واحدی (تک آلیاژ) تشکیل شده اند و دارای ویژگی های مکانیکی، فنی و الکتریکی می باشند که زیر حد مطلوب هستند. مواد متداول بکار برده شده در شبکه، بر پایه ی آلیاژهای سرب – قلع یا سرب – کلسیم – قلع ساخته شده اند که از لحاظ تکنیکی ناقص به شمار می آیند زیرا هم ویژگی های آنها زیر حد مطلوب است و هم ساختارهای میکروسکوپی خاصی دارند که به روش های متداول ریخته گری و قالب گیری، نوردزنی، منبسط شدن و سوراخ کاری تولید می شوند. خصوصیات دیگری نظیر افزایش درجه حرارت باتری حین عملیات، چگالی بیشتر آلیاژها، نیازهای چرخه ی عمر و دیگر مسائل، مستلزم وجود مواد شبکه ای اصلاح شده هستند. برای جبران ویژگی هایی که با مواد تک آلیاژ و از طریق فرآیندهای رایج تولید نمی شوند، باید آنها را مهندسی و طراحی کرد. برای پاسخ به این چالش های جدید، شرکت دی اس ال درسدن شبکه های ترکیبی چند لایه ی ابتکاری و نوین را به عنوان مواد مهندسی شده ای ساخته است که به شکل شبکه ای واحد و بسیار کارآمد و طی چند مرحله گالوانیزه کردن، تولید شده اند. نحوه تغییر ویژگی های شبکه و چگونگی بهینه سازی آن ویژگی ها به صورت جداگانه و ترکیب کردن ویژگی های مذکور در شبکه ی ترکیبی، از موضوعاتی هستند که در این بخش به آنها اشاره شده است. فرآیند تولید الکترون که از طریق فنآوری شرکت در سدن صورت گرفت، به ایجاد مواد ترکیبی چند لایه منجر شد و این به آن معنی است که ترکیب لایه های گوناگون با ساختارها و ویژگی های متفاوت می توانند ترکیبی از ویژگی های متفاوتی را ایجاد کنند که در موارد زیر به کار می روند:

▪ رفتار فنی (مکانیکی)

▪ عملکرد الکتریکی

▪ مقاومت در برابر خوردگی

▪ تعائل چرخه ای

به علاوه، این ترکیب بی نظیر و تلفیق ابتکاری ماده و فرآیند تولیدی، بسیار سودمند است و با تمام فرآیندهایی که در حال حاضر برای ساخت شبکه باتری ها مورد استفاده قرار می گیرند، قابل رقابت است.

رفتار مکانیکی

بهینه سازی رفتار مکانیکی شبکه های ترکیبی یعنی اجرا و به انجام رساندن چندین نیاز متفاوت:

▪ سخت گردانی بخشی از سطح مقطع شبکه به منظور فراهم کردن بازدهی کافی.

▪ ساختن لایه هایی با بازدهی متفاوت به منظور مقاوم کردن فشارهای کششی که باعث بهبود شبکه می شوند.

▪ کنترل کردن سفتی و سختی ماده ی انعطاف پذیر (ارتجاعی – لاستیک)، به شکلی که برای سفتی و سختی خمش موجود در فرآیند تولید باتری موثر باشد.

● بازدهی

به دلیل اینکه ذرات غنی شده از مس بسیار کوچک، مجزا و بسیا رقیق هستند، هیچ اثر شیمیایی مضری بر عملکرد باتری ندارند چرا که هیچ میزان مشخصی از انحلال مس و ته نشینی آن بر صفحه ی منفی وجود ندارند. برای تعیین ویژگی های کششی هسته و لایه های خارجی می توان از قانون ساده ی ماده ی افزایشی استفاده کرد. اما با استفاده از مدل سازی و شبیه سازی عددی که بر اساس روش اجزاء محدود است می توان به نتایج قطعی تری رسید.

● عملکرد الکتریکی

عملکرد الکتریکی باتری را می توان از دو جهت بهبود بخشید:

۱) مقاومت مؤثر ماده ی شبکه.

۲) مقاومت مؤثر حاصله از طرح شبکه.

● مقاومت مؤثر ماده

در آلیاژهای تجاری که لزوماً محلول های رقیق جامد از جنس سرب هستند، ناخالصی ها باعث مقاومت مواد ته نشینی می شود. واضح است که این اثر برای قلع کمتر از کلسیم است. از آنجا که شبکه های ساخت شرکت دی اس ال فاقد کلسیم هستند و قسمت اعظم سطح مقطع آنها از عناصر دوتایی سرب – قلع تشکیل شده است، آنها حدود ۵% مقاومت مؤثر کمتری نسبت به شبکه های سرب – کلسیم – قلع رایج دارند. از طریق وارد کردن لایه های مس خالص به ساختار ترکیبی، می توان این مقاومت را کاهش داد. این مشخصه ی بی نظیر را می توان به تنهایی از طریق فرآیند ساخت و تولید شرکت دی اس ال در نظر گرفت که به سادگی نیازمند افزودن حمام آبکاری مس به خط گالوانیزه کردن شبکه است. چون مقاومت الکتریکی مس خالص ۱۶.۸ n۹۳۷;m است، سطح مقطع سیمی که ۳% آن با لایه ی مس پوشیده شده، مقاومت مؤثر را حدود ۵۵% کاهش می دهد و آن را از مقدار n۹۳۷;m ۲۰۸ به n۹۳۷;m ۱۵۵ می رساند. باید به این مسئله توجه کرد که این نوع تغییر مقاومت جزئی شبکه ی ترکیبی را می توان بدون هیچ محدودیتی برای صفحات مثبت ایجاد کرد چرا که لایه ی مس به طور کامل توسط یک لایه ی خارجی سرب – قلع خالص که در برابر خوردگی مقاوم است پوشانده و کپسول بندی شده است که طی زمان عمر باتری، مس را از حل شدن در الکترولیت باتری محافظت می کند. واضح است که شبکه های ترکیبی سرب/مس که از طریق تولید چند مرحله ای الکترون ساخته شده اند، برای انتشار جریان درون شبکه ها طراحی باتری های سربی – اسیدی پرقدرت، شرایط بی نظیری را فراهم می کنند.

● مقاومت در برابر خوردگی

استراتژی اساسی برای به دست آوردن مقاومت بالا در براب خوردگی در باتری های شبکه ای فراهم آوردن موارد ذیل است:

▪ یک ترکیب ماندگار مقاوم در براب خوردگی، حداقل در یک لایه ی خارجی اصلی.

▪ ساختار میکروسکوپی ای که منجر به یک شروع ناگهانی می شود. این دو وضیعت را می توان تا حد مطلوبی از طریق شبکه های ترکیبی ساخت دی اس ال ایجاد کرد. لایه های مقاوم در برابر خوردگی می توانند به صورت لایه های اصلی بیرونی ته نشین شوند. این امر طی عمر باتری به صورت تابعی باقی می ماند. در دو مورد فوق، مقاومت در برابر خوردگی به دو علت ایجاد می شود:

▪ استفاده از عنصر دوتایی سرب – قلع که در برابر خوردگی مقاومت بالایی دارند.

▪ کنترل و بررسی ساختار میکروسکوپی خرده کریستال های ستونی با ساختار چند لایه ای که در میزان قلع تفاوت کمی دارند و بدون اینکه شکاف های عمیقی ایجاد کنند، به شکل لایه لایه خورده می شوند.

چنین مخلوطی از ترکیب های شیمیایی مناسب و مطلوب و چنین ساختار میکروسکوپی را تنها می توان تحت شرایط خاص گالوانیزه کردن فراهم کرد. ضمناً در آزمایش های خوردگی کارخانه های تولید باتری، مقاومت برتر شبکه های ترکیبی شرکت دی اس ال به اثبات رسیده است. کاهش در سرعت خوردگی شیمیایی شبکه های شرکت دی اس ال امکان ایجاد شبکه هایی را فراهم می کند که ۳۰-۲۰% باریک تر از مواد شبکه ای آلیاژی مس هستند اما طول عمر آنها مانند باتری است.

● بهینه سازی کلی شبکه

واضح است که در ساختار لایه ای شبکه های ترکیبی، برای بهینه کردن ویژگی های شبکه از طریق ترکیب و تشکیل لایه های متفاوت، نکات زیر مورد توجه قرار می گیرد:

▪ ویژگی درونی و طبیعی آنها

▪ ضخامت و میزان ترک خوردگی آنها

▪ موقعیت یا توالی در ترکیب

▪ ارزیابی نسبی فنی و اقتصادی شبکه های متداول و شبکه های ساخت شرکت دی اس ال همانطور که به طور خلاصه، استنتاج شده اند.

● نتایج

ساختار ترکیبی این شبکه ها امکان بهینه سازی ویژگی های آنها را به طور همراه و جداگانه فراهم می کند. در نتیجه ممکن است ترکیبی از ویژگی های بهینه سازی شده به دست آید که نمی توان آنها را از طریق شبکه های تک آلیاژی امروزی فراهم کرد.

● باتری های تک قطبی بر مبنای تکنولوژی ایبونکس

در این قسمت کار مداوم انجام شده توسط شرکت آتراوردا بر روی تولید نوعی از ورقه های ترکیبی ماده ی ابونکس که می تواند به ارزانی برای شکل دادن صفحه های زیر لایه ای باتری های سربی – اسیدی تولید شود، شرح داده شده است. ابونکس نام تجاری ثبت شده ی طیفی از مواد سرامیکی نظیر اکسید تیتانیوم و به خصوص Ti۴o۷ و Ti۵o۹ است که با وجود مقاومت در برابر خوردگی و اکسیداسیون بالا هادی الکتریسیته نیز می باشد. در این نوشته جزئیات ساختار ترکیبی، روش ها و تکنیک های ساخت باتری مورد بحث قرار گرفته است، به علاوه اطلاعاتی در مورد عمر مفید باتری آورده شده که توسط آزمایشگاه باتری ها و سلول های اسید – سرب شرکت آتراوردا به دست آمده است. همچنین تکنیک های تولید باتری های تک قطبی و دو قطبی آورده شده است. یافته ها نشان می دهند که تولید باتری های دو قطبی در مقایسه با انواع رایج، از لحاظ مالی مقرون به صرفه است. این امر به خاطر مراحل ساخت کمتر و پربازده تر است. نتایج نشان می دهد که استفاده از ماده ی ترکیبی ابونکس به عنوان یک زیر لایه دوقطبی باتری های سربی – اسیدی، ولتاژ بالا و بادوامی را ایجاد می کند که برای کاربردهای وسیعی نظیر: ساخت اتومبیل های پیشرفته و تجهیزات الکتریکی ثابت و متحرک مناسب است.

● معرفی

اخیراً در مورد باتری های دوقطبی دارای صفحه های ابونکس اطلاعات اولیه ای ازائه شده است. مزایای عملکرد باتری های دوقطبی و به خصوص باتری های اسید – سرب به خوبی مستند سازی شده و مورد تایید قرار گرفته اند ولی مانع بزرگ برا یپیشرفت در زمینه عملکرد باتری های اسید – سرب، شناسایی یک ماده ی زیر لایه دوقطبی است که بتواند در محیط اسیدی و اکسیدی باتری پایدار باشد. در مورد ماده ی زیر لایه ی جدید ابونکس که به افزایش طول عمر و دوام باتری های اسید – سرب کمک می کند، تحقیقات بیشتری صورت گرفته که در این گزارش به آن اشاره شده است. این گزارش همچنین روش های تولید باتری اسید – سرب را مرور کرده و برای تولید محصول دوقطبی روش جدیدی ارائه می کند. سرامیک ابونکس یک رسانای فلزی است که رسانایی آن مانند کربن بوده ولی در برابر اکسیداسیون، از کربن مقاوم تر است. خصوصیات اصلی یک ماده ی زیر لایه ای برای یک دو قطبی عبارتند از: رسانای الکتریکی، مقاوم در براب خوردگی، محیط الکتروشیمیایی خنثی، نفوذ ناپذیری نسبت به اسید، چسبندگی خوب و مقاومت مکانیکی در برابر جابجایی. این مقاله در مورد آزمایش زیرلایه و باتری های دوقطبی تحت شرایط چرخه ی عمر و شرایط بیش بار اطلاعات جامع تری ارائه می دهد.

● تولید صفحه ابونکس

دو نوع صفحه برای ساخت یک باتری دو قطبی مورد نیاز است. هر باتری به دو صفحه انتهایی یا صفحه های دوقطبی گیره دار برای اتصالات خارجی و نیز تعدادی صفحه های دو قطبی میانی نیاز دارد. هر دونوع صفحه ابونکس با یک تکنیک ساده ی پرس کاری گرم تولید می شوند. صفحه ابونکس ترکیب ورقه شده ای شامل ذرات ابونکس در یک ماتریس پلیمری است که یک لایه ی خارجی از جنس آلیاژ سرب نیز دارد. پودر ابونکس با مقدار مشخصی از مواد ماتریسی مخلوط می شود و بین فویل های نازکی از آلیاژ سرب قرار می گیرد، سپس ساندویچ به دست آمده به مدت کوتاهی بین قالب شکل دهی پرس گرم می شود تا به صورت صفحه درآید. آنگاه روی سطح صفحه خمیری کشیده می شود. صفحات تک قطبی فقط از یک سطح مشبک می شوند و برای ایجاد اتصالات خارجی، روی صفحه ی مقابل خود گیره دارند. به منظور کنترل ضخامت خمیر، می توان ارتفاع شبکه را تغییر داد.

● آزمایش تخلیه صفحه

به منظور ارزیابی درجه ی تخلخل سرتاسری در یک صفحه ی دوقطبی آزمایشی طراحی شده است. وجود تخلخل سرتاسری می تواند باعث خود تخلیه شدن صفحه ی رطوبت پذیر شود. هر منفذ سرتاسری در الیاف پلیمری و کمبود یا نبود چسبندگی به ذرات ابونکس که به محلول اجازه ی ورود و ایجاد پلی بین دو صفحه ی مجاور را بدهد، باعث جاری شدن جریان می شود. با آزمایش مواد می توان دوام ماتریس پلیمری را ارزیابی کرد.

● نتایج و بحث و بررسی ساختار صفحه

ورقه های باتری ترکیبی با ذرات رسانای ابونکس رزین به وسیله ی آلیاژ سرب، لامینت (laminate) می شوند. هدف از وجود سرب بهبود چسبندگی جرم ها به سطح است، به خصوص بر روی سطح مثبت. به منظور ارتباط خوب به صفحه مثبت وجود یک لایه خوردگی روی سطح شبکه های سربی حائز اهمیت است. به علت خنثی بودن تیتانیوم نسبت به اکسیداسیون و شرایط اسیدی موجود در یک باتری اسید – سرب، نیاز نیست که مواد زیر لایه دوقطبی توسط سرب محافظت شود، همانطور که در انواع قبلی باتری های اسید – سرب نیز چنین محافظتی نیاز نبود. صفحه های دو قطبی روی یک سطح، خمیر مثبت و روی سطح دیگر خمیر منفی دارد. هر دو خمیر به ضخامت حدود یک میلیمتر روی هر سطح مالیده شده اند، ولی می توان به منظور اطمینان از اینکه خمیر منفی بیش از حد استفاده نشود آن را به دقت تنظیم کرد. سطوح مثبت و منفی نشان می دهند که جرم ها به سطح چسبیده اند. اندازه گیری دقیق ضخامت فویل ها پس از ترکیب نشان می دهد که ورقه ی روی سطح مثبت به میزان ۵-۷ میکرومتر کاهش ضخامت داشته، در حالیکه ورقه ی روی سطح منفی دست نخورده و بدون تغییر مانده است. بنابراین ساختار دوقطبی از ۳ ماده تشکیل شده است: پودر ابونکس، ماده ی ماتریس، رزین و آلیاژ سرب. هر کدام از این مواد باید نسبت به شرایط اسیدی و اکسیداسیون موجود در ماده ی مقاوم باشند. برای بررسی دوام هر کدام از اجزاء موجود در یک باتری اسید – سرب آزمایش هایی طرح ریزی شدند و اطلاعات مربوط به باتری های اسید – سرب که حاوی صفحه های دو قطبی ابونکس بودند نیز این آزمایش ها را پشتیبانی کردند و نتایج مربوطه در زیر بیان شده و مورد بحث قرار گرفته اند.

● نتیجه گیری

شرح آزمایش های انجام شده بر روی زیر لایه های دوقطبی ترکیبی ابونکس در باتری های شبیه سازی شده و واقعی در دست است. آزمایش ها برای ارزیابی دوام الیاف پلیمری طراحی شده بودند که در نهایت گروهی از مواد پلیمری که دارای پایدار کافی، تولید آسان و قابلیت آب بندی هستند، شناسایی شدند. اگر چه نیازی به محافظت زیر لایه ی ترکیبی پر شده با سرامیک ابونکس احساس نمی شود، ولی ثابت شد که در افزایش طول عمر باتری های دارای زیر لایه های ابونکس، سرب نقش مهمی ایفا می کند. زیرا به علت تشکیل اکسیدهای سرب کم رسانا ظرفیت کاهش می یابد. این امر با آزمایش باتری های ۶ ولتی که با استاندارد B۵۶۲۹۰ نیز مطابقت داشتند به تایید رسید. کارهای بیشتری بر روی چرخه ی عمر در حال انجام است و نتایج در زمان مقتضی ارائه می شود. مروری بر عملیات تولید نشان داده است که برای تولید باتری های دوقطبی عملیات کمتری نسبت به طرح تک قطبی مرسوم مورد نیاز است که باعث کاهش زمان و هزینه تولید می شود.