แบตเตอรี่ตะกั่วกรดคืออะไร?

คิดค้นโดยแพทย์ชาวฝรั่งเศส แกสตัน ปลองเต้ในปีพ.ศ. 2402 กรดตะกั่วเป็นแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ก้อนแรกสำหรับใช้ในเชิงพาณิชย์ แม้จะอายุมากแล้ว แต่เคมีตะกั่วยังคงใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน มีเหตุผลที่ดีสำหรับความนิยม กรดตะกั่วเชื่อถือได้และราคาไม่แพงตามฐานต้นทุนต่อวัตต์ มีแบตเตอรี่อื่นๆ เพียงไม่กี่ก้อนที่ให้พลังงานปริมาณมากในราคาถูกพอๆ กับกรดตะกั่ว และทำให้แบตเตอรี่มีความคุ้มค่าสำหรับรถยนต์ รถกอล์ฟ รถยก เรือเดินทะเล และอุปกรณ์จ่ายไฟสำรอง (UPS)

โครงสร้างกริดของแบตเตอรี่กรดตะกั่วทำจากโลหะผสมตะกั่ว ตะกั่วบริสุทธิ์อ่อนเกินไปและไม่สามารถรองรับตัวเองได้ ดังนั้นจึงมีการเติมโลหะอื่นๆ ในปริมาณเล็กน้อยเพื่อให้ได้ความแข็งแรงทางกลและปรับปรุงคุณสมบัติทางไฟฟ้า สารเติมแต่งที่พบมากที่สุด ได้แก่ พลวง แคลเซียม ดีบุก และซีลีเนียม แบตเตอรี่เหล่านี้มักรู้จักกันในชื่อ "ตะกั่ว-พลวง" และ "ตะกั่วแคลเซียม"

การเพิ่มพลวงและดีบุกช่วยปรับปรุงการหมุนเวียนในเชิงลึก แต่จะเป็นการเพิ่มการใช้น้ำและเพิ่มความจำเป็นในการทำให้เท่าเทียมกัน- แคลเซียมลดการปลดปล่อยตัวเอง แต่แผ่นตะกั่ว-แคลเซียมที่เป็นบวกมีผลข้างเคียงจากการเจริญเติบโตเนื่องจากการเกิดออกซิเดชันของกริดเมื่อมีการชาร์จมากเกินไป แบตเตอรี่กรดตะกั่วสมัยใหม่ยังใช้สารเติมแต่ง เช่น ซีลีเนียม แคดเมียม ดีบุก และสารหนู เพื่อลดปริมาณพลวงและแคลเซียม

กรดตะกั่วมีน้ำหนักมากและมีความทนทานน้อยกว่าระบบที่ใช้นิกเกิลและลิเธียมเมื่อทำการปั่นแบบลึก การคายประจุจนหมดทำให้เกิดความเครียด และรอบการคายประจุ/การชาร์จแต่ละครั้งจะทำให้แบตเตอรี่มีความจุเพียงเล็กน้อยอย่างถาวร การสูญเสียนี้เกิดขึ้นเพียงเล็กน้อยในขณะที่แบตเตอรี่อยู่ในสภาพการทำงานที่ดี แต่การซีดจางจะเพิ่มขึ้นเมื่อประสิทธิภาพลดลงเหลือครึ่งหนึ่งของความจุที่ระบุ ลักษณะการสึกหรอนี้ใช้กับแบตเตอรี่ทุกก้อนในองศาต่างๆ

กรดตะกั่วสำหรับการใช้งานรอบลึกจะให้รอบการคายประจุ/การชาร์จ 200 ถึง 300 รอบ ขึ้นอยู่กับความลึกของการปล่อย สาเหตุหลักสำหรับอายุการใช้งานที่ค่อนข้างสั้นคือการกัดกร่อนของโครงข่ายบนอิเล็กโทรดขั้วบวก การสิ้นเปลืองวัสดุออกฤทธิ์ และการขยายตัวของแผ่นขั้วบวก ปรากฏการณ์การเสื่อมสภาพนี้จะถูกเร่งขึ้นที่อุณหภูมิการทำงานที่สูงขึ้น และเมื่อดึงกระแสคายประจุสูง

การชาร์จแบตเตอรี่ตะกั่วกรดเป็นเรื่องง่าย แต่ต้องปฏิบัติตามขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าที่ถูกต้อง การเลือกขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าต่ำจะช่วยปกป้องแบตเตอรี่ แต่จะทำให้ประสิทธิภาพการทำงานต่ำ และทำให้เกิดการสะสมของซัลเฟตบนแผ่นขั้วลบ ขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าสูงช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพแต่ทำให้เกิดการกัดกร่อนของกริดบนเพลตขั้วบวก แม้ว่าซัลเฟตสามารถย้อนกลับได้หากซ่อมบำรุงทันเวลา แต่การกัดกร่อนจะคงอยู่ถาวร

กรดตะกั่วไม่สามารถชาร์จเร็วได้ และในเกือบทุกประเภท การชาร์จจนเต็มจะใช้เวลา 14–16 ชั่วโมง ต้องเก็บแบตเตอรี่ไว้ในสถานะชาร์จเต็มเสมอ ประจุไฟฟ้าต่ำทำให้เกิดซัลเฟต ซึ่งเป็นสภาวะที่ทำให้แบตเตอรี่หมดประสิทธิภาพ การเติมคาร์บอนบนขั้วลบจะช่วยลดปัญหานี้แต่จะลดพลังงานจำเพาะลง

กรดตะกั่วมีอายุการใช้งานปานกลาง แต่ไม่ได้ขึ้นอยู่กับหน่วยความจำเนื่องจากระบบที่ใช้นิกเกิล และการเก็บรักษาประจุจะดีที่สุดในบรรดาแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ แม้ว่า NiCd จะสูญเสียพลังงานที่เก็บไว้ประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์ในสามเดือน แต่กรดตะกั่วจะคายประจุเองในปริมาณเท่าเดิมในหนึ่งปี แบตเตอรี่กรดตะกั่วทำงานได้ดีที่อุณหภูมิเย็น และเหนือกว่าลิเธียมไอออนเมื่อทำงานในสภาวะที่ต่ำกว่าศูนย์ จากข้อมูลของ RWTH เมืองอาเค่น ประเทศเยอรมนี (2018) ค่าใช้จ่ายของกรดตะกั่วที่ถูกน้ำท่วมอยู่ที่ประมาณ 150 ดอลลาร์ต่อกิโลวัตต์ชั่วโมง ซึ่งเป็นหนึ่งในแบตเตอรี่ที่ต่ำที่สุด