סוללת עופרת-חומצה

סוללת עופרת חומצה (או מצבר עופרת-חומצה; מצבר רכב; באנגלית: Lead-acid battery), היא סוללה חשמלית נטענת המבוססת על תגובה כימית של לוחות עופרת בתמיסה מימית של חומצה גופרתית. הסוללה הומצאה בשנת 1859 על ידי הפיזיקאי הצרפתי גסטון פלנטה (Gaston Planté) ונמצאת בשימוש עד היום. סוללת עופרת-חומצה היא מהסוללות הנפוצות ביותר הקיימות, עם סכום מכירות שנתי של כ-15.6 מיליארד דולר, המהווה כ-33% מסך ההוצאה העולמית על סוללות (נכון לשנת 2009). השימושים העיקריים של סוללות עופרת-חומצה הן: מקור כוח חשמלי להתנעת כלי רכב (60%), מערכות גיבוי למתקנים נייחים (25%) ואגירת אנרגיה (15%). סוללות עופרת-חומצה מצטיינות באורך חיים ארוך (500–800 מחזורים) ובפעולה בטווח טמפרטורות רחב (Min. −40 °C, max. 60 °C), וכן ביחס כוח גבוה למשקל (W/kg 180). אולם, הן בעלות צפיפות אנרגיה נמוכה מאוד (משקלית: 33-42 Wh/kg; נפחית: 60-110 Wh/L) ועל כן השימוש בסוללות עופרת-חומצה מוגבל בעיקר ליישומים בהן אין חשיבות גבוהה למשקל הסוללה. סוללת עופרת-חומצה הומצאה בשנת 1859, על ידי הפיזיקאי הצרפתי גסטון פלנטה (1834–1889). המודל הראשון שבנה פלנטה הורכב משני לוחות עופרת (שעל אחד מהן הוא מרח שכבת תחמוצת עופרת). הלוחות הופרדו באמצעות רצועות גומי אשר גולגלו לצורה ספירלית והוטבלו בתמיסה מימית שהכילה כ-10 אחוז חומצה גופרתית. סוללות העופרת-חומצה היו הסוללות הראשונות שהיו יכולות להיטען על ידי העברת זרם חשמלי דרכן. סוללות עופרת-חומצה שימשו תחילה כמקור חשמלי לתאורת רכבות בשעה שהן עצרו בתחנות הנוסעים. השדרוג הראשון של סוללות עופרת-חומצה בוצע בשנת 1881, על ידי מהנדס הכימיה הצרפתי קמיל אלפונס פור (1840–1898), אשר החליף את אחד מלוחות העופרת ברשת של סגסוגת עופרת שעליהן הוא מרח משחה של תחמוצת העופרת (PbO2). שיפור זה הקל על הייצור ההמוני של הסוללה. בראשית שנות ה-30 של המאה ה-20 פותח אלקטרוליט מסוג ג'ל עבור סוללת עופרת-חומצה. אלקטרוליט זה הכיל תרכובות סיליקטיות שהפכו את האלקטרוליט לפחות נזיל מה שהפך את הסוללה לבטוחה יותר במקרה של שבר. מסיבות שונות, שיפור זה אינו נמצא בכל סוללות העופרת-חומצה המיוצרות כיום. למעשה מאז שנת 1930 ועד היום לא בוצעו שינויים משמעותיים נוספים בטכנולוגיה הכימית של סוללות עופרת-חומצה. תא של סוללת עופרת-חומצה מורכב מאנודה המבוססת על לוח עופרת (Pb), וכנגדה נמצאת הקתודה, המבוססת על תחמוצת העופרת (PbO2). הקתודה מורכבת מרשת של עופרת שעליה נמרחה משחה של עופרת דו-חמצנית (החומר הפעיל בקתודה). המשחה נמרחה על רשת במקום על לוח שטוח משיקולים של הולכה חשמלית ויציבות מכנית. האלקטרוליט בתא עופרת-חומצה הוא תמיסה מימית של חומצה גופרתית (H2SO4), וזהו מקור השם "חומצה" בסוללה זו. בשעה שסוגרים את המעגל החשמלי בתא על ידי חיבור האלקטרודות באמצעות כבל מוליך, מתרחשת פעולת הפריקה, במהלכה התא מספק זרם חשמלי עם מתח גבוה (כ-2.1 וולט בתנאים תקניים). במהלך תגובת הפריקה, האנודה עוברת חמצון, כך שלוח העופרת (Pb) מגיב עם יוני -HSO4 של החומצה הגופרתית לקבלת עופרת גופרתית (PbSO4), יוני הידרון (+H) ואלקטרונים (-e). האלקטרונים עוברים דרך הכבל המוליך אל עבר הקתודה, שם מתבצעת תגובת החיזור: הקתודה (PbO2) מגיבה עם יוני החומצה הגופרתית (+HSO4-,H) לקבלת עופרת גופרתית (PbSO4) ומים (H2O) כך שהתגןבה השלמה היא קומפרופורציונציה שבה עופרת בדרגת חמצון 0 באנודה ועופרת בדרגת חמצון 4+ בקתודב עוברים לדרגת חמצון 2+. במהלך פריקת התא, האלקטרוליט נעשה מהול יותר (יורד מריכוז של 4 ל-2 מולר) בשל ההיווצרות של עופרת גופרתית על האלקטרודות ובשל יציאת המים.[2] אנודה: -Pb(s) + HSO4-(aq) → PbSO4(s) + H+(aq) + 2e קתודה: (PbO2(s) + HSO4-(aq) + 3H+(aq) + 2e− → PbSO4(s) + 2H2O(l התגובה נטו: (Pb(s) + PbO2(s) + 2H2SO4(aq) → 2PbSO4(s) + 2H2O(l המסה המולרית הכללית של המגיבים היא 642.6 גרם למול. על פי היחסים הסטוכיומטרים של התגובה, עולה כי עוברים 2 מול אלקטרונים, כלומר 192,971 קולון. על כן, באופן תאורטי, התא אמור לספק 83.4 אמפר-שעה לקילוגרם (או 13.9 אמפר-שעה לקילוגרם עבור סוללה של 12 וולט). באופן מעשי, הערכים נמוכים יותר. במהלך הטעינה של הסוללה, התגובות על שתי האלקטרודות נהפכות, כך שהאנודה חוזרת להיות עופרת מתכתית, והקתודה חוזרת למצבה כעופרת דו-חמצנית (PbO2). במהלך שלב הטעינה, האלקטרוליט נעשה חומצי ומרוכז יותר (עולה לריכוז של כ-6 מולר), בשל הייצור מחדש של החומצה הגופרתית.[3] במקרה של טעינת יתר במתח גבוה (Overcharging), תתרחש אלקטרוליזה של האלקטרוליט המימי, לקבלת גז מימן (H2) וחמצן (O2). ניתן לקבוע בצורה טובה את רמת הטעינה של סוללת עופרת חומצה על סמך בדיקת הצפיפות של האלקטרוליט. ככל שהאלקטרוליט צפוף יותר (מהול פחות) אזי הסוללה נמצאת ברמת טעינה גבוהה יותר, כלומר היא יכולה לספק זרם חשמלי עוד זמן רב. ירידה בצפיפות של האלקטרוליט מצביעה על התרוקנות הסוללה. בדיקה של צפיפות האלקטרוליט יכולה להיעשות באמצעות הידרומטר. יש סוללות עופרת-חומצה שמכילות כדוריות ציפה צבעוניות המגיעות בצפיפויות שונות, שניתן להתבונן בהן דרך פתח מתאים בסוללה ובכך לעמוד אחר צפיפותו של האלקטרוליט. שיטה כזו משמשת בצוללות דיזל, שעושות שימוש בסוללות כשהצוללת נמצאת מתחת למים. אנשי הצוות הטכני, של הצוללת, מבצעים מדידות שגרתיות של רמת הטעינה של הסוללות ומעדכנים את המידע על לוח מיוחד בחדר הבקרה של הצוללת. כך ניתן לדעת כמה זמן תוכל הצוללת לשהות מתחת למים. תא סוללת עופרת חומצה מספקת מתח של 2.10 וולט במצב טעינה מלא (Open-circuit voltage), ומתח הדקים של 1.95 וולט. מתח הטעינה הנדרש הוא 2.28-2.4 וולט (המתח עשוי להשתנות בטמפרטורות שונות), מתחים גבוהים יביאו לאלקטרוליזה בקצב גבוה של האלקטרוליט המימי (פליטה של גז מימן וחמצן מהמערכת). בדרך כלל, סוללות העופרת-חומצה נמכרות במארזים שבהן 6 תאים (סוללת 12 וולט) או במארזים ובהן 12 תאים (סוללת 24 וולט). הערה: הנתונים עבור טמפ' של 20 מעלות צלזיוס. ההערכות הן שכ-75% מהייצור השנתי העולמי של עופרת מיועד לייצור של סוללות עופרת חומצה. סה"כ כ-4.5 מיליון טון. רוב סוללות העופרת-חומצה משמשות כסוללות ברכבים מנועים, שם תפקידן בהנעה הראשונית של הרכב ובאספקת החשמל כשהמנוע כבוי. שאר השימושים הם כמקורות גיבוי חשמליים עבור מרכזי טלפוניה ומחשבים, מתקני תאורת חירום ומשאבות. סוללות עופרת חומצה משמשות גם כמקור ההנעה של רכבים חשמליים קטנים כמו עגלות גולף, וכמקור הנעה נוסף בצוללות דיזל, וכמערכות גיבוי חשמליים בכלי שיט גרעיניים. ערך מורחב – הרעלת עופרת טעינת יתר של סוללת עופרת-חומצה תגרום לתגובת אלקטרוליזה ולפליטה של גז מימן וחמצן לתוך מארז הסוללה. מצב זה עשוי להביא להתנפחות הסוללה ואף להתפוצצותה, אולם ברוב הסוללות מותקנים שסתומים לשחרור לחץ עודף, ובחלקן מותקנות גם מערכות קטליטיות שמסוגלות לבצע רקומבינציה (Recombination) של מימן וחמצן בחזרה למים. יש סוללות עופרת-חומצה שבהן האלקטרוליט הוא מסוג ג'ל, שמקטין את הסיכון מהסוללה במקרה דליפה או שבר. ביצוע פעולות עם סוללות עופרת חומצה שאינן תקינות עלול להסתיים בכוויות קשות כתוצאה מהתזה של חומצה במקרה של התפוצצות הסוללה, ועל כן יש להשתמש באמצעי מיגון הכוללים: מיגון פנים, כפפות וביגוד ארוך לכיסויי חלקי גוף גלויים. יש להימנע ממגע ישיר באלקטרודות של סוללות עופרת חומצה, בדגש על תחמוצות עופרת שהן רעילות מאוד (במיוחד במקרה של שאיפה). תרכובות אלה עשויות להביא לפגיעה קשה בכליות ובמוח, במיוחד בילדים.[4] המרכיב העיקרי והיקר בסוללות עופרת-חומצה, הוא העופרת. בשל מחירה הגבוה באופן יחסית, ובשל הרעילות הגבוהה של הסוללה עצמה, פותחו תוכניות למיחזור של סוללות אלה. למעשה, סוללות העופרת-חומצה הן מהסוללות הממוחזרות ביותר בעולם. בארצות הברית לבדה, בין השנים 2009 ל-2013, היווה מיחזור של סוללות העופרת-חומצה, מקור לכ-99% מסך העופרת שמוחזרה. רכב חשמלי מונע מצבר סוללת אלומיניום-אוויר Detchko Pavlov, Science and Technology : a Handbook of Lead-acid Battery Technology, Elsevier Science, 2011 David Linden, Thomas Reddy, Handbook of Batteries, McGraw Hill Professional, 2001 מדיה וקבצים בנושא סוללת עופרת-חומצה בוויקישיתוף https://www.youtube.com/watch?v=rhIRD5YVNbs, יHow a lead-acid battery works https://www.youtube.com/watch?v=xOLxRAoqfTQ, יModern marvels - Lead-acid Battery http://www.upsbatterycenter.com/blog/global-battery-market-industry-report-review/ http://www.power-sonic.com/ps_psg_series.php (ארכיון) PowerSonic, Technical Manual (PDF), retrieved January 2014 (ארכיון) http://www.corrosion-doctors.org/Biographies/PlantelBio.htm http://www.baj.or.jp/e/knowledge/history04.html .Ruhe, William J, (1996) War in the Boats: My World War II Submarine Battles, Brassey's. p. 112 http://www.worstpolluted.org/projects_reports/display/65 [1]