แบตเตอรี่แบบตะกั่ว-กรด
แบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด (English: lead–acid battery) สร้างขึ้นในปี ค.ศ. 1859 โดยนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส แกสตัน Planté. แบตเตอรี่ชนิดนี้แบบชาร์จไฟได้ชนิดที่เก่าแก่ที่สุด ซึ่งมีอัตราส่วนพลังงานต่อน้ำหนักที่ต่ำมาก และอัตราส่วนพลังงานต่อปริมาณที่ต่ำ แต่มีอัตราส่วนกำลังงานต่อน้ำหนักค่อนข้างสูง นั่นหมายถึงมีความสามารถในการจ่ายกระแสไฟกระชากที่สูง ด้วยคุณสมบัติข้างต้นรวมกับราคาที่ค่อนข้างถูก ทำให้เป็นที่น่าสนใจสำหรับการใช้งานในเครื่องยนต์ที่ต้องใช้กระแสสูงสำหรับการจุดเครื่องยนต์.
เนื่องจากแบตเตอรี่ชนืดนี้มีราคาไม่แพงเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีสมัยใหม่ จึงใช้กันอย่างแพร่หลาย ถึงแม้ว่าในปัจจุบันการจ่ายไฟกระชากสูงไม่มีความจำเป็น และการออกแบบอื่นๆก็ต้องการความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น. การออกแบบตะกั่วกรดในรูปแบบขนาดใหญ่มีการใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการจัดเก็บในอุปกรณ์สำรองพลังงานในอาคารโทรศัพท์มือถือ, การดำเนินงานความพร้อมสูงเช่นโรงพยาบาล, และระบบไฟฟ้าแบบ stand-alone. สำหรับบทบาทเหล่านี้, รุ่นดัดแปลงของเซลล์มาตรฐานอาจจะนำมาใช้ในการปรับปรุงเวลาการเก็บรักษาและลดความต้องการการบำรุงรักษา. แบตเตอรี่แบบ "เจลเซลล์" (English: Gel-cells) และแบบ "แก้วดูดซับ" (English: absorbed glass-mat) ถูกใช้ทั่วไปในบทบาทเหล่านี้, รวมกันแล้วแบตเตอรี่เหล่านี้จะถูกเรียกว่าเป็นแบบตะกั่ว-กรดกำกับด้วยวาล์ว (English: valve-regulated lead-acid (VRLA))
ยอดขายแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดอยู่ที่ 40-45% ของมูลค่าจากแบตเตอรี่ที่ขายทั่วโลก (ปี 1999, ไม่รวมจีนและรัสเซีย), มูลค่าตลาดของการผลิตอยู่ที่ประมาณ US$ 15 พันล้าน[7].
บทความหลัก: ประวัติศาสตร์ของแบตเตอรี่
นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส Gautherot ได้สังเกตในปี 1801 ที่สายลวดที่ถูกนำมาใช้สำหรับการทดลองเกี่ยวกับอิเล็กโทรไลซิสจะให้กระแสไฟฟ้า "รอง" เป็นจำนวนเล็กน้อยหลังจากที่แบตเตอรี่หลักได้ถูกตัดออกจากการเชื่อมต่อ[8]. ใน 1859, แบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดของ แกสตัน Planté เป็นแบเตอรี่ตัวแรกที่สามารถชาร์จใหม่ได้โดยผ่านกระแสย้อนกลับผ่านตัวมัน. รูปแบบครั้งแรกของ Planté ประกอบด้วยสองแผ่นตะกั่วคั่นด้วยแถบยางและม้วนกันเป็นเกลียว[9]. แบตเตอรี่ของเขาถูกนำมาใช้ครั้งแรกในการให้พลังงานแสงสว่างในรถไฟขณะที่มันหยุดอยู่ที่สถานี. ในปี 1881 คามิลล์ อัลฟองส์ Faure คิดค้นรุ่นปรับปรุงใหม่ที่ประกอบด้วยตาข่ายตารางตะกั่วและมีป้ายตะกั่วออกไซด์ถูกกดผ่านเข้าข้างในทำตัวเป็นแผ่น. การออกแบบนี้ก็ง่ายขึ้นที่จะผลิตออกมาจำนวนมาก. ผู้ผลิตในช่วงต้น (จาก 1886) ของแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดคือ อองรี ทิวดอร์.
การใช้อิเล็กโทรไลท์แบบเจลแทนแบบของเหลวช่วยให้แบตเตอรี่สามารถใช้ในตำแหน่งที่แตกต่างกันโดยไม่รั่วไหล. แบตเตอรี่ที่ใช้อิเลคโทรไลท์ที่เป็นเจลได้ในทุกๆตำแหน่งสามารถมองกลับไปในอดีตตั้งแต่ช่วงทศวรรษที่ 1930 และแม้กระทั่งในปลาย 1920s, ชุดวิทยุกระเป๋าหิ้วแบบพกพายอมให้เซลล์อยู่ในแนวตั้งหรือแนวนอน (แต่ไม่กลับด้าน) เนื่องจากการออกแบบวาล์ว (ดูการพิมพ์ครั้งที่สามของสารานุกรมผู้สร้างวิทยุโดยเฟรเดอริค เจมส์ Camm). ในปี 1970, แบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดกำกับด้วยวาล์ว (มักเรียกว่า "ปิดผนึก") ได้รับการพัฒนา, รวมถึงแบบแก้วดูดซึมที่ทันสมัย, ที่ช่วยให้สามารถทำงานได้ในทุกๆตำแหน่ง.
ในสภาวะดีสชาร์จ, ทั้งแผ่นบวกและแผ่นลบกลายเป็นตะกั่วซัลเฟต (PbSO 4), และอิเล็กโทรไลท์สูญเสียกรดซัลฟูริกทำให้มันเจือจางลงอย่างมากและส่วนใหญ่กลายเป็นน้ำ. ขบวนการดีสชาร์จถูกขับเคลื่อนโดยการไหลของอิเล็กตรอนจากแผ่นลบผ่านทางวงจรภายนอกกลับเข้าสู่เซลล์ที่แผ่นบวก.
Pb(s) + HSO− 4(aq) → PbSO 4(s) + H+ (aq) + 2e−
PbO 2(s) + HSO− 4(aq) + 3H+ (aq) + 2e− → PbSO 4(s) + 2H 2O(l)
ปฏิกิริยาทั้งหมดสามารถเขียนเป็น
Pb(s) + PbO 2(s) + 2H 2SO 4(aq) → 2PbSO 4(s) + 2H 2O(l)
ผลรวมของมวลโมเลกุลของสารตั้งต้นเป็น 642.6 g/mol, ดังนั้นในทางทฤษฎีเซลล์สามารถผลิตสองหน่วย faradays ของประจุ (192,971 คูลอมบ์) จาก 642.6 กรัมของสารตั้งต้น, หรือ 83.4 แอมแปร์ชั่วโมงต่อกิโลกรัม (หรือ 13.9 แอมแปร์ชั่วโมงต่อกิโลกรัม สำหรับแบตเตอรี่ 12 โวลต์). สำหรับเซลล์ 2 โวลต์, ตัวเลขนี้เป็น 167 วัตต์-ชั่วโมงต่อกิโลกรัมของสารตั้งต้น, แต่เซลล์ตะกั่วกรดในทางปฏิบัติให้เพียง 30-40 วัตต์ชั่วโมงต่อกิโลกรัมของแบตเตอรี่ เนื่องจากมวลของน้ำและส่วนประกอบอื่นๆ.
การใส่ประจุมากเกินไปด้วยแรงดันไฟฟ้าที่สูงสร้างก๊าซออกซิเจนและก๊าซไฮโดรเจนโดยการอิเล็กโทรไลซิสของน้ำ (English: electrolysis of water), ซึ่งทำการสูญเสียให้กับเซลล์. การบำรุงรักษาตามช่วงเวลาของแบตเตอรี่ตะกั่วกรดต้องทำการตรวจสอบระดับอิเล็กโทรไลท์และการเพิ่มน้ำที่สูญเสียไป.
เนื่องจากจุดเยือกแข็ง (English: freezing-point depression) ของอิเล็กโทรไลท์, เมื่อแบตเตอรี่ดีสชาร์จและความเข้มข้นของกรดซัลฟูริคจะลดลง, อิเล็กโทรไลท์มีโอกาสมากขึ้นที่จะแข็งตัวในช่วงฤดูหนาว.
ในระหว่างการดีสชาร์จ, H+ ที่ผลิตขึ้นบนแผ่นลบและจากสารละลายอิเล็กโทรไลท์จะเคลื่อนที่ไปที่แผ่นบวกซึ่งเป็นจุดที่มันจะถูกกิน, ในขณะที่ H2SO4 จะถูกกินที่ทั้งสองแผ่น. การย้อนกลับเกิดขึ้นในระหว่างการชาร์จ. การเคลื่อนที่นี้อาจจะโดยการไหลของโปรตอนโดยการขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าหรือโดยกลไกของ Grotthuss (English: Grotthuss mechanism) หรือโดยการแพร่กระจายผ่านสื่อ, หรือโดยการไหลของสื่ออิเล็กโทรไลท์เหลว. เนื่องจากความหนาแน่นจะมีมากขึ้นเมื่อความเข้มข้นของกรดซัลฟูริกสูงขึ้น, ของเหลวจะมีแนวโน้มที่จะไหลเวียนโดยการพาความร้อน (English: convection). ดังนั้นเซลล์ที่มีสื่อเป็นของเหลวมีแนวโน้มที่จะดีสชาร์จอย่างรวดเร็วและชาร์จอย่างรวดเร็วได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าเซลล์แบบเจลที่คล้ายกันอย่างอื่น.
เหล่านี้เป็นช่วงแรงดันไฟฟ้าทั่วไป ต่อเซลล์:
วงจรเปิด (นิ่ง) ที่<i data-parsoid='{"dsr":[7615,7628,2,2]}'>ชาร์จเต็ม: 2.10 V วงจรเปิดที่<i data-parsoid='{"dsr":[7650,7665,2,2]}'>ดีสชาร์จหมด: 1.95 V โหลดที่ดีสชาร์จหมด: 1.75 V การชาร์จแบบเก็บนานต่อเนื่อง (English: Continuous-preservation) หรือ float: 2.23 V สำหรับอิเล็กโทรไลท์แบบเจล; 2.25 V แก้วดูดซับ (English: absorbed glass mat (AGM)) และ 2.32 V สำหรับเซลล์น้ำท่วม
แรงดันไฟฟ้าทั้งหมดอยู่ที่ 20 °C (68 °F), และต้อง (สำหรับแบตเตอรี่แบบ 6 เซลล์) ถูกปรับได้ที่ -0.0235 V/°C สำหรับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ. คำแนะนำเกี่ยวกับแรงดันไฟฟ้า float (เป็นระดับแรงดันที่แบตเตอรี่จะรักษาไว้หลังจากถูกเติมประจุจนเต็มโดยการชดเชยการรั่วไหลของตัวมันเอง) แตกต่างกันขึ้นอยู่กับผู้ผลิต แรงดันไฟฟ้า float ที่แม่นยำ (± 0.05 V) มีความสำคัญต่อการมีอายุยืนยาว; แรงดันไฟฟ้าไม่เพียงพอ (ทำให้เกิด sulfation) เกือบจะเป็นอันตรายเท่ากับการมีแรงดันมากเกินไป (ก่อให้เกิดการกัดกร่อนและการสูญเสียอิเล็กโทรไลท์)
การชาร์จทั่วไป (ทุกวัน): 2.37-2.4 V (ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและคำเสนอแนะของผู้ผลิต) การชาร์จแบบ Equalization (สำหรับตะกั่วกรดแบบน้ำท่วม): 2.5 V เป็นเวลาไม่เกิน 2 ชั่วโมง. อุณหภูมิของแบตเตอรี่จะต้องตรวจสอบให้แน่นอน. เกณฑ์ของการปล่อยแก๊สออกมา: 2.4 V
เพราะอิเล็กโทรไลท์มีส่วนในปฏิกิริยาการชาร์จ-ดีสชาร์จของแบตเตอรี่, แบตเตอรี่นี้จึงมีข้อได้เปรียบอย่างหนึ่งที่สำคัญกว่าแบตเตอรี่เคมีอื่นๆ. มันต่อนข้างง่ายในการกำหนดสถานะของการชาร์จโดยเพียงแต่วัดค่าความถ่วงจำเพาะ (English: specific gravity (SG)) ของอิเล็กโทรไลท์เท่านั้น; S.G. จะตกลงเมื่อแบตเตอรี่ดีสชาร์จ. การออกแบบแบตเตอรี่บางอย่างจะรวมไฮโดรมิเตอร์ง่ายๆไวัด้วยโดยใช้ลูกลอยต่างสีที่มีความหนาแน่นที่แตกต่างกัน. ตัวอย่างการนำ SG มาใช้, เมื่อนำมาใช้ในเรือดำน้ำดีเซล-ไฟฟ้า, SG จะถูกวัดอย่างสม่ำเสมอและถูกเขียนบนกระดานดำในห้องควบคุมเพื่อแสดงให้เห็นว่าเรือจะยังคงจมอยู่ใต้น้ำได้อีกนานแค่ไหน (ถ้าแบตฯหมดก็ขึ้นไม่ได้)[10].
แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดของแบตเตอรี่นอกจากนี้ยังสามารถถูกใช้ในการวัดสถานะของการชาร์จ[11]. หากสามารถเข้าถึงการเชื่อมต่อกับแต่ละเซลล์ได้, สถานะของการชาร์จของแต่ละเซลล์จะสามารถกำหนดได้ซึ่งจะสามารถให้คำแนะนำของสถานะของสุขภาพของแบตเตอรี่โดยรวม.
เซลล์ตะกั่วกรดสามารถถูกสาธิตให้เห็นถึงการใช้แผ่นตะกั่วทำเป็นสองขั้วไฟฟ้า. อย่างไรก็ตามการสร้างดังกล่าวจะผลิตไฟฟ้าได้เพียงประมาณหนึ่งแอมแปร์เท่านั้นสำหรับแผ่นที่มีขนาดประมาณเท่าไปรษณียบัตรและทำงานได้เพียงไม่กี่นาที.
แกสตัน Planté ได้พบวิธีที่จะทำให้มีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่ที่มีประสิทธิภาพ. ในการออกแบบของ Planté, แผ่นบวกและแผ่นลบจะถูกก่อตัวให้เป็นเกลียวของฟอยล์ตะกั่วสองเกลียว, คั่นด้วยแผ่นผ้าและม้วนขึ้น. เซลล์ในตอนแรกมีความจุต่ำ, ดังนั้นกระบวนการที่ช้าของ "การก่อตัว" (English: forming) เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อกัดกร่อนฟอยล์ตะกั่ว, เพื่อสร้างตะกั่วไดอ็อกไซด์บนจานและทำให้มันหยาบเพื่อเพิ่มพื้นที่ผิว. ในขั้นต้นขั้นตอนนี้ใช้ไฟฟ้าจากแบตเตอรี่หลัก; เมื่อมีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพร้อมใช้งานหลังจากปี 1870, ค่าใช้จ่ายในการผลิตแบตเตอรี่ได้ลดลงอย่างมาก[7]. แผ่นของ Planté ยังคงถูกใช้ในบางแอปพลิเคชันที่อยู่กับที่, ในที่ซึ่งแผ่นจะถูกเซาะร่องด้วยกลไกเพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวของพวกมัน.
คามิลล์ อัลฟองส์ Faure ได้ประดิษฐ์การสร้างแบบแผ่นที่ถูกป้าย (English: 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" (English: formed).
หนึ่งในปัญหาที่เกิดกับแผ่นก็คือแผ่นจะเพิ่มขนาดเมื่อวัสดุใช้งานดูดซับซัลเฟตจากกรดในระหว่างการดีสชาร์จและลดขนาดเมื่อพวกมันหยุดการดูดซับระหว่างการชาร์จ. นี่ทำให้แผ่นค่อยๆกัดเซาะตัวป้าย. มันเป็นสิ่งสำคัญเพราะมีที่ว่างอยู่ใต้แผ่นที่จะสะสมวัสดุที่ถูกกัดเชาะนี้. ถ้ามันสะสมจนถึงแผ่น, เซลล์จะลัดวงจร.
ตัวป้ายประกอบด้วยคาร์บอนดำ (English: 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[12]
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.
ประมาณ 60% ของน้ำหนักของแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดขนิดที่ใช้กับยานยนต์ที่มีขนาดประมาณ 60 A·h (หนัก 8.7 กิโลกรัมสำหรับแบตเตอรี่หนัก 14.5 กก.) จะเป็นตะกั่วหรือส่วนภายในทำจากตะกั่ว; ที่เหลือเป็นอิเล็กโทรไลท์, ตัวคั่น, และกล่องใส่[7].
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 (English: ionic conductivity), และความเข้ากันได้ทางเคมีกับอิเล็กโทรไลท์. ในการบริการ, ตัวคั่นต้องมีความต้านทานที่ดีต่อกรดและการออกซิเดชัน. พื้นที่ของตัวคั่นจะต้องใหญ่กว่าพื้นที่ของแผ่นเล็กน้อยเพื่อป้องกันการแตะกันของวัสดุระหว่างแผ่น. ตัวคั่นจะต้องยังคงมีเสถียรภาพตลอดช่วงอุณหภูมิการทำงานของแบตเตอรี่.
ในการออกแบบของแก้วดูดซึม, หรือสั้นๆว่า AGM, ซึ่งเป็นตัวคั่นระหว่างเซลล์ด้วยกันจะถูกแทนที่ด้วยแผ่นใยที่ทำด้วยแก้ว (English: glass fiber) ที่แช่ในอิเล็กโทรไลท์. ในวัสดุจะมีอิเล็กโทรไลท์เพียงพอที่จะให้มันเปียกเท่านั้น, และหากแบตเตอรี่ถูกเจาะอิเล็กโทรไลท?จะไม่ไหลออกจากวัสดุ. ในทำนองเดียวกันวัสดุจะช่วยลดการระเหย, ไปยังจุดที่แบตเตอรี่ไม่จำเป็นต้องมีการเติมน้ำตามช่วงระยะเวลา. การรวมกันของคุณสมบัตินี้จะช่วยให้แบตเตอรี่สามารถที่จะถูกปิดผนึกได้อย่างสมบูรณ์ซึ่งจะทำให้พวกมันมีประโยชน์ในอุปกรณ์พกพาและบทบาทที่คล้ายกัน.
เพื่อแก้ไขการก่อตัวของก๊าซไฮโดรเจนในระหว่างการดีสชาร์จ, แคลเซียมจะถูกเพิ่มลงแผ่นเพื่อดูดซับก๊าซ. วิธีนี้จะใชัได้แต่เฉพาะในช่วงการดีสชาร์จช้าๆเท่านั้น, และการสะสมของก๊าซยังคงเป็นปัญหาเมื่อแบตเตอรี่ถูกดีสชาร์จลึกๆหรืออย่างรวดเร็ว. เพื่อจัดการกับเหตุการณ์เหล่านี้ AGMs มักจะเพิ่มวาล์วทางเดียวแบบระเบิดออก, ซึ่งมักจะเป็นที่รู้จักกันว่า "ตะกั่ว-กรดแบบใช้วาล์วกำกับ" หรือ (English: 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" (English: equalization charge) ให้พวกมันเพื่อทำการผสมอิเล็กโทรไลท์. การแยกเป็นชั้นยังทำให้ชั้นบนของแบตเตอรี่กลายเป็นน้ำเกือบจะทั้งหมด, ซึ่งสามารถแข็งตัวในสภาพอากาศหนาวเย็น, AGMs ยังมีความไวต่อความเสียหายน้อยอย่างมีนัยสำคัญเนื่องจากการใช้งานที่อุณหภูมิต่ำ.
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 (English: off-grid system).
ทั้งแบบเจลและแบบ AGM มีการปิดผนึก, จึงไม่จำเป็นต้องเติมน้ำ, สามารถนำมาใช้ในทุกทิศทางและใช้วาล์วสำหรับปล่อยทิ้งก๊าซ. ด้วยเหตุผลนี้, ทั้งสองแบบสามารถเรียกว่า maintenance free, ปิดผนึกและ VRLA. อย่างไรก็ตาม เป็นเรื่องธรรมดาที่จะหาหลายแหล่งข้อมูลที่ระบุว่าคำเหล่านี้หมายถึงการออกแบบเหล่านี้เป็นเรื่องเดียวกันหรืออย่างใดอย่างหนึ่งโดยเฉพาะ.
ส่วนใหญ่ของแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดในโลกจะใช้เพื่อสตาร์ท, แสงสว่างและการจัดระเบิด (SLI) ของรถยนต์, ที่มีประมาณ 320 ล้านหน่วยถูกส่งไปจำหน่ายในปี 1999[7]. ในปี 1992 ประมาณ 3 ล้านตันของตะกั่วถูกนำมาใช้ในการผลิตแบตเตอรี่.
แบตเตอรี่แบบเซลล์เปียกเตรียมพร้อม (อยู่กับที่) ที่ออกแบบมาสำหรับการดีสชาร์จลึกมักถูกใช้ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำรองขนาดใหญ่สำหรับศูนย์โทรศัพท์และคอมพิวเตอร์, การจัดเก็บพลังงานแบบกริด, และระบบพลังงานไฟฟ้าของใช้ในครัวเรือนนอกกริด[13]. แบตเตอรี่ตะกั่วกรดถูกใช้เป็นไฟแสงสว่างฉุกเฉินและให้พลังงานไฟฟ้ากับปั้มบ่อเก็บของเสียในกรณีที่ไฟฟ้าดับ.
แบตเตอรี่เพื่อการฉุดลาก (ขับเคลื่อน) ถูกใช้ในรถกอล์ฟและยานพาหนะที่ใช้ไฟฟ้าจากแบตเตอรี่อื่นๆ. แบตเตอรี่ตะกั่วกรดขนาดใหญ่ยังมีการใช้เพื่อให้พลังงานกับมอเตอร์ไฟฟ้าในเรือดำน้ำดีเซลไฟฟ้า (เดิม) เมื่อจมอยู่ใต้น้ำอีกด้วย, และถุกใช้เป็นไฟฉุกเฉินในเรือดำน้ำนิวเคลียร์เช่นกัน. แบตเตอรี่กรดตะกั่วแบบวาล์วกำกับจะไม่ปล่อยให้มีการรั่วไหลของอิเล็กโทรไลท์ของพวกมัน. พวกมันจะถูกใช้เป็นแหล่งจ่ายไฟสำรองสำหรับการแจ้งเตือนและระบบคอมพิวเตอร์ขนาดเล็ก (โดยเฉพาะในแหล่งจ่ายไฟที่ไม่สามารถถูกขัดจังหวะได้ ("ยูพีเอส")) และสำหรับสกูตเตอร์ไฟฟ้า, รถเข็นไฟฟ้า, จักรยานไฟฟ้า, การใช้งานทางทะเล, แบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าหรือยานพาหนะไฮบริดขนาดเล็ก, และรถจักรยานยนต์.
แบตเตอรี่ตะกั่วกรดถูกนำมาใช้ในการจ่ายแรงดันไฟฟ้าให้กับใส้หลอด (ตัวให้ความร้อน), ด้วยขนาด 2 V ที่พบบ่อยในเครื่องรับวิทยุหลอดสุญญากาศ (วาล์ว) ในช่วงแรก.
แบตเตอรี่แบบพกพาสำหรับไฟบนหมวกคนงานเหมืองมักจะมีสองหรือสามเซลล์[14].
บทความหลัก: แบตเตอรี่ยานยนต์
แบตเตอรี่ตะกั่วกรดที่ออกแบบมาสำหรับการสตาร์ทเครื่องยนต์ของรถยนต์ไม่ได้ออกแบบมาสำหรับการดีสชาร์จที่ลึก. พวกมันมีแผ่นบางจำนวนมากที่ออกแบบมาสำหรับให้พื้นที่ผิวสูงสุด ดังนั้นจึงมีกระแสส่งออกสูงสุด, แต่ก็สามารถได้รับความเสียหายจากการดีสชาร์จที่ลึก. การดีสชาร์จที่ลึกบ่อยๆครั้งจะทำให้สูญเสียกำลังความสามารถและในท้ายที่สุดก็ล้มเหลวก่อนวัยอันควร, เพราะขั้วไฟฟ้าทั้งสองจะละลายเนื่องจากความเครียดทางกลที่เกิดขึ้นจากการชาร์จ-ดีสชาร์จหลายครั้ง. แบตเตอรี่เพื่อการสตาร์ทที่ถูกชาร์จลอยอย่างต่อเนื่องจะมีการกัดกร่อนที่ขั้วไฟฟ้าทั้งสองซึ่งจะส่งผลให้เกิดความล้มเหลวก่อนวัยอันควร. เมื่อไม่ใช้งาน, แบตเตอรี่เพื่อการสตาร์ทควรถูกปล่อยให้มันเปิดวงจรไว้แต่มีการชาร์จเป็นประจำ (อย่างน้อยหนึ่งครั้งทุกสองสัปดาห์) เพื่อป้องกันการ sulfation.
แบตเตอรี่สตาร์ทรถมีน้ำหนักเบากว่าแบตเตอรี่รอบลึกในมิติที่เท่ากัน, เพราะแผ่นเซลล์จะไม่ขยายไปตลอดจนถึงด้านล่างของกล่องแบตเตอรี่. นี่จะยอมให้ตะกั่วที่หลวมจากการสลายต้วหลุดออกแผ่นและสะสมภายใต้เซลล์, เพื่อยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่. ถ้าเศษหลวมนี้เพิ่มสูงขึ้นพอ, มันจะสามารถสัมผัสกับแผ่นและนำไปสู่ความล้มเหลวของเซลล์, เกิดการสูญเสียของแรงดันไฟฟ้าและความจุของแบตเตอรี่.
บทความหลัก: แบตเตอรี่รอบลึก
เซลล์รอบลึกที่ออกแบบมาเป็นพิเศษมีความไวน้อยมากต่อการย่อยสลายเกิดจากวงรอบ, และเป็นที่ต้องการสำหรับการใช้งานที่แบตเตอรี่จะต้องถูกดีสชาร์จอย่างสม่ำเสมอ, เช่นระบบเซลล์แสงอาทิตย์, ยานพาหนะไฟฟ้า (รถยก, รถกอล์ฟ, รถยนต์ไฟฟ้าและอื่นๆ) และอุปกรณ์ UPS. แบตเตอรี่เหล่านี้มีแผ่นที่หนากว่าที่สามารถส่ง"กระแสพีค"ได้น้อย, แต่สามารถทนต่อการดีสช่ร์จบ่อยๆ[15].
บางแบตเตอรี่ได้รับการออกแบบเพื่อประนีประนอมระหว่างแบตเตอรี่แบบกระแสเริ่มต้นสูงและแบตเตอรี่แบบรอบลึก. พวกมันมีความสามารถที่จะดีสชาร์จในระดับที่สูงกว่าแบตเตอรี่รถยนต์, แต่น้อยกว่าแบตเตอรี่รอบลึก. พวกมันอาจถูกเรียกว่าเป็นแบตเตอรี่แบบ "Marine/Motorhome" หรือ"แบตเตอรี่แบบพักผ่อน".
ความจุของแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดไม่ได้เป็นตัวเลขที่แน่นอน แต่แตกต่างกันไปตามความเร็วที่มันถูกดีสชาร์จ. ความสัมพันธ์เชิงประจักษ์ระหว่างอัตราการดีสชาร์จและความจุเป็นที่รู้จักกันว่าคือ "กฎของ Peukert".
เมื่อแบตเตอรี่ถูกชาร์จหรือดีสชาร์จ, สารเคมีที่ทำปฏิกิริยาเท่านั้น, ซึ่งอยู่ที่จุดเชื่อมต่อระหว่างขั้วไฟฟ้าและอิเล็กโทรไลท์, จะได้รับผลกระทบในขั้นต้น. ด้วยเวลา, ประจุที่เก็บไว้ในสารเคมีที่จุดเชื่อมต่อ, มักจะเรียกว่า "ประจุจุดเชื่อมต่อ" หรือ "ประจุที่ผิว" (English: interface charge" or "surface charge"), จะแพร่กระจายสารเคมีเหล่านี้ไปทั่วปริมาตรของวัสดุที่ใช้งาน.
พิจารณาแบตเตอรี่ที่ถูดีสชาร์จจนหมด (เช่นที่เกิดขึ้นเมื่อเปิดไฟรถทิ้งไว้ข้ามคืน, กินกระแสประมาณ 6 แอมป์). แล้วถ้ามันถูกชาร์จอย่างรวดเร็วเพียงไม่กี่นาที, แผ่นแบตเตอรี่จะชาร์จเฉพาะบริเวณที่ใกล้จุดเชื่อมต่อระหว่างแผ่นกับอิเล็กโทรไลท์เท่านั้น. ในกรณีนี้แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่อาจเพิ่มสูงขึ้นเป็นค่าที่ใกล้กับแรงดันไฟฟ้าที่ชาร์จ; นี่จะทำให้กระแสชาร์จลดลงอย่างมีนัยสำคัญ. หลังจากนั้นไม่กี่ชั่วโมง, ประจุที่จุดเชื่อมต่อจะกระจายไปยังปริมาตรของขั้วไฟฟ้าและอิเล็กโทรไลท์; ซึ่งจะทำให้ประจุที่จุดเชื่อมต่อต่ำมากจนอาจจะไม่เพียงพอที่จะสตาร์ทรถ[16]. ตราบใดที่แรงดันชาร์จอยู่ต่ำกว่าแรงดันแก๊ส (ประมาณ 14.4 โวลต์ในแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดปกติ), ความเสียหายแบตเตอรี่ไม่น่าเกิด, และอยู่ในเวลาที่แบตเตอรี่ควรกลับไปยังสถานะถูกชาร์จไฟโดยประมาณ.
ในแบตเตอรี่กรดตะกั่วกำกับด้วยวาล์ว (VRLA), ไฮโดรเจนและออกซิเจนที่ผลิตในเซลล์ส่วนใหญ่รวมตัวกันเป็นน้ำ. การรั่วไหลจะมีน้อยที่สุด, แม้ว่าอิเล็กโทรไลท์บางส่วนยังคงหลุดรอดไปได้ถ้าการรวมตัวกันไม่สามารถทำได้ทันกับวิวัฒนาการของก๊าซ. เนื่องจากแบตเตอรี่ VRLA ไม่ต้องมี (และทำให้เป็นไปไม่ได้) การตรวจสอบระดับอิเล็กโทรไลท์เป็นประจำ, พวกมันจึงถูกเรียกว่าแบตเตอรี่แบบ maintenance free. อย่างไรก็ตาม นี้เป็นส่วนหนึ่งของการเรียกชื่อผิด. เซลล์ VRLA ยังต้องการการบำรุงรักษา. เนื่องจากอิเล็กโทรไลท์จะสูญเสีย, เซลล์ VRLA จะ "แห้ง" และสูญเสียความสามารถ. นี้สามารถตรวจพบโดยการวัดความต้านทานภายในปกติ, การนำกระแสไฟฟ้าหรือค่าอิมพีแดนซ์. การทดสอบเป็นประจำจะแสดงให้เห็นว่าจำเป็นต้องมีการทดสอบที่เกี่ยวข้องมากขึ้นและการบำรุงรักษาจำเป็นหรือไม่. ขั้นตอนการบำรุงรักษาเมื่อเร็วๆนี้ได้รับการพัฒนาทำให้เกิดขบวนการ "รวมกับน้ำ" (English: rehydration) ซึ่งมักจะสามารถเรียกคืนปริมาณที่สำคัญของกำลังการผลิตที่หายไป.
แบบ VRLA กลายเป็นที่นิยมในรถจักรยานยนต์ประมาณปี 1983[17], เพราะอิเล็กโทรไลท์ที่เป็นกรดจะถูกดูดซึมเข้าสู่ตัวคั่น, ดังนั้นมันจึงไม่รั่วไหลออกมา[18]. ตัวคั่นยังช่วยให้พวกมันทนต่อการสั่นสะเทือนได้ดีกว่า. พวกมันยังเป็นที่นิยมในการใช้งานแบบอยู่กับที่เช่นสถานีโทรคมนาคม, เนื่องจากมันมีขนาดเล็กและมีความยืดหยุ่นในการติดตั้ง[19].
คุณสมบัติทางไฟฟ้าของแบตเตอรี่ VRLA แตกต่างกันบ้างจากแบตเตอรี่ตะกั่วกรดแบบเซลล์เปียก, ต้องมีความระมัดระวังในการชาร์จและดีสชาร์จ.
แบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดสูญเสียความสามารถในการรับประจุเมื่อถูกดีสชาร์จเป็นเวลานานเกินไปเนื่องจาก sulfation, การตกผลึกของตะกั่วซัลเฟต[20]. พวกมันสร้างกระแสไฟฟ้าผ่านปฏิกิริยาเคมีซัลเฟตสองต่อ. ตะกั่วและตะกั่วไดอ๊อกไซด์ซึ่งเป็นวัสดุที่ใช้งานอยู่บนแผ่นแบตเตอรี่, จะทำปฏิกิริยากับกรดซัลฟูริกในอิเล็กโทรไลท์เพื่อก่อตัวเป็นตะกั่วซัลเฟต. ตะกั่วซัลเฟตตอนแรกจะก่อตัวในสภาวะสัณฐานที่ถูกแบ่งอย่างประณีต, และสามารถย้อนกลับไปเป็นตะกั่ว, ตะกั่วไดอ็อกไซด์และกรดกำมะถันได้อย่างง่ายดายเมื่อแบตเตอรี่ชาร์จประจุเข้าไปใหม่. เมื่อแบตเตอรี่ผ่านวงจรการชาร์จและการดีสชาร์จหลายครั้ง, บางตะกั่วซัลเฟตจะไม่ได้รวมตัวกับอิเล็กโทรไลท์และค่อยๆแปลงเป็นรูปแบบผลึกที่เสถียรที่ไม่ละลายในระหว่างการชาร์จประจุอีกต่อไป. ดังนั้น, ไม่ใช่ตะกั่วทั้งหมดที่จะถูกส่งกลับไปยังแผ่นแบตเตอรี่, และปริมาณของวัสดุที่ใช้งานจะยังคงใช้งานได้ในการผลิตไฟฟ้าจะลดลงเมื่อเวลาผ่านไป.
sulfation จะเกิดขึ้นในแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดเมื่อพวกมันได้รับประจุไม่เพียงพอในระหว่างการดำเนินการตามปกติ. มันขัดขวางการชาร์จไฟ; การสะสมของซัลเฟตก็ขยายออกไปอย่างสุดขั้ว, ทำให้แผ่นแตกและทำลายแบตเตอรี่. ในที่สุดจำนวนมากของพื้นที่แผ่นของแบตเตอรี่ไม่สามารถที่จะจ่ายกระแสจนทำให้ความจุของแบตเตอรี่ลดลงอย่างมาก. นอกจากนี้, ในส่วนของซัลเฟต (ของตะกั่วซัลเฟต) จะไม่ได้กลับไปที่อิเล็กโทรไลท์เพื่อเป็นกรดซัลฟูริก. เป็นที่เชื่อกันว่าคริสตัลขนาดใหญ่ขวางทางกายภาพโดยกันอิเล็กโทรไลท์จากการเข้าสู่รูขุมขนของแผ่น. sulfation สามารถหลีกเลี่ยงได้หากแบตเตอรี่ถูกชาร์จใหม่อย่างเต็มที่ทันทีหลังจากรอบการดีสชาร์จ[21]. รอยเคลือบสีขาวบนแผ่นอาจจะมองเห็นได้ (ในแบตเตอรี่ที่มีกล่องใสหรือหลังจากรื้อแบตเตอรี่). แบตเตอรี่ที่เกิดซัลเฟชั่นจะแสดงความต้านทานภายในที่สูงและสามารถส่งมอบเพียงส่วนเล็กๆของกระแสดีสชาร์จปกติ. sulfation ยังมีผลต่อวงจรการชาร์จ, เป็นผลให้ใช้เวลาในการชาร์จนาน, มีประสิทธิภาพน้อยลงและการชาร์จไม่สมบูรณ์, และอุณหภูมิของแบตเตอรี่สูงขึ้น.
Desulfation เป็นกระบวนการของการย้อนกลับของ sulfation ของแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด. เชื่อกันว่า desulfation สามารถทำได้โดยคลื่นชีพจรกระแสสูงที่ถูกผลิตขึ้นระหว่างขั้วไฟฟ้าทั้งสองของแบตเตอรี่. เชื่อกันว่าเทคนิคนี้, เรียกว่า"การปรับสภาพชีพจร"อีกด้วย, ทำการทลายผลึกซัลเฟตที่เกิดขึ้นบนแผ่นแบตเตอรี่[22]. คลื่นชีพจรต้องมีช่วงคลื่นที่ยาวกว่าความถี่เรโซแนนท์ของแบตเตอรี่. คลื่นชีพจรที่สั้นเพียงแค่ป้อนพลังงานอย่างไร้ประโยชน์ให้กับเป็นส่วนประกอบความต้านทานของวงจรเรโซแนนนี้และเสมือนว่าไม่ป้อนอะไรเลยให้กับแบตเตอรี่. วงจรอิเล็กทรอนิกส์ถูกใช้ในการกำกับคลื่นชีพจรที่มีความกว้างแตกต่างกันและความถี่ของคลื่นชีพจรกระแสสูง. วงจรเหล่านี้ยังสามารถนำมาใช้เพื่อทำให้กระบวนการทำงานโดยอัตโนมัติเนื่องจากมันต้องใช้ช่วงระยะเวลานานเพื่อที่จะ desulfate แบตเตอรี่อย่างเต็มที่. เครื่องชาร์จแบตเตอรี่ที่ออกแบบมาสำหรับการ desulfate สำหรับแบตเตอรี่ตะกั่วกรดได้มีอยู่ในเชิงพาณิชย์แล้ว. แบตเตอรี่จะไม่สามารถกู้คืนได้ถ้าวัสดุที่ใช้งานได้สูญหายไปจากแผ่น, หรือถ้าแผ่นงอเนื่องจากอุณหภูมิสูงเกินหรือการชาร์จมากเกินไป.
แบตเตอรี่ที่ถูกทิ้งไว้ไม่ได้ใช้งานเป็นเวลานานอาจจะเป็นตัวสำคัญสำหรับการ desulfation. การปล่อยให้มันทำการดีสชาร์จด้วยตัวมันเองเป็นระยะเวลานานช่วยให้ผลึกซัลเฟตก่อตัวและกลายเป็นขนาดใหญ่มาก. ตัวอย่างทั่วไปที่แบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดไม่ได้ใช้บ่อยพอได้แก่เครื่องบิน, เรือ (โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เรือใบ), รถยนต์เก่า, และระบบไฟฟ้าในบ้านที่มีแบตเตอรี่แบงค์ที่มีการใช้น้อย.
บางเทคนิคการชาร์จสามารถช่วยป้องกันได้เช่นการปรับสมดุลของการชาร์จและรอบการชาร็จโดยการดีสชาร์จและการชาร์จอย่างสม่ำเสมอ. แนะนำว่าให้ปฏิบัติตามคำแนะนำของผู้ผลิตแบตเตอรี่สำหรับการชาร์จที่เหมาะสม.
แบตเตอรี่ SLI (starting, lighting, ignition; เช่นแบตเตอรี่รถยนต์) ประสบปัญหาเกี่ยวกับการเสื่อมสภาพมากที่สุดเพราะยานพาหนะปกติไม่ได้ใช้งานเป็นระยะเวลาค่อนข้างนาน. แบตเตอรี่รอบลึกและแบตเตอรี่พลังขับเคลื่อนต้องมีการควบคุมการโอเวอร์ชาร์จอย่างสม่ำเสมอ, ด้วยเหตุนี้ในที่สุดก็ยอมจำนนต่อการกัดกร่อนของกริดแผ่นบวก, ไม่ใช่ต่อ sulfation.
สภาพอากาศที่รุนแรงยังสามารถทำให้เกิด sulfation ในแบตเตอรี่อีกด้วย. ความร้อนอย่างรุนแรงในช่วงฤดูร้อนเพิ่มปริมาณของซัลเฟตที่มาจากแบตเตอรี่. ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่ทำให้เกิดกระแสไหลอย่างคงที่ภายในแบตเตอรี่ยังช่วยเพิ่มปริมาณของ sulfation. การเก็บรักษาแบตเตอรี่ในที่เย็นและชาร์จมันไว้ตลอดช่วยป้องกันเรื่องนี้ได้.
แบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดทั่วไปประกอบด้วยส่วนผสมที่มีความเข้มข้นแตกต่างกันของน้ำและกรด. กรดซัลฟูริกมีความหนาแน่นสูงกว่าน้ำ, ซึ่งจะทำให้เกิดกรดก่อตัวขึ้นที่แผ่นในระหว่างการชาร์จไฟ, กรดจะไหลลงและสะสมที่ด้านล่างของแบตเตอรี่. ในที่สุดส่วนผสมจะกลายเป็นองค์ประกอบที่สม่ำเสมออีกครั้งโดยการแพร่ของโมเลกุล, แต่กระบวนการนี้จะช้ามาก. รอบการชาร์จและการดีลชาร์จที่ไม่เต็มซ้ำๆกันหลายครั้งจะเพิ่มการแบ่งชั้นของอิเล็กโทรไลท์, ซึ่งจะลดกำลังการผลิตและประสิทธิภาพการทำงานของแบตเตอรี่เพราะการขาดกรดด้านบนไปจำกัดการทำงานของแผ่น. การแบ่งชั้นยังส่งเสริมการกัดกร่อนในครึ่งบนของแผ่นและการเกิด sulfonation ที่ด้านล่างของแผ่น[23]
การโอเวอร์ชาร์จอยู่เรื่อยๆจะสร้างผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากปฏิกิริยาในรูปของก๊าซบนแผ่น, ก่อให้เกิดกระแสการพาความร้อนที่ผสมเข้ากับอิเล็กโทรไลท์และแก้ไขปัญหาการแบ่งชั้น. การกวนอิเล็กโทรไลท์ด้วยเครื่องกลจะมีผลเช่นเดียวกัน. แบตเตอรี่ในยานพาหนะที่กำลังเคลื่อนที่ยังต้องทำให้มีการกระฉอกและการสาดกระเซ็นในเซลล์, ในขณะที่รถเร่ง, เบรกและเลี้ยว.
การชาร์จมากเกินไปจะไปทำ electrolyzes กับบางส่วนของน้ำ, ซึ่งจะปลดปล่อยไฮโดรเจนและออกซิเจน. กระบวนการนี้เรียกว่า "การสร้างแก๊ส" (English: gassing). เซลล์เปียกมีช่องระบายอากาศเปิดที่จะปล่อยก๊าซที่ผลิตออกมา, และแบตเตอรี่แบบ VRLA ก็พึ่งพาวาล์วที่ติดอยู่กับแต่ละเซลล์. ฝาจุกเร่งปฏิกิริยาจะมีอยู่สำหรับเซลล์น้ำท่วมเพื่อรวมไฮโดรเจนและออกซิเจนเข้าด้วยกัน. เซลล์ VRLA ปกติจะรวมไฮโดรเจนและออกซิเจนใดๆที่ผลิตภายในเซลล์, แต่ความผิดปกติหรือความร้อนสูงที่เกินไปอาจก่อให้เกิดก๊าซที่จะสร้างขึ้น. หากเกิดเหตุการณ์เช่นนี้ (ตัวอย่างเช่น, ในการโอเวอร์ชาร์จ) วาล์วจะระบายก๊าซและทำให้ความดันอยู่ในสภาพปกติ, ทำการผลิตกลิ่นของกรด. วาล์วบางครั้งอาจล้มเหลวได้, ถ้าสิ่งสกปรกและเศษขยะสะสม, ช่วยให้ความดันก่อตัวขึ้น.
ไฮโดรเจนและออกซิเจนที่สะสมกันบางครั้งจุดประกายให้เกิดการระเบิดภายใน. แรงอัดสามารถระเบิดกล่องพลาสติกหรือเปิดด้านบนของแบตเตอรี่, ฉีดพ่นเศษกรดและเศษกล่อง. การระเบิดในเซลล์หนึ่งอาจจุดระเบิดส่วนผสมของก๊าซที่ติดไฟได้ในเซลล์ที่เหลืออยู่. ในพื้นที่ที่อากาศถ่ายเทไม่สะดวก, การถอดเข้าถอดออกของวงจร (เช่นโหลดหรือตัวชาร์จ) โดยตรงกับขั้วแบตเตอรี่อาจทำให้เกิดการระเบิดเมื่อประกายไฟจุดชนวนส่วนผสมก๊าซที่ระบายออกมาจากเซลล์.
ผนังเซลล์ของแบตเตอรี่แบบ VRLA มักจะบวมเมื่อความดันภายในเพิ่มขึ้น. การสลายตัวจะแตกต่างกันไปในแต่ละเซลล์, และจะมากขึ้นที่ส่วนปลายที่ผนังถูกรองรับด้วยเซลล์อื่น. แบตเตอรี่ที่มีแรงดันเกินดังกล่าวควรจะแยกออกอย่างระมัดระวังและทิ้งไป. บุคลากรที่ทำงานใกล้กับแบตเตอรี่ที่มีความเสี่ยงต่อการระเบิดควรปกป้องดวงตาและผิวหนังที่สัมผัสจากการเผาไหม้อันเนื่องมาจากการฉีดพ่นกรดและไฟโดยการสวมใส่เครื่องป้องกันใบหน้า, เสื้อใส่คลุมทั้งตัว, และถุงมือ. การใช้แว่นตาแทนที่จะใช้เครื่องป้องกันใบหน้าจะสังเวยความปลอดภัยโดยการปล่อยให้ใบหน้าของตัวเองสัมผัสกับกรดและความร้อนจากการระเบิดที่อาจเกิดขึ้น.
ตามรายงานปี 2003 เรื่อง "เอาตะกั่วออก" โดยการป้องกันสิ่งแวดล้อมและศูนย์นิเวศวิทยาแห่ง Ann Arbor, รัฐมิชิแกน, แบตเตอรี่ของยานพาหนะบนท้องถนนประกอบด้วยประมาณ 2,600,000 เมตริกตัน (2,600,000 ตันยาว; 2,900,000 ตันสั้น) ของตะกั่ว. ส่วนประกอบสารตะกั่วบางชนิดเป็นพิษมาก. การสัมผัสระยะยาวแม้เป็นจำนวนเล็กน้อยของสารเหล่านี้อาจทำให้เกิดความเสียหายกับสมองและไต, สูญเสียการได้ยิน, และปัญหาการเรียนรู้ของเด็ก[24]. อุตสาหกรรมยานยนต์มีการใช้กว่า 1,000,000 เมตริกตัน (980,000 ตันยาว; 1,100,000 ตันสั้น) ทุกปี, ในจำนวนนี้ 90% เป็นแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดทั่วไปที่ใช้กับรถยนต์. ในขณะที่การรีไซเคิลตะกั่วเป็นอุตสาหกรรมจัดตั้งได้ดี, มากกว่า 40,000 เมตริกตัน (39,000 ตันยาว; 44,000 ตันสั้น) ไปจบลงในหลุมฝังกลบทุกปี. ตามข้อมูลของปริมาณคงของการปล่อยสารพิษรัฐบาลกลาง, อีก 70,000 เมตริกตัน (69,000 ตันยาว; 77,000 ตันสั้น) จะถูกปล่อยออกมาในการทำเหมืองและกระบวนการผลิตแร่ตะกั่ว[25].
กำลังมีความพยายามที่จะพัฒนาทางเลือก (โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานยานยนต์) เนื่องจากความกังวลเกี่ยวกับผลกระทบด้านสิ่งแวดล้อมของการกำจัดที่ไม่เหมาะสมและการดำเนินงานถลุงตะกั่วท่ามกลางเหตุผลอื่นๆ. ทางเลือกที่ไม่น่าจะทำได้ที่จะไล่พวกมันไปสำหรับการใช้งานเช่นการสตาร์ทเครื่องยนต์หรือระบบพลังงานสำรอง, เนื่องจากแบตเตอรี่มีต้นทุนต่ำถึงแม้ว่าหนักไปหน่อย.
ดูเพิ่มเติม: การรีไซเคิลแบตเตอรี่ยานยนต์
การรีไซเคิลแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดเป็นหนึ่งในโปรแกรมการรีไซเคิลที่ประสบความสำเร็จมากที่สุดในโลก. ในสหรัฐอเมริกา, 99% ของตะกั่วในแบตเตอรี่ทั้งหมดถูกนำกลับมาใช้ระหว่างปี 2009 และปี 2013[26]. ระบบการควบคุมมลพิษที่มีประสิทธิภาพเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อป้องกันไม่ให้ตะกั่วปล่อยสารพิษ. การปรับปรุงอย่างต่อเนื่องในโรงงานรีไซเคิลแบตเตอรี่และการออกแบบเตาเผาจะต้องให้ทันกับมาตรฐานการปล่อยสำหรับโรงถลุงตะกั่ว.
สารเคมีผสมเพิ่มได้มีการใช้มาตั้งแต่แบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดกลายเป็นรายการเชิงพาณิชย์, เพื่อลดตะกั่วซัลเฟตที่สร้างขึ้นบนแผ่นและเพื่อปรับปรุงสภาพแบตเตอรี่เมื่อเพิ่มลงไปในอิเล็กโทรไลท์ของแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดแบบระบายอากาศ. การบำบัดดังกล่าว, หากว่าเคยทำ, จะไม่ค่อยจะมีประสิทธิภาพ[27].
มีสารประกอบสองชนิดที่ใช้สำหรับวัตถุประสงค์ดังกล่าว, มีเกลือ Epsom และ EDTA. เกลือ Epsom ช่วยลดความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ที่อ่อนแอหรือเสียหาย, และอาจจะช่วยขยายชีวิตของมันได้เล็กน้อย. EDTA สามารถใช้ในการละลายซัลเฟตที่สะสมของแผ่นที่ถูกดีสชาร์จอย่างหนัก. อย่างไรก็ตาม วัสดุที่ละลายแล้วไม่พร้อมที่จะมีส่วนร่วมในรอบการชาร์จ/ดีสชาร์จปกติ, ดังนั้นแบตเตอรี่ที่ฟื้นขึ้นมาชั่วคราวด้วย EDTA จะมีอายุขัยที่ลดลง. EDTA ที่ตกค้างในเซลล์ตะกั่ว-กรดจะก่อตัวเป็นกรดอินทรีย์ซึ่งจะช่วยเร่งการกัดกร่อนของแผ่นตะกั่วและตัวเชื่อมต่อภายใน.
วัสดุที่ใช้งานจะเปลี่ยนรูปทางกายภาพในระหว่างการชาร์จ/ดีสชาร์จ, เป็นผลในการบวมและการบิดเบือนของขั้วไฟฟ้า, และการละลายตัวของอิเล็กโทรดในอิเล็กโทรไลท์. เมื่อวัสดุที่ใช้งานหลุดออกจากแผ่น, มันจะไม่สามารถกลับคืนตำแหน่งเดิมโดยการบำบัดทางเคมีใดๆ. ในทำนองเดียวกัน, ปัญหาทางกายภาพภายในเช่นแผ่นแตก, หัวเชื่อมต่อสึกกร่อน, หรือตัวคั่นเสียหายไม่สามารถกลับคืนด้วยวิธีการทางเคมี.
การกัดกร่อนของชิ้นส่วนโลหะภายนอกของแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดเป็นผลจากปฏิกิริยาทางเคมีของขั้วแบตเตอรี่, หางปลาและห้วเชื่อมต่อ
การกัดกร่อนในขั้วบวกที่เกิดจากอิเล็กโทรไลซิส, เนื่องจากการไม่ตรงกันของโลหะผสมที่ใช้ในการผลิตขั้วแบตเตอรี่และขั้วต่อสายเคเบิล. การกัดกร่อนสีขาวมักจะเป็นตะกั่วหรือผลึกสังกะสีซัลเฟต. หัวต่ออะลูมิเนียมกร่อนเป็นอะลูมิเนียมซัลเฟต. หัวต่อทองแดงผลิตผลึกกร่อนสีฟ้าและสีขาว. การกัดกร่อนของขั้วแบตเตอรี่จะลดลงโดยการเคลือบขั้วด้วยปิโตรเลียมเจลลี่หรือผลิตภัณฑ์ใช้ในเชิงพาณิชย์ทำเฉพาะวัตถุประสงค์[28].
หากแบตเตอรี่ถูกเติมด้วยน้ำและอิเล็กโทรไลท์มากเกินไป, การขยายตัวของความร้อนสามารถบังคับให้บางส่วนของของเหลวออกมาจากช่องระบายอากาศแบตเตอรี่ไปยังด้านบนของแบตเตอรี่. สารละลายนี้สามารถทำปฏิกิริยากับสารตะกั่วและโลหะอื่นๆในขั้วแบตเตอรี่และทำให้เกิดการกัดกร่อน.
อิเล็กโทรไลท์สามารถรั่วออกผนึกระหว่างพลาสติกกับตะกั่วใจุดที่ขั้วแบตเตอรี่เจาะเข้าไปในกล่องพลาสติก.
ไอกรดที่ระเหยผ่านจุกระบาย, มักจะเกิดจากการโอเวอร์ชาร์จ, และการระบายอากาศของกล่องแบตเตอรี่ที่ไม่เพียงพอสามารถให้ควันกรดซัลฟูริกที่จะสร้างขึ้นและทำปฏิกิริยากับโลหะที่สัมผัส.
แอมโมเนียสามารถแก้กรดแบตเตอรี่ที่รั่วไหล. แอมโมเนียและน้ำส่วนเกินจะระเหย, เหลือไว้แต่สารตกค้างแอมโมเนียมซัลเฟต. โซเดียมไบคาร์บอเนต (เบกกิ้งโซดา) ยังเป็นที่นิยมใช้สำหรับวัตถุประสงค์นี้.
ควรหมั่นตรวจเช็คตัวสภาพแบตเตอรี่ด้านนอกอยู่เสมอ เช่น มีรอยแตกร้าวที่ตัวแบตเตอรี่หรือไม่ , หูหิ้วแบตเตอรี่ต้องอยู่ในสภาพที่สมบูรณ์ไม่แตกไม่หัก , ชั้วแบตเตอรี่ต้องอยู่ในสภาพไม่คดไม่งอ , ฝาจุกปิด-เปิดแบตเตอรี่ต้องถูกปิดอยู่ครบทั้ง 6 ฝา ควรตรวจดูระดับน้ำกรด ในอยู่ในเกณฑ์ที่ปกติ หากต่ำกว่าที่กำหนดให้ใช้น้ำกลั่นเติมให้ได้ระดับ การตรวจเช็ค ควรตรวจเช็คอย่างน้อยเดือนล่ะ1ครั้ง เป็นอย่างน้อย หากขาดการดูแลน้ำกรด และ น้ำกรดแห้งจะทำให้แผ่นธาตุ บวก-ลบ ที่อยู่ภายในเสียหาย แบตเตอรี่จะมีอายุการใช้งายสันลง หรืออาจจะใช้งานไม่ได้เลยหากปล่อยให้น้ำกรดแห้งเป็นเวลานานๆ
หากบริเวณแบตเตอรี่ เช่น ขั้วแบตเตอรี่ ขั้วบวก ขั้วลบ หรือ เหล็กรัดแบตเตอรี่มีคราบขี้เกลือขึ้นเกาะบริเวณที่กล่าว ให้ใช้น้ำร้อนราดบริเวณที่ขี้เกลือขึ้น เมื่อขี้เกลือเจอน้ำร้อนจะทำให้ละลายหายไป เมื่อราดน้ำร้อนแล้วให้ใช้กระดาษทรายเบอร์ 150 ขัดบริเวณ ขั้วบวก และ ขั้วลบ เสร็จแล้วใช้จารบี หรือ วาสลีน ทาบริเวณขั้วแบตเตอรี่ เหล็กรัดแบตเตอรี่ เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดขี้เกลือ ขึ้นอีก ควรตรวจเช็คไดชาร์จทุก ๆ 30,000 กิโลเมตร หรือทุก ๆ 1 ปี การที่เราตรวจเช็คไดชาร์จจะทำให้เรารู้ว่าไดชาร์จมีความปกติหรือไม่ หากไดชาร์จผิดปกติจะทำให้แบตเตอรี่มีอายุการใช้งานที่สั้นลง ในการตรวจวัดไดชาร์จ มาตรฐาน ค่าที่วัดหน่วยเป็น โวลต์ เช่น หากวัดค่าได้ 13.2-14.6 โวลต์ ถือว่าปกติ หากวัดได้ 12.1-12.9 โวลต์ ถือว่าไดชาร์จมีค่าต่ำเกินไป หรือ ไดชาร์จอาจไม่ทำงานซึ่งจะทำให้แบตเตอรี่ไฟหมดได้ แต่หากวัดแล้วได้ 14.7-15.0 โวลต์ อาจหมายความว่าไดชาร์จมีปัญหาชาร์จแรงไป หรือ โอเวอร์ชาร์จ จะทำให้แบตเตอรี่เกิดความร้อนในแบตเตอรี่น้ำกรดจะแห้งเร็วกว่าปกติ และ จะทำให้แบตเตอรี่เกิดอาการบวม ควรรีบทำการตรวจซ่อมไดชาร์จโดยเร็ว [29] ควรใช้ผ้าสะอาดเช็ดแบตเตอรี่ให้แห้ง และ สะอาดอยู่เสมอ หากพบเจอคราบน้ำกรดบริเวณแบตเตอรี่ อาจจะเป็นไปได้ว่าแบตเตอรี่มีการแตกร้าว หรือ แบตเตอรี่หมดสภาพ ควรทำการเปลี่ยนแบตเตอรี่ใหม่ อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ตะกั่วกรดนั้น โดยทั่วไปแล้ว ถือว่ามีอายุการใช้งานที่ทนทานกว่าแบตเตอรี่ทุกประเภท โดยมีอายุเฉลี่ยประมาณ 2-3 ปี ไม่ควรมีอายุเกินกว่านี้ ควรที่จะเปลี่ยนตามอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ ทั้งนี้ อายุการใช้งานของแบตเตอรี่อาจน้อยกว่าที่กล่าวมาข้างต้นขึ้นอยู่กับการดูแล และ การใช้งาน เป็นหลักด้วย ควรมั่นดูแลแบตเตอรี่ตามเกณฑ์ที่กำหนดจะช่วยให้แบตเตอรี่มีอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น [29]
ด้วยความหลากหลายของคุณลักษณะทางไฟฟ้าที่เป็นไปได้, การตั้งชื่อด้วยหมายเลขชิ้นส่วน (English: part number) ถูกใช้โดยผู้ผลิตแบตเตอรี่จำนวนมากเพื่อถ่ายทอดข้อมูลพื้นฐานเช่นแรงดัน, กำลังการผลิตแอมป์-ชั่วโมง, และขั้วไฟฟ้า[30]. รูปแบบจะเป็นดังนี้ <ผู้ผลิต><แรงดันไฟฟ้า><ความจุ>.
ผู้ขายบางคนมีผนวกต่อท้าย, เพื่อแสดงประเภทของขั้ว, ตำแหน่งขั้วและขนาดของแบตเตอรี่. แบตเตอรี่สำหรับยานยนต์ผู้โดยสารมักจะใช้ระบบการตั้งชื่อขนาดระบบ BCI[31].
Automotive battery Battery room Dry cell Rechargeable battery Wet cell History of the battery
หมวดหมู่:ตะกั่ว หมวดหมู่:แบตเตอรี่