مقاله استفاده از مواد كامپوزیتی در شبكه های سربی، باتری های سربی- اسیدی

[*mishi* 11,920]

مقدمه

از آنجا كه برآورده شدن تمام ملزومات با بهترین شرایط، با یك آلیاژ میسر نیست برای ساخت شبكه، تعدادی از آلیاژها را با هم تركیب می كنند. این آلیاژها كه در صنعت به صورت آلیاژ سه تایی سرب- كلسیم – قلع و یا آلیاژهای چهارتایی سرب- كلسیم- قلع- آلومنیوم وجود دارند، دارای مزایای بهتر و كیفیت بالاتری هستند. اخیراً تحقیقات نشان داده است افزودن باریم به آلیاژ چهارگانه فوق، باعث افزایش سختی و استحكام شبكه و كاهش خوردگی شبكه مثبت می شود. علاوه بر این، با بكارگیری باریم، عمر باتری در دماهای بالا افزایش پیدا می كند كه این موضوع در باتری های استارتی حائز اهمیت است. زیرا باتری های استارتی معمولاً در محیط هایی با دمای بالا، از قبیل خودروها كه در زیر كاپوت آنها و در مجاورت باتری حرارت زیادی وجود دارد، به كار گرفته می شوند.

تا چند سال پیش از این، برای باتری های صنعتی مورد استفاده در مراكز مخابراتی، از آلیاژهای آنتیموآن استفاده می شد. اما با شناخته شدن مزایای آلیاژهای كلسیم، این آلیاژها به تدریج جایگزین آلیاژهای آنتیموانی شدند و سپس با پیدایش آلیاژهای تركیبی، انتظار می رود ساخت باتری با آلیاژهای تركیبی ادامه یابد. تنها ایراد آلیاژهای سه تایی نرمی آنهاست كه 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- اكسیدها و تركیبات آن را از باتری های استارتی جدا می كنند و در یك كوره دوار همراه با شن، آهك، ذغال و نیترات سدیم حرارت می دهند تا كاملاً ذوب شود و سپس دوباره در مراحل ساخت باتری از آن استفاده می كنند.

بهبود ویژگی های شبكه های تركیبی در باتری های سربی – اسیدی

شبكه های تركیبی چند لایه ای ساخته شده اند كه به شكل شبكه ای واحد و بسیار كارآمد و طی چند مرحله گالوانوتكنیك (گالوانیزه كردن) تولید می شوند. این مواد تركیبی از لایه هایی با ساختار متفاوت و ویژگی های متفاوت تشكیل شده اند كه برای عملكرد مكانیكی و فنی، عملكرد الكتریكی، مقاومت در برابر خوردگی، تركیبی از ویژگی های موثر و كارآمد دارند. این مقاله به شرح و تفصیل این ویژگی ها پرداخته و مهندسی و طراحی همزمان تولید ماده ی شبكه را مورد بررسی قرار می دهد.

معرفی

باتری های شبكه ای كنونی از مواد آلیاژی واحدی (تك آلیاژ) تشكیل شده اند و دارای ویژگی های مكانیكی، فنی و الكتریكی می باشند كه زیر حد مطلوب هستند. مواد متداول بكار برده شده در شبكه، بر پایه ی آلیاژهای سرب – قلع یا سرب – كلسیم – قلع ساخته شده اند كه از لحاظ تكنیكی ناقص به شمار می آیند زیرا هم ویژگی های آنها زیر حد مطلوب است و هم ساختارهای میكروسكوپی خاصی دارند كه به روش های متداول ریخته گری و قالب گیری، نوردزنی، منبسط شدن و سوراخ كاری 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 شبكه ای اصلاح شده هستند. برای جبران ویژگی هایی كه با مواد تك آلیاژ و از طریق فرآیندهای رایج تولید نمی شوند، باید آنها را مهندسی و طراحی كرد. برای پاسخ به این چالش های جدید، شركت دی اس ال درسدن شبكه های تركیبی چند لایه ی ابتكاری و نوین را به عنوان مواد مهندسی شده ای ساخته است كه به شكل شبكه ای واحد و بسیار كارآمد و طی چند مرحله گالوانیزه كردن، تولید شده اند. نحوه تغییر ویژگی های شبكه و چگونگی بهینه سازی آن ویژگی ها به صورت جداگانه و تركیب كردن ویژگی های مذكور در شبكه ی تركیبی، از موضوعاتی هستند كه در این بخش به آنها اشاره شده است. فرآیند تولید الكترون كه از طریق فنآوری شركت در سدن صورت گرفت، به ایجاد مواد تركیبی چند لایه منجر شد و این به آن معنی است كه تركیب لایه های گوناگون با ساختارها و ویژگی های متفاوت می توانند تركیبی از ویژگی های متفاوتی را ایجاد كنند كه در موارد زیر به كار می روند:

● رفتار فنی (مكانیكی)

● عملكرد الكتریكی

● مقاومت در برابر خوردگی

● تعائل چرخه ای

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

رفتار مكانیكی

بهینه سازی رفتار مكانیكی شبكه های تركیبی یعنی اجرا و به انجام رساندن چندین نیاز متفاوت:

◄ سخت گردانی بخشی از سطح مقطع شبكه به منظور فراهم كردن بازدهی كافی.

◄ ساختن لایه هایی با بازدهی متفاوت به منظور مقاوم كردن فشارهای كششی كه باعث بهبود شبكه می شوند.

◄ كنترل كردن سفتی و سختی ماده ی انعطاف پذیر (ارتجاعی – لاستیك)، به شكلی كه برای سفتی و سختی خمش موجود در فرآیند تولید باتری موثر باشد.

بازدهی

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

عملكرد الكتریكی

عملكرد الكتریكی باتری را می توان از دو جهت بهبود بخشید:

◄ مقاومت مؤثر ماده ی شبكه.

◄ مقاومت مؤثر حاصله از طرح شبكه.

مقاومت مؤثر ماده

در آلیاژهای تجاری كه لزوماً محلول های رقیق جامد از جنس سرب هستند، ناخالصی ها باعث مقاومت مواد ته نشینی می شود. واضح است كه این اثر برای قلع كمتر از كلسیم است. از آنجا كه شبكه های ساخت شركت دی اس ال فاقد كلسیم هستند و قسمت اعظم سطح مقطع آنها از عناصر دوتایی سرب – قلع تشكیل شده است، آنها حدود 5% مقاومت مؤثر كمتری نسبت به شبكه های سرب – كلسیم – قلع رایج دارند. از طریق وارد كردن لایه های مس خالص به ساختار تركیبی، می توان این مقاومت را كاهش داد. این مشخصه ی بی نظیر را می توان به تنهایی از طریق فرآیند ساخت و تولید شركت دی اس ال در نظر گرفت كه به سادگی نیازمند افزودن حمام آبكاری مس به خط گالوانیزه كردن شبكه است. چون مقاومت الكتریكی مس خالص 16.8 nΩm است، سطح مقطع سیمی كه 3% آن با لایه ی مس پوشیده شده، مقاومت مؤثر را حدود 55% كاهش می دهد و آن را از مقدار nΩm 208 به nΩm 155 می رساند. باید به این مسئله توجه كرد كه این نوع تغییر مقاومت جزئی شبكه ی تركیبی را می توان بدون هیچ محدودیتی برای صفحات مثبت ایجاد كرد چرا كه لایه ی مس به طور كامل توسط یك لایه ی خارجی سرب – قلع خالص كه در برابر خوردگی مقاوم است پوشانده و كپسول بندی شده است كه طی زمان عمر باتری، مس را از حل شدن در الكترولیت باتری محافظت می كند. واضح است كه شبكه های تركیبی سرب/مس كه از طریق تولید چند مرحله ای الكترون ساخته شده اند، برای انتشار جریان درون شبكه ها طراحی باتری های سربی – اسیدی پرقدرت، شرایط بی نظیری را فراهم می كنند.

مقاومت در برابر خوردگی

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

◄ یك تركیب ماندگار مقاوم در براب خوردگی، حداقل در یك لایه ی خارجی اصلی.

◄ ساختار میكروسكوپی ای كه منجر به یك شروع ناگهانی می شود. این دو وضیعت را می توان تا حد مطلوبی از طریق شبكه های تركیبی ساخت دی اس ال ایجاد كرد. 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 كه در برابر خوردگی مقاومت بالایی دارند.

◄ كنترل و بررسی ساختار میكروسكوپی خرده كریستال های ستونی با ساختار چند لایه ای كه در میزان قلع تفاوت كمی دارند و بدون اینكه شكاف های عمیقی ایجاد كنند، به شكل لایه لایه خورده می شوند.

چنین مخلوطی از تركیب های شیمیایی مناسب و مطلوب و چنین ساختار میكروسكوپی را تنها می توان تحت شرایط خاص گالوانیزه كردن فراهم كرد. ضمناً در آزمایش های خوردگی كارخانه های تولید باتری، مقاومت برتر شبكه های تركیبی شركت دی اس ال به اثبات رسیده است. كاهش در سرعت خوردگی شیمیایی شبكه های شركت دی اس ال امكان ایجاد شبكه هایی را فراهم می كند كه 30-20% باریك تر از مواد شبكه ای آلیاژی مس هستند اما طول عمر آنها مانند باتری است.

بهینه سازی كلی شبكه

واضح است كه در ساختار لایه ای شبكه های تركیبی، برای بهینه كردن ویژگی های شبكه از طریق تركیب و تشكیل لایه های متفاوت، نكات زیر مورد توجه قرار می گیرد:

◄ ویژگی درونی و طبیعی آنها

◄ ضخامت و میزان ترك خوردگی آنها

◄ موقعیت یا توالی در تركیب

◄ ارزیابی نسبی فنی و اقتصادی شبكه های متداول و شبكه های ساخت شركت دی اس ال همانطور كه به طور خلاصه، استنتاج شده اند.

نتایج

ساختار تركیبی این شبكه ها امكان بهینه سازی ویژگی های آنها را به طور همراه و جداگانه فراهم می كند. در نتیجه ممكن است تركیبی از ویژگی های بهینه سازی شده به دست آید كه نمی توان آنها را از طریق شبكه های تك آلیاژی امروزی فراهم كرد.

باتری های تك قطبی بر مبنای تكنولوژی ایبونكس

در این قسمت كار مداوم انجام شده توسط شركت آتراوردا بر روی تولید نوعی از ورقه های تركیبی ماده ی ابونكس كه می تواند به ارزانی برای شكل دادن صفحه های زیر لایه ای باتری های سربی – اسیدی تولید شود، شرح داده شده است. ابونكس نام تجاری ثبت شده ی طیفی از مواد سرامیكی نظیر اكسید تیتانیوم و به خصوص Ti4o7 و Ti5o9 است كه با وجود مقاومت در برابر خوردگی و اكسیداسیون بالا هادی الكتریسیته نیز می باشد. در این نوشته جزئیات ساختار تركیبی، روش ها و تكنیك های ساخت باتری مورد بحث قرار گرفته است، به علاوه اطلاعاتی در مورد عمر مفید باتری آورده شده كه توسط آزمایشگاه باتری ها و سلول های اسید – سرب شركت آتراوردا به دست آمده است. همچنین تكنیك های تولید باتری های تك قطبی و دو قطبی آورده شده است. یافته ها نشان می دهند كه تولید باتری های دو قطبی در مقایسه با انواع رایج، از لحاظ مالی مقرون به صرفه است. این امر به خاطر مراحل ساخت كمتر و پربازده تر است. نتایج نشان می دهد كه استفاده از ماده ی تركیبی ابونكس به عنوان یك زیر لایه دوقطبی باتری های سربی – اسیدی، ولتاژ بالا و بادوامی را ایجاد می كند كه برای كاربردهای وسیعی نظیر: ساخت اتومبیل های پیشرفته و تجهیزات الكتریكی ثابت و متحرك مناسب است.

معرفی

اخیراً در مورد باتری های دوقطبی دارای صفحه های ابونكس اطلاعات اولیه ای ازائه شده است. مزایای عملكرد 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 عملكرد باتری های اسید – سرب، شناسایی یك ماده ی زیر لایه دوقطبی است كه بتواند در محیط اسیدی و اكسیدی باتری پایدار باشد. در مورد ماده ی زیر لایه ی جدید ابونكس كه به افزایش طول عمر و دوام باتری های اسید – سرب كمك می كند، تحقیقات بیشتری صورت گرفته كه در این گزارش به آن اشاره شده است. این گزارش همچنین روش های تولید باتری اسید – سرب را مرور كرده و برای تولید محصول دوقطبی روش جدیدی ارائه می كند. سرامیك ابونكس یك رسانای فلزی است كه رسانایی آن مانند كربن بوده ولی در برابر اكسیداسیون، از كربن مقاوم تر است. خصوصیات اصلی یك ماده ی زیر لایه ای برای یك دو قطبی عبارتند از: رسانای الكتریكی، مقاوم در براب خوردگی، محیط الكتروشیمیایی خنثی، نفوذ ناپذیری نسبت به اسید، چسبندگی خوب و مقاومت مكانیكی 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 ابونكس

دو نوع صفحه برای ساخت یك 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 ابونكس با یك تكنیك ساده ی پرس كاری گرم تولید می شوند. صفحه ابونكس تركیب ورقه شده ای شامل ذرات ابونكس در یك ماتریس پلیمری است كه یك لایه ی خارجی از جنس آلیاژ سرب نیز دارد. پودر ابونكس با مقدار مشخصی از مواد ماتریسی مخلوط می شود و بین فویل های نازكی از آلیاژ سرب قرار می گیرد، سپس ساندویچ به دست آمده به مدت كوتاهی بین قالب شكل دهی پرس گرم می شود تا به صورت صفحه درآید. آنگاه روی سطح صفحه خمیری كشیده می شود. صفحات تك قطبی فقط از یك سطح مشبك می شوند و برای ایجاد اتصالات خارجی، روی صفحه ی مقابل خود گیره دارند. به منظور كنترل ضخامت خمیر، می توان ارتفاع شبكه را تغییر داد.

آزمایش تخلیه صفحه

به منظور ارزیابی درجه ی تخلخل سرتاسری در یك 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 كمبود یا نبود چسبندگی به ذرات ابونكس كه 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 كرد.

نتایج و بحث و بررسی ساختار صفحه

ورقه های باتری تركیبی با ذرات رسانای ابونكس 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 یك لایه خوردگی روی سطح شبكه های سربی حائز اهمیت است. به علت خنثی بودن تیتانیوم نسبت به اكسیداسیون و شرایط اسیدی موجود در یك باتری اسید – سرب، نیاز نیست كه مواد زیر لایه دوقطبی توسط سرب محافظت شود، همانطور كه در انواع قبلی باتری های اسید – سرب نیز چنین محافظتی نیاز نبود. صفحه های دو قطبی روی یك سطح، خمیر مثبت و روی سطح دیگر خمیر منفی دارد. هر دو خمیر به ضخامت حدود یك میلیمتر روی هر سطح مالیده شده اند، ولی می توان به منظور اطمینان از اینكه خمیر منفی بیش از حد استفاده نشود آن را به دقت تنظیم كرد. سطوح مثبت و منفی نشان می دهند كه جرم ها به سطح چسبیده اند. اندازه گیری دقیق ضخامت فویل ها پس از تركیب نشان می دهد كه ورقه ی روی سطح مثبت به میزان 5-7 میكرومتر كاهش ضخامت داشته، در حالیكه ورقه ی روی سطح منفی دست نخورده و بدون تغییر مانده است. بنابراین ساختار دوقطبی از 3 ماده تشكیل شده است: پودر ابونكس، ماده ی ماتریس، رزین و آلیاژ سرب. هر كدام از این مواد باید نسبت به شرایط اسیدی و اكسیداسیون موجود در ماده ی مقاوم باشند. برای بررسی دوام هر كدام از اجزاء موجود در یك باتری اسید – سرب آزمایش هایی طرح ریزی شدند و اطلاعات مربوط به باتری های اسید – سرب كه حاوی صفحه های دو قطبی ابونكس بودند نیز این آزمایش ها را پشتیبانی كردند 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 تركیبی ابونكس در باتری های شبیه سازی شده و واقعی در دست است. آزمایش ها برای ارزیابی دوام الیاف پلیمری طراحی شده بودند كه در نهایت گروهی از مواد پلیمری كه دارای پایدار كافی، تولید آسان و قابلیت آب بندی هستند، شناسایی شدند. اگر چه نیازی به محافظت زیر لایه ی تركیبی پر شده با سرامیك ابونكس احساس نمی شود، ولی ثابت شد كه در افزایش طول عمر باتری های دارای زیر لایه های ابونكس، سرب نقش مهمی ایفا می كند. زیرا به علت تشكیل اكسیدهای سرب كم رسانا ظرفیت كاهش می یابد. این امر با آزمایش باتری های 6 ولتی كه با استاندارد B56290 نیز مطابقت داشتند به تایید رسید. كارهای 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 كه برای تولید باتری های دوقطبی عملیات كمتری نسبت به طرح تك قطبی مرسوم مورد نیاز است كه باعث كاهش زمان و هزینه تولید می شود.

منبع : موسسه كامپوزیت ایران- نشریه كامپوزیت