लीड एसिड बैटरी: काम, निर्माण और चार्ज / निर्वहन

लगभग हर पोर्टेबल और हैंडहेल्ड डिवाइस में बैटरी होती है। बैटरी एक स्टोरेज डिवाइस है, जहां जरूरत पड़ने पर बिजली प्रदान करने के लिए ऊर्जा संग्रहित की जाती है। इस आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया में विभिन्न प्रकार की बैटरी उपलब्ध हैं, उनमें से लीड एसिड बैटरी आमतौर पर उच्च बिजली की आपूर्ति के लिए उपयोग की जाती है। आमतौर पर लीड एसिड बैटरी कठोर और भारी निर्माण के साथ आकार में बड़ी होती हैं, वे उच्च मात्रा में ऊर्जा और आमतौर पर ऑटोमोबाइल और इनवर्टर में उपयोग की जा सकती हैं।

ली-आयन बैटरी के साथ प्रतिस्पर्धा करने के बाद भी, लीड एसिड बैटरी की मांग दिन-प्रतिदिन बढ़ रही है, क्योंकि वे ली-आयन बैटरी की तुलना में सस्ता और आसानी से संभाल रहे हैं। कुछ बाजार अनुसंधान के अनुसार 2018-24 के दौरान इंडिया लीड एसिड बैटरी मार्केट 9% से अधिक की सीएजीआर में बढ़ने का अनुमान है। इसलिए, ऑटोमेशन, ऑटोमोटिव और कंज्यूमर इलेक्ट्रॉनिक्स में इसकी बाजार में भारी मांग है। अधिकांश इलेक्ट्रिक वाहन लिथियन-आयन बैटरी के साथ आते हैं, लेकिन फिर भी कई इलेक्ट्रिक टू व्हीलर हैं जो वाहन को पावर देने के लिए लीड एसिड बैट्री का उपयोग करते हैं।

पिछले ट्यूटोरियल में हमने लीथियम-आयन बैटरियों के बारे में सीखा, यहाँ हम लीड एसिड बैटरियों के कार्य, निर्माण और अनुप्रयोगों को समझेंगे । हम लीड एसिड बैटरियों की रेटिंग, आवश्यकताओं और सुरक्षा को चार्ज / डिस्चार्ज करने के बारे में भी जानेंगे।

लीड एसिड बैटरी का निर्माण

लीड एसिड बैटरी क्या है? अगर हम लीड एसिड बैटरी का नाम लेते हैं, तो हमें लीड, एसिड और बैटरी मिलेगी । सीसा एक रासायनिक तत्व है (प्रतीक Pb है और परमाणु संख्या 82 है)। यह एक नरम और निंदनीय तत्व है। हम जानते हैं कि एसिड क्या है; यह एक प्रोटॉन दान कर सकता है या एक इलेक्ट्रॉन जोड़ी को स्वीकार कर सकता है जब यह प्रतिक्रिया कर रहा होता है। तो, एक बैटरी, जिसमें लीड और निर्जल प्लंबिक एसिड होता है (कभी-कभी गलत रूप से लेड पेरोक्साइड के रूप में कहा जाता है) को लीड एसिड बैटरी कहा जाता है।

अब, आंतरिक निर्माण क्या है?

लीड एसिड बैटरी में निम्नलिखित चीजें होती हैं, हम इसे नीचे की छवि में देख सकते हैं:

एक लीड एसिड बैटरी में प्लेट्स, सेपरेटर और इलेक्ट्रोलाइट होते हैं, हार्ड प्लास्टिक के साथ हार्ड प्लास्टिक ।

बैटरियों में, प्लेटें दो प्रकार की होती हैं, सकारात्मक और नकारात्मक। सकारात्मक लीड में डाइऑक्साइड होता है और नकारात्मक में स्पंज लीड होता है। इन दोनों प्लेटों को एक विभाजक का उपयोग करके अलग किया जाता है जो एक इन्सुलेट सामग्री है। यह कुल निर्माण एक कठिन प्लास्टिक के मामले में इलेक्ट्रोलाइट के साथ रखा जाता है। इलेक्ट्रोलाइट पानी और सल्फ्यूरिक एसिड है।

कठिन प्लास्टिक का मामला एक कोशिका है। एक एकल सेल स्टोर आमतौर पर 2.1V। इस कारण के कारण, A 12V लीड एसिड बैटरी में 6 सेल होते हैं और आमतौर पर 6 x 2.1V / सेल = 12.6V प्रदान करते हैं।

अब, चार्ज स्टोरेज क्षमता क्या है?

यह सक्रिय सामग्री (इलेक्ट्रोलाइट मात्रा) और प्लेट के आकार पर अत्यधिक निर्भर है। आपने देखा होगा कि लिथियम बैटरी भंडारण क्षमता का वर्णन mAh या मिली-घंटा घंटे की रेटिंग में किया जाता है, लेकिन लीड एसिड बैटरी के मामले में, यह एम्पी घंटे है । इसका वर्णन हम बाद के खंड में करेंगे।

लीड एसिड बैटरी का कार्य करना

लीड एसिड बैटरी का कार्य रसायन विज्ञान के बारे में है और इसके बारे में जानना बहुत दिलचस्प है। लीड एसिड बैटरी की चार्जिंग और डिस्चार्जिंग स्थिति में विशाल रासायनिक प्रक्रिया शामिल है। एसिड के घुलने पर पतला सल्फ्यूरिक एसिड H ₂ SO ₄ अणु दो भागों में टूट जाता है। यह सकारात्मक आयनों 2H + और नकारात्मक आयनों SO _{4 का निर्माण करेगा} -। जैसा कि हमने पहले बताया, दो इलेक्ट्रोड प्लेट्स, एनोड और कैथोड के रूप में जुड़े हुए हैं। एनोड नकारात्मक आयनों को पकड़ता है और कैथोड सकारात्मक आयनों को आकर्षित करता है। एनोड और एसओ ₄ में यह संबंध - और कैथोड 2H + इंटरचेंज इलेक्ट्रॉनों के साथ और जो एच 2 ओ के साथ या पानी के साथ प्रतिक्रिया करता है (पतला सल्फ्यूरिक एसिड, सल्फ्यूरिक एसिड + पानी)।

बैटरी में रासायनिक प्रतिक्रिया, चार्जिंग और डिस्चार्जिंग की दो अवस्थाएँ होती हैं ।

लीड एसिड बैटरी चार्जिंग

जैसा कि हम जानते हैं, बैटरी चार्ज करने के लिए, हमें टर्मिनल वोल्टेज से अधिक वोल्टेज प्रदान करने की आवश्यकता होती है। तो 12.6V की बैटरी चार्ज करने के लिए 13V लगाया जा सकता है।

लेकिन वास्तव में क्या होता है जब हम लीड एसिड बैटरी चार्ज करते हैं?

खैर, वही रासायनिक प्रतिक्रियाएं जो हमने पहले वर्णित की थीं। विशेष रूप से, जब बैटरी चार्जर से जुड़ी होती है, तो सल्फ्यूरिक एसिड के अणु दो आयनों, सकारात्मक आयनों 2H + और नकारात्मक आयनों SO ₄ में टूट जाते हैं -। हाइड्रोजन कैथोड के साथ इलेक्ट्रॉनों का आदान-प्रदान करता है और हाइड्रोजन बन जाता है, यह हाइड्रोजन कैथोड में PbSO _{4 के} साथ प्रतिक्रिया करता है और सल्फ्यूरिक एसिड (H ₂ SO ₄) और लीड (Pb) बनाता है । दूसरी ओर, एसओ ₄ - एनोड के साथ इलेक्ट्रॉनों का आदान-प्रदान करते हैं और कट्टरपंथी एसओ ₄ बन जाते हैं । यह SO ₄ एनोड के PbSO ₄ के साथ प्रतिक्रिया करता है और सीसा पेरोक्साइड PbO ₂ और सल्फ्यूरिक एसिड (H ₂ SO ₄₎ बनाता है) है। सल्फ्यूरिक एसिड के गुरुत्वाकर्षण में वृद्धि और सेल संभावित वोल्टेज में वृद्धि से ऊर्जा संग्रहीत होती है।

जैसा कि ऊपर बताया गया है, चार्जिंग प्रक्रिया के दौरान एनोड और कैथोड में निम्नलिखित रासायनिक प्रतिक्रियाएं होती हैं।

कैथोड पर

PbSO ₄ + 2e ^- => Pb + SO ₄ ^2-

एनोड पर

PbSO ₄ + 2H ₂ O => PbO ₂ + SO ₄ ^2- + 4H ^- + 2e ^-

दो समीकरणों के ऊपर संयोजन, समग्र रासायनिक प्रतिक्रिया होगी

2PbSO ₄ + 2H ₂ O => PbO ₂ + Pb + 2H ₂ SO ₄

लीड-एसिड बैटरी को चार्ज करने के लिए विभिन्न तरीके लागू हैं। प्रत्येक विधि का उपयोग विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए विशिष्ट लीड-एसिड बैटरी के लिए किया जा सकता है। कुछ एप्लिकेशन निरंतर वोल्टेज चार्जिंग विधि का उपयोग करते हैं, कुछ एप्लिकेशन निरंतर वर्तमान विधि का उपयोग करते हैं, जबकि कुछ मामलों में गुदगुदी चार्जिंग भी उपयोगी है। आम तौर पर बैटरी निर्माता विशिष्ट लीड-एसिड बैटरी को चार्ज करने की उचित विधि प्रदान करता है। लीड एसिड बैटरी चार्जिंग में निरंतर वर्तमान चार्जिंग का आमतौर पर उपयोग नहीं किया जाता है ।

लीड एसिड बैटरी में उपयोग की जाने वाली सबसे आम चार्जिंग विधि निरंतर वोल्टेज चार्जिंग विधि है जो चार्जिंग समय के संदर्भ में एक प्रभावी प्रक्रिया है। फुल चार्ज साइकल में चार्ज वोल्टेज स्थिर रहता है और बैटरी चार्ज लेवल के बढ़ने के साथ करंट धीरे-धीरे कम होता जाता है।

लीड एसिड बैटरी निर्वहन

एक लीड एसिड बैटरी का निर्वहन फिर से रासायनिक प्रतिक्रियाओं के साथ शामिल है। सल्फ्यूरिक एसिड पानी और सल्फ्यूरिक एसिड के साथ आमतौर पर 3: 1 अनुपात के साथ पतला रूप में होता है। जब भार प्लेटों से जुड़े होते हैं, तो सल्फ्यूरिक एसिड फिर से सकारात्मक आयनों 2H + और नकारात्मक आयनों SO ₄ में टूट जाता है । हाइड्रोजन आयन PBO के साथ प्रतिक्रिया ₂ और PBO और पानी एच बनाना ₂ ओ PBO एच के साथ प्रतिक्रिया शुरू ₂ एसओ ₄ और बनाता है PbSO ₄ और एच ₂ ओ

दूसरी तरफ एसओ ₄ - आयन पीबी से इलेक्ट्रॉनों का आदान-प्रदान करते हैं, कट्टरपंथी एसओ ₄ बनाते हैं जो आगे पीबी के साथ प्रतिक्रिया करते हुए पीबीएसओ ₄ बनाता है ।

जैसा कि ऊपर बताया गया है, डिस्चार्जिंग प्रक्रिया के दौरान एनोड और कैथोड में निम्नलिखित रासायनिक प्रतिक्रियाएं होती हैं। ये प्रतिक्रिया चार्जिंग प्रतिक्रियाओं के बिल्कुल विपरीत हैं:

कैथोड पर

Pb + SO ₄ ^2- => PbSO ₄ + 2e ^-

एनोड पर:

PbO ₂ + SO ₄ ^2- + 4H ^- + 2e ^- => PbSO ₄ + 2H ₂ O

दो समीकरणों के ऊपर संयोजन, समग्र रासायनिक प्रतिक्रिया होगी

PbO ₂ + Pb + 2H ₂ SO ₄ => 2PbSO ₄ + 2H ₂ O

एनोड और कैथोड में इलेक्ट्रॉन विनिमय के कारण, प्लेटों में इलेक्ट्रॉन संतुलन प्रभावित होता है। इलेक्ट्रॉनों को फिर लोड के माध्यम से प्रवाहित किया जाता है और बैटरी को छुट्टी दे दी जाती है।

इस निर्वहन के दौरान, पतला सल्फ्यूरिक एसिड गुरुत्वाकर्षण कम हो जाता है। इसके अलावा, एक ही समय में, सेल के संभावित अंतर में कमी आती है।

जोखिम कारक और विद्युत रेटिंग

यदि सुरक्षित रूप से रखरखाव न किया जाए तो लीड एसिड बैटरी हानिकारक है। जैसा कि बैटरी रासायनिक प्रक्रिया के दौरान हाइड्रोजन गैस उत्पन्न करती है, यह हवादार क्षेत्र में उपयोग नहीं किए जाने पर अत्यधिक खतरनाक है। साथ ही, गलत तरीके से चार्ज करने से बैटरी खराब हो जाती है।

लीड एसिड बैटरी की मानक रेटिंग क्या हैं?

हर लीड-एसिड बैटरी को मानक चार्ज करंट और करंट डिस्चार्ज के लिए डेटशीट के साथ दिया जाता है। आमतौर पर एक 12V लीड-एसिड बैटरी जो ऑटोमोटिव एप्लिकेशन के लिए लागू होती है, 100Ah से 350Ah तक हो सकती है। इस रेटिंग को 8 घंटे की समयावधि के साथ डिस्चार्ज रेटिंग के रूप में परिभाषित किया गया है।

उदाहरण के लिए, 160Ah की बैटरी 20A सप्लाई करंट को 8 घंटे तक लोड कर सकती है । हम अधिक करंट खींच सकते हैं लेकिन ऐसा करना उचित नहीं है। 8 घंटे के संबंध में अधिकतम डिस्चार्ज करंट से अधिक करंट खींचकर बैटरी की कार्यक्षमता को नुकसान होगा और बैटरी के आंतरिक प्रतिरोध को भी बदला जा सकता है, जो बैटरी के तापमान को और बढ़ाता है।

दूसरी ओर, चार्जिंग चरण के दौरान, हमें चार्जर ध्रुवीयता के बारे में सावधान रहना चाहिए, यह बैटरी ध्रुवता के साथ ठीक से जुड़ा होना चाहिए। लीड-एसिड बैटरी चार्जिंग के लिए रिवर्स पोलरिटी खतरनाक है। रेडीमेड चार्जर एक चार्ज वोल्टेज और एक कंट्रोल विकल्प के साथ वर्तमान मीटर चार्ज करने के साथ आता है। हमें बैटरी को चार्ज करने के लिए बैटरी वोल्टेज से अधिक वोल्टेज प्रदान करना चाहिए। अधिकतम चार्ज करेंट 8 घंटे की डिस्चार्जिंग दरों पर अधिकतम आपूर्ति करंट के समान होना चाहिए। अगर हम वही 12V 160Ah उदाहरण लेते हैं, तो अधिकतम आपूर्ति वर्तमान 20A है, इसलिए अधिकतम सुरक्षित चार्जिंग वर्तमान 20A है।

हमें बड़े चार्जिंग करंट को बढ़ाना या उपलब्ध नहीं कराना चाहिए क्योंकि इससे गर्मी पैदा होगी और गैस उत्पादन बढ़ेगा।

लीड-एसिड बैटरी रखरखाव नियम

1. पानी भरना लीड-एसिड बैटरी की सबसे उपेक्षित रखरखाव विशेषता है। जैसे-जैसे ओवरचार्जिंग से पानी घटता है, हमें इसकी बार-बार जांच करनी होगी। कम पानी प्लेटों में ऑक्सीकरण बनाता है और बैटरी के जीवनकाल को कम करता है। जरूरत होने पर डिस्टिल्ड या आयनीकृत पानी डालें।
2. वेंट के लिए जाँच करें, उन्हें रबर की टोपी के साथ परिपूर्ण होने की आवश्यकता होती है, अक्सर रबर की टोपी छेद के साथ बहुत कसकर चिपक जाती है।
3. प्रत्येक उपयोग के बाद लीड-एसिड बैटरी को रिचार्ज करें। रिचार्जिंग के बिना एक लंबी अवधि प्लेटों में सल्फाटिंग प्रदान करती है।
4. बैटरी को फ्रीज न करें या इसे 49-डिग्री सेंटीग्रेड से अधिक चार्ज न करें। ठंड परिवेश में बैटरी को पूरी तरह से चार्ज करने की आवश्यकता होती है क्योंकि फ्रीज के संबंध में खाली बैटरी की तुलना में बैटरी पूरी तरह से चार्ज होती है।
5. प्रति सेल 1.7V से कम बैटरी का गहरा निर्वहन न करें।
6. एक लीड एसिड बैटरी को स्टोर करने के लिए, इसे पूरी तरह से चार्ज करने की आवश्यकता होती है फिर इलेक्ट्रोलाइट को निकालने की आवश्यकता होती है। तब बैटरी सूखी हो जाएगी और इसे लंबे समय तक संग्रहीत किया जा सकता है।