مقدمه
باتریهای سرب-اسیدی یا همان باتریهای سولفوریک اسید-سرب (Lead-Acid Batteries) از یکی از قدیمی‌ترین فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی برق استفاده می‌کنند و به عنوان یکی از پرکاربردترین نوع‌های باتری در دنیا شناخته می‌شوند. این باتریها برای انرژی سازی خودروها، وسایل نقلیه برقی، سیستم‌های نورپردازی اضطراری، و بسیاری از دیگر کاربردها به کار می‌روند. با وجود اینکه باتریهای سرب-اسیدی سابقه طولانی در استفاده دارند، اما با پیشرفت تکنولوژی نانو، امکان بهبود عملکرد و ویژگی‌های این باتریها به وسیله نانوتکنولوژی به عنوان یک راهکار نوآورانه و اثرگذار مطرح شده است. نانوتکنولوژی به تجزیه و تحلیل و بهره‌برداری از مواد در ابعاد نانو، می‌پردازد. این تکنولوژی امکان تغییر در خواص مواد را نیز فراهم میکند.
مؤسسه “Telecoms & Computing Market Reports” اخیراً یک گزارش جدید منتشر کرده است، که در آن به کاربرد فناوری نانو در صنعت خودرو و نقش آن در تجاری‌سازی دستاوردهای علمی جدید پرداخته است. بر اساس این گزارش، فناوری نانو در صنعت خودروسازی و فناوری‌های مرتبط با آن به طور گسترده مورد استفاده قرار میگیرد و به دو حوزه اصلی تمرکز دارد: 1. روش‌های پیشرفته پوشش مواد و 2. توسعه باتریهای با عملکرد بالا برای وسایل نقلیه الکتریکی. در حال حاضر، انواع گسترده‌ای از نانوپوشش‌ها وارد بازار شده‌اند، در حالی که تلاش برای تجاری‌سازی سایر زمینه‌های کاربردی فناوری نانو، به خصوص در حوزه باتری، ادامه دارد.
در مقاله حاضر، به بررسی تأثیر نانوتکنولوژی در باتریهای سرب-اسیدی می‌پردازیم. از آنجا که باتریهای سرب-اسیدی به دلیل عمر مفید بالا و قابلیت بازیافت کاربردهای مختلف در صنعت دارند، بهبود عملکرد آنها با استفاده از نانوتکنولوژی می‌تواند اثرات بزرگی در حوزه‌های مختلف از جمله خودروسازی، انرژی تجدیدپذیر و مخابرات داشته باشد.
کاربرد فناوری نانو در باتری سرب – اسید
هرچند استفاده از نانوذرات در منابع ذخیرهی انرژی امری جدید نیست، اما علم کاملاً به محدودهی نانو و چگونگی تغییر فرایندها در این زمینه اشراف ندارد. چالشها و فرصتها برای علم نانو در منابع ذخیرهی انرژی به نحوه ی کنترل و تولید ساختارهای پیچیده در محدودهی نانو وابسته است. نانوتکنولوژی در باتریها نویدبخش جهشی عظیم در راستای بهبود عملکرد و کاهش اندازهی باتریها است. این بهبود درزمینه ی افزایش مقدار شارژ و کاهش زمان شارژ مجدد است. نانوتکنولوژی کاربردی، تمامی انواع باتریها را تحت تأثیر قرار داده و سبب بهبودهای چشمگیری در کارایی آنها شده است. در باتریهای غیر شارژ پذیر روی- کربن (یکی از انواع باتریهای سرب اسیدی) از نانوتکنولوژی برای ساخت واحدهای کوچک و باریک استفاده میشود. باتریهای سرب اسید، توسط ان ای آی کانادا با بهرهگیری از نانوتکنولوژی بهبود بخشیده شدند. باتریهای پیشرفتهی حاصل از نانوفنّاوری این موسسه، هم در پوشش آند و هم کاتد دارای نانولوله های کربنی هستند. نانولولهها به دلیل سطح ویژه، پایداری شیمیایی و قدرت جذب بالایی که دارند، به عنوان افزودنی مورداستفاده قرار میگیرد [1, 2]. باتری حاصل، حدود شش برابر انرژی بیشتری نسبت به باتری معمولی تولید میکند و ظرفیت برگشتی (RC) بالایی به اندازهی چهار برابر بیشتر از باتری های اصلاح نشدهی معمولی دارند. سرب دی اکسید نانوذرهی دیگری است که در کاربردهای متنوعی درزمینه ی الکتروشیمی و صنعت ازجمله به عنوان افزودنی به خمیر مواد فعال مثبت مورداستفاده قرار میگیرد[3, 4].
تحقیقات در حال انجام در این زمینه، به منظور بهینه‌سازی اجزای مختلف باتریهای سرب-اسیدی با استفاده از نانومواد به عنوان یک پلتفرم نوآورانه در تکنولوژی باتری و ذخیره‌سازی انرژی صورت میگیرد. این تحقیقات شامل طراحی و ساخت نانومواد خاص برای کاتد و آند، بهینه‌سازی الکترولیت، و مطالعه رفتار الکتروشیمیایی نانوباتری‌ها میشود. این نوع تکنولوژی به امید بهبود عملکرد، عمر مفید و کارایی باتریهای سرب-اسیدی در طولانی مدت و در کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار میگیرد. در ادامه، به جزئیات بیشتری در مورد تأثیر نانوتکنولوژی در باتریهای سرب-اسیدی خواهیم پرداخت. این تأثیرات در اجزای کلیدی باتری، به خصوص کاتد (الکترود مثبت) ، آند (الکترود منفی) و الکترولیت به شدت مورد توجه قرار می‌گیرند. که در ادامه به تاثیر استفاده از نانوذرات اکسید سرب و نانوذرات باریم سولفات به ترتیب در پلیت مثبت و منفی به عنوان نمونه می پردازیم.
- اثر نانوذرات اکسید سرب در پلیت مثبت باتری سرب اسیدی
مادوسانکا و همکارانش [5] در یک کار پژوهشی تاثیر نانوذرات اکسید سرب به عنوان افزودنی در پلیت مثبت را بررسی کردند . نانوساختار مذکور از طریق سه روش مختلف در کاتد وارد شد و به صورت جداگانه با کاتد معمولی با استفاده از آزمون‌های شارژ/دشارژ، آنالیز SEM و آنالیز توزیع اندازه ذرات مقایسه شدند. نتایج آنالیزهای انجام شده بر روی الکترودهای نانوساختار، بهبود قابل توجهی در تخلخل و اندازه ذرات الکترودهای نانو-لایه‌ای نشان داد. این امر می‌تواند به وضوح با مقایسه تصاویر SEM الکترود معمولی و الکترود نانو-لایه‌ای در چند بزرگ‌نمایی تشخیص داده شود که اندازه تخلخل الکترود نانو-لایه‌ای به طرز چشمگیری بهبود یافته است. افزایش اندازه تخلخل به افزایش فضاهای خالی در الکترود و در نتیجه افزایش مساحت سطح فعال اشاره دارد. سطح فعال دردسترس بیشتر مستقیماً بر عملکرد باتری تاثیر مثبت خواهد داشت. با این حال، برای تولید تجاری الکترودها با این روش محدودیت‌هایی وجود دارد، به خصوص هزینه بالا و مشکل در اتوماسیون این فرآیند پیچیده برای تولید انبوه. هزینه بالا ممکن است به هزینه استفاده از استات سرب که بسیار گرانتر از اکسید سربی است که در فرآیند تولید معمولی استفاده میشود، نسبت داده شود.
- اثر نانوذرات باریوم سولفات به عنوان ادیتیو در پلیت منفی باتری سرب- اسید
نانوذرات باریم سولفات (BaSO4) به عنوان افزودنی به خمیر مواد فعال پلیت منفی (NAM ) باتری سرب اسیدی معرفی می شود. ذرات باریم سولفات با توزیع اندازهی یکنواخت در اندازهی نانو تهیه شد. آزمایشها با الکترود منفی باتری سرب اسید 12 ولتی تهیه شده از نانوذرات باریم سولفات (BaSO4) انجام گرفت. مشخص شد که الکترود منفی دارای نانوذرات BaSO4 به طور چشمگیری استارت سرد و ظرفیت اولیهی پایدارتری نسبت به الکترود منفی بدون نانوذرات نشان میدهد. بنابراین نانوذرات باریم سولفات عملکرد باتری سرب اسیدی را بهبود میبخشد. نتایج مشخص می کند که افزودنی پیشنهادی از تجمع پیشرفتهی سرب سولفات جلوگیری کرده و بنابراین چرخهی عمر باتری سرب اسید را افزایش میدهد. برای بررسی اثر نانوذرات BaSO4 در رفتار الکتروشیمیایی خمیرهای تهیه شده غلظت های مختلفی از نانوذرات به خمیر افزوده شده و در جدول زیر آورده شده است. ولتامتری چرخه ای برای این الکترودها انجام شد و نتایج آن در شکل 2 نشان داده شده است.
نتیجه گیری
افزودن نانوذرات به ساختار باتریهای سرب اسیدی تاثیرات متعددی دارد. در زیر تاثیرات مهم افزودن نانوذرات به این باتریها ذکر شده است:
- افزایش ظرفیت: افزودن نانوذرات می‌تواند ظرفیت باتری را افزایش دهد. نانوذرات باعث افزایش سطح فعال الکترودها می‌شوند که اجازه ذخیره بیشتر انرژی را در هر واحد حجم میدهد.
- بهبود عملکرد تخلیه: نانوذرات می‌توانند بهبود عملکرد تخلیه باتری را فراهم کنند. این به معنی افزایش توان تخلیه، کاهش افت ولتاژ در هنگام تخلیه و افزایش عمر مفید باتری است.
- افزایش سرعت شارژ و دشارژ: نانوذرات می‌توانند عملکرد شارژ و تخلیه را بهبود بخشند و به سرعت شارژ و تخلیه باتری کمک کنند.
- بهبود مقاومت حین دشارژ عمیق: با استفاده از نانوذرات در الکترودها، باتریهای مقاوم‌تری در برابر تخلیه عمیق (کاهش کامل ظرفیت) ساخته می‌شوند.
- افزایش عمر مفید: به عنوان نتیجه‌ای از بهبود عملکرد و مقاومت در برابر تخلیه عمیق، عمر مفید باتریهای سرب اسیدی ممکن است افزایش یابد.
- کاهش وزن: افزودن نانوذرات می‌تواند به کاهش وزن باتری منجر شود، زیرا به افزایش ظرفیت در هر واحد حجم کمک میکند.
با این حال، تکنولوژی نانو در باتریهای سرب اسیدی نیازمند تحقیقات و آزمایش‌های دقیق تر است و ممکن است با چالش‌های مهندسی و اقتصادی متعددی مواجه شود.
منابع:
- Swogger, S.W., et al., Discrete carbon nanotubes increase lead acid battery charge acceptance and performance. Journal of Power Sources, 2014. 261: p. 55-63.
- Sugumaran, N., et al., Lead acid battery performance and cycle life increased through addition of discrete carbon nanotubes to both electrodes. Journal of Power Sources, 2015. 279: p. 281-293.
- Andersson, H., I. Petersson, and E. Ahlberg, Modelling electrochemical impedance data for semi-bipolar lead acid batteries. Journal of Applied Electrochemistry, 2001. 31(1): p. 1-11.
- Johnson, D.C., J. Feng, and L.L. Houk, Direct electrochemical degradation of organic wastes in aqueous media. Electrochimica Acta, 2000. 46(2): p. 323-330.
- Madusanka, S.A.U.A., et al. Improving the Performance of Lead Acid Batteries using Nano-Technology. in 2019 Moratuwa Engineering Research Conference (MERCon). 2019.
- 6. satPRnews – Space & AI Reports
- فتاحی، محمد و صنعتی، متین و صنیعی، متین،1402،بررسی اثر نانوذرات در بهبود عملکرد باتری سرب – اسید،هفتمین کنفرانس بین المللی پژوهش های کاربردی در علوم و مهندسی،https://civilica.com/doc/1682202
/ با تشکر از خانم دکتر جوانی ، گردآورنده مقاله فوق /
