باتریهای سرب اسید و نیکل کادمیوم از پرکاربرد ترین انواع باتریها در صنعت یوپی اس میباشند. اغلب این سوال پیش میآید که این دو باتری چه تفاوتی با هم دارند؟ در چه مواردی بهتر است باتری سرب اسیدی پیشنهاد شود و بالعکس؟ نقاط ضعف و قدرت هر نوع باتری چیست؟ در ادامه سعی شدهاست حتی الامکان بطور خلاصه این دو نوع باتری با یکدیگر از زوایای گوناگون مقایسه شوند.
۱- تاریخچه
۲- مواد سازنده باتری
۳- قیمت
باتریهای نیکل کادمیوم حدودا بین ۲ تا ۴ بار گرانتر از نمونه مشابه خود از نوع سرب اسید هستند. البته بسته به کیفیت و نوع آلیاژ و تکنیک ساخت باتری این امکان وجود دارد که این اختلاف بیشتر از ۵ برابر نیز بشود. به همین دلیل سرمایه اولیه مورد نیاز برای تامین نیروی بکاپ از باتریهای نیکل-کادمیومی بسیار بالاتر تمام خواهد شد. پس چرا همچنان طیفی از مصرف کنندگان سراغ باتریهای نیکل میروند؟ بخشهای بعدی پاسخ این سوال را خواهد داد.
۴- طول عمر
یک قانون کلی در ارتباط با طول عمر اکثر انواع باتریها وجود دارد، و آن اینکه با افزایش تعداد دشارژ باتری طول عمر آن کم خواهد شد. اما هر دوباتری نیکل و سربی به عمق دشارژ نیز حساس هستند. به این معنی که اگر فرضا باتری بطور متوسط ۳۰ درصد دشارژ شود طول عمر آن بسیار بیشتر از حالتیست که بطور متوسط تا ۸۰ درصد دشارژ میگردد. گرچه باتریهای نیکل کادمیوم بسیار گرانتر از باتریهای سرب اسیدی هستند اما تعداد سیکلهایی که میتوان آنها را دشارژ کرد بسیار بیشتر از باتریهای سربی است.
همانطور که دیده میشود با افزایش عمق دشارژ به بیش از ۵۰ درصد، تفاوت عملکرد دو باتری به خوبی مشهود میگردد.
۵- حساسیت به دما
باتریهای سرب اسیدی بیشتر برای عملکرد در محیط ۱۰ تا ۳۵ درجه سانتیگراد پیشنهاد میشوند، زیرا نسبت به تغییرات دما حساسیت زیادی از خود نشان میدهند. ظرفیت ظاهری باتریهای سرب اسیدی نسبت به کاهش دما سریعا افت میکند و از طرفی دیگر نیز با افزایش دما عمر متوسط آنها به شدت کاهش مییابد (با افزایش هر ۱۰ درجه طول عمر مفید باتریهای سرب اسیدی نصف میشود!). اما باتریهای نیکل کادمیوم نسبت به تغییر دما حساسیت کمتری از خود نشان میدهند. بویژه در مواردی که باتری میبایست در دماهای پایین مورد استفاده قرار گیرد بهترین گزینه استفاده از باتریهای نیکل است. بازه دمایی مناسب برای عملکرد باتری نیکل کادمیم چیزی بین ۶۰ تا ۲۰- درجه سانتیگراد است. البته طول عمر متوسط آن نیز با افزایش دما کاهش مییابد. شکل زیر مقایسه ایست بین تغییرات ظرفیت دو باتری در یک بازه دمایی نسبتا زیاد.
۶- پدیده خود دشارژی (Self Discharge)
حتی درصورتیکه هر کدام از این دو نوع باتری به مدار متصل نباشند نیز، بعد از گذشت مدتی دشارژ میشوند. به این پدیده خود دشارژی میگویند (برای توضیحات تکمیلی میتوانید به مقاله “باتری های سرب اسید را بیشتر بشناسیم” مراجعه فرمایید). سرعت این پدیده در باتریهای نیکل کادمیوم چندین برابر باتریهای سرب اسیدی است. باتریهای نیکل بسته به آلیاژ مورد استفاده در ساختشان و همچنین دمای محیط، حتی امکان دارد که روزانه ۱ درصد از ظرفیتشان را در هنگام انبارش از دست بدهند. این مساله نیاز به شارژ مجدد باتری در هنگام استفاده و همچنین اتلاف انرژی را سبب میشود.
اشاره به این تفاوت نیز ضروریست که گرچه خود دشارژی در باتریهای نیکل چندین برابر باتریهای سربی است، اما باتریهای نیکل را میتوان حتی بطور دشارژ کامل نیز انبارش نمود، اما همانطور که در مقاله آشنایی بیشتر با باتریهای سرب اسیدی توضیح داده شد، باتریهای سرب اسیدی را نمیبایست با سطح شارژ پایین نگهداری کرد. زیرا در این صورت باتری سولفاته شده و طول عمر مفید آن بشدت کاهش مییابد.
۷- نحوه افت ولتاژ در هنگام دشارژ
ولتاژ باتریهای نیکل کادمیوم تقریبا تا لحظات آخر افت چندانی ندارد و میتوان با تقریب، آن را ثابت فرض کرد. اما ولتاژ پایانهی باتریهای سرب اسیدی در هنگام دشارژ، به تدریج کاهش مییابد.
۸- آلایندگی محیط زیستدر ساختار هر دو نوع باتری از فلزات سنگین (سرب و کادمیوم) استفاده شده است، که این به معنی دیر ترکیبی این فلزات است. در صورتیکه پروسه بازیافت لاشهی باتریها بدرستی انجام نشود هردو بشدت محیط زیست را آلوده مینمایند. اما پروسه بازیافت کادمیوم پیچیدهتر از سرب بوده و در عین حال این فلز شدیدا سرطان زا میباشد.
۹- سایز و وزن و پروسه ساخت
باتریهای سرب اسیدی روند ساخت سادهتری از باتریهای نیکل کادمیومی دارند. اما در عین حال نسبت انرژی ذخیره شده در باتری نسبت به وزن آن، یکی از کمترین مقادیر بین انواع باتریهاست (Wh/kg 30-50). درصورتیکه چگالی انرژی به وزن در باتریهای نیکل کادمیوم چیزی بین Wh/kg 45-80 میباشد. این بدان معنی است که باتریهای نیکل-کادمیوم ۳۰ درصد انرژی بیشتری نسبت به باتریهای سرب اسیدی در یک وزن برابر، در خود ذخیره میکنند. پس در مواردی که وزن مجموعه باتریها مهم است استفاده از باتریهای نیکل کادمیوم توصیه میشود.
۱۰- سرعت شارژباتریهای نیکل کادمیوم را میتوان در زمانهای کوتاهی همچون ۱ ساعت نیز شارژ نمود درصورتیکه شارژ سریع باتریهای سرب اسیدی در زمانی کمتر از ۴ ساعت توصیه نمیشود و عموما چیزی در حدود ۸ تا ۱۰ ساعت را برای شارژ آنها مناسب میدانند.
۱۱- جریان پیک دشارژ
دشارژ باتریهای سرب اسیدی با جریانی بیشتر از ۵ برابر جریان نامی آن توصیه نمیشود (فرضا باتری ۹ آمپر ساعت را نباید با جریانی بیش از ۴۵ آمپر دشارژ کرد) اما میتوان باتریهای نیکل کادمیوم را حتی با جریانهای ۱۰ تا ۱۵ برابر جریان نامی خود نیز دشارژ نمود.
۱۲- پدیدهی حافظهای (Memory Effect) در باتریهای نیکل
یکی از مهمترین نقاط ضعف باتریهای نیکل نسبت به سربی، وجود “پدیده حافظه” در باتری است. اگر باتری را چندین بار فرضا تا ۶۰ درصد ظرفیتش دشارژ کرده و مجددا شارژ نماییم. باتری حدود ۶۰ درصد را به “حافظه” سپرده و اگر بار دیگر باتری را بخواهیم بیشتر از ۶۰ درصد دشارژ نماییم این بار ناگهان ولتاژ خروجی باتری افت شدیدی مینماید. این پدیده باعث میشود که نتوان از ظرفیت باتری به طور مناسب استفاده نمود. بویژه در کاربردهای یوپی اسی که باتریها به حالت آماده به کار بوده و مرتبا شارژ و دشارژ نمیشوند این پدیده باعث میشود که نتوان از کل ظرفیت نصب شدهی باتریها استفاده بهینه نمود.
۱۳- تفاوت ولتاژ نامی سلولهای باتری
بدلیل ساختار متفاوت شیمیایی دو باتری، ولتاژ نامی سلولهایشان نیز متفاوت است. ولتاژ هر سلول در باتریهای نیکل کادمیم ۱٫۲ ولت و در باتریهای سرب اسیدی ۲ ولت میباشد. به همین دلیل برای ساخت یک باتری ۱۲ ولت نیکل کادمیوم، میبایست ۱۰ سلول را با هم سری کرد؛ در حالیکه سری کردن ۶ سلول باتری سرب اسیدی، همین ولتاژ را تولید خواهد نمود.
مقدمه
از لحاظ کاربرد صنعتی، سرب در مقام پنجم پس از آهن، آلومینیوم، مس و روی قرار دارد و در صنایع تولیدی مختلف نظیر باتری های سرب/ اسیدی، سیم و کابل، پیگمنت های رنگی، شیشه سازی، اسلحه و مهمات، افزودنی بنزین، حفاظت در برابر اشعه و… کاربرد دارد.
براساس آمار منتشره توسط انجمن بین المللی سرب (International Lead Association, ILA) از سال ۱۹۶۰ تا ۲۰۱۰ میزان مصرف سرب در صنایع مختلف رشد چشمگیری داشته است و همواره صنعت باتری با بیشترین سهم بوده است، بطوریکه در سال ۲۰۱۰ ، ۸۵% سرب تولیدی شده در جهان در این صنعت بکار رفته است (شکل ۱)[۵].
شکل۱: مقایسه رشد مصرف سرب در سال ۱۹۶۰ و ۲۰۱۰
سرب در طبیعت بصورت ترکیبات سولفیدی، کربناته و… وجود دارد که پس از استخراج و فرآوری، فرایند استحصال سرب در کوره با دمای بالا انجام شده و سرب تولیدی Primary Lead نامگذاری شده است، با توجه به رویکرد کاهش مصرف منابع تجدید ناپذیر، کاهش پسماند،کاهش هزینه های تولید و… بازیافت سرب از کالاهای فرسوده حاوی سرب مورد توجه قرار گرفته است و سرب تولیدی Secondary Lead نامگذاری شده است و براساس آمار ILA از سال ۱۹۹۳بیش از ۵۰ درصد سرب تولیدی از فرآیند بازیافت می باشد( شکل۲)[۵].
شکل ۲ : رشد تولید سرب Primary و Secondary در سال های ۱۹۷۰ تا ۲۰۱۰
با توجه به سهم حداقل ۸۰ درصدی باتری های سرب/ اسیدی در مصرف سرب تولیدی جهان و طول عمر محدود این نوع باتری ها، بدیهی است پس از اتمام کارایی و فرسوده شدن می توان از این ها به عنوان منبع استحصال سرب استفاده کرد، در غیر اینصورت به عنوان پسماند خطرناک بوده و بر خلاف رویکرد زیست محیطی جهان می باشد.
۲٫ ساختار باتری سرب/ اسیدی
باتری سرب/ اسیدی (Lead-Acid Battery, LAB) شامل درب و بدنه پلاستیکی (Battery Case)، عایق بین صفحات (Separator)، مواد الکتروفعال مثبت (Positive Active Material, PAM)، مواد الکتروفعال منفی (Negative Active Materials, NAM)، شبکه ها (Grids)، پل و اتصالات سربی (Straps & Poles) و الکترولیت می باشد، که در اثر کارکرد و اتمام کارایی به باتری سرب/ اسیدی فرسوده (Scrap Lead Acid Battery, SLAB)تبدیل می شود (شکل۳)[۷].
شکل ۳ : ساختار و اجزا باتری پس از تولید و فرسوده شدن
در باتری فرسوده مواد الکتروفعال مثبت و منفی، ترکیبات سرب (Lead Paste) و شبکه، استرپ و پل ها، سرب فلزی (Metallic Lead) را تشکیل می دهند که منبع سرب در فرآیند بازیافت می باشند.
۳٫ بازیافت باتری سرب/ اسیدی فرسوده
بر اساس پتنت های ثبت شده فرآیند بازیافت سرب از باتری های فرسوده به سال های ۱۹۳۰ برمی گرددکه روش های ساده بر مبنای ذوب و احیا هستند و عمدتا امکان جداسازی اجزا و بازیافت کامل اجزا در این روش ها وجود ندارد و صدمات جبران ناپذیری به محیط زیست وارد می شود[۱].
– براساس( شکل۳) ۲۵-۲۰ درصد وزن باتری فرسوده الکترولیت(محلول آبی اسید سولفوریک) می باشد که در روش های اولیه اقدامی جهت خنثی سازی و تولید محصول جانبی انجام نمی شود و باعث آلودگی آب، خاک و هوا می شود.
– ترکیبات سرب دار حاوی حداقل ۵۰ درصد سولفات سرب می باشد که فرآیند ذوب و احیا این ترکیبات در کوره های حرارتی و در حضور کک به عنوان عامل احیاء ترکیبات سرب، با انتشار گازهای Sox همراه بوده و صدمات جبران ناپذیر به محیط زیست وارد می کند (واکنش های ۴-۱)
– در روش های اولیه از پلاستیک ها به عنوان سوخت در فرآیند ذوب و احیا استفاده می شود که به علت احتراق نا قص با آلودگی هوا همراه می باشد.
صنعت بازیافت همانند سایر صنایع در حال تحول بوده و در طراحی فرآیند توجه به مسائل زیست محیطی و سلامت فردی در اولویت بوده است و همواره کنوانسیون بازل ، ILA و مرکز بین المللی مدیریت سرب (International Lead Management Center, ILMC) در این خصوص فعال بوده و سند Lead Action 21 با چشم انداز تولید ایمن، ایمنی و حفاظت فردی، حفاظت از محیط زیست و …. منتشر شده است[۵,۶].
۳٫ ۱٫ تکنولوژی بازیافت با روش پیرومتالورژی و سازگار با محیط زیست
فلوچارت فرایند بازیافت باتری های سرب/ اسیدی فرسوده با روش پیرومتالورژی و سازگار با محیط زیست در (شکل۴) نشان داده شده است[۷].
شکل ۴ : فلوچارت بازیافت با روش پیرومتالورژی و سازگار با محیط
۱٫۱٫۳٫ خردایش و تفکیک اجزای باتری فرسوده و انجام فرآیندهای جانبی[۳,۷-۱۱]
با لحاظ نمودن الزامات کنوانسیون بازل، باتری های فرسوده جمع آوری شده و به عنوان خوراک اصلی فرآیند در واحدهای بازیافت انبارش و مصرف می شوند ، جهت جلوگیری از آلودگی آب و خاک، محل انبارش از بتن ضد اسید با لایه ای محافظ مقاوم در برابر خاصیت خورندگی اسید سولفوریک ساخته می شود.
مبنای روش های نوین، جداسازی اجزا سازنده باتری از یکدیگر می باشد، لذا بدین منظور ابتدا باتری های فرسوده در واحد خردایش(Breaker & Crushing Unit) شکسته شده و هنگام عبور از سرند لرزان خمیر و الکترولیت از سایر اجزای جامد(PP, Mix Plastic, Metallic Lead) جداسازی می شود. خمیر و الکترولیت به تانک زیر سرند وارد شده و در اثر گذشت زمان و اضافه کردن مواد فلوکولانت جداسازی خمیر و الکترولیت انجام می شود. اجزای جامد وارد مراحله جداسازی شده و بر اساس وزن مخصوص، هریک از اجزا در جداسازهای هیدرودینامیکی تفکیک شده و فرآیندهای جانبی روی اجزا انجام می شود (شکل۵).
شکل۵ : فلوچارت گردش مواد در واحد خردایش، جداسازی و واکنش های جانبی
الکترولیت جدا شده از خمیر، محلول آبی اسید سولفوریک(۱۵-۲۰% w/w) به همراه ترکیباتی از فلزات سنگین بوده که جزو عوامل آلاینده محیط زیست می باشد. لذا در پلنت های نوین فرآیند خنثی سازی با استفاده از ترکیبات قلیایی نظیر سود مایع، کربنات سدیم، کربنات پتاسیم، آمونیوم و… پیش بینی شده است.
در هر پلنت بازیافت با لحاظ نمودن موارد زیست محیطی، اقتصادی، سینتیک واکنش و … واکنشگر مناسب انتخاب می شود، در ایران انجام فرایند خنثی سازی با کربنات سدیم مناسب تر می باشد(واکنش ۵).
محصول واکنش خنثی سازی، محلول آبی سولفات سدیم است که پس از طی فرآیند کریستال سازی بر اساس Evaporation محصول جانبی سولفات سدیم تولید خواهد شد.
خمیر جدا شده از الکترولیت، غنی از ترکیبات سرب (عمدتا شامل PbOx , PbSO4 ) می باشد، در بازیافت سنتی خمیر جدا شده به عنوان خوراک اصلی کوره حرارتی جهت استحصال است. خمیر سرب غنی از ترکیبات سولفاته با محتوای ۱۰ درصدی گوگرد می باشد، لذا گازهای خروجی حاصل از احتراق و واکنش همراه با انتشارSOx ، عامل آلاینده محیط خواهد بود.
در پلنت های نوین فرآیند سولفورزدایی خمیر با استفاده از ترکیبات قلیایی نظیر کربنات ها، هیدروکسیدها و … قابل انجام می باشد و با لحاظ نمودن موارد زیست محیطی، اقتصادی، سینتیک واکنش و … واکنشگر مناسب انتخاب می شود(واکنش ۶).
با توجه به تشابه واکنش های ۶ و۵ عملیات سولفورزدایی و خنثی سازی با کربنات سدیم همزمان در تانک واکنش انجام می شود. محصول واکنش های فوق، دوغابی شکل بوده و جداسازی با فیلتر پرس به محلول آبی سولفات سدیم در فاز مایع و خمیر سولفورزدایی شامل PbOx, PbCO3 در فاز جامد منتهی می شود، خمیر سولفورزدایی شده به عنوان منبع استحصال سرب می باشد.
قطعات سربی شامل Poles, Grids, Straps به عنوان Metallic Parts می باشند و منبع اصلی استحصال سرب بوده و بطور مستقیم در کوره حرارتی جهت استحصال سرب بکار می رود.
اجزای پلاستیکی با عبور از جداسازهای هیدرودینامیکی جداسازی شده و پس از طی چندین سیکل شستشو با آب گرم حاصل از فرآیند کریستال سازی جهت رفع آلودگی ها، در فرآیند تولید گرانول پلی پروپیلن استفاده می شود.
۲٫۱٫۳٫ استحصال سرب از ترکیبات سرب دار
استحصال سرب ثانویه به روش پیرومتالورژی و هیدرومتالورژی انجام می شود که در این میان روش پیرومتالورژی و استفاده از کوره دوار (Short Rotary Furnace) متداول است[۲,۷].
در کوره دوار، از کک به عنوان عامل احیا و از گازوئیل گاز طبیعی و… به همراه اکسیژن به عنوان سوخت استفاده می شود و می توان براساس نوع محصول نهایی در فرآیند پالایش، نسبت اختلاط ترکیبات سرب دار و مواد کمک ذوب را تغییر داد. استحصال سرب از خمیر به سرب خام با خلوص حداقل ۹۸% و استحصال از اجزای فلزی به سرب خام Pb/Sb حدود ۹۷:۲% منتهی می شود.
در قسمت ۱٫۱٫۳ به واکنش سولفورزدایی خمیر پس از مرحله جداسازی با هدف حذف ترکیبات سولفاته و اهمیت آن از لحاظ زیست محیطی اشاره شد، که علاوه از آن به موارد ذیل می توان اشاره کرد:
طی فرآیند استحصال با کوره های حرارتی، تشکیل سرباره و انتشار گاز های COx, SOx,… اجتناب ناپذیر می باشد ولی ماهیت و مقدار سرباره حاصل از کوره دوار و میزان انتشار گازها تابع نسبت اجزای شارژ شده، کامل شدن فرآیند استحصال، متناسب بودن نسبت سوخت/ اکسیژن/ هوا و … می باشدکه در تکنولوژی های نوین کنترل عملیات ذوب و احیا با استفاده از ابزار دقیق و نرم افزار های مربوطه انجام می شود.
۳٫۱٫۳٫ پالایش و آلیاژسازی سرب
صنایع مختلف برحسب نیاز، سرب با مشخصات عنصری معین استفاده می کنند و می توان محصول سرب به گروه های ذیل دسته بندی کرد:
آنالیز عنصری سرب خام حاصل از کوره حرارتی تابع نوع و نسبت ترکیبات سرب و سرب فلزی شارژ شده می باشد که عمدتا در کنار سرب خام استحصال شده، عناصری نظیر مس، قلع، آنتیموان، نیکل، آهن، آرسنیک و… وجود دارد که براساس نوع محصول نهایی مورد نیاز، فرآیند پالایش و آلیاژ سازی انجام می شود.
۴٫ نتیجه گیری
از بررسی فرآیند ها و تمهیدات زیست محیطی اتخاذ شده در تکنولوژی های نوین بازیافت می توان موارد ذیل را نتیجه گیری نمود: