مقایسه باتری های اسید سرب و نیکل کادمیوم

باتری های اسید سرب و نیکل کادمیوم بیشترین مصرف باتری در صنعت برق اضطراری و UPS را دارند. حال می خواهیم به این مسئله بپردازیم که تفاوت این دو باتری چیست؟ در چه مواردی بهتر است از باتری های اسید سرب استفاده شود و در چه مواردی باتری های نیکل-کادمیوم؟ نقاط قوت و ضعف هر کدام چیست؟ در ادامه ، این دو نوع باتری به طور خلاصه از زوایای مختلف مقایسه می شوند.

مواد تشکیل دهنده باتری

باتری سرب - اسید: آند یا قطب مثبت از اکسید سرب و قطب منفی یا کاتد از سرب ساخته شده است و الکترولیت آن محلول اسید سولفوریک و آب است. خالص (H2SO4) به طور کلی بین 25 تا 40٪ از محلول کل را تشکیل می دهد.

باتری نیکل-کادمیوم: هیدرات نیکل قسمت عمده آند را تشکیل می دهد ، در حالی که کادمیوم (Cd) عنصر غالب در کاتد است. محلول هیدروکسید پتاسیم در آب نیز به عنوان الکترولیت باتری عمل می کند. غلظت هیدروکسید پتاسیم به طور کلی بین 20 تا 35٪ از محلول کل الکترولیت است.

قیمت باتری

باتری های نیکل-کادمیوم حدود 2 تا 4 برابر باتری های اسید سرب هستند. البته بسته به کیفیت و نوع آلیاژ و فناوری باتری ، این اختلاف ممکن است بیش از 5 برابر باشد. به همین دلیل ، سرمایه اولیه مورد نیاز برای تأمین نیروی پشتیبان بسیار بیشتر از باتری های نیکل-کادمیوم خواهد بود.

عمر باتری

یک قانون کلی برای اکثر انواع باتری ها این است که با افزایش دشارژ ، عمر باتری کاهش می یابد. اما هر دو باتری نیکل کادمیوم و باتری اسید سرب نیز به عمق تخلیه واکنش نشان می دهند. این بدان معناست که اگر به عنوان مثال ، باتری به طور متوسط ​​30٪ تخلیه شود ، طول عمر آن بسیار بیشتر از زمانی است که به طور متوسط ​​تا 80٪ تخلیه می شود. اگرچه باتری های نیکل-کادمیوم گرانتر از باتری های اسیدی مهر و موم شده هستند ، اما تعداد چرخه های تخلیه بسیار بیشتر از باتری های اسید سرب است.

حساسیت به دما

باتری های اسید سرب برای کار در دمای 10 تا 35 درجه سانتی گراد بیشتر توصیه می شوند ، زیرا حساسیت بیشتری نسبت به تغییرات دما دارند. ظرفیت ظاهری باتری های سرب اسید با کاهش دما به سرعت کاهش می یابد و از طرف دیگر ، طول عمر متوسط ​​آنها با افزایش دما بسیار کاهش می یابد. اما باتری های نیکل کادمیوم کمتر به تغییرات دما پاسخ می دهند. باتری های نیکل کادمیوم به خصوص در مواردی که باید از باتری در دمای پایین استفاده شود بهترین انتخاب است. محدوده دمایی مناسب برای عملکرد باتری نیکل-کادمیوم چیزی بین 60 تا -20 درجه سانتیگراد است. البته متوسط ​​عمر آن نیز با افزایش دما کاهش می یابد.

مقایسه باتری های اسید سرب و نیکل کادمیوم

حتی اگر باتری به مدار متصل نباشد ، پس از مدتی تخلیه می شود ، این پدیده را خود تخلیه می نامند. سرعت این پدیده در باتری های نیکل کادمیوم چند برابر سریعتر از باتری های اسید سرب است. باتری های نیکل-کادمیوم ، بسته به آلیاژ استفاده شده در ساخت آنها و همچنین دمای محیط ، حتی ممکن است روزانه 1 capacity از ظرفیت خود را در هنگام ذخیره سازی از دست بدهند. 

این امر به شارژ مجدد باتری در حین استفاده و همچنین اتلاف انرژی نیاز دارد. یادآوری این نکته نیز حائز اهمیت است که اگرچه تخلیه باتریهای نیکل کادمیوم از چندین برابر باتریهای اسید سرب است ، باتریهای نیکل کادمیوم را می توان حتی به طور کامل تخلیه ذخیره کرد. اما باتری های Lead Acid نباید با سطح شارژ پایین ذخیره شوند زیرا این کار باعث سولفات باتری شده و از عمر مفید آن تا حد زیادی می کاهد.

اندازه و وزن

باتری های اسید سرب فرایند تولید ساده تری نسبت به باتری های نیکل کادمیوم دارند. اما در عین حال انرژی ذخیره شده در باتری نسبت به وزن آن یکی از کمترین مقادیر بین انواع باتری است (50-30 وات بر کیلوگرم). در حالی که چگالی انرژی در وزن در باتری های نیکل کادمیوم چیزی بین 45-80 Wh / kg است. این بدان معنی است که باتری های نیکل-کادمیوم تا 30٪ انرژی بیشتری نسبت به باتری های اسید سرب در همان وزن ذخیره می کنند. بنابراین ، در مواردی که وزن کل باتری ها مهم است ، استفاده از باتری های نیکل کادمیوم توصیه می شود.

سرعت شارژ

باتری های نیکل کادمیوم در کمتر از یک ساعت شارژ می شوند. در حالی که شارژ سریع باتری های Lead Acid در کمتر از 4 ساعت توصیه نمی شود و به طور کلی شارژ آنها حدود 8 تا 10 ساعت طول می کشد.

حداکثر جریان تخلیه

تخلیه باتری های اسید سرب با جریان بیشتر از 5 برابر جریان نامی آن توصیه نمی شود (به عنوان مثال ، باتری 9 آمپر نباید با جریان بیشتر از 45 آمپر تخلیه شود) ، اما باتری های نیکل کادمیوم می توانند حتی با جریان تخلیه شوند 10 تا 15 برابر جریان نامی آنها. تخلیه

ولتاژ اسمی سلول ها

به دلیل ساختار شیمیایی متفاوت دو باتری ، ولتاژ اسمی سلولهای آنها نیز متفاوت است. ولتاژ هر سلول در باتری های نیکل کادمیوم 1.2 ولت و در باتری های اسید سرب 2 ولت است. به همین دلیل برای ساختن یک باتری 12 ولتی نیکل کادمیوم ، باید 10 سلول را روی هم قرار دهید. در حالی که با سریال سازی 6 سلول باتری Lead Acid ولتاژ مشابهی تولید می شود.

اجزا و ویژگی های باتری نیکل_کادیوم

در باتری های نیکل کادیوم  از الکترودهای ساخته شده از ترکیبات نیکل ، معمولاً هیدرات نیکل (NiOOH) ، به عنوان الکترود مثبت استفاده می شود. کادمیوم اسفنجی (Cd) به عنوان یک الکترود منفی و محلول هیدروکسید پتاسیم (KOH) رقیق شده به عنوان الکترولیت در این باتری ها عمل می کند. غلظت هیدروکسید پتاسیم به طور کلی بین 20 تا 35٪ از محلول کل الکترولیت است.

ویژگی های باتری های ni-cad

عمر بسیار طولانی (با بیش از 1000 چرخه شارژ و تخلیه).

بسیار مقاوم و مقاوم در برابر تنش های الکتریکی و مکانیکی که یو پی اس را در محیط های مختلف تهدید می کند.

میزان تخلیه خود به خودی کم

مقاومت داخلی کم

مزایای باتری نیکل کادمیوم نسبت به باتری های دیگر

استقامت بیشتر

نگهداری آسان تر

عمر موثرتر

فضای کمتری اشغال کنید

وزن کمتری

معایب باتری های نیکل کادمیوم در مقایسه با سایر باتری ها

ولتاژ پایین هر سلول

افت ولتاژ در حالت تخلیه

بازده آنها در حدود 60 تا 75٪ است و می توان گفت که آنها یک بار شارژ قابل توجهی دارند.

مصرف بیشتر آب مقطر

با این حال ، یک بار در سال لازم است که الکترولیت آنها تغییر یابد.

قیمت بیشتر

حساس تر به دمای بالا

تفاوت باتری های سیلد لید اسید و نیکل کادمیوم

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

• باتری سرب اسید (Lead Acid): در سال ۱۸۵۹ برای اولین بار توسط یک فیزیکدان فرانسوی به نام Gaston Planté به عنوان اولین باتری با قابلیت شارژ مجدد بصورت تجاری به بازار عرضه شد.
• باتری نیکل کادمیوم (Nickel Cadmium): در سال ۱۸۹۹ توسط یک مخترع سوئدی به نام Waldemar Jungner ابداع گردید. تمایل چندانی به استفاده از این باتریها در صنایع تا اوایل دهه ۱۹۶۰ وجود نداشت ولی پس از آن و با افزایش چشمگیر مصارف الکتریکی بویژه در آمریکا و ژاپن طرفدار پیدا کرد.

۲- مواد سازنده باتری

• باتری سرب اسید (Lead Acid): آند یا قطب مثبت از اکسید سرب (PbO2) وقطب منفی یا کاتد از سرب (Pb) تشکیل شده و الکترولیت آن محلول اسید سولفوریک (H2SO4) و آب (H2O) می‌باشد. اسید سولفوریک خالص عموما بین ۲۵ تا ۴۰ درصد از کل محلول را تشکیل می‌دهد.
• باتری نیکل کادمیوم (Nickel Cadmium): هیدرات نیکل (NiOOH) بخش عمده قطب مثبت را تشکیل می‌دهد در حالیکه کادمیوم اسفنجی (Cd) عنصر غالب در مواد تشکیل دهنده قطب منفی است. محلول هیدروکسید پتاسیم (KOH) در آب نیز نقش الکترولیت باتری را دارد. غلظت هیدروکسید پتاسیم عموما بین ۲۰ تا ۳۵ درصد از کل محلول الکترولیت است.

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.

ا

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.