مقایسه باتری های سرب اسید و نیکل کادمیوم

باتریهای سرب اسید و نیکل کادمیوم از پرکاربرد ترین باتریها در صنعت یوپی اس هستند. اکنون می خواهیم به این موضوع بپردازیم که این دو باتری چه تفاوتی با هم دارند؟ در چه مواردی بهتر است از باتری سرب اسیدی استفاده شود و در چه مواردی باتری های نیکل کادموم؟ نقاط ضعف و قدرت هر کدام چیست؟ در ادامه بطور خلاصه این دو نوع باتری با یکدیگر از جهات مختلف مقایسه می شوند.

1- تاریخچه تولید

• معرفی باتری سرب اسید (Lead Acid): در سال 1859 به وسیله ی یک فیزیکدان فرانسوی به نام Gaston Planté به عنوان اولین باتری با قابلیت شارژ دوباره به بازار عرضه شد.
• معرفی باتری نیکل کادمیوم (Nickel Cadmium): در سال 1899 به وسیله ی یک مخترع سوئدی به نام Waldemar Jungnerاختراع شد. تا اوایل دهه 1960 علاقه چندانی به استفاده از این باتریها در صنعت وجود نداشت ولی پس از آن و با افزایش قابل توجه مصارف الکتریکی بویژه در آمریکا و ژاپنمورد توجه قرار گرفت.

2- امواد  تشکیل دهنده باتری

• باتری سرب-اسید: آند یا قطب مثبت از اکسید سرب وقطب منفی یا کاتد از سرب  تشکیل شده و الکترولیت آن محلول اسید سولفوریک  و آب  می‌باشد. (H2SO4) خالص عموما بین 25 تا 40 درصد از کل محلول را تشکیل می‌دهد.
• باتری نیکل-کادمیوم: هیدرات نیکل بخش عمده  آند را تشکیل می‌دهد در حالیکه کادمیوم (Cd) عنصر غالب در مواد سازنده کاتد است. محلول هیدروکسید پتاسیم در آب نیز نقش الکترولیت باتری را دارد. غلظت هیدروکسید پتاسیم عموما بین 20 تا 35 درصد از کل محلول الکترولیت است.

3- قیمت باتری ها 

باتریهای نیکل-کادمیوم حدودا بین 2 تا 4 برابر گرانتر از باتری های سرب-اسید هستند. البته بسته به کیفیت و نوع آلیاژ و تکنولوژی ساخت باتری ممکن است که این اختلاف بیشتر از 5 برابر هم بشود. به همین دلیل سرمایه اولیه مورد نیاز برای تهیه نیروی بک آپ از باتریهای نیکل-کادمیومی بسیار بالاتر خواهد بود. پس چرا باز هم گروهی از مصرف کنندگان سراغ باتریهای نیکل میروند؟

4- طول عمر باتری ها

یک قانون کلی در رابطه با طول عمر اغلب انواع باتریها وجود دارد، و آن این است که با افزایش تعداد دشارژ باتری طول عمر باتری کم خواهد شد. اما هر دو باتری نیکل – کادمیوم و سربی اسیدی به عمق دشارژ نیزواکنش نشان می دهند . به این معنی که اگر مثلا باتری بطور میانگین 30 درصد دشارژ شود طول عمر آن خیلی بیشتر از زمانی خواهد بود که بطور میانگین تا 80 درصد دشارژ می‌گردد. گرچه باتریهای نیکل-کادمیوم  گرانتر از باتریهای سیلد-اسیدی هستند اما تعداد سیکلهایی که می‌توان آنها را دشارژ کرد خیلی بیشتر از باتری‌های سربی اسیدی است.

5- حساسیت به دما در دو باتری

باتریهای Lead Acid بیشتر برای عملکرد در محیط 10 تا 35 درجه سانتیگراد توصیه می‌شوند، چون نسبت به تغییرات دما حساسیت بیشتری از خود نشان می‌دهند. ظرفیت ظاهری باتریهای Lead Acid نسبت به کاهش دما به سرعت کاهش یافته و از سویی دیگر نیز با افزایش دما طول عمر متوسط آنها بسیار زیاد کاهش می‌یابد . اما باتریهای Nickel Cadmium نسبت به تغییرات دمایی واکنش کمتری از خودنشان می دهند. به خصوص در مواردی که باتری باید در دماهای پایین استفاده شود بهترین  انتخاب استفاده از باتریهای Nickel Cadmium است. بازه دمایی مناسب برای کارکرد باتری Nickel Cadmium چیزی بین 60 تا 20- درجه سانتیگراد است. البته طول عمر متوسط آن هم با افزایش یافتن دماکم می شود

6- پدیده خود دشارژی  در باتری ها (Self Discharge)

حتی در حالتیکه هر کدام از این باتری ها به مدار وصل  نباشند هم ، بعد از گذشت مدت زمانی دشارژ می‌شوند. به این پدیده خود دشارژی می‌گویند. سرعت این پدیده در باتریهای Nickel Cadmium چند برابر باتریهای Lead Acid است. باتریهای نیکل بسته به آلیاژ استفاده شده  در ساختشان و همچنین دمای محیط، حتی ممکن است که روزانه 1 درصد از ظرفیتشان را هنگام انبارش از دست بدهند. این مساله باعث نیاز به شارژ دوباره باتری در هنگام استفاده و همینطور اتلاف انرژی می‌شود ،اشاره به این تفاوت هم الزامیست که گرچهself discharge در باتریهای Nickel Cadmium چندین برابر باتریهای Lead Acid است، اما باتریهای Nickel Cadmium را می‌توان حتی بطور دشارژ کامل هم انبارش نمود، اما باتریهای Lead Acid را نباید  با سطح شارژ پایین نگهداری کرد. زیرا در این حالت باتری سولفاته شده و طول عمر مفید آن بسیار کاهش می‌یابد.

7- چگونگی افت ولتاژ در هنگام دشارژ باتری ها

ولتاژ باتریهای Nickel Cadmium تقریبا تا لحظات آخر افت چندانی ندارد و می‌توان تقریبا آن را ثابت فرض کرد. اما ولتاژ پایانه‌ی باتریهای Lead Acid در هنگام دشارژ، بهمرور کم می شود.

8-  میزان آلایندگی محیط زیست دو باتری

در ساختار هر دو باتری از فلزات سنگین (سرب و کادمیوم) استفاده شده است، که این به معنی دیر ترکیب شدن  این فلزات است. در حالتیکه مراحل بازیافت لاشه‌ی باتریها درست انجام نشود هردو بشدت محیط زیست را آلوده می‌کنند. اما مراحل بازیافت کادمیوم پیچیده‌تر از سرب است و در عین حال این فلز بسیار سرطان زا می‌باشد.

9- اندازه و وزن و مراحل ساخت  دو باتری

باتریهای Lead Acid روند ساخت ساده‌تری از باتریهای Nickel Cadmium دارند. اما در عین حال 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 Nickel Cadmium چیزی بین Wh/kg 45-80 می‌باشد. این به این  معنا است که باتریهای  Nickel Cadmium 30درصد انرژی بیشتری نسبت به باتریهای Lead Acid در یک وزن برابر، در خود ذخیره می‌کنند. پس در مواردی که مجموع وزن باتریها مهم است استفاده از باتریهای Nickel Cadmium پیشنهاد می‌شود.

10- سرعت شارژ دو باتری

باتریهای Nickel Cadmiumرا می‌توان در زمانهای کوتاهی مثل یک ساعت هم شارژ کرد . درصورتیکه شارژ سریع باتریهای Lead Acid در مدت زمانی کمتر از 4 ساعت پیشنهاد  نمی‌شود و عموما زمانی  در حدود 8 تا 10 ساعت برای شارژ آنها پیشنهاد می شود.

11- جریان پیک دشارژ دو باتری

دشارژ باتریهای Lead Acid با جریانی بیشتر از 5 برابر جریان نامی آن پیشنهاد نمی‌شود (مثلا باتری 9 آمپر ساعت را نباید با جریانی بیشتر از 45 آمپر دشارژ کرد) اما باتریهای Nickel Cadmium را می‌توان حتی با جریان‌های 10 تا 15 برابر جریان نامی خود نیز دشارژ نمود.

12– اختلاف ولتاژ نامی سلولهای دو باتری

بدلیل ساختار شیمیایی متفاوت دو باتری، ولتاژ نامی سلولهایشان هم متفاوت است. ولتاژ هر سلول در باتریهای Nickel Cadmium 1.2  ولت و در باتریهای Lead Acid  2 ولت می‌باشد. به همین دلیل برای ساخت یک باتری 12 ولت Nickel Cadmium ، باید  10 سلول را با هم سری کرد؛ در حالیکه سری کردن 6 سلول باتری Lead Acid ، همین ولتاژ را تولید خواهدکرد.