تاریخچه و معرفی باتری های سرب اسیدی

اختراع باتری سرب اسیدی

در سال ۱۳۳۰ خورشیدی، باستان شناسان آلمانی در نزدیکی تیسفون ابزارهایی از دوران اشکانیان (۲۵۰ پ.م. ۲۲۴ م.) رايافتند. پس از بررسی معلوم شد که این ابزارها پیل‌های الکتریکی هستند که به دست ایرانیان ساخته شده و به کار برده می‌شده‌اند.

او در مقاله ای این مطلب را منتشر کرد و از این وسیله با عنوان باتری باستان یاد کرد که برای آبکاری و انتقال لایه ای از طلاو نقره از سطحی به سطح دیگر به کار می‌رفته است.

نمونه هايي از باتري هاي تيسفون

باتری تیسفون
باتری تیسفون
اختراع باتری سرب اسیدی
تاریخچه باتری سرب اسیدی

درسال 1801 فیزیکدان فرانسوی N.Gautherot دو الکترود یک پیل را به دو سیم پلاتینیم متصل کرد و آنها را در محلول اسید سولفوریک غوطه ور ساخت و جریان الکتریکی را از آنها عبور داد. هنگامی که جریان الکتریکی از میان الکترودهای سرب غوطه ور در محلول H2SO4 عبور داده شد دی اکسید سرب در یکی از الکترودها تشکیل شد وآب به هیدروژن و اکسیژن تجزیه شد و هنگامی که چرخه قطع گردید و سیمهای پلاتینیم به یکدیگر متصل شدند جریان الکتریکی برای مدت زمان کوتاهی در جهت مخالف حرکت کرد .

چنین آزمایشاتی توسط کاستنردر1810،نوبیلی در1828،شون بین (SchÖnbein) در 1838 و ویت استون (Wheatstone) در سال 1843 نیز انجام شد .

در سال 1854 کارمند بهداری آلمان ویلهلم ساین استدن در حالی که پدیده های الکتریکی را مطالعه می کرد مشاهده کرد که هنگامی که جریان الکتریکی از میان الکترودهای سرب غوطه ور در محلول اسید سولفوریک رقیق عبور می کند جریان الکتریکی بدست می آید که خروجی انرژی آن 0.1 Wh/Kg  برای 15 دقیقه دشارژ می باشد .

گاستن پلانته – مخترع باتریهای سرب اسیدی

در سال 1859 فیزیکدان فرانسوی گاستن پلانته پلاریزاسیون بین دو الکترود یکسان غوطه ور شده در محلولهای آبی رقیق اسید سولفوریک را مطالعه کرد. او الکترودهای مختلف مثل الکترود سرب، نقره، قلع، مس، طلا، پلاتتین و آلومینیم را بررسی کرد. او ثابت کرد که بسته به نوع الکترود استفاده شده هنگامی که جریان الکتریکی از الکترودها عبور می کند سلها به اندازه های مختلفی پلاریزه می شوند و به منابع جریان برگشتی تبدیل می گردند. او نتایج همه این آزمایشات را در مقاله خود با عنوان ‘Recherches sur la polarisation voltaique’ منتشر کرد که در Comptes Rendus  آکادمی علوم فرانسه در 1859 به چاپ رسید.

گاستن پلانته ثابت کرد که جریان ثانویه که از یک پیل با صفحات سربی که توسط یک نوار لاستیکی جدا شده اند و در محلول اسید سولفوریک 10% غوطه ور شده اند بالاترین مقدار را دارا بوده و طولانی ترین دوره زمانی را در مقایسه با سایر پیلهای تحت آزمایش دارد.

در 26 مارس 1860 گاستن پلانته قبل از آکادمی علوم فرانسه اولین باتری سرب اسیدی قابل شارژ با 9 سل که بصورت موازی متصل شده بودند ارائه کرد و آنرا در مقاله ای با عنوان ‘Nouvelle pile secondaire d’une grande puissance’ نشان داد و به این ترتیب عملاً باتریهای سرب اسیدی متولد شدند.

معرفی باتری سرب اسیدی

در سال 1989 در آستانه یکصد و سی امین جشن سالگرد اختراع باتریهای سرب اسیدی و در رابطه با اولین کنفرانس بین المللی LABAT  در مورد باتریهای سرب اسیدی آکادمی علوم بلغارستان با اجازه آکادمی علوم فرانسه جایزه ای (بصورت مدال) به نام دانشمند بزرگ فرانسوی گاستن پلانته ابداع کرد .

مدال گاستن پلانته هر سه سال یکبار به دانشمندان برجسته ای که سهم مهمی در توسعه دانش و تکنولوژی باتریهای سرب اسیدی داشتند اهدا می شد. دریافت کنندگان این جایزه توسط یک کمیته بین المللی متشکل از 15 دانشمند از سرتاسر جهان انتخاب می شدند. تا کنون مدال گاستن پلانته به 11 دانشمند از 7 کشور جهان اهدا شده است که در پیشرفت باتریهای سرب اسیدی شرکت داشته اند و باعث پیشرفت و توسعه در زمینه باتریهای سرب اسیدی شده اند.

چه مشکلاتی در راه پیشرفت باتریهای سرب اسیدی وجود داشت

1- باتریهای سرب اسیدی حدود 10 سال قبل از اختراع ژنراتورهای مکانیکی الکتریسیته کشف شده بودند. به عنوان منابع نیروی ثانویه ، باتریهای سرب اسیدی نیاز به ابزارهای شارژ کننده ای دارند که ارزان بوده تا به آسانی شارژ شوند. در آن زمان باتریها توسط پیلهای دانیل و یا پیلهای بونزن شارژ می شدند که روش ساده ای در همه مواقع نبود .

2- در 1879 توماس ادیسون در آمریکا و جوزف سوان Joseph Swan در انگلیس لامپ نوری را اختراع کردند بنابراین این امکان فراهم شد تا انرژی الکتریکی به نور تبدیل شود. اختراع لامپهای رشته ای استفاده از انرژی الکتریکی را در زندگی روزمره مردم گسترش داد. الکتریسیته وارد زندگی مردم شد. نیاز به باتریهای سرب اسیدی افزایش پیدا کرد اما تولید در مقیاس بالای باتریهای سرب اسیدی با استفاده از تکنولوژی کارخانجات آنها به سختی انجام می شد .

فوراً بعد از این اختراع باتریهای انباره ای سرب اسیدی توجه محققین زیادی را جلب کرد که سعی در تغییر پیل پلانته داشتند .

بدین ترتیب با حل شدن مشکل شارژ  باتریها وامکان تولید انبوه و نیز افزایش استفاده از انرژی الکتریکی در زندگی روزمره انسانه پیلهای الکتریکی وخصوصا باتریهای سرب اسیدی وارد عرصه تازه ای گشتند .

اولین کاربردهای باتریهای سرب اسیدی در زندگی انسان

در اوایل دهه 1880 باتریهای سرب اسیدی با ظرفیت بالا و با تکنولوژی نسبتاً ساده تولید شدند. این باتریها سریعاً کاربردهای عملی گوناگونی پیدا کردند درسال 1881 Gustave Trouve  برای اولین بار باتری سرب اسیدی را در اتومبیل الکتریکی سه چرخ خودش مورد استفاده قرار داد وسرعت آن را به 12 Km/hr رساند. درسال 1886 اولین زیردریایی که با باتریهای سرب اسیدی کار می کرد در فرانسه شروع بکار کرد. باتری سرب اسیدی در یک بالن کوچک قابل هدایت که با سرعت 4 m/S کار می کرد نیز نصب شد. در سال1899 Camille Jenatzy به رکورد سرعت 109 km/hr با ماشین الکتریکی (cigar-shaped) خودش رسید که با نیروی باتریهای سرب اسیدی کار می کرد.

باتریهای سرب اسیدی سریعاً در تکنولوژی های ارتباطات تلگرافی نو ظهور پذیرفته شدند . ابتدا در تلگراف الکتریکی مورس و سپس توسط شرکتهای تلفن در آمریکا مورد استفاده قرار گرفتند .

در سال 1882 در شهر پاریس یک سیستم به منظور توزیع الکتریسیته جهت روشنایی نصب شد که ترکیبی از باتریهای سرب اسیدی و دینامها بود. اولین خیابان روشن شده توسط الکتریسیته Grands Magasins du Louvre در پاریس بود (شهر روشنایی ها). در سال 1883 پلانته کاخ امپراتوری فرانس جوزف   (Franz Josef) در وینا را با ابزارهای ثابت و قابل حمل برای روشنایی تجهیز کرد. باتریهای سرب اسیدی بتدریج در بخشهای مختلف صنعتی  گسترش پیدا کردند و ابزار مهمی برای تولید و ذخیره انرژی الکتریکی گردیدند. بنابراین مرحله اول در توسعه سیستم باتریهای سرب اسیدی و تکنولوژی تولید آنها کامل شد .

موقعیت باتریهای سرب اسیدی در بین منابع نیروی الکتروشیمیایی ثانویه 

با مقایسه پارامترهای اقتصادی و توان تولید انرژی در منابع مختلف الکتریکی میتوان آنها را باهم مقایسه نمود جدول ذیل خلاصه ای از خواص شش نوع منبع نیروی ثانویه که بیشترین استفاده را در حال حاضر دارند نشان می دهد. اطلاعات از مطالعات Wentzl و Kohler استخراج شده است. می توانیم ببینیم که باتریهای سرب اسیدی در مقایسه با سایر انواع باتریها قدرت و انرژی پایین تری دارند .

جدول ذیل مقدار قیمتهای (بر حسب وات ساعت بر دلار ) انرژی الکتریکی تولید شده و همچنین مزایا و معایب منابع نیروی مختلف را نشان می دهد. مشاهده میشود باتریهای سرب اسیدی ، انرژی 2 تا 3 برابر ارزانتر از سایر انواع باتریها تولید می کنند. تنها عیب این باتریها انرژی مخصوص پایین (Wh/Kg) آنها است که بدلیل وزن اتمی بالای سرب می باشد.

برتریهای باتری سرب اسیدی به سایر انواع پیل های الکترو شیمیایی :

  • باتریهای سرب اسیدی توان تولید انرژی مناسبی دارند ، قابل اطمینان هستند و به آسانی تولید می شوند.
  • ارزان هستند .
  • منابع تولید آنها عملاً نامحدود است.
  • تقریباً 95% مواد استفاده شده در باتریهای سرب اسیدی قابل بازیافت هستند.
  • باتری های سرب اسیدی می توانند انرژی را برای مدت زمان طولانی ذخیره کنند .

ضعف باتری سرب اسیدی به سایر انواع پیلهای الکتروشیمیایی :

 بدلیل وزن اتمی بالای Pb انرژی مخصوص و توان باتری کم است.

در بین انواع مختلف باتریها باتریهای سرب-اسیدی بیشترین تقاضا را  دارند. فقط در امریكا، بازار كل باتریهای سرب اسیدی از320 میلیون دلار در سال 2000 به 440 میلیون دلار در سال 2001 و1.6 ملیارد دلار در سال 2011 رسیده است.

سرعت رشد سه كاربرد عمده در بازار صنعت باتری

Leave a Comment

Your email address will not be published. Required fields are marked *

History and introduction of lead acid batteries

معرفی باتری سرب اسیدی

In 1951, German archaeologists found tools from the Parthian period (250 BCE to 224 CE) near Ctesiphon. After examination, it was found that these tools are electric cells that were made and used by Iranians.

He published this found in an article, describing the device as an ancient battery used for plating and transfer a layer of silver and gold from surface to surface.

Examples of Ctesiphon batteries

باتری تیسفون
باتری تیسفون
اختراع باتری سرب اسیدی
تاریخچه باتری سرب اسیدی

In 1801, the French physicist N. Gautherot connected the two electrodes of a Volta cell to two platinum wires immersed in saline solution and passed electric current through them [1]. Water decomposed to hydrogen and oxygen, and when the circuit was cut off and the platinum wires were connected to each other, electric current flowed in the opposite direction for a short time.

A year later in Germany, Johann Ritter connected a Volta cell to layered discs of copper and cardboard moistened with NaCl solution [2]. The charging voltage was 1.3 V. After the circuit was disconnected, a voltage of 0.3 V was measured between the two copper discs. Ritter conducted similar experiments with lead, tin and zinc plates. Different voltages were measured for the different types of plates. He called this voltage polarization.
When electric current flows through lead electrodes immersed in H2SO4 solution, lead dioxide is formed on one of the electrodes. Such experiments were performed by Ka ¨stner in 1810, Nobili in 1828, Scho ¨nbein in 1838 and Wheatstone in 1843.

In 1854, the German medical officer Wilhelm Sinsteden, while studying the electrical phenomena, observed that when electric current flowed through lead electrodes immersed in diluted H2SO4 solution the obtained cell delivered electric current and had a specific energy output of 0.1 Wh kg1 for 15 min of discharge.

Gaston Plante ´ e The Inventor of the Lead Acid Battery

In 1859, the French physicist Gaston Plante ´ studied the polarization between two identical electrodes immersed in diluted aqueous solution of sulfuric acid. He investigated different electrodes including silver, lead, tin, copper, gold, platinum and aluminum electrodes. He established that, depending on the type of electrodes used, the cells were polarized to different levels when electric current flowed through the electrodes and the cells became generators of reverse current. He summarized the results of all these experiments in his paper entitled ‘Recherche’s sur la polarization voltaique’, which was published in Competes Rendus of the French Academy of Sciences in 1859 . Gaston Plante ´ established that the secondary current (as was then called) that flowed through a cell with lead plates separated by rubber strips and immersed in 10% sulfuric acid solution was the highest and flowed for the longest period of time as compared to all other cells under test. This cell had the highest voltage, too. On 26 March 1860, Gaston Plante ´ demonstrated before the French Academy of Sciences the first rechargeable lead acid battery comprising nine cells connected in parallel and presented a lecture entitled ‘Nouvelle pile secondaire d’une grande puissance. This was practically the birth certificate of the lead acid battery.

معرفی باتری سرب اسیدی

In 1989, on the eve of the 130th anniversary of the invention of the leadeacid battery and in connection with the first LABAT international conference on leadeacid batteries, the Bulgarian Academy of Sciences, with the approval of the French Academy of Sciences, established an award, a medal, named after the great French scientist Gaston Plante ´.

The Gaston Plante ´ Medal is presented every 3 years to prominent scientists who have made significant contributions to the development of lead acid battery science and technology. The recipients of the award are elected by an international committee comprising 15 scientists from all over the world. Up to now the Gaston Plante ´ Medal has been awarded to 11 scientists from 7 countries as well as to the Advanced Lead Acid Battery Consortium for promoting research and development in the field of lead acid batteries.

What Pains Had the Lead Acid Battery to Go Through?

1-The lead acid battery was born some 10 years before the invention of the mechanical generators of electricity. Being a secondary power source, the lead acid battery needed a cheap and easy-to-use charging device. At that time, the battery was charged by Daniell cells or Bunsen cells, which was not an easy procedure at all.

2- In 1879, Thomas Edison in the United States and Joseph Swan in England invented the incandescent lamp, thus making it possible to convert electric energy into light. The invention of the light bulb promoted the use of electricity in people’s everyday life. Electricity entered human lives. Lead acid battery demand increased. However, largescale production of lead acid batteries was constrained by the technology of their manufacture. Immediately after its invention, the lead acid storage battery attracted the interest of many researchers who looked for variants of Plante ´’s cell.

First Applications of Lead Acid Batteries in Human Life

Thus, in the early 1880s, a lead acid battery of high capacity and relatively simple technology of manufacture was created. This battery rapidly found various practical applications.
In 1881, Gustave Trouve ´ first used a lead acid battery in his three-wheeled electric automobile, which reached a speed of 12 km h1. In 1886, the first submarine propelled by lead acid batteries were launched in France. A lead acid battery was mounted in a small dirigible balloon which was propelled at a speed of 4 m s1. In 1899, Camille Jenatzy reached a speed record of 109 km h1 with his cigar-shaped electric car powered with lead acid batteries.
The lead acid battery was quickly adopted in the emerging telecommunications technologies:
first, in Morse electric telegraph and later by the telephone companies in the United States, too.
In 1882, the city of Paris installed a system for the distribution of electricity for lighting comprising a combination of dynamos and lead acid batteries. The first electrically lit street was Grands Magasins du Louvre in Paris (‘the city of lights’). In 1883, Plante ´ supplied the Imperial Palace of Franz Josef in Vienna with stationary and portable equipment for lighting. The lead acid battery was gradually deployed in various sectors of the industry and became an important means of electric energy production and storage. Thus, the first stage in the development of the lead acid battery system and the technology for its manufacture was completed.

Position of the Lead Acid Battery Among the Secondary Electrochemical
The lead acid battery could be adequately evaluated only if compared to the other types of secondary power sources. A theoretical assessment can be made by comparing the electrical, energetic, power and economic parameters of the different sources of electricity, but the relative share of each battery chemistry in practical applications is the most objective evaluation criterion. Table 1.1 summarizes the basic energy and power characteristics of six types of secondary power sources which are currently used most widely. Data from the studies of Wentzl [78] and Ko ¨hler [79] have been used. It can be seen that the lead acid battery has inferior specific energy and power characteristics as compared to the other types of batteries.

Table 1.2 presents the unit cost (in Watt-hour per dollar) of the electric energy produced, as well as the advantages and disadvantages of the different power sources [77]. The lead acid battery generates two to three times cheaper energy than all other battery types. Its only disadvantage is its low specific energy (Wh.kg1), due to the high atomic weight of lead.

But why, despite their unfavorably high atomic weight, have lead acid batteries found such a wide application and occupy leading market positions?
It is because of their advantages, both with regard to performance and economic parameters, and technology of manufacture. It is not only the technical characteristics that matter for the mass adoption of a given product in practice. Very often, economic issues are more relevant. Lead acid batteries are capable to deliver very high power; they are reliable and easy to produce. The resources for their manufacture are practically unlimited. Almost 95% of the materials used in a lead acid battery are recyclable. A lead acid battery can store its energy for a very long time.

The major disadvantage of the lead acid battery is that Pb has very high atomic weight, which reduces the specific energy and power of the battery. Nowadays, hundreds of millions of lead acid batteries are produced worldwide, which makes the lead acid battery the most successful power source of all times.

The growth rate of the three major applications in the battery industry market

Leave a Comment

Your email address will not be published. Required fields are marked *