लीड एसिड बैटरी की व्याख्या

लेख

परिचय

आमतौर पर, लीड-एसिड स्टोरेज बैटरियों के दो प्रकार होते हैं, उनके निर्माण के तरीके के आधार पर। ये बैटरियां या तो फ्लडेड (वेंटेड) या सील्ड के रूप में वर्गीकृत की जाती हैं। फ्लडेड और सील्ड बैटरियां उनके संचालन में भी भिन्न होती हैं। सभी लीड-एसिड बैटरियां चार्जिंग के दौरान इलेक्ट्रोलिसिस नामक प्रक्रिया के माध्यम से इलेक्ट्रोड्स पर हाइड्रोजन और ऑक्सीजन गैस (गैसिंग) उत्पन्न करती हैं। ये गैसें फ्लडेड सेल से बाहर निकलने की अनुमति दी जाती हैं, हालांकि, सील्ड सेल को इस तरह से बनाया जाता है कि गैसें संलग्न और पुनः संयोजित होती हैं। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि हाइड्रोजन गैस केवल 4% मात्रा में हवा में विस्फोटक होती है। फ्लडेड और सील्ड लीड-एसिड बैटरियों पर निम्नलिखित पैराग्राफ में चर्चा की गई है।

फ्लडेड लीड-एसिड बैटरियां

फ्लडेड सेल वे होते हैं जहां इलेक्ट्रोड्स/प्लेट्स इलेक्ट्रोलाइट में डूबे होते हैं। चूंकि चार्जिंग के दौरान उत्पन्न गैसें वातावरण में निकल जाती हैं, आसुत जल को समय-समय पर इलेक्ट्रोलाइट को उसकी आवश्यक स्तर पर लाने के लिए जोड़ा जाना चाहिए। फ्लडेड लीड-एसिड सेल का सबसे परिचित उदाहरण 12-वोल्ट ऑटोमोबाइल बैटरी है।

फ्लडेड लीड एसिड ऑटोमोबाइल बैटरी

फ्लडेड लीड एसिड ऑटोमोबाइल बैटरी

सील्ड लीड-एसिड बैटरियां

इन प्रकार की बैटरियां इलेक्ट्रोलाइट को संलग्न करती हैं, लेकिन वेंट या वाल्व होता है जो आंतरिक दबाव एक निश्चित सीमा से अधिक होने पर गैसों को बाहर निकलने की अनुमति देता है। चार्जिंग के दौरान, एक लीड-एसिड बैटरी सकारात्मक इलेक्ट्रोड पर ऑक्सीजन गैस उत्पन्न करती है।

सील्ड लीड-एसिड बैटरियां इस तरह से डिज़ाइन की गई हैं कि चार्जिंग के दौरान उत्पन्न ऑक्सीजन बैटरी में कैप्चर और पुनः संयोजित होती है। इसे ऑक्सीजन पुनः संयोजन चक्र कहा जाता है और यह तब तक अच्छी तरह से काम करता है जब तक चार्ज दर बहुत अधिक नहीं होती। बहुत अधिक चार्ज दर से केस फट सकता है, थर्मल रनअवे हो सकता है, या आंतरिक यांत्रिक क्षति हो सकती है।

वाल्व-नियंत्रित बैटरी सबसे सामान्य प्रकार की सील्ड बैटरी है। इसे स्थिर और दूरसंचार बैटरी अनुप्रयोगों के लिए विकसित किया गया था। इन प्रकार की सील्ड बैटरियों में एक स्प्रिंग-नियंत्रित वाल्व होता है जो पूर्वनिर्धारित दबाव पर गैसों को बाहर निकालता है। सामान्य दबाव सीमा बैटरी डिज़ाइन के आधार पर 2 से 5 पीएसआईजी होती है। हालांकि "वाल्व-नियंत्रित" शब्द का अक्सर सील्ड लीड-एसिड बैटरियों का वर्णन करने के लिए समानार्थक रूप से उपयोग किया जाता है, सभी सील्ड बैटरियां वाल्व-नियंत्रित नहीं होती हैं। कुछ बैटरी डिज़ाइन प्रतिस्थापन योग्य वेंट प्लग या अतिरिक्त दबाव को कम करने के लिए अन्य तंत्र का उपयोग करते हैं। सील्ड बैटरियों को सक्रिय सेवा में बैटरियों के लिए आवश्यक रखरखाव को कम करने के लिए विकसित किया गया था। चूंकि इलेक्ट्रोलाइट स्तर गैसों को फंसाकर और पुनः संयोजित करके संरक्षित किए जाते हैं, बैटरी के जीवनकाल में आसुत जल जोड़ने की कोई आवश्यकता नहीं होनी चाहिए। इन बैटरियों को अक्सर "रखरखाव मुक्त" के रूप में गलत नाम दिया जाता है। वास्तव में, सभी रखरखाव प्रथाएं जो अनसील्ड प्रकार की बैटरियों पर लागू होती हैं, वे सील्ड प्रकार की बैटरियों पर भी लागू होती हैं। एकमात्र अपवाद यह है कि इलेक्ट्रोलाइट स्तरों को बनाए नहीं रखा जा सकता है, और न ही इसकी आवश्यकता होनी चाहिए।

बैकअप पावर स्रोत अनुप्रयोगों के लिए सील्ड प्रकार की बैटरियों से अक्सर बचा जाता है। एक कारण यह है कि सील्ड प्रकार की बैटरियों की चार्ज की स्थिति को सामान्य विशिष्ट गुरुत्व माप द्वारा नहीं जाना जा सकता है। सील्ड प्रकार की बैटरियों की चार्ज की स्थिति को मापने के लिए विश्वसनीय वैकल्पिक विधियां विकासाधीन हैं। दूसरा कारण उनकी उच्च तापमान के प्रति संवेदनशीलता है।

बैटरी के घटक और संचालन

सेल्स बनाम बैटरियां

एक बैटरी एक उपकरण है जो अपनी सक्रिय सामग्रियों में निहित रासायनिक ऊर्जा को एक विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया के माध्यम से विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करता है। जबकि "बैटरी" शब्द का अक्सर उपयोग किया जाता है, मूल विद्युत रासायनिक तत्व जिसे संदर्भित किया जा रहा है वह सेल है। एक बैटरी दो या अधिक सेल्स को विद्युत रूप से श्रृंखला में जोड़कर एक इकाई बनाती है। सामान्य उपयोग में, "बैटरी" और "सेल" शब्दों का परस्पर उपयोग किया जाता है।

प्राथमिक और द्वितीयक सेल्स और बैटरियां

बैटरियां या तो प्राथमिक या द्वितीयक होती हैं। प्राथमिक बैटरियों का उपयोग केवल एक बार किया जा सकता है क्योंकि विद्युत धारा की आपूर्ति करने वाली रासायनिक प्रतिक्रियाएं अपरिवर्तनीय होती हैं। द्वितीयक (या स्टोरेज) बैटरियों का उपयोग, चार्ज और पुनः उपयोग किया जा सकता है। इन बैटरियों में, विद्युत धारा की आपूर्ति करने वाली रासायनिक प्रतिक्रियाएं आसानी से उलट जाती हैं ताकि बैटरी चार्ज हो सके।

प्राथमिक बैटरियां सामान्य होती हैं क्योंकि वे सस्ती और उपयोग में आसान होती हैं। प्राथमिक बैटरी के परिचित उपयोग टॉर्च, घड़ियों, खिलौनों और रेडियो में होते हैं। द्वितीयक (स्टोरेज) बैटरियों का सबसे सामान्य उपयोग ऑटोमोबाइल और इंजन-जनरेटर सेट में स्टार्टिंग, लाइटिंग और इग्निशन (एसएलआई) के लिए होता है। अन्य अनुप्रयोगों में आपातकालीन और बैकअप पावर के लिए निर्बाध पावर सप्लाई (यूपीएस), इलेक्ट्रिक वाहन (ट्रैक्शन), दूरसंचार और पोर्टेबल उपकरण शामिल हैं। इस लेख के शेष भाग में केवल स्टोरेज बैटरियों पर चर्चा की जाएगी, सिवाय इसके कि बैटरियों की सामान्य संचालन विशेषताओं पर चर्चा की गई हो।

बैटरी के घटक

एक सेल में पांच प्रमुख घटक होते हैं जैसा कि नीचे दी गई छवि में दिखाया गया है।

सेल के प्रमुख घटक

सेल के प्रमुख घटक

नकारात्मक इलेक्ट्रोड डिस्चार्ज के दौरान बाहरी सर्किट (या लोड) को इलेक्ट्रॉनों की आपूर्ति करता है। एक पूरी तरह से चार्ज की गई लीड-एसिड स्टोरेज बैटरी में नकारात्मक इलेक्ट्रोड स्पंज लेड (Pb) से बना होता है।

सकारात्मक इलेक्ट्रोड डिस्चार्ज के दौरान लोड से इलेक्ट्रॉनों को स्वीकार करता है। एक पूरी तरह से चार्ज की गई लीड-एसिड बैटरी में सकारात्मक इलेक्ट्रोड लेड डाइऑक्साइड (PbO2) से बना होता है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि बैटरी में इलेक्ट्रोड्स को असमान सामग्रियों का होना चाहिए, अन्यथा सेल विद्युत क्षमता विकसित नहीं कर पाएगा और इस प्रकार विद्युत धारा का संचालन नहीं कर पाएगा।

इलेक्ट्रोलाइट बैटरी में आंतरिक सर्किट को पूरा करता है और सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड्स को आयन प्रदान करता है। लीड-एसिड बैटरियों में इलेक्ट्रोलाइट के रूप में पतला सल्फ्यूरिक एसिड (H2SO4) होता है। एक पूरी तरह से चार्ज की गई लीड-एसिड बैटरी में, इलेक्ट्रोलाइट लगभग 25% सल्फ्यूरिक एसिड और 75% पानी होता है।

सेपरेटर का उपयोग सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड्स को विद्युत रूप से अलग करने के लिए किया जाता है। यदि इलेक्ट्रोड्स को संपर्क में आने की अनुमति दी जाती है, तो सेल शॉर्ट-सर्किट हो जाएगा और बेकार हो जाएगा क्योंकि दोनों इलेक्ट्रोड्स एक ही क्षमता पर होंगे। सेपरेटर का प्रकार सेल के प्रकार के अनुसार भिन्न होता है। सेपरेटर के रूप में उपयोग की जाने वाली सामग्रियों को इलेक्ट्रोलाइट और इलेक्ट्रोड्स के बीच आयन स्थानांतरण की अनुमति देनी चाहिए। कई सेपरेटर एक छिद्रपूर्ण प्लास्टिक या ग्लास फाइबर सामग्री से बने होते हैं।

उपरोक्त घटक एक कंटेनर में रखे जाते हैं जिसे आमतौर पर जार या कंटेनर कहा जाता है।

सेल और बैटरी वोल्टेज

एक सेल या बैटरी को बाहरी सर्किट को विद्युत धारा देने में सक्षम होने के लिए, सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड्स के बीच एक संभावित अंतर होना चाहिए। संभावित अंतर (आमतौर पर वोल्ट में मापा जाता है) को आमतौर पर सेल या बैटरी का वोल्टेज कहा जाता है। एकल लीड-एसिड सेल लोड के तहत लगभग 2 V का अधिकतम संभावित अंतर विकसित कर सकता है। एक पूरी तरह से डिस्चार्ज की गई लीड-एसिड सेल का संभावित अंतर लगभग 1.75 V होता है, जो डिस्चार्ज की दर पर निर्भर करता है।

क्षमता और बैटरी रेटिंग

सामान्य शब्दों में, एक सेल/बैटरी की क्षमता उपलब्ध चार्ज की मात्रा होती है जिसे एम्पियर-घंटे (Ah) में व्यक्त किया जाता है। एम्पियर विद्युत धारा के मापन की इकाई है और इसे एक सेकंड में एक विद्युत चालक के माध्यम से गुजरने वाले एक कुलंब चार्ज के रूप में परिभाषित किया जाता है। एक सेल या बैटरी की क्षमता उसमें सक्रिय सामग्रियों की मात्रा, इलेक्ट्रोलाइट की मात्रा और प्लेट्स के सतह क्षेत्र से संबंधित होती है। एक बैटरी/सेल की क्षमता को एक स्थिर धारा पर डिस्चार्ज करके मापा जाता है जब तक कि यह अपने टर्मिनल वोल्टेज (आमतौर पर लगभग 1.75 वोल्ट) तक नहीं पहुंच जाती। यह आमतौर पर एक स्थिर तापमान पर, 25°C (77°F) के मानक परिस्थितियों में किया जाता है। क्षमता की गणना डिस्चार्ज करंट मूल्य को टर्मिनल वोल्टेज तक पहुंचने के लिए आवश्यक समय से गुणा करके की जाती है।

बैटरी की करंट देने की क्षमता का वर्णन करने के लिए सबसे सामान्य शब्द इसकी रेटेड क्षमता है। निर्माता अक्सर अपनी बैटरियों की रेटेड क्षमता को एक विशिष्ट डिस्चार्ज दर पर एम्पियर-घंटे में निर्दिष्ट करते हैं। उदाहरण के लिए, इसका मतलब है कि 200 Ah (10-घंटे की दर के लिए) रेटेड लीड-एसिड बैटरी मानक तापमान परिस्थितियों (25°C या 77°F) के तहत 10 घंटे के लिए 20 एम्पियर करंट देगी। वैकल्पिक रूप से, एक डिस्चार्ज दर को इसकी चार्ज दर या C-रेट के रूप में निर्दिष्ट किया जा सकता है, जिसे सेल या बैटरी की रेटेड क्षमता के गुणक के रूप में व्यक्त किया जाता है। उदाहरण के लिए, एक बैटरी की रेटिंग 200 Ah पर C/10 डिस्चार्ज दर हो सकती है। डिस्चार्ज दर नीचे दिए गए समीकरण द्वारा निर्धारित की जाती है:

C/10 दर (एम्पियर)= 200 Ah/10 h = 20 एम्पियर

बैटरी की क्षमता डिस्चार्ज दर के साथ भिन्न होती है। डिस्चार्ज दर जितनी अधिक होती है, सेल की क्षमता उतनी ही कम होती है। कम डिस्चार्ज दरें उच्च क्षमता का परिणाम देती हैं। बैटरियों पर निर्माता का साहित्य आमतौर पर कई डिस्चार्ज दरों (एम्पियर में) के साथ-साथ संबंधित डिस्चार्ज समय (घंटों में) निर्दिष्ट करेगा। इन विभिन्न डिस्चार्ज दरों के लिए बैटरी की क्षमता की गणना ऊपर चर्चा की गई के अनुसार की जा सकती है।

लीड-एसिड बैटरियों के लिए रेटेड क्षमता आमतौर पर 8-, 10-, या 20-घंटे की दरों (C/8, C/10, C/20) पर निर्दिष्ट की जाती है। यूपीएस बैटरियों को 8-घंटे की क्षमताओं पर रेट किया जाता है और दूरसंचार बैटरियों को 10-घंटे की क्षमताओं पर रेट किया जाता है।

श्रृंखला और समानांतर कनेक्शन

सेल्स और बैटरियां श्रृंखला, समानांतर, या दोनों के संयोजन में जोड़ी जा सकती हैं। श्रृंखला में जुड़े सेल्स या बैटरियों में एक सेल या बैटरी का सकारात्मक टर्मिनल दूसरे सेल या बैटरी के नकारात्मक टर्मिनल से जुड़ा होता है। इसका प्रभाव समग्र वोल्टेज को बढ़ाने का होता है लेकिन समग्र क्षमता समान रहती है। उदाहरण के लिए, 12-वोल्ट लीड-एसिड ऑटोमोबाइल बैटरी में श्रृंखला में जुड़े 6 सेल्स होते हैं जिनमें प्रत्येक सेल का संभावित अंतर लगभग 2 V होता है। श्रृंखला में जुड़े सेल्स या बैटरियों का एक और उदाहरण नीचे दी गई छवि में दिखाया गया है।

समानांतर में जुड़े सेल्स या बैटरियों के समान टर्मिनल जुड़े होते हैं। समग्र वोल्टेज समान रहता है लेकिन क्षमता बढ़ जाती है। उदाहरण के लिए, यदि दो 12-वोल्ट ऑटोमोटिव बैटरियों को समानांतर में जोड़ा जाता है, तो बैटरियों के लिए समग्र वोल्टेज अभी भी 12 V होगा। हालांकि, जुड़ी हुई बैटरियों की क्षमता एकल 12-वोल्ट बैटरी की तुलना में दोगुनी होगी। समानांतर में जुड़े सेल्स या बैटरियों का एक और उदाहरण नीचे दी गई छवि में दिखाया गया है।

श्रृंखला में जुड़े सेल्स

श्रृंखला में जुड़े सेल्स

समानांतर में जुड़े सेल्स

बैटरियों को श्रृंखला/समानांतर संयोजन में भी जोड़ा जा सकता है। बैटरियों को श्रृंखला में तब तक जोड़ा जाता है जब तक कि वांछित वोल्टेज प्राप्त नहीं हो जाता, और समानांतर में तब तक जोड़ा जाता है जब तक कि बैटरी बैंक क्षमता आवश्यकताओं को पूरा नहीं करता। केवल समान सेल्स या बैटरियों को एक साथ जोड़ा जाना चाहिए। विभिन्न रेटिंग या निर्माता की सेल्स या बैटरियों को जोड़ने से अवांछनीय या यहां तक कि खतरनाक परिणाम उत्पन्न हो सकते हैं।