أسباب فشل بطاريات الرصاص الحمضية وطرق إصلاحها

منذ أن اخترع العالم الفرنسي غاستون بلانتيه بطارية الرصاص الحمضية عام ١٨٥٩، استُخدمت على نطاق واسع في النقل والاتصالات والطاقة والسكك الحديدية والتعدين والموانئ والدفاع والحواسيب والبحث العلمي، نظرًا لسلامتها العالية وتكلفتها المنخفضة وقابليتها الممتازة لإعادة التدوير. ولا تزال أكثر أنواع البطاريات إنتاجًا وتنوعًا في العالم.

بطاريات الرصاص الحمضيةتتميز هذه البطاريات بالعديد من المزايا في التطبيقات: سعرها المنخفض، وتقنياتها المتطورة، وأدائها الممتاز في درجات الحرارة العالية والمنخفضة، واستقرارها، وموثوقيتها، وسلامتها العالية، وقابليتها العالية لإعادة تدوير مواردها، مما يمنحها ميزة سوقية واضحة. بحلول عام 2020، بلغ حجم سوق بطاريات الرصاص الحمضية في الصين 165.9 مليار يوان، مسجلاً نموًا سنويًا بنسبة 4.65%.

مع تنامي حصة السوق، تفاقمت مشاكل مثل الاستهلاك الهائل للطاقة أثناء الإنتاج وإعادة التدوير، بالإضافة إلى مليارات البطاريات المهملة سنويًا، مما يتسبب في تلوث بيئي خطير. أصبحت صيانة وإصلاح البطاريات القديمة لتعزيز كفاءتها وعمرها الافتراضي أولوية عالمية.

في الدول الغربية المتقدمة، يعمل عشرات الآلاف في صيانة وإصلاح وإعادة تدوير بطاريات الرصاص الحمضية، محققين عائدات سنوية تقدر بالمليارات. وتوظف اليابان أكثر من 100 ألف شخص في هذا القطاع، محققين عائدات سنوية تقدر بالمليارات.

في الصين، لتعزيز الحفاظ على الطاقة وحماية البيئة، تم فرض ضريبة استهلاك بنسبة 4٪ على بطاريات الرصاص الحمضية اعتبارًا من 1 يناير 2016. تشجع السياسة الفنية للوقاية من تلوث بطاريات النفايات التي وضعتها إدارة الدولة لحماية البيئة واللجنة الوطنية للتنمية والإصلاح ووزارة البناء ووزارة العلوم والتكنولوجيا ووزارة التجارة البحث والتطوير لإعادة التدوير بكفاءة، مما يرفع معدلات استرداد الموارد.

يشير الخبراء إلى أن تدهور الأداء والفشل المبكر ينجمان أساسًا عن تكوّن بلورات كبريتات الرصاص على الصفائح أثناء الاستخدام، مما يزيد من مقاومتها الداخلية ويقلل من سعتها، مما يؤدي في النهاية إلى تقصير عمرها الافتراضي. تُطيل التقنيات المُجرّبة لإصلاح بطاريات الرصاص الحمضية عمرها الافتراضي، وتُخفّض التكاليف، وتُقلّل النفايات مثل الرصاص وحمض الكبريتيك المُخفّف، وتُخفّض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، وتُحافظ على الموارد، بما يتماشى مع التنمية المستدامة.

في عصرٍ يشهد تزايدًا في استخدام الطاقة وتلوث البطاريات، تكتسب حلول إعادة استخدام النفايات، وإطالة عمرها الافتراضي عبر تقنيات الإصلاح، والحد من النفايات، وتعزيز مسارات الاستدامة أهميةً بالغة. تُحوّل تقنيات الإصلاح النفايات إلى كنز، وتتوافق مع السياسات الوطنية، وتعزز الاقتصاد، وتُعزز توفير الطاقة وتقليل الانبعاثات، وتُسهم في حماية البيئة، وهي مهيأةٌ للاعتماد على نطاقٍ أوسع.

لفهم كيفية إصلاح بطارية الرصاص الحمضية، عليك أولاً فهم أسباب الفشل، ثم تناول طرق الإصلاح وفقًا لذلك.

فشلسببأنواع بطاريات الرصاص الحمضية

بسبب اختلاف أنواع الصفائح وتصنيعها واستخدامها، تختلف أسباب الأعطال.سببوتشمل:

1. تآكل وتشوه الصفائح الموجبة

تنقسم السبائك الحالية إلى ثلاث فئات: سبائك الرصاص والأنتيمون التقليدية (4-7% أنتيمون)؛ والأنتيمون المنخفض/المنخفض جدًا (<2% أو <1%، مع القصدير والنحاس والكادميوم والكبريت)؛ والرصاص والكالسيوم (0.06-0.1% كالسيوم، مع القصدير والألومنيوم). أثناء الشحن، تتأكسد هذه السبائك الشبكية لتتحول إلى كبريتات الرصاص وأكسيد الرصاص (PbO2)، مما يؤدي إلى فقدان دعم المواد الفعالة وتلفها. تُسبب طبقات تآكل أكسيد الرصاص إجهادًا، مما يؤدي إلى توسيع الشبكات؛ ويؤدي التشوه الذي يزيد عن 4% إلى تدمير الصفائح، أو إرخاء المواد الفعالة، أو حدوث قصر في قضبان التوصيل.

2. تساقط وتليين المواد النشطة في اللوحة الإيجابية

بالإضافة إلى توسع الشبكة، تُضعف دورات الشحن والتفريغ المتكررة روابط جسيمات ثاني أكسيد الرصاص، مما يُسبب تليينها وتساقطها. ويؤثر تصنيع الشبكة، وإحكام التجميع، وظروف الشحن والتفريغ على ذلك.

3. الكبريتات غير القابلة للعكس

يؤدي التفريغ الزائد والتخزين المطول في حالة التفريغ إلى تكوين بلورات كبريتات الرصاص الخشنة، التي يصعب شحنها، على صفائح سالبة. تُشفى الحالات الخفيفة بالطرق التقليدية، بينما تُفقد الأقطاب الكهربائية قدرتها على العمل في الحالات الشديدة.

4. فقدان القدرة المبكر

مع الشبكات ذات المحتوى المنخفض من الأنتيمون أو الرصاص والكالسيوم، تنخفض السعة بشكل حاد بعد حوالي 20 دورة، مما يتسبب في الفشل المبكر.

5. تراكم شديد للأنتيمون على المواد الفعالة

ينتقل الأنتيمون من الشبكات الموجبة إلى الأسطح النشطة السالبة خلال الدورات. يؤدي انخفاض جهد الاختزال الزائد لـ H+ (~200 مللي فولت) على الأنتيمون إلى زيادة تحلل الماء، مما يمنع الشحن الطبيعي ويؤدي إلى العطل. أظهرت الاختبارات وجود نسبة 0.12-0.19% من الأنتيمون على الأسطح السالبة المعطلة عند جهد شحن 2.30 فولت. في بطاريات الغواصات، يرتبط الهيدروجين الزائد بنسبة 0.4% من الأنتيمون المتوسط.

6. الفشل الحراري

بالنسبة للبطاريات قليلة الصيانة، يجب ألا يتجاوز جهد الشحن ٢٫٤ فولت/خلية. قد تؤدي منظمات الجهد المعيبة إلى ارتفاع حاد في الجهد، وارتفاع درجة حرارة الإلكتروليت، وانخفاض المقاومة، وتضخيم التيار في دورة تفريغ، مما يؤدي إلى تشوه البطارية أو تشققها. على الرغم من ندرة حدوث ذلك، يُنصح بمراقبة الجهد العالي والحرارة.

7. تآكل قضبان التوصيل السالبة

نادرًا ما تتآكل الشبكات السالبة وقضبان التوصيل، ولكن في البطاريات المغلقة المُنظَّمة بالصمامات، تملأ دورات الأكسجين فراغات الشحنة؛ ويتسرب الإلكتروليت إلى قضبان التوصيل عبر الألسنة، مؤكسدًا السبائك إلى كبريتات الرصاص. تُسرِّع اللحامات الرديئة هذا، مما يؤدي إلى انفصال الألسنة وفشل الأسلاك السالبة.

8. ماس كهربائي ناتج عن ثقب الفاصل

تحتوي بعض الفواصل مثل مادة البولي بروبيلين على مسام كبيرة؛ حيث تخلق الصمامات المنصهرة المزاحة ثقوبًا كبيرة، مما يسمح للمواد النشطة بالمرور أثناء الدورات، مما يتسبب في حدوث قصر كهربائي صغير وفشل.

العوامل المؤثرة على عمر بطارية الرصاص الحمضية

ينتج الفشل عن عوامل داخلية (تركيب المادة الفعالة، نوع البلورة، المسامية، حجم اللوحة، مادة/هيكل الشبكة) وعوامل خارجية (كثافة التفريغ، تركيز/درجة حرارة الإلكتروليت، عمق التفريغ، الصيانة، التخزين). العوامل الخارجية الرئيسية:

1. عمق التفريغ

هذا هو مدى استمرار التفريغ قبل التوقف (100% = السعة الكاملة). يتفاوت عمر البطارية بشكل كبير؛ فبطاريات الدورة العميقة تناسب الاستخدام السطحي، بينما تفشل البطاريات السطحية بسرعة في الدورات العميقة. تضعف روابط ثاني أكسيد الرصاص (ثاني أكسيد الرصاص) بتغيرات الحجم: يتمدد ثاني أكسيد الرصاص (ثاني أكسيد الرصاص) إلى كبريتات الرصاص (كبريتات الرصاص) بنسبة 95% من الحجم المولي. يقلل التفريغ السطحي (مثلاً، 20%) من التمدد/الانكماش، مما يُبطئ التحلل؛ بينما يُقصّر التفريغ العميق الدورات.

2. مدى الزيادة في السعر

يؤثر تطور الغاز الزائد على المواد النشطة الإيجابية، مما يعزز التساقط؛ تتآكل سبائك الشبكة عن طريق الأكسدة الأنودية، مما يؤدي إلى تقصير عمرها.

3. تأثيرات درجة الحرارة

يزداد عمر الخدمة عادةً مع ارتفاع درجة الحرارة إلى 50 درجة مئوية: 5-6 دورات لكل درجة مئوية من 10 إلى 35 درجة مئوية؛ و25 دورة فأكثر لكل درجة مئوية من 35 إلى 45 درجة مئوية. عند تجاوز 50 درجة مئوية، تُقلل الكبريتات السالبة من سعة التفريغ. أما ارتفاع درجات الحرارة فيزيد من سعة التفريغ، مما يُقلل من العمق الفعال للتفريغ الثابت، ويطيل من عمره الافتراضي.

4. تأثيرات تركيز حمض الكبريتيك

تساعد الكثافة العالية على زيادة السعة الإيجابية ولكنها تزيد من التفريغ الذاتي وتآكل الشبكة وتفكك/تساقط ثاني أكسيد الرصاص وتقصير الدورات.

5. تأثيرات كثافة تيار التفريغ

تؤدي الكثافة العالية إلى تقصير العمر عن طريق تسريع تحلل ثاني أكسيد الرصاص في ظل ظروف التيار/الحمض العالية.

فقدان المياه ليس فشلاًسببللبطاريات المُهَوَّأة (صيانة عادية) أو المُغلَقة (مُتَجَنِّبة). في بطاريات الدراجات الإلكترونية المُغلَقة، يحدث هذا بسبب الشحن المُفرط بجهد ثابت.

طرق إصلاح فقدان السعة المبكر (بي سي إل)

(أ) خصائص بي سي إل

في بطاريات الشبكة منخفضة الأنتيمون أو بطاريات الرصاص والكالسيوم، تنخفض السعة بنسبة 5% تقريبًا لكل دورة بعد حوالي 20 دورة، مما يؤدي إلى تعطلها مبكرًا. غالبًا ما تُظهر أنواع الرصاص والكالسيوم انخفاضات غير مبررة في بعض الخلايا؛ لا تضعف الشحنات الموجبة، لكن السعة منخفضة.

(ب) حلول للأسباب

1. تحسين محتوى القصدير في اللوحة الإيجابية (1.5-2% للدورة العميقة).
2. زيادة ضغط التجميع.
3. تجنب محتوى الأحماض الإلكتروليتية العالية.

(ج) احتياطات الاستخدام

1. تجنب تيارات الشحنة الأولية المنخفضة المستمرة.
2. تقليل التفريغات العميقة.
3. الحد من الشحن الزائد.
4. لا تعزز القدرة من خلال استخدام كميات كبيرة من المواد النشطة.

(د) الاسترداد للبطاريات المتأثرة بـ بي سي إل

ابدأ بتيار ٠٫٣-٠٫٥ سيلسيوس، ثم اشحن البطارية تدريجيًا حتى تصل إلى الشحن الكامل. خزّن البطاريات المشحونة عند درجة حرارة ٤٠-٦٠ درجة مئوية؛ ثم فرّغها عند درجة حرارة أقل من ٠٫٠٥ سيلسيوس حتى ٠ فولت (ببطء بعد نصف الجهد الاسمي). كرّر العملية لاستعادة السعة.

(هـ) ملاحظات

تأكد من وجود بي سي إل في أول 20 دورة؛ تتفاقم هذه الانخفاضات اللاحقة بهذه الطريقة، مما يُضعف النتائج الإيجابية. في بطاريات الرصاص والكالسيوم، يُسبب اختلال التوازن الناتج عن شواحن الجهد الثابت المنخفضة مشاكل: يؤدي التفريغ الذاتي غير المتساوي إلى نقص مزمن في الشحن في بعض الخلايا (كبريتات) وزيادة في الشحن في خلايا أخرى. استخدم شواحن متعددة المراحل بتيار/جهد متفاوت، مما ينتج عنه شحن متوازن عالي الجهد ومنخفض التيار.

إصلاح الشحن الزائد

يتطلب الشحن الزائد تيارًا/جهدًا عاليًا، مما يُسبب تفاعلات جانبية، وتلفًا موجبًا، وفقدانًا للماء. يُعد الشحن النبضي طريقةً فعالةً وغير ضارة: إذ تتغلب نبضات الجهد/التيار العالي على انخفاض القبول دون تفاعلات مستمرة، مستفيدةً من إزالة استقطاب البطارية (أو مساعداتها) بعد النبض. هذا يُتيح شحنًا زائدًا آمنًا، وقد أثبتت الشواحن على مر السنين قدرتها على إطالة عمر دورة الشحن بشكل كبير.