Lead Acid Batteries
Lead Acid Battery
Lead Acid Batteries:
Structure and Working Principles
Lead acid batteries are one of the oldest and most widely used types of rechargeable batteries. Invented by French physicist Gaston Planté in 1859, they remain popular due to their reliability, low cost, and ability to deliver high surge currents. They are commonly found in automotive applications, backup power systems, and energy storage for renewable energy sources.
Overview of Lead Acid Battery Structure
A lead acid battery consists of several electrochemical cells connected in series to achieve the desired voltage. Each cell is typically 2 volts, and for example, a typical car battery with six cells will have a nominal voltage of 12 volts. The main components of each cell include:
- Positive Plate (Electrode):
The positive electrode is made of lead dioxide (PbO₂). This material acts as the active material for the cathode during battery discharge.
- Negative Plate (Electrode):
The negative electrode is made of pure lead (Pb). It serves as the active material for the anode during discharge.
- Electrolyte:
The electrolyte is a dilute sulfuric acid (H₂SO₄) solution, which facilitates the flow of ions between the positive and negative plates. Sulfuric acid is vital for the chemical reactions that occur during charge and discharge.
- Separators:
Between the positive and negative plates are porous separators made of insulating materials like fiberglass or polymer. These prevent short-circuiting by ensuring the plates do not physically touch while still allowing ions to pass through.
- Battery Casing:
The casing of the battery is typically made of plastic, which is corrosion-resistant and durable. It houses the electrolyte and plates and protects the battery from external damage.
- Terminals:
The battery has two terminals, positive and negative, that connect to the external circuit to provide power. The positive terminal is connected to the lead dioxide plates, while the negative terminal is connected to the pure lead plates.
Electrochemical Reactions and
Working Principle
The functioning of a lead acid battery is based on reversible electrochemical reactions that occur during charging and discharging. The reactions involve the movement of electrons and ions between the electrodes and the electrolyte.
Discharge Process (Battery Supplies Power):
During discharge, the battery converts chemical energy into electrical energy. The following reactions occur at the electrodes:
At the Positive Plate (Cathode):
Lead dioxide reacts with sulfate ions from the sulfuric acid, producing lead sulfate (PbSO₄) and water.
Lead reacts with sulfate ions to form lead sulfate (PbSO₄), releasing two electrons.
In this process, both electrodes are covered with lead sulfate, and the sulfuric acid concentration decreases as water is produced. Electrons flow from the negative terminal to the positive terminal through the external circuit, providing electrical power.
- Charge Process (Battery Stores Power):
During charging, electrical energy from an external source (e.g., a car alternator or solar panel) is used to reverse the discharge reaction, restoring the battery to its original state.
Lead sulfate is converted back to lead dioxide, releasing sulfate ions.
Lead sulfate is converted back to lead, and sulfate ions are released into the electrolyte.
The lead sulfate is broken down, and sulfuric acid is regenerated. The density of the sulfuric acid increases as the battery is charged.
Key Performance Characteristics
- Capacity:
The capacity of a lead acid battery is measured in ampere-hours (Ah) and indicates how much charge the battery can store. A higher Ah rating means a longer runtime for a given load.
- Voltage:
Each cell has a nominal voltage of 2 volts. A typical 12-volt lead acid battery consists of six cells connected in series. The voltage drops slightly as the battery discharges and increases during charging.
- Efficiency:
Lead acid batteries are not 100% efficient. Energy losses occur due to internal resistance, and typically, the energy efficiency of a lead acid battery is around 70-85%.
- Depth of Discharge (DoD):
Lead acid batteries have a limited depth of discharge, meaning they should not be discharged beyond a certain percentage of their capacity to avoid damage. A typical safe DoD is 50%.
- Lifespan:
The life of a lead acid battery is affected by factors such as temperature, charge/discharge cycles, and how deeply it is discharged. On average, a lead acid battery lasts 500-1,200 cycles.
Types of Lead Acid Batteries
- Flooded Lead Acid (FLA):
The most common type, these batteries require regular maintenance such as topping off the electrolyte with distilled water.
- Sealed Lead Acid (SLA):
These batteries are sealed and maintenance-free, with the electrolyte immobilized in a gel or absorbed in a glass mat (AGM).
- Deep Cycle Batteries:
Designed for deep discharges, these batteries are used in applications like solar power storage, electric vehicles, and backup systems.
- Starter Batteries:
Also known as SLI (starting, lighting, and ignition) batteries, these are designed for short bursts of high current, typically found in vehicles.
Advantages and Disadvantages
Advantages:
Low cost: Lead acid batteries are inexpensive compared to other types of rechargeable batteries.
Reliable performance: They are robust and can deliver high surge currents.
Recyclability: Lead acid batteries have a high recycling rate, with nearly all components being recyclable.
Disadvantages:
Weight: Lead acid batteries are heavy due to the dense materials used.
Limited cycle life: They have a shorter lifespan compared to newer battery technologies like lithium-ion.
Maintenance: Flooded lead acid batteries require periodic maintenance.
Conclusion
Despite being an older technology, lead acid batteries remain essential in many applications due to their affordability, durability, and ease of recycling. However, as the demand for lighter and more efficient energy storage increases, newer technologies are gradually replacing lead acid batteries in many industries. Still, their widespread use in cars, renewable energy storage, and backup power systems ensures that lead acid batteries will remain relevant for years to come.
लेड एसिड बैटरी:
संरचना और कार्य सिद्धांत
लेड एसिड बैटरी सबसे पुरानी और सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल की जाने वाली रिचार्जेबल बैटरी में से एक है। 1859 में फ्रांसीसी भौतिक विज्ञानी गैस्टन प्लांटे द्वारा आविष्कार की गई, वे अपनी विश्वसनीयता, कम लागत और उच्च सर्ज धाराओं को वितरित करने की क्षमता के कारण लोकप्रिय बनी हुई हैं। वे आमतौर पर ऑटोमोटिव अनुप्रयोगों, बैकअप पावर सिस्टम और नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों के लिए ऊर्जा भंडारण में पाए जाते हैं।
लेड एसिड बैटरी संरचना का अवलोकन
एक लेड एसिड बैटरी में वांछित वोल्टेज प्राप्त करने के लिए श्रृंखला में जुड़े कई इलेक्ट्रोकेमिकल सेल होते हैं। प्रत्येक सेल आमतौर पर 2 वोल्ट का होता है, और उदाहरण के लिए, छह सेल वाली एक सामान्य कार बैटरी में 12 वोल्ट का नाममात्र वोल्टेज होगा। प्रत्येक सेल के मुख्य घटकों में शामिल हैं:
पॉजिटिव प्लेट (इलेक्ट्रोड):
पॉजिटिव इलेक्ट्रोड लेड डाइऑक्साइड (PbO₂) से बना होता है। यह सामग्री बैटरी डिस्चार्ज के दौरान कैथोड के लिए सक्रिय सामग्री के रूप में कार्य करती है।
नेगेटिव प्लेट (इलेक्ट्रोड):
नेगेटिव इलेक्ट्रोड शुद्ध लेड (Pb) से बना होता है। यह डिस्चार्ज के दौरान एनोड के लिए सक्रिय सामग्री के रूप में कार्य करता है।
इलेक्ट्रोलाइट:
इलेक्ट्रोलाइट एक पतला सल्फ्यूरिक एसिड (H₂SO₄) घोल है, जो सकारात्मक और नकारात्मक प्लेटों के बीच आयनों के प्रवाह को सुगम बनाता है। सल्फ्यूरिक एसिड चार्ज और डिस्चार्ज के दौरान होने वाली रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लिए महत्वपूर्ण है।
विभाजक:
सकारात्मक और नकारात्मक प्लेटों के बीच फाइबरग्लास या पॉलिमर जैसी इन्सुलेटिंग सामग्री से बने छिद्रपूर्ण विभाजक होते हैं। ये आयनों को गुजरने की अनुमति देते हुए प्लेटों को शारीरिक रूप से स्पर्श न करने के द्वारा शॉर्ट-सर्किटिंग को रोकते हैं। बैटरी
आवरण:
बैटरी का आवरण आमतौर पर प्लास्टिक से बना होता है, जो संक्षारण प्रतिरोधी और टिकाऊ होता है। इसमें इलेक्ट्रोलाइट और प्लेट्स होती हैं और बैटरी को बाहरी क्षति से बचाती हैं।
टर्मिनल:
बैटरी में दो टर्मिनल होते हैं, सकारात्मक और नकारात्मक, जो बिजली प्रदान करने के लिए बाहरी सर्किट से जुड़ते हैं। सकारात्मक टर्मिनल लेड डाइऑक्साइड प्लेटों से जुड़ा होता है, जबकि नकारात्मक टर्मिनल शुद्ध लेड प्लेटों से जुड़ा होता है। विद्युत रासायनिक
अभिक्रियाएँ और कार्य सिद्धांत
लीड एसिड बैटरी की कार्यप्रणाली प्रतिवर्ती विद्युत रासायनिक अभिक्रियाओं पर आधारित होती है जो चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान होती हैं। अभिक्रियाओं में इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट के बीच इलेक्ट्रॉनों और आयनों की गति शामिल होती है।
डिस्चार्ज प्रक्रिया (बैटरी बिजली की आपूर्ति करती है):
डिस्चार्ज के दौरान, बैटरी रासायनिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करती है। इलेक्ट्रोड पर निम्नलिखित अभिक्रियाएँ होती हैं:
पॉजिटिव प्लेट (कैथोड) पर:
लीड डाइऑक्साइड सल्फ्यूरिक एसिड से सल्फेट आयनों के साथ अभिक्रिया करके लेड सल्फेट (PbSO₄) और पानी बनाता है।
PbO2 + SO42- + 4H+ + 2e- → PbSO4 + 2H2O
Discharge Process (at the Positive Plate):
PbO2 + SO42- + 4H+ + 2e- → PbSO4 + 2H2O
Discharge Process (at the Negative Plate):
Pb + SO42- → PbSO4 + 2e-
1. Overall Discharge Reaction:
PbO2 + Pb + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O
नेगेटिव प्लेट (एनोड) पर:
लीड सल्फेट आयनों के साथ अभिक्रिया करके लेड सल्फेट (PbSO₄) बनाता है, जिससे दो इलेक्ट्रॉन निकलते हैं।
समग्र डिस्चार्ज अभिक्रिया:
इस प्रक्रिया में, दोनों इलेक्ट्रोड लेड सल्फेट से ढके होते हैं, और पानी बनने पर सल्फ्यूरिक एसिड की सांद्रता कम हो जाती है। इलेक्ट्रॉन बाहरी सर्किट के माध्यम से नेगेटिव टर्मिनल से पॉजिटिव टर्मिनल की ओर प्रवाहित होते हैं, जिससे विद्युत शक्ति मिलती है।
चार्ज प्रक्रिया (बैटरी स्टोर पावर):
चार्जिंग के दौरान, बाहरी स्रोत (जैसे, कार अल्टरनेटर या सोलर पैनल) से विद्युत ऊर्जा का उपयोग डिस्चार्ज प्रतिक्रिया को उलटने के लिए किया जाता है, जिससे बैटरी अपनी मूल स्थिति में वापस आ जाती है।
पॉजिटिव प्लेट (कैथोड) पर:
लेड सल्फेट को वापस लेड डाइऑक्साइड में बदल दिया जाता है, जिससे सल्फेट आयन निकलते हैं।
नेगेटिव प्लेट (एनोड) पर:
लेड सल्फेट को वापस लेड में बदल दिया जाता है, और सल्फेट आयन इलेक्ट्रोलाइट में निकल जाते हैं।
Charge Process (at the Positive Plate):
PbSO4 + 2H2O → PbO2 + SO42- + 4H+ + 2e-
Charge Process (at the Negative Plate):
PbSO4 + 2e- → Pb + SO42-
Overall Charge Reaction:
2PbSO4 + 2H2O → PbO2 + Pb + 2H2SO4
लेड सल्फेट टूट जाता है, और सल्फ्यूरिक एसिड फिर से बन जाता है। बैटरी के चार्ज होने पर सल्फ्यूरिक एसिड का घनत्व बढ़ जाता है।
मुख्य प्रदर्शन विशेषताएँ
कुल चार्ज प्रतिक्रिया:
- क्षमता:
लेड एसिड बैटरी की क्षमता एम्पीयर-घंटे (Ah) में मापी जाती है और यह दर्शाती है कि बैटरी कितना चार्ज स्टोर कर सकती है। उच्च Ah रेटिंग का मतलब है किसी दिए गए लोड के लिए लंबा रनटाइम।
2. वोल्टेज:
प्रत्येक सेल में 2 वोल्ट का नाममात्र वोल्टेज होता है। एक सामान्य 12-वोल्ट लेड एसिड बैटरी में श्रृंखला में जुड़े छह सेल होते हैं। बैटरी डिस्चार्ज होने पर वोल्टेज थोड़ा कम हो जाता है और चार्जिंग के दौरान बढ़ जाता है।
- दक्षता:
लीड एसिड बैटरियां 100% दक्ष नहीं होती हैं। आंतरिक प्रतिरोध के कारण ऊर्जा की हानि होती है, और आमतौर पर, लीड एसिड बैटरी की ऊर्जा दक्षता लगभग 70-85% होती है।
4. डिस्चार्ज की गहराई (DoD):
लीड एसिड बैटरियों में डिस्चार्ज की गहराई सीमित होती है
आरजीई, जिसका अर्थ है कि उन्हें नुकसान से बचने के लिए उनकी क्षमता के एक निश्चित प्रतिशत से अधिक डिस्चार्ज नहीं किया जाना चाहिए। एक सामान्य सुरक्षित DoD 50% है।
5. जीवनकाल:
लीड एसिड बैटरी का जीवन तापमान, चार्ज/डिस्चार्ज चक्र और इसे कितनी गहराई से डिस्चार्ज किया जाता है जैसे कारकों से प्रभावित होता है। औसतन, एक लीड एसिड बैटरी 500-1,200 चक्र तक चलती है।
लीड एसिड बैटरियों के प्रकार
फ्लडेड लीड एसिड (FLA):
सबसे आम प्रकार, इन बैटरियों को नियमित रखरखाव की आवश्यकता होती है जैसे कि आसुत जल के साथ इलेक्ट्रोलाइट को ऊपर से भरना।
सीलबंद लीड एसिड (SLA):
ये बैटरियाँ सीलबंद और रखरखाव-मुक्त होती हैं, इलेक्ट्रोलाइट को जेल में स्थिर किया जाता है या ग्लास मैट (AGM) में अवशोषित किया जाता है।
डीप साइकिल बैटरियाँ:
गहरी डिस्चार्ज के लिए डिज़ाइन की गई, इन बैटरियों का उपयोग सौर ऊर्जा भंडारण, इलेक्ट्रिक वाहनों और बैकअप सिस्टम जैसे अनुप्रयोगों में किया जाता है।
स्टार्टर बैटरियाँ:
इन्हें SLI (स्टार्टिंग, लाइटिंग और इग्निशन) बैटरियाँ भी कहा जाता है, ये आमतौर पर वाहनों में पाए जाने वाले हाई करंट के छोटे विस्फोटों के लिए डिज़ाइन की जाती हैं।
लाभ और हानियाँ
लाभ:
कम लागत: लेड एसिड बैटरियाँ अन्य प्रकार की रिचार्जेबल बैटरियों की तुलना में सस्ती होती हैं।
विश्वसनीय प्रदर्शन: वे मज़बूत होती हैं और उच्च उछाल धाराएँ प्रदान कर सकती हैं।
पुनर्चक्रण: लेड एसिड बैटरियों की पुनर्चक्रण दर उच्च होती है, जिसमें लगभग सभी घटक पुनर्चक्रणीय होते हैं।
हानियाँ:
वजन: लेड एसिड बैटरियाँ उपयोग की जाने वाली सघन सामग्रियों के कारण भारी होती हैं।
सीमित चक्र जीवन: लिथियम-आयन जैसी नई बैटरी तकनीकों की तुलना में इनका जीवनकाल कम होता है।
रखरखाव: फ्लडेड लेड एसिड बैटरियों को समय-समय पर रखरखाव की आवश्यकता होती है।
निष्कर्ष
एक पुरानी तकनीक होने के बावजूद, लेड एसिड बैटरियाँ अपनी सामर्थ्य, स्थायित्व और पुनर्चक्रण में आसानी के कारण कई अनुप्रयोगों में आवश्यक बनी हुई हैं। हालाँकि, जैसे-जैसे हल्की और अधिक कुशल ऊर्जा भंडारण की माँग बढ़ती है, नई तकनीकें धीरे-धीरे कई उद्योगों में लेड एसिड बैटरियों की जगह ले रही हैं। फिर भी, कारों, नवीकरणीय ऊर्जा भंडारण और बैकअप बिजली प्रणालियों में उनका व्यापक उपयोग यह सुनिश्चित करता है कि लेड एसिड बैटरियां आने वाले वर्षों तक प्रासंगिक बनी रहेंगी।
