איך מייצרים מצבר?
איך מייצרים מצבר?
המצבר מורכב משישה תאים שווים המחוברים יחד, כל תא מורכב מלוחות שליליים וחיוביים לסירוגין, המופרדים ביניהם על ידי כך שסוג אחד של הלוחות (חיוביים או שליליים) נמצא בתוך מעטפה נקבובית, החדירה לחומצה, אך לא מאפשרת מגע בין הלוחות כדי שלא ייווצר קצר. בכל תא ישנם בין 9 ל-33 לוחות בהתאם לסוג וגודל המצבר.
שלבי הייצור
לוחות
חומר הגלם העיקרי ממנו עשויים הלוחות הוא עופרת Pb. הלוח מורכב מרשת עופרת ותחמוצת עופרת המרוחה על גבי הרשת. עופרת טהורה לבדה רכה מידי כחומר גלם לרשת, ולכן מוסיפים תוספים שונים, וביניהם אנטימון וקלציום על מנת לחזקה.
את הרשתות יוצקים במכונות יציקה מיוחדות או ביציקה רציפה. לרשת צורה הדומה לדגל, כאשר גוף הרשת הוא בצורת מלבן ובעל חריצים רבים לאורכו ורוחבו ומהקצה העליון יוצא מלבן קטן ללא חריצים.
ישנם כמה סוגי רשתות עיקריים, ביניהם רשתות עופרת אנטימון, רשתות עופרת קלציום ורשתות עופרת קלציום כסף. לכל סוג רשת יש את היתרונות הספציפיים שלו: רשתות עופרת קלציום ועופרת קלציום כסף עמידות בקורוזיה לאורך זמן ומאבדות פחות מים מרשתות עופרת אנטימון. אנטימון גורם לאיבוד מים בזמן פעילות ולכן יש צורך להוסיף למצבר מים מידי פעם. היתרון של רשת האנטימון הוא בחוזק הרשת ובאורך חיים ארוך יותר של המצבר.
על גבי הרשת מרוח חומר פעיל (פסטה) המורכב בעיקר מתחמוצת עופרת.
תחמוצת עופרת
העופרת שממנה מכינים את התחמוצת PbO נקייה מאוד – מעל 99.98% עופרת טהורה. תהליך הכנת התחמוצת נעשה על ידי הזרמת עופרת מותכת בתוך כלי דמוי סיר ענק, הנקרא Barton. החמצן שבאוויר מגיב עם הטיפות ויוצר מעטפת תחמוצת עופרת מסביב לכל טיפה. לאחר תהליך זה אחוז העופרת החופשית הטהורה יורד מתחת ל- 27%.
חומר פעיל (פסטה)
לאחר שהתחמוצת מוכנה ומקוררת מכינים ממנה את הפסטה, שאותה מורחים על גבי הרשתות. מכינים פסטה חיובית ושלילית. את התחמוצת מכניסם למיקסר גדול ומוסיפים תוספים מוצקים מיוחדים, אשר משפרים את תכונות המצבר, כמו סיבים אשר מקנים תכונות מכאניות משופרות לפסטה היבשה. לפסטה השלילית מוסיפים חומרים פעילי שטח, זאת כדי לקבל פני שטח גדולים ותכונות רצויות נוספים, אשר משפרים את ביצועי המצבר. את החומרים האלה מערבבים במיקסר, לאחר מכן מוסיפים מים וחומצה גופרתית וממשיכים בערבוב עד לקבלת תערובת אחידה בעלת התכונות הרצויות. מריחת הפסטה לקבלת לוח כאשר הפסטה מוכנה, מורחים אותה על גבי הרשתות בעזרת מכונות המיועדות לכך – ומתקבל לוח עופרת מרוח בפסטה, שעשויה מתחמוצת עופרת. לאחר מכן הלוחות מיובשים למספר שניות בתנור מיוחד, זאת על מנת שפני השטח יתייבשו והלוחות לא יידבקו אחד לשני בזמן הערמתם. עורמים את הלוחות והם מוכנסים מיד לחדר אשפרה.
תהליך האשפרה
תהליך האשפרה נועד להוריד את אחוז העופרת החופשית, כדי שייווצר קשר בין הפסטה לרשת וכדי שהפסטה תהפוך לנקבובית ובעלת גרגירים מלוכדים. סוג האשפרה הוא בהתאם ללוח ולמצבר אותו רוצים לייצר. לרוב התהליך מורכב משני שלבים: שלב ההלחה ושלב הייבוש. בשלב ההלחה הלוחות מוכנסים לחדר שבו הם מקבלים טיפול לחות בטמפרטורה נמוכה למשך מספר שעות. לאחר מכן, בשלב הייבוש, מעלים את הטמפרטורה ומורידים לגמרי את הלחות, שלב זה נמשך מספר שעות, עד שהלוחות יבשים לגמרי. בסוף התהליך הפסטה מורכבת מעופרת סולפתית PbSO4, תחמוצת עופרת PbO ומעט עופרת חופשית.
הרכבה
הלוחות והמעטפות מוערמים יחד לקבוצות על ידי מכונה, כל הלוחות בקבוצה מולחמים אחד לשני על ידי טבילת דגלי הלוחות בעופרת מותכת. לאחר מכן קבוצות הלוחות מוכנסת לתוך תאים בארגז הפלסטיק של המצבר, עד שכל ששת התאים ממולאים בלוחות, לאחר מכן מלחימים בין התאים. בתום שלב זה מבצעים בדיקת קצר על מנת לוודא שההלחמות והתאים תקינים. את הארגז סוגרים עם מכסה מתאים וקוטבי המצבר מולחמים ומלוטשים. בסוף שלב ההרכבה ממלאים את תאי המצבר באלקטרוליט, שהוא חומצה גופרתית בריכוז מתאים, והמצברים נלקחים לטעינה.
טעינה – פורמציה
המצברים מוכנסים לאמבטיות הממולאות במים כמעט עד גובה מכסה המצבר, ומסודרים כך שכל הקוטבים החיוביים פונים לצד אחד והשליליים לאחר. מחברים את כל המצברים למטענים ומטעינים אותם עד שהם טעונים במלואם. לכל סוג מצבר יש תוכנית וזמן טעינה ייחודים לו בהתאם לדרישות.
בתהליך הפורמציה תחמוצת העופרת PbO הופכת לדו-תחמוצת העופרת PbO2.
בסוף שלב הטעינה המשקל הסגולי של החומצה נע בין 1.25-1.28, בהתאם לטמפרטורה שבה המצבר צריך לתפקד. למשל, בארץ צריך משקל סגולי של 1.25, ובאירופה, שם קר יותר, מספיק 1.28. על הריכוז להיות גבוה מספיק על מנת לאפשר הולכה יונית טובה ולמלא את הדרישות האלקטרו-כימיות, אבל לא יותר מידי גבוה כדי לא לפגוע במעטפות ולגרום לקורוזיה של חלקים אחרים בתא, דבר אשר יקצר את אורך חיי המצבר ויגביר את קצב הפריקה העצמית.
גימור
לבסוף, כשהמצבר מוכן וטעון הוא עובר בדיקות חשמליות בכדי לוודא שהוא תקין. לאחר מכן מבוצע גימור לשיפור מראה המצבר, הכולל שטיפה, ייבוש והדבקת מדבקות בהתאם לצורך.
מצברים לאחר שלב הגימור
מצברים לאחר שלב הגימור, מוכנים למשלוח
תגובה כללית במצבר
תהליך פריקה כולל:
Pb+PbO2+2H2SO4 → 2PbSO4+2H2O
תהליך טעינה כולל:
2PbSO4+2H2O→ Pb+PbO2+2H2SO4
בזמן תהליך הפריקה – העופרת ודו-תחמוצת העופרת מגיבים עם החומצה וכתוצאה מכך נוצרים עופרת סולפתית ומים. כאשר עוברים למצב של טעינה מלאה, רוב העופרת הסולפתית PbSO4 מומרת חזרה לעופרת Pb ולדו-תחמוצת העופרת PbO2. אם ממשיכים לטעון את המצבר, מתח התא עולה ומתחיל תהליך של טעינת יתר, שבו נוצרים מימן וחמצן וכתוצאה מכך יש איבוד מים.
מתח התא הנומינלי של תא במצבר עופרת חומצה הוא 2V. המתח במעגל פתוח הוא פונקציה ישירה של המשקל הסגולי של החומצה הגופרתית, ונע בין2.125V לתא עם משקל סגולי של 1.28 לבין2.05V לתא עם משקל סגולי של 1.21.
בזמן תהליך פריקה – המשקל הסגולי של החומצה קטן בפרופורציה לקצב פריקת האמפר-שעה, ולכן באמצעות המשקל הסגולי של החומצה ניתן לדעת את מצב טעינת המצבר.
