לחלק א’ של הפרוייקט, לחץ כאן.

איך בנוי המצבר? כיצד הוא עובד? ומה גורם לו לסיים את חייו?

מצבר עפרת חומצה הינו מכשיר אלקטרוכימי משני שתפקידו הוא לאגור אנרגיה כימית ולחשרר אותה כאנרגיה חשמלית לפי דרישה. כאשר המצבר מחוברת לעומס חיצוני, לדוגמא מנוע, האנרגיה הכימית מומרת לאנרגיה חשמלית, וזרם ישר זורם דרך המעגל. מתוך כלל מצברי העפרת-חומצה שמיוצרים, כ88% הינם מצברי התנעה (65% מצברי התנעה לרכבים פרטיים, ו23% מצברי התנעה למכונות שונות, כגון אופנועים), 8% הינם מצברי פריקה עמוקה “זזים” (motive – כיסאות גלגלים, עגלות גולף, מלגזות) ו4% מצברי פריקה עמוקה “נייחים” (Stationary – מצברי גיבוי, לדוגמא). [מצברים למערכת סולאריות, נעים על הסקלה שבין ה”זזים” ל”נייחים”]

ייצור מצברים

לפי סדר חשיבות, ארבעת התפקידים העיקריים של מצברי SLI (התנעה, תאורה והצתה – Starting, Lighting and Ignition) הם:

1. להתניע מנוע
2. לסנן או לייצב את הזרם הישר (DC) שמגיע ממערכת ההטענה של הרכב (האלטרנטור, ברכב פרטי)
3. לספק כוח נוסף לצרכי תאורה, מערכות שמע ועוד אביזרים חשמליים שהעומס המשותף שלהם עולה על היכולת של מערכת הטעינה. תכונה זו באה לידי ביטוי במצב שהמנוע ברכב “מתבטל” או במשך נסיעות קצרות מלוות בעומס חשמלי גבוה כמו בנסיעה לילית במזג אוויר חורפי קשה
4. לספק מקור כוח למערכת החשמל של הרכב כשמערכת הטעינה לא מתפקדת או כבויה

מצבר התנעה לרכב איכותי יעלה בין $50 ל-$100, ובתנאי שיתוחזק כראוי יתפקד חמש שנים ואף יותר. בשנת 1927, מחיר מצבר התנעה טיפוסי עלה כ-$70. עם גידול של כ5% בשנה, מצברי עפרת-חומצה להתנעת כלי רכב מוערכים בכ63% מסך כל מכירות המצברים בעולם (שוק של כ$30 מיליארד דולר בשנה). בצפון אמריקה, ה-BCI מדווח כי 106.6 מליון מצברי התנעה לרכב נמכרו ב-2001, מהם כ-80% יועדו להחלפת מצברים ישנים, ו-20% יועדו לכלי רכב חדשים. נכון לשנת 2003, בEurobat מעריכים כי במערב אירופה 58.5 מליון מצברים ימכרו, מהם 71% להחלפת מצברים ישנים, והשאר לOEM (שזהOriginal Equipment Manufacturer). ב-2004, חברת Johnson Controls דיווחה כי 350 מליון מצברי התנעה יוצרו סה”כ בעולם, כשהיא היצרנית הגדולה בעולם עם 34%, ואחרי עוקבים Exide עם 14%, GS Yuasa עם 10%, Matsushita עם 4%, East Penn עם 3%, וכל השאר עם 35% סה”כ. במחקר שיווקי אחר שנערך ע”י Recharge, בשנת 2003 השוק העולמי הוערך ב30 מיליארד דולר, כש30% מתוכם היו מצברי SLI, ו15.3% מצברי פריקה עמוקה תעשייתיים.

התפקיד העיקרי של מצבר פריקה עמוקה הוא לספק כוח עבור כסאות גלגלים, עגלות חשמליות, עגלות גולף, מלגזות, מערכת גיבוי, ועוד אביזרים ליישומים ימיים, מסחריים ו”נייחים” [כמו מערכות סולאריות]. מצבר פריקה עמוקה רטוב טוב יעלה בין $50 ל-$300 ובתנאי שיתוחזק ויתופעל כראוי, יעניק לפחות 200 מעגלי פריקה-טעינה. להבנה מעמיקה בהבדלים בין מצבר התנעה למצבר פריקה עמוקה, ראו חלק ח’. Exide ו-EnerSys הן שתי היצרניות הגדולות בעולם של מצברי פריקה עמוקה, בהתאמה.

איך מצבר עובד?

מצבר עפרת חומצה במתח של 12V מורכב משישה תאים – כל תא מייצר 2.11V בקירוב – המחוברים בטור מההדק החיובי של התא הראשון, להדק השלילי של התא השני וכך הלאה.

כל תא מורכב ממיכל המכיל לוחות [לוחות עפרת, כיוון שאנו מדברים על מצברי עפרת-חומצה] חיוביים המחוברים כולם יחד, ולוחות שליליים המחוברים כולם יחד. הלוחות מסודרים לסירוגין, כשכל לוח שלילי מופרד משני הלוחות החיוביים משני צדדיו באמצעות לוח דק וחדיר אך מבודד חשמלית, המונע מהלוחות החיוביים והשליליים לקצר בינהם.

תצורת הלוחות הנפוצה ביותר בשימוש בימינו בנוייה מרשת מתכת שמחזיקה את העפרת הנקבובית אותה מורחים עליה [תמונה להדמייה: לוחות משחה]. אחרי ההתקשות של הלוחות, הם מופרדים לתאים, וכל תא מוכנס לתוך קופסה קשיחה המיוצרת מגומי קשה או מHDPE (פוליפרופילן בצפיפות גבוהה – High-density Polypropylene). הלוחות החיוביים מחוברים בכל תא מחוברים במקביל לההדק (החיצוני) החיובי של התא, והשליליים מחוברים במקביל להדק (החיצוני) השלילי של התא [תצורה נפוצה זו היא תצורת מצברי התנעה, כמו שתבינו בהמשך]

[מקור: Eurobat]

[מקור: US Department of Energy]

סוגים נוספים של תצורת מצבר הם: ספירלה (Spiral wound), לוחות צינוריים (טובולאריים – Tubular), או לוחות עפרת מוצקה שטוחים (פריזמתיים – מנסרתיים). במצב כזה הקופסא נאטמת וממולאת באלקטרוליט של חומצה גפרתית (Sulfuric Acid) מדוללת [כ-30% חומצה, מדוללת ב70% מים מזוקקים]. את המצבר טוענים הטענה התחלתית [אחרי ההצפה באלקטרוליט, כשזה יבש אין צורך עדיין] על מנת להמיר את העפרת חד-חמצנית (Lead Oxide – PbO) שבלוחות החיוביים לעפרת דו-חמצנית (Lead Preoxide -PbO2). החומר הפעיל בלוחות השליליים הופכים לעפרת (Pb) והם נקבוביים במכוון. יש היוצרים סגסגות שונות עם סידן (Ca) או Antimony (Sb) על מנת לשפר את הביצועים או להאריך את זמן השירות. מצברים רטובים מיוצרים ונשלחים ללא אלקטרוליט, וזאת על מנת לחסוך בצורך לתחזק את המצבר ולשמור אותו טעון עד לתאריך המכירה, ולמנוע קיצור של אורך חייו של המצבר [מצבר מתחיל לספור את ימיו מהרגע הראשון שבו מוסיפים חומצה ללוחות, בלי קשר לאיכות התחזוקה]. כשהמצבר נמכר, מוסיפים את האלקטרוליט וטוענים את ההטענה ההתחלתית.

[מקור: BCI]

[מקור: US Department of Energy]

[מקור: US Department of Energy]

שתי תכונות משמעותיות בתכנון תצורת המצבר הן נקבוביות ודיפוזיה. נקבוביות מתייחסת לחורים ולתעלות בלוח שמאפשרים לחומצה הגפרתית להגיע לפנים הלוח [שטח פנים גדול]. דיפוזיה מתייחסת לפיזור ולערבוב של תערובת הנוזל במצבר. כאשר המצב בשימוש, החומצה הטריה צריכה להיות במגע ישיר עם הלוח עצמו, ועל המים שמיוצרים למצואר את הדרך המהירה ביותר הרחק מהלוחות. ככל שהנקבוביות רבה יותר וככל שהאלקטרוליט חם יותר, הדיפוזיה טובה יותר.

[מקור: Varta]

איך מצבר [עפרת חומצה] עובד?

המשוואה הכימית לתהליך הפריקה של מצבר עפרת חומצה:

PbO2 + Pb + 2H2SO4 → 2PbSO4 + H2O

המשוואה הכימית לתהליך הטעינה של מצבר עפרת חומצה (תהליך הופכי לתהליך הפריקה):

2PbSO4 + H2O → PbO2 + Pb + 2H2SO4

מצבר בנוי משתי לוחות עפרת, כאשר הלוח החיובי מורכב מעפרת דו-חמצנית (PbO2), והלוח השלילי מורכב מעפרת (Pb) “ספוגית” [נקבובית]. הלוחות טבולים באלקטרוליט – חומצה גפרתית (H2SO4) מדוללת. הרכב הלוחות והאלקטרוליט קובעים את המתח של התא. מצבר עפרת-חומצה טיפוסי אשר טעון במלואו יייצר 2.11V בקירוב, לכל תא. הריאקציה הכימית בין המתכות והאלקטרוליט יוצרת את האנרגיה החשמלית. אנרגיה זורמת מהמצבר ברגע שעומס כלשהו, למשל מנוע הסרטר ברכב, משלים מעגל חשמלי בין ההדק החיובי, המחובר ללוחות החיוביים, לבין ההדק השלילי, המחובר ללוחות השליליים. זרם חשמלי זורם כחלקיקים טעונים (יונים) של חומצה, בין לוחות המצבר וכאלקטרונים דרך המעגל החשמלי. פעולת המצבר נקבעת ע”י ההרכב הכימי של רכיבי המצבר, מצב הטעינה (SoC), טמפרטורה, נקבוביות, דיפוזיה ועומס. מעגל פריקה-טעינה במצבר מוגדר כפריקה אחת ואז טעינה אחת (מקסימלית).

פירוט מפורט יותר על כיצד מצבר עובד ניתן למצוא באתר הBCI ב-http://www.batterycouncil.org/works.html.

מדוע מצברים מסיימים את חייהם?

כשהחומר הפעיל בלוחות מאבד את היכולת להחזיק זרם פריקה, המצבר מסיים את חייו. בדרך כלל מצבר התנעה מזדקן כשהלוח החיובי מתפורר עקב תופעת ההתרחבות וההתכווצות שמלוות את מעגלי הפריקה והטעינה. תופעה זו גורמת לאובדן קיבולת של הלוח, ולמשקע חום, שמצטבר בתחתית התא החשמלי, ולבסוף מקצר את לוחות התא ומוציא אותו מכלל פעולה, מצב שימית את המצבר ברגע שהקצר מתרחש. במזג אוויר חם, תופעות נוספות לכשל המצבר הינן התעבות הרשת החיובית, קרוזויה ברשת החיובית, התכווצות הרשת השלילית, Buckling of plates? או אבדן מים. פריקות עמוקות, חום, תזוזות, טעינה מהירה וטעינת יתר [ראו טעינת יתר במילון המונחים], כל אלו מאיצים את תהליך ההזדקנות של המצבר. כ-50% ממצברי ההתנעה שסיימו את חייהם בטרם עת הגיעו למצב זה ע”י אבדן מים, על אף פריקה-טעינה מתקבלת על הדעת, עקב תחזוקה לקויה, אידוי גבוה שמקורו בחום הגבוה שמתחת למכסה המנוע, או טעינת יתר. התעבות הרשת החיובית וטעינה לא מספקת (שגורמת לסולפציה) גם אחראיות לכשלים של מצברים בטרם עת.

בדרך כלל מצברי פריקה עמוקה בתחזוקה נאותה יסיימון את חייהם עקב קורוזיה ברשת החיובית שתיצור לבסוף נתק. ההתפוררות של חומר אקטיבי היא סיבה נוספת. אם מצבר פריקה עמוקה מונח במצב פריקה לתקופת זמן ארוכה, קצרים [כמו קצרים בדנדריטים עקב התפוררות הבידוד המיאלין, ראה דנדריט] עלולים להווצר בין הלוחות כשנחזור ונטען את המצבר. הגשר בעל ההתנגדות הנמוכה בתא המקצר יתחמם וירתיח את האלקטרוליט, כך שייוצרו נפחים גדולים של מימן וחמצן. זאת הסיבה מדוע אוורור ראוי הוא כל-כך חשוב כשפורקים מצברים. כ-85% מהכשלים במצברי הפריקה העמוקה ומצברי ההתנעה שלא נטענו מחדש על בסיס קבוע נגרמים על ידי הצטברות של סולפציה.

סולפציה מתחילה להתרחש ברגע שמצב הטעינה (State-of-Charge) יורד מ-100% לזמן ארוך ללא טעינה מחודשת. גבישי סולפט עופרת קשים ממלאים את הנקבוביות ומצפים את הלוחות [ראו חלק טז’ למידע נוסף אודות סולפציה]. הניסיון לטעון מצבר אשר נמצא במצב של סולפציה משול לניסיון לשטוף ידיכם כאשר את עוטים כפפות.

במחקר של Johnson Controls התגלה כי במזג אוויר חם, הסביבה הכי פחות מועדפת על המצבר שלכם, אורך החיים הממוצע של מצבר רכב הוא 37 חודשים. במחקר אחר של BCI, שהתמקד בצפון אמריקה, אורך החיים הממוצע הגיע ל-48 חודשים. מחקר נוסף של Interstate Batteries הראה אורך חיים ממוצע של 30 חודשים, באקלים חם. אם המצבר הרכב שלכם בן יותר משלוש שנים והנכם חיים באזור בעל אקלים חם, ככל הנראה המצבר שלכם חי על זמן שאול. הזרמה נמוכה במיוחד, בעיקר ביום קר, היא עוד אינדיקציה לכך שהמצבר שלכם דועך. במצב כזה יש לטעון טעינה חיצונית, להסיר את מתח הפנים ולעשות מבחן עומס.

בד”כ מצברים מתים ברגעים שבהם הכי פחות נוח לכם שהם ימותו. כשחושבים על זה כך, יש סיכוי טוב שתבזבזו עלות של מצבר חדש ויותר בהזמנת גרר או נסיעת מונית.

רוב המצברים ה”דפוקים” שמוחזרים ליצרן כשהם עדיין עומדים בהתחייבות של האחריות להחליף את המצבר הינם בסדר גמור, עובדה שמעלה את הרעיון שחלק ממוכרי המצברים לא יודעים איך או נכשלים בטעינת המצבר בצורה נאותה והבאתו תחת מבחן עומס ראוי. נושא זה הולך ומשתפר עם התפשטות השימוש של מכשירים פשוטים וזולים לבדיקת תקינות המצבר שמיוצרים על ידי Cadex, Midtronics, ו-Argus.  במכשירים אלו משתמשים על מנת לנבא את הקיבולת של המצבר מבלי להזדקק לטעון אותו קודם לכן במלואו.

מדוע רכבים מוארכים אל הקוטב השלילי?

התשובה הטובה ביותר לשאלה זו מגיעה מספר רכב לרולס-רויס משנת 1978:

“…נמצא כי כלי רכב המוארקים אל הקוטב החיובי נוטים לסבול מקורוזיה בגוף הרכב ובשלדה באופן משמעותי יותר מאפשר אלו המוארקים אל הקוטב השלילי. הסיבה היא פשוטה מאוד, שכן קורוזיה מתכתית הינה תהליך אלקטרוליטי שבו האלקטרודה החיובית (האנודה) נשחקת לטובת האלקטרודה השלילית (הקטודה). התופעה הזו באה לידי ביטוי גם ב”הגנה הקטודית” בה ספינות פלדה וצינורות תת-קרקעיים עשו שימוש במתכות פחות אצילות או יותר אלטרו-שליליות כמו מגנזיום או אלומיניום לצורך “ההקרבה” הקורוזית…”

למידע נוסף אודות הגנה קטודית, יש לקרוא את המאמר של רוג’ר אלכסדנר – “An idiots guide to cathodic protection”, או את המאמר של כריס גיבסון – “What is Galvanic Erosion, is it serious and can it be prevented? for metal boat hulls”. משנת 1965, כל המשאיות וכלי הרכב, מלבד מטרופוליטן, עושים שימוש בהארקה שלילית [ככל שאני יודע, גם בארץ]. למידע נוסף אודות מערכות הארקה בהם משתמשים ברכבים צפון אמריקאים, יש לעיין באתר זה.