מצברים – סדר בדברים

ההבדל בין מצברי חומצה למצברי ליתיום


בעקבות מסע להחזרת אופנוע לכביש הגעתי לשלב המצבר וההתלבטויות, האם לרכוש מצבר רגיל, כלומר מצבר ג'ל-חומצה אשר גם שוקל 5 קילו, או מצבר ליתיום אשר אמור לספק ביצועים טובים יותר וגם שוקל פחות מקילוגרם אחד. אי לכך ובהתאם לזאת החלטתי להיכנס בעובי הקורה בכל הקשור למצברים והטכנולוגיה העומדת מאחוריהם וגם לשתף אתכם תוך כדי. לצערי הרב ההחלטה על איזה מצבר לרכוש הוכתבה לי על ידי "כוח עליון", לא, לא ההוא שכולם מתפללים אליו אלא כוח אחר ביורוקרטי, חזק לא פחות אבל על זה בהמשך.

אם פעם כל מה שהיה צריך באופנוע זה פלטינות, קבל ורגלית כדי להניע אזי היום אין לנו ברירה ובשביל להניע ולספק חשמל לכל המערכות החשמליות שהתווספו לנו, אנו צריכים את המצבר. אז הבה ונתחיל במסע להכרת המצבר ונתחיל כמובן עם קצת מידע בסיסי.

חתך מצבר חומצה

מצברים בעצם ממירים אנרגיה כימית לאנרגיה חשמלית. המצבר הוא תא המכיל מספר מחיצות אשר נקראות אלקטרודות הטבולות בתמיסת אלקטרוליטים, כלומר תמיסה המכילה יונים חיוביים ושליליים. הדוגמה הכי טובה לכך הוא מלח השולחן אשר נקרא גם נתרן כלוריד ובהמסתו במים נוצרים יוני נתרן חיוביים ויוני כלור שליליים. כאשר אנו טוענים או פורקים מצבר אנו בעצם גורמים ליונים להיצמד לאלקטרודות ובכך גורמים לתנועה של אלקטרונים אל תוך או מחוץ למצבר. במצברי החומצה הישנים, האלקטרודות היו עשויות מסגסוגת של עופרת ותמיסת האלקטרוליטים הכילה חומצה גופרתית, H2SO4. האלקטרודה החיובית במצבר עשויה מעין ספוג עופרת והאלקטרודה השלילית עשויה עופרת דו-חמצנית. כאשר המצבר עובד יוני הסולפט השליליים נעים אל עבר אלקטרודת העופרת החיובית ומגיבים אתה, כך נוצרים יוני מימן חיובים ואלקטרונים הנעים אל עבר האלקטרודה השלילית ויוצרים זרם חשמלי. בינתיים באלקטרודה השלילית, החמצן מהעופרת הדו-חמצנית מגיב עם יוני המימן והאלקטרונים ליצירת מים. על האלקטרודה החיובית מגיב הסולפט עם העופרת ונוצרת תרכובת של עופרת גופרתית. התהליך הנ"ל הוא הפיך כאשר טוענים את המצבר. בזמן הטעינה החמצן המשתחרר בתהליך פירוק המים נפלט חזרה לאוויר, ולכן כדי למנוע עודף לחץ בתוך המצבר היה במצברים הישנים צינור ניקוז עבור פליטת החמצן לאטמוספירה. במצבר חומצה, כל תא מייצר כשני וולט חשמל ולכן במצברי 12V של אופנועים יש שישה תאים כאלו.

אופן פעולת מצבר החומצה

עם השנים התפתחה הטכנולוגיה של מצברי החומצה וכיום הם כבר מגיעים סגורים ואטומים ואיננו צריכים לדאוג ולבדוק מדי פעם את רמת הנוזל בתאים. כיום תמיסת האלקטרוליטים מגיעה בצורת ג'ל ובתוך המצברים בין התאים ישנה שכבת פיברגלס אשר נועדה לקלוט את החמצן המשתחרר בזמן טעינת המצבר. אותו חמצן יגיב אח"כ עם יוני המימן, הנוצרים במהלך השימוש במצבר, ליצירת מים. גם במצברים אלו ישנו שסתום בטיחות אשר נפתח כאשר נוצר לחץ יתר במצבר כתוצאה מטעינת יתר. מצברי הג'ל כמובן חפים מכל עבודות תחזוקה בזמן השימוש בהם כמו מילוי מים, וכמובן היתרון הגדול ביותר שלהם הוא שהחומצה איננה נשפכת מהם כמו שהיה בעבר עם מצברי הנוזל.

מלבד גודלו הפיזי של המצבר והפוטנציאל החשמלי בוולט, חשוב לנו לדעת כמה זרם בשעה מפיק המצבר. הסימון Ah מתאר את יכולתו של המצבר לספק זרם למשך זמן מסוים, בדרך כלל זה נמדד עבור עשר שעות או עשרים שעות. לדוגמה, מצבר של Ah18 יספק זרם של 1.8 אמפר במשך 10 שעות. דבר חשוב נוסף שלרוב מצוין על מצברים הוא סימון CCA – COLD CRANKING AMPS, כלומר הזרם אשר מסוגל המצבר לספק בעת התנעה בטמפרטורות נמוכות. אופנוע תיור לדוגמה אשר מכיל הרבה אביזרים חשמליים נלווים כמו ידיות מחוממות וכדומה, יצרוך יותר חשמל מאשר אופנוע אנדורו. המצבר גם אמור להיות מסוגל לספק את הצריכה הגבוהה כאשר האופנוע עובד על סל"ד נמוך כמו בזמן עמידה ברמזור. לכן חשוב לבדוק בעת קניית מצבר גם את מדד ה-CCA.

הזכרנו מקודם שהמצברים האטומים חוסכים את התחזוקה שהייתה נהוגה במצברים הישנים שדרשו מילוי מדי פעם, אך עדיין גם אלה דורשים תשומת לב מדי פעם. חשוב להקפיד על מגעים נקיים לטובת הולכה אופטימלית. אם האופנוע עתיד לעמוד ללא שימוש לאורך זמן אזי מומלץ לנתק את המצבר כי גם במצב עמידה המצבר פורק את עצמו, אם כתוצאה מאזעקה או אפילו שעון זמן שנמצא בלוח השעונים. כאשר מצבר חומצה פורק את עצמו נוצרת שכבה של עופרת גופרתית על האלקטרודות. שכבה זו בעצם מצפה את האלקטרודות ובכך מקטינה את השטח הפעיל של האלקטרודה, ומכאן שהיא פוגמת ביעילות המצבר. התהליך הזה הוא הפיך כאשר טוענים את המצבר אבל לאורך זמן כאשר מצטברת שכבה עבה, זו כבר נשארת ובעצם מקצרת את חיי המצבר.

בעיה נוספת היא הפיכת החומצה למים וכאשר אלו קופאים הם תופסים נפח גבוה יותר ועלולים לשבור את קופסת המצבר. לכן על מנת למנוע את הבעיות הללו פשוט מומלץ לנתק את המצבר או לחבר אותו למטען מצברים "חכם" אשר "יודע" מתי המצבר מלא ומפסיק את הטעינה באופן אוטומטי, שומר את המצבר מלא ומונע פריקה שלו.

מצבר ג'ל ותמיסת האלקטרוליטים

מצברי ליתיום

בעשור האחרון פרצו לחיינו מצברי הליתיום והפכו מאוד פופולריים בשוק האפטרמרקט, בעיקר בגלל גודלם הקטן ומשקלם הנמוך לעומת מצברי החומצה, וגם בזכות יכולתם לשמור על המתח שלהם לאורך זמן רב יותר עד מספר חודשים ללא טעינה כלל. מצברי הליתיום נעשו עד כדי כך פופולריים שאפילו דוקאטי הייתה ליצרן הראשון המציע אופנוע המגיע מוכן מהמפעל עם מצבר ליתיום וזה הדוקאטי סופר-לגרה.

מצברי הליתיום, כשמם כן הם, בנויים מאלקטרודה חיובית העשויה מליתיום ואלקטרודה שלילית העשויה מפחם או גרפיט, שני האחרונים הם תצורות שונות של פחמן, השונות זו מזו בסידור המולקולרי של הפחמן, ותמיסת האקטרוליטים היא ממיס אורגני המכיל ליתיום. מצברי ה- ION-LITHIUM, מתייחסים לתהליך שבו יוני ליתיום נודדים מהאלקטרודה השלילית לחיובית בזמן פריקה או שימוש כאשר האלקטרונים שנוצרים עוברים למעגל ומייצרים זרם חשמלי. בזמן טעינה התהליך הוא בכיוון ההפוך. בממוצע, כל תא במצבר ליתיום מייצר כ-3.2 וולט  ולכן מספיקים רק ארבעה תאים על מנת לייצר 12.8 וולט סה"כ. מצברי הליתיום גם מכילים כמויות מסוימות של ניקל או ברזל או מנגן או קובלט. הנפוצים ביותר ברכבים חשמליים הם מצברי הליתיום-ברזל-פוספט, LiFePO4, התרכובת הזו יציבה יותר כימית ופחות מועדת לפורענות כתוצאה משינויי טמפרטורה אשר עלולים לגרום לשריפה בסופו של דבר.

מכאן נובע שהיתרון הגדול של מצבר ליתיום על מצבר חומצה הוא הצפיפות האנרגטית אשר מאפשרת למצבר הליתיום להיות קטן וקל בהרבה ממצבר החומצה כפי שכבר הזכרנו. גם מדד ה-CCA גבוה יותר במצברי ליתיום מאשר במצברי חומצה ועדיין למרות העמידות הגבוהה שלהם גם מצברי ליתיום יפרקו את עצמם בסופו של דבר, לכן שוראי ממליצים לטעון את המצבר אחת לכמה שבועות כדי לשמור עליו במידה הוא לא בשימוש.

אופן הפעולה של מצבר ליתיום

מצברי ליתיום מצריכים מעגל אלקטרוני המגן על התאים מטעינת יתר, פריקת יתר, מכת ברק וכן מטמפרטורות קיצוניות. כמו כן, המעגל מאזן בין התאים בזמן טעינה או פריקה. זהו אחד הגורמים המייקרים את מצברי הליתיום לעומת מצברי החומצה. דבר נוסף שנתקלתי בו לאחרונה הוא שחברות התעופה מסרבות להטיס מצברי וסוללות ליתיום כאשר אלו אינם מחוברים למכשיר אליו הם מיועדים. כך קרה לי רק שבוע שעבר כאשר הזמנתי סוללה חדשה לנייד באיביי, הכל עבר חלק עד שהסוללה הגיעה לחברת השילוח וזו החזירה את הפריט למוכר בטענה שהסוללה אסורה להטסה. מסתבר שבעקבות ההתרסקות שקרתה לא מזמן של מטוס נוסעים מצרי נאסר להטיס סוללות ליתיום כאשר הן אינן מחוברות למכשיר אליו הן מיועדות. הטענה של החוקרים היתה שהמטוס התרסק בעקבות התלקחות סוללות ליתיום שקנה טייס המשנה בפריז והביא אותן אתו לתוך תא הטייס. בגלל אותו "כוח עליון" הזמנתי לאופנוע שלי מצבר ג'ל. נכון שגם יצא חצי מחיר אבל הפיתוי למצבר קטן ובעיקר קל משקל עדיין קיים.

מצבר ליתיום והמעגל המווסת

3 תגובות למצברים – סדר בדברים

  1. תשמע, איבדתי אותך באלקטרוליטים. וממש סבלתי פיסקה שלמה עם הסולפטים והמימן ולאן כל אחד הולך ומי חבר של מי – https://youtu.be/acI12jO0HSQ
    אבל זה לא אתה זה אני. אני הייתי כותב בקצרה על ההבדלים בין חומצה לג'ל (כתבת, אבל כבר הייתי מותש כאמור מהכימיה)

    וגם מציין שסוללות ליתיום הינה קבוצה, אשר מכילה (בין היתר) ליתיום פולימר ומה ההבדלים בין הסוגים.

    https://en.wikipedia.org/wiki/Lithium-ion#Materials

    https://en.wikipedia.org/wiki/Lithium-ion_polymer_battery#Safety

    זוהי תגובה שלא כל כך חשבתי עליה או התעמקתי בנושא כך שיש סיכוי שיצאתי טמבל במשהו. עם הקוראים הסובלים הסליחה.

    • לא קשה להאבד בנושאים טכניים.

      צלחת את זה? – http://www.doogigim.co.il/?p=9669

      • חבוב אני תשעים ושתים בחמש יחידות בפיזיקה ניוטונית
        עוד מהימים שניוטון עוד היה חי (מאיפה אתה חושב ששלפתי את הקופיצנט?)
        אז שם לא התעמקתי, יותר מדי אבק הצטבר בתאים האפורים בשביל לנער אותו.

        פה ביקשתי (מבלי חלילה לזלזל) לאמ;לק (פור לגז גוד טו לגז בד. כאלה)

השאר תגובה

כתובת האימייל שלך לא תפורסם