بطارية VRLA

بطارية الرصاص الحمضية المنظمة بصمام ( VRLA ) ، والمعروفة باسم بطارية الرصاص الحمضية المغلقة ( SLA ) ، ^{[ 1 ]} هي نوع من بطاريات الرصاص الحمضية تتميز بكمية محدودة من الإلكتروليت ("إلكتروليت ناقص") ممتصة في فاصل الألواح أو مُشكّلة على هيئة هلام، ونسبة الألواح السالبة والموجبة بحيث يتم تسهيل إعادة تركيب الأكسجين داخل الخلية ، ووجود صمام أمان يحتفظ بمحتويات البطارية بغض النظر عن موضع الخلايا. ^{[ 2 ]}

يوجد نوعان رئيسيان من بطاريات الرصاص الحمضية ذات الصمام المنظم (VRLA): بطاريات الألياف الزجاجية الماصة ( AGM ) وبطاريات الجل . ^{[ 3 ]} تُضاف جزيئات السيليكا إلى الإلكتروليت في بطاريات الجل، مما يُشكّل مادة هلامية سميكة تشبه المعجون. أما بطاريات AGM، فتتضمن شبكة من الألياف الزجاجية بين ألواح البطارية، تحتوي على الإلكتروليت وتفصل بين الألواح. ولكل نوع من بطاريات VRLA مزايا وعيوب مقارنةً ببطاريات الرصاص الحمضية السائلة ذات التهوية (VLA) أو مقارنةً ببعضها البعض. ^{[ 4 ]}

بفضل تصميمها، يمكن تركيب بطاريات الرصاص الحمضية المنظمة بصمام (VRLA) من نوعي الخلايا الهلامية وAGM بأي اتجاه، ولا تتطلب صيانة دورية. إلا أن مصطلح "خالية من الصيانة" ليس دقيقًا تمامًا، إذ لا تزال بطاريات VRLA بحاجة إلى التنظيف واختبارات الأداء المنتظمة. وتُستخدم هذه البطاريات على نطاق واسع في الأجهزة الكهربائية المحمولة الكبيرة، وأنظمة الطاقة خارج الشبكة (بما في ذلك أنظمة الطاقة غير المنقطعة )، والمركبات (كبطاريات جر للمركبات الكهربائية الخفيفة مثل عربات الغولف ، وكبطاريات تشغيل أو بطاريات مساعدة للمركبات الثقيلة)، وغيرها من التطبيقات المشابهة، حيث تكون هناك حاجة إلى سعة تخزين كبيرة بتكلفة أقل من تقنيات أخرى قليلة الصيانة مثل بطاريات الليثيوم أيون .

تم اختراع أول بطارية هلامية من الرصاص الحمضي بواسطة شركة Elektrotechnische Fabrik Sonneberg في عام 1934. ^{[ 5 ]} تم اختراع بطارية الهلام الحديثة، أو VRLA، بواسطة Otto Jache من Sonnenschein في عام 1957. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

كانت أول خلية AGM هي Cyclon، التي حصلت شركة Gates Rubber Corporation على براءة اختراعها في عام 1972 ويتم إنتاجها الآن بواسطة EnerSys . ^{[ 8 ]}

كانت خلية سايكلون عبارة عن خلية ملفوفة حلزونياً بأقطاب كهربائية رقيقة من رقائق الرصاص. وقد تبنى عدد من المصنّعين هذه التقنية لتطبيقها في خلايا ذات ألواح مسطحة تقليدية. في منتصف ثمانينيات القرن الماضي، طرحت شركتان بريطانيتان، هما مجموعة كلورايد وتونغستون برودكتس، بطاريات AGM "ذات عمر افتراضي يصل إلى عشر سنوات" بسعات تصل إلى 400  أمبير/ساعة، وذلك استجابةً لمواصفات شركة الاتصالات البريطانية (بريتيش تيليكوم) لبطاريات احتياطية لدعم المقاسم الرقمية الجديدة.

في الفترة نفسها، استحوذت شركة غيتس على شركة بريطانية أخرى، هي فارلي، المتخصصة في بطاريات الطائرات والبطاريات العسكرية. قامت فارلي بتطوير تقنية رقائق الرصاص سايكلون لإنتاج بطاريات مسطحة ذات معدل إنتاج عالٍ استثنائي. وقد حظيت هذه البطاريات بموافقة مجموعة متنوعة من الطائرات، بما في ذلك طائرات رجال الأعمال BAE 125 و 146 ، وطائرة هارير النفاثة ذات الإقلاع والهبوط العمودي ومشتقتها AV-8B ، وبعض طرازات F16 ، كأول بديل لبطاريات النيكل والكادميوم (Ni-Cd) القياسية آنذاك . ^{[ 6 ]}

تتكون خلايا الرصاص الحمضية من لوحين من الرصاص، يعملان كقطبين كهربائيين ، معلقين في محلول إلكتروليتي مكون من حمض الكبريتيك المخفف . أما خلايا الرصاص الحمضية المنظمة بصمام (VRLA) فلها نفس التركيب الكيميائي باستثناء أن الإلكتروليت يكون مثبتًا. في بطاريات الرصاص الحمضية المغلفة بالهواء (AGM)، يتم ذلك باستخدام حصيرة من الألياف الزجاجية؛ أما في بطاريات الهلام أو "خلايا الهلام"، فيكون الإلكتروليت على شكل هلام يشبه المعجون، يتم تكوينه بإضافة السيليكا وعوامل تبلور أخرى إلى الإلكتروليت. ^{[ 9 ]}

عند تفريغ خلية البطارية، يتفاعل الرصاص والحمض المخفف كيميائيًا، مُنتجًا كبريتات الرصاص والماء. وعند شحن الخلية لاحقًا، تتحول كبريتات الرصاص والماء مرة أخرى إلى رصاص وحمض. في جميع تصميمات بطاريات الرصاص الحمضية، يجب ضبط تيار الشحن ليتناسب مع قدرة البطارية على امتصاص الطاقة. إذا كان تيار الشحن مرتفعًا جدًا، سيحدث التحليل الكهربائي ، مُفككًا الماء إلى هيدروجين وأكسجين، بالإضافة إلى التحويل المقصود لكبريتات الرصاص والماء إلى ثاني أكسيد الرصاص والرصاص وحمض الكبريتيك (عكس عملية التفريغ). إذا سُمح لهذه الغازات بالتسرب، كما هو الحال في الخلية التقليدية المغمورة، فستحتاج البطارية إلى إضافة الماء (أو الإلكتروليت) من حين لآخر. في المقابل، تحتفظ بطاريات الرصاص الحمضية المنظمة بصمام (VRLA) بالغازات المتولدة داخلها طالما بقي الضغط ضمن المستويات الآمنة. في ظل ظروف التشغيل العادية، يمكن للغازات أن تتحد مجددًا داخل البطارية نفسها، أحيانًا بمساعدة عامل حفاز، ولا حاجة إلى إلكتروليت إضافي. ^{[ 10 ] [ 11 ]} مع ذلك، إذا تجاوز الضغط حدود الأمان، تُفتح صمامات الأمان للسماح للغازات الزائدة بالخروج، وبذلك تُعيد تنظيم الضغط إلى مستويات آمنة (ومن هنا جاءت تسمية "منظم بالصمام" في "VRLA"). ^{[ 12 ]}

تحتوي كل خلية في بطارية VRLA على صمام لتخفيف الضغط يتم تفعيله عندما تبدأ البطارية في توليد ضغط غاز الهيدروجين، وهو ما ينتج عادةً عن إعادة الشحن. ^{[ 12 ]}

تحتوي أغطية الخلايا عادةً على موزعات غاز مدمجة، تسمح بتصريف آمن لأي هيدروجين زائد قد يتكون أثناء الشحن الزائد . وهي ليست محكمة الإغلاق بشكل دائم، ولكنها مصممة لتكون خالية من الصيانة. يمكن توجيهها بأي شكل، على عكس بطاريات الرصاص الحمضية العادية، التي يجب إبقاؤها في وضع رأسي لتجنب انسكاب الحمض وللحفاظ على وضع الألواح عموديًا. يمكن تشغيل الخلايا مع وضع الألواح أفقيًا (على شكل قرص )، مما قد يحسن من عمر دورة الشحن والتفريغ. ^{[ 13 ]}

تختلف بطاريات AGM عن بطاريات الرصاص الحمضية التقليدية في أن الإلكتروليت يُحفظ داخل طبقات زجاجية، بدلاً من أن يغمر الألواح بحرية. تُنسج ألياف زجاجية دقيقة في طبقة لزيادة مساحة السطح بما يكفي لحمل كمية كافية من الإلكتروليت على الخلايا طوال عمرها الافتراضي. لا تمتص الألياف المكونة للطبقة الزجاجية الدقيقة الإلكتروليت الحمضي ولا تتأثر به. تُعصر هذه الطبقات بنسبة 2-5% بعد نقعها في الأحماض مباشرةً قبل عملية التصنيع النهائية.

قد تتخذ ألواح بطارية AGM أشكالاً مختلفة. فبعضها مسطح، بينما يكون البعض الآخر مثنياً أو ملفوفاً. وتُصنع بطاريات AGM، بنوعيها: بطاريات الدورة العميقة وبطاريات بدء التشغيل، داخل غلاف مستطيل وفقاً لمواصفات قانون بطاريات المجلس الدولي للبطاريات (BCI).

تتميز بطاريات AGM بمقاومة أكبر للتفريغ الذاتي مقارنة بالبطاريات التقليدية ضمن نطاق واسع من درجات الحرارة. ^{[ 14 ]}

كما هو الحال مع بطاريات الرصاص الحمضية، ولإطالة عمر بطارية AGM، من المهم اتباع مواصفات الشحن الخاصة بالشركة المصنعة. يُنصح باستخدام شاحن مُنظّم الجهد . ^{[ 15 ]} توجد علاقة طردية بين عمق التفريغ (DOD) وعمر دورة البطارية، ^{[ 16 ]} حيث يتراوح عمر الدورة بين 500 و1300 دورة، اعتمادًا على عمق التفريغ.

في الأصل، تم إنتاج نوع من بطاريات الجل في أوائل ثلاثينيات القرن العشرين لتزويد أجهزة الراديو المحمولة ذات الصمامات (الأنابيب) بجهد منخفض (2 أو 4 أو 6  فولت) عن طريق إضافة السيليكا إلى حمض الكبريتيك. ^{[ 17 ]} في ذلك الوقت، بدأ استبدال الغلاف الزجاجي بالسيلولويد، ثم لاحقًا، في ثلاثينيات القرن العشرين، بأنواع أخرى من البلاستيك. استخدمت الخلايا "الرطبة" السابقة في مرطبانات زجاجية صمامات خاصة للسماح بالإمالة من الوضع الرأسي إلى وضع أفقي واحد، وذلك في الفترة ما بين عامي 1927 و1931 أو 1932. ^{[ 18 ]} كانت خلايا الجل أقل عرضة للتسرب عند التعامل مع الجهاز المحمول بخشونة.

البطارية الهلامية الحديثة هي بطارية VRLA ذات إلكتروليت هلامي ؛ حيث يُخلط حمض الكبريتيك مع السيليكا المدخنة ، مما يجعل الكتلة الناتجة هلامية وغير متحركة. على عكس بطارية الرصاص الحمضية السائلة، لا تحتاج هذه البطاريات إلى وضعها في وضع رأسي. تقلل البطاريات الهلامية من تبخر الإلكتروليت، والانسكاب (وما يتبعه من مشاكل التآكل ) الشائعة في البطاريات السائلة، وتتميز بمقاومة أكبر للصدمات والاهتزازات . من الناحية الكيميائية، فهي تكاد تكون مطابقة للبطاريات السائلة (غير المغلقة) باستثناء استبدال الأنتيمون في ألواح الرصاص بالكالسيوم ، مما يسمح بإعادة اتحاد الغازات.

تستخدم العديد من الدراجات النارية الحديثة ومركبات الطرق الوعرة بطاريات AGM لتقليل احتمالية تسرب الحمض أثناء الانعطاف أو الاهتزاز أو بعد الحوادث، ولأسباب تتعلق بالتصميم. يمكن تركيب هذه البطارية الأخف وزنًا والأصغر حجمًا بزاوية غير معتادة إذا اقتضت متطلبات تصميم الدراجة النارية ذلك. ونظرًا لارتفاع تكاليف تصنيعها مقارنةً ببطاريات الرصاص الحمضية التقليدية، تُستخدم بطاريات AGM في المركبات الفاخرة. ومع ازدياد وزن المركبات وتجهيزها بمزيد من الأجهزة الإلكترونية مثل أنظمة الملاحة والتحكم في الثبات ، يتم استخدام بطاريات AGM لتقليل وزن المركبة وتوفير موثوقية كهربائية أفضل مقارنةً ببطاريات الرصاص الحمضية التقليدية.

تستخدم سيارات BMW الفئة الخامسة، بدءًا من مارس 2007، بطاريات AGM بالتزامن مع أجهزة استعادة طاقة الكبح باستخدام الكبح المتجدد والتحكم الحاسوبي لضمان شحن المولد للبطارية أثناء تباطؤ السيارة. وقد تستخدم سيارات السباق بطاريات AGM نظرًا لمقاومتها للاهتزازات. كما تُستخدم بطاريات AGM بكثرة في السيارات الكلاسيكية، لأنها أقل عرضة لتسرب الإلكتروليت، مما قد يُلحق الضرر بألواح الهيكل التي يصعب استبدالها.

تُستخدم بطاريات AGM ذات الدورة العميقة بشكل شائع في محطات الطاقة الشمسية وطاقة الرياح خارج الشبكة كبنك لتخزين الطاقة وفي الروبوتات الهواة واسعة النطاق ، مثل مسابقات FIRST و IGVC .

تُختار بطاريات AGM بشكل روتيني لأجهزة الاستشعار عن بُعد، مثل محطات مراقبة الجليد في القطب الشمالي . ونظرًا لعدم احتوائها على إلكتروليت حر، فإن بطاريات AGM لا تتشقق ولا تتسرب في هذه البيئات الباردة.

تُستخدم بطاريات VRLA على نطاق واسع في الكراسي المتحركة الكهربائية والدراجات البخارية الكهربائية، نظرًا لانخفاض انبعاثات الغاز والحمض فيها، مما يجعلها أكثر أمانًا للاستخدام الداخلي. كما تُستخدم أيضًا في أنظمة الطاقة غير المنقطعة كنسخة احتياطية عند انقطاع التيار الكهربائي.

تُعدّ بطاريات الرصاص الحمضية المنظمة بالصمام (VRLA) مصدر الطاقة القياسي في الطائرات الشراعية، نظرًا لقدرتها على تحمّل أوضاع طيران متنوعة ونطاق واسع نسبيًا من درجات الحرارة المحيطة. مع ذلك، يجب تعديل أنظمة الشحن بما يتناسب مع درجات الحرارة المتغيرة. ^{[ 20 ]}

تُستخدم بطاريات الرصاص الحمضية المنظمة بصمام (VRLA) في أسطول الغواصات النووية الأمريكية، نظرًا لكثافة الطاقة العالية التي تتميز بها، والقضاء على انبعاث الغازات، وتقليل الصيانة، وتعزيز السلامة. ^{[ 21 ]}

تُستخدم بطاريات AGM وبطاريات الخلايا الهلامية أيضًا في الأغراض البحرية الترفيهية، مع شيوع استخدام بطاريات AGM. وتُقدم العديد من الشركات الموردة بطاريات AGM البحرية ذات دورة الشحن والتفريغ العميق. وعادةً ما تُفضل هذه البطاريات لسهولة صيانتها ومقاومتها للتسرب، على الرغم من أنها تُعتبر عمومًا أقل فعالية من حيث التكلفة مقارنةً بالبطاريات التقليدية المغمورة.

في تطبيقات الاتصالات، يُوصى باستخدام بطاريات الرصاص الحمضية المنظمة بالصمامات (VRLA) التي تتوافق مع معايير وثيقة متطلبات شركة Telcordia Technologies رقم GR-4228 ، "مستويات اعتماد سلاسل بطاريات الرصاص الحمضية المنظمة بالصمامات (VRLA) بناءً على متطلبات السلامة والأداء"، في المنشآت الخارجية في مواقع مثل غرف التحكم البيئي، وحاويات المعدات الإلكترونية، والأكواخ، وفي الهياكل غير الخاضعة للتحكم مثل الخزائن. وبالمقارنة مع بطاريات VRLA في مجال الاتصالات، يُعد استخدام معدات قياس المقاومة الأومية (OMTE) الخاصة ببطاريات VRLA، وما شابهها من معدات القياس، عملية حديثة نسبيًا لتقييم محطات بطاريات الاتصالات. ^{[ 22 ]} ويتيح الاستخدام السليم لمعدات اختبار المقاومة الأومية اختبار البطاريات دون الحاجة إلى إخراجها من الخدمة لإجراء اختبارات تفريغ مكلفة وتستغرق وقتًا طويلاً.

توفر بطاريات VRLA الجل وبطاريات AGM العديد من المزايا مقارنةً ببطاريات VRLA الرصاصية السائلة وبطاريات الرصاص الحمضية التقليدية . يمكن تركيب البطارية في أي وضع، حيث لا تعمل الصمامات إلا في حالة حدوث أعطال ناتجة عن زيادة الضغط. ولأن نظام البطارية مصمم لإعادة التركيب ومنع انبعاث الغازات عند الشحن الزائد، تقل متطلبات تهوية الغرفة، ولا تنبعث أبخرة حمضية أثناء التشغيل العادي. انبعاثات الغازات من الخلايا السائلة ضئيلة الأهمية في جميع الأماكن باستثناء أصغرها، ولا تشكل خطرًا يُذكر على المستخدم المنزلي، لذا فإن بطارية الخلايا السائلة المصممة لعمر طويل توفر تكاليف أقل لكل كيلوواط ساعة. في بطارية الجل، يكون حجم الإلكتروليت الحر الذي يمكن إطلاقه عند تلف الغلاف أو حدوث تسريب ضئيلًا جدًا. لا حاجة (أو إمكانية) لفحص مستوى الإلكتروليت أو إضافة الماء المفقود بسبب التحليل الكهربائي، مما يقلل من متطلبات الفحص والصيانة. ^{[ 23 ]} يمكن صيانة بطاريات الخلايا السائلة بواسطة نظام ري ذاتي أو عن طريق إضافة الماء كل ثلاثة أشهر. عادةً ما يكون سبب الحاجة إلى إضافة الماء المقطر هو زيادة الشحن. ولا ينبغي أن يتطلب النظام المنظم جيداً إضافة الماء أكثر من مرة كل ثلاثة أشهر.

• قائمة أنواع البطاريات
• بطارية رملية
• قانون بيوكيرت – قانون السعة في بطاريات الرصاص الحمضية 

• لماذا أحتاج إلى بطارية خاصة لنظام التشغيل والإيقاف التلقائي؟، منشور من قبل فارتا
• مزايا وعيوب بطاريات AGM ، منشورة من قبل Lifeline