લેડ-ઍસિડ સંગ્રાહક કોષ

લેડ-ઍસિડ સંગ્રાહક કોષ : લેડની તકતીઓ (plates) અને વિદ્યુતવિભાજ્ય તરીકે સલ્ફ્યુરિક ઍસિડ ધરાવતા વોલ્ટીય (voltaic) કોષોનો એવો સમુચ્ચય (assembly) કે જેમાં થતી વીજરાસાયણિક (electrochemical) પ્રક્રિયા પ્રતિવર્તી હોય. તેને વીજ-સંગ્રાહક (electric accumulator) અથવા દ્વિતીયક (secondary) બૅટરી પણ કહે છે. તે રાસાયણિક ઊર્જાનું વિદ્યુતમાં અને વિદ્યુત-ઊર્જાનું રાસાયણિક ઊર્જામાં પ્રતિવર્તી રૂપાંતર કરવાના સિદ્ધાંત ઉપર રચાયેલો કોષ છે. તેમાંથી વિદ્યુત-પ્રવાહ મેળવવામાં આવે ત્યારે રાસાયણિક પ્રક્રિયા થઈ રાસાયણિક ઊર્જાનું વિદ્યુત-ઊર્જામાં રૂપાંતર થાય છે. જ્યારે તેનું પુન:વીજભારણ (recharge) કરવામાં આવે ત્યારે વિદ્યુત-ઊર્જાનું રાસાયણિક ઊર્જામાં રૂપાંતર થાય છે. વ્યાપારી પ્રકારની સંગ્રાહક બૅટરીઓમાં તે અગત્યનું સ્થાન ધરાવે છે. 1859માં ફ્રેન્ચ ભૌતિકવિદ ગેસ્ટન પ્લાંટેએ લેડ-ઍસિડ બૅટરીની સૌપ્રથમ શોધ કરી હતી.

લેડ-ઍસિડ સંગ્રાહક કોષો આમ તો ઘણા પ્રકારના છે, પણ બધામાં કેટલાંક લક્ષણો સામાન્ય છે. આ પૈકીનું એક ધન લેડ પેરૉક્સાઇડ (PbO₂) વીજધ્રુવ અને ઋણ છિદ્રાળુ (spongy) લેડ (Pb) વીજધ્રુવને જ્યારે સલ્ફ્યુરિક ઍસિડ (H₂SO₄) + પાણીમાં ડુબાડવામાં આવે ત્યારે અસ્તિત્વમાં આવતું વિવૃત-પરિપથ (open-circuit) વીજચાલકબળ (electromotive force, emf) છે. આ મૂલ્ય લેડ, લેડ પેરૉક્સાઇડ અથવા વિદ્યુતવિભાજ્ય(H₂SO₄)ના જથ્થાથી સ્વતંત્ર છે; પણ તે તાપમાન તથા સલ્ફ્યુરિક ઍસિડની સાંદ્રતા પ્રમાણે બદલાય છે; દા.ત., 25° સે. તાપમાને 1.200 વિ.ઘ.એ તે 2.050 વૉલ્ટ અને 1.300 વિ.ઘ.એ 2.148 વૉલ્ટ માલૂમ પડે છે, તાપમાન સાથે જોકે તેનો ફેરફાર પ્રમાણમાં ઓછો હોય છે. [0.30 મિ. વૉલ્ટ/°સે. (1.200 વિ.ઘ.)થી 0.18 મિ. વૉલ્ટ/°સે. (1.300 વિ. ઘ.)].

સામાન્ય રીતે લેડ-ઍસિડ બૅટરી ત્રણથી છ કોષો ધરાવતા પ્લાસ્ટિક અથવા સખ્ત રબરના પાત્રની બનેલી હોય છે. દરેક કોષ જાલકસમ (lattice like) વીજધ્રુવો અથવા પ્લેટોના બે સેટ ધરાવે છે. આ સંરચના(structure)ની ગ્રિડ તરીકે ઓળખાતી ફ્રેમો લેડ-ઍન્ટિમની મિશ્રધાતુ (3 %થી 11 % Sb તથા થોડા પ્રમાણમાં ટિન)ની બનેલી હોય છે. કેટલીક વાર આ માટે 0.01 %થી 0.1  % કૅલ્શિયમ પણ વપરાય છે. ઋણ-વીજાગ્ર(negative electrode)ની જાળીઓ (meshes) (ખુલ્લી જગાઓ) છિદ્રાળુ સ્વરૂપ(spongy form)ના શુદ્ધ સીસાથી ભરવામાં આવે છે, જ્યારે ધન વીજાગ્રની જાળીઓ લેડ ડાયૉક્સાઇડ (PbO₂) ધરાવે છે. આ માટે ગ્રિડને લેડ ઑક્સાઇડ, સલ્ફ્યુરિક ઍસિડ અને પાણીની લૂગદી (paste) લગાવી તેનું પ્રક્રમણ (processing) કરતાં ધન પ્લેટ પર PbO₂ (ચૉકલેટી તપખીરિયા, chocolate-brown) રંગકો ઉત્પન્ન થાય છે, જ્યારે ઋણ પ્લેટ પર (રાખોડી રંગનું) છિદ્રાળુ લેડ ઉદભવે છે. બૅટરીમાં વિદ્યુતવિભાજ્ય તરીકે સલ્ફ્યુરિક ઍસિડ અને પાણી (30 % H₂SO₄) વાપરવામાં આવે છે.

બૅટરી વાપરવામાં આવે (તેનું વીજવિભારણ થાય) ત્યારે વીજધ્રુવો ઉપરના દ્રવ્ય અને વિદ્યુતવિભાજ્ય (સલ્ફ્યુરિક ઍસિડ) વચ્ચે પ્રક્રિયા થાય છે. ઋણ વીજધ્રુવ આગળ શુદ્ધ સીસા(Pb)ના પરમાણુઓ ઋણાત્મક સલ્ફેટ આયનો સાથે પ્રક્રિયા કરે છે. [સલ્ફ્યુરિક ઍસિડ પાણીમાં ઓગાળવામાં આવે ત્યારે તેનું વિયોજન થઈ હાઇડ્રોજન આયનો (H⁺) અને સલ્ફેટ આયનો ઉત્પન્ન થાય છે.] આ પ્રક્રિયા વખતે પ્રત્યેક લેડ પરમાણુ બે ઇલેક્ટ્રૉન ગુમાવે છે અને લેડ સલ્ફેટ(PbSO₄)નો અણુ ઉત્પન્ન થાય છે. ઋણ વીજધ્રુવ આગળની આ પ્રક્રિયા નીચે પ્રમાણે દર્શાવી શકાય :

મુક્ત થયેલા આ ઇલેક્ટ્રૉન વિદ્યુત-પ્રવાહ વાપરતા સાધનમાં થઈ ધન વીજધ્રુવ તરફ જાય છે. ધન વીજધ્રુવ આગળ તેઓ લેડ ડાયૉક્સાઇડ દ્વારા સ્વીકારાય છે અને તે હાઇડ્રોજન (H⁺) અને સલ્ફેટ આયનો સાથે પ્રક્રિયા કરી લેડ સલ્ફેટ અને પાણી ઉત્પન્ન કરે છે :

ધન અને ઋણ વીજધ્રુવો આગળ થતી પ્રક્રિયાનો સરવાળો કરવામાં આવે તો સંયુક્ત વીજવિભાર-પ્રક્રિયા મળે છે :

આમ બૅટરીના વપરાશ દરમિયાન સલ્ફ્યુરિક ઍસિડ વપરાય છે અને પાણી ઉત્પન્ન થાય છે. સમય જતાં સલ્ફ્યુરિક ઍસિડ એટલો બધો મંદ બની જાય છે કે જરૂરી રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓ થઈ શકતી નથી. બંને ધ્રુવો પર લેડ સલ્ફેટ ઉત્પન્ન થતો હોવાથી તેને દ્વિસલ્ફેટ બૅટરી પણ કહે છે.

જ્યારે બૅટરી વિદ્યુત આપવાની પોતાની ક્ષમતા ગુમાવી દે ત્યારે બૅટરી-ચાર્જર વડે તેને પુન: વીજભારિત કરી શકાય છે. બૅટરી-ચાર્જર બૅટરીમાં તેના વીજવિભારણની દિશા કરતાં ઊલટી દિશામાં ઇલેક્ટ્રૉનોને ધકેલે છે. આને લઈને બૅટરીના વીજવિભારણ વખતે થતી પ્રક્રિયાઓ કરતાં વિરુદ્ધ પ્રકારની પ્રક્રિયાઓ થાય છે. આ ઉત્ક્રમિત (reversed) પ્રક્રિયાઓ વીજધ્રુવના દ્રવ્યને પાછું મૂળ સ્વરૂપમાં લાવે છે અને વિદ્યુતવિભાજ્ય તરીકે રહેલા સલ્ફ્યુરિક ઍસિડના જથ્થામાં વધારો કરી તેને યોગ્ય સ્તરે લાવે છે. પુન: વીજભારિત થયા પછી બૅટરી વિદ્યુત-પ્રવાહ આપી શકે છે.

સૌર (solar) કોષોમાંથી મળતી ઊર્જાના સંગ્રહ માટેની લેડ-ઍસિડ બૅટરીનું આયુષ્ય 5થી 7 વર્ષનું હોય છે.

સંશોધન દ્વારા એક એવી લેડ-ઍસિડ બૅટરી વિકસાવવામાં આવી છે કે જેમાં સમયાંતરે પાણી ઉમેરવું પડતું નથી. આને સંભાળમુક્ત (maintenance free) બૅટરી કહે છે. તે સંપૂર્ણપણે સીલ કરેલી હોય છે. જોકે તેમાંથી વાયુઓ બહાર આવી શકે તે માટે તેમાં સલામતી વાલ્વ (safety valve) બેસાડેલો હોય છે. સામાન્ય લેડ-ઍસિડ બૅટરી કરતાં તે વધુ લાંબો સમય ચાલે છે, કારણ કે તેમાંની ગ્રિડ-લેડ કૅલ્શિયમ-ટિન મિશ્રધાતુની બનેલી હોય છે. લેડ-ઍન્ટિમની મિશ્ર ધાતુથી વિરુદ્ધ આ પદાર્થો બૅટરી વપરાશમાં ન હોય ત્યારે તેનું વીજ-વિભારણ થવા દેતા નથી.

લેડ-ઍસિડ બૅટરીના સમૂહમાં 1957માં એક અગત્યનો ઉમેરો થયો છે. તે છે વીજભારણક્ષમ (chargeable) શુષ્ક કોષ. આ બૅટરી આલ્કલી લેડ ઑક્સાઇડસિલ્વર પ્રણાલીની બનેલી હોય છે અને તેની ક્ષમતાને અસર કર્યા સિવાય વારંવાર ચાર્જ અને ડિસ્ચાર્જ કરી શકાય છે. તે ઊંચા તેમજ અતિ નીચા તાપમાને કામ આવી શકે છે તથા તેનું નિધાની-આયુ (shelf life) લાંબું હોય છે.

ચિત્રા સુરેન્દ્ર દેસાઈ