Bly -syrebatteri - Lead–acid battery

Bly -syre batteri

Bilbatteri i blysyre
Specifik energi	35–40 Wh / kg
Energitæthed	80–90 Wh / L
Specifik kraft	180 W / kg
Oplade/afladningseffektivitet	50–95%
Energi/forbrugerpris	7 ( sld ) til 18 ( fld ) Wh /US $
Selvudladningshastighed	3–20%/måned
Cyklus holdbarhed	<350 cyklusser
Nominel cellespænding	2.1 V
Opladningstemperaturinterval	Min. −35 ° C, maks. 45 ° C

Den blysyrebatteri er en type genopladeligt batteri først opfundet i 1859 af fransk fysiker Gaston Plante . Det er den første type genopladeligt batteri, der nogensinde er skabt. I forhold til moderne genopladelige batterier har bly-syrebatterier en relativt lav energitæthed. På trods af dette betyder dets evne til at levere høje overspændingsstrømme , at cellerne har et relativt stort effekt-til-vægt-forhold . Disse funktioner, sammen med deres lave omkostninger, gør dem attraktive til brug i motorkøretøjer for at levere den høje strøm, der kræves af startmotorer .

Da de er billige i forhold til nyere teknologier, bruges bly-syrebatterier i vid udstrækning, selv når overspændingsstrøm ikke er vigtig, og andre designs kan give højere energitætheder . I 1999 tegnede salget af blybatterier sig for 40–50% af værdien fra batterier, der blev solgt på verdensplan (eksklusive Kina og Rusland), svarende til en markedsværdi på ca. 15 mia. Storformat bly-syredesign bruges i vid udstrækning til opbevaring i backup-strømforsyninger i mobiltelefontårne , indstillinger med høj tilgængelighed som hospitaler og selvstændige elsystemer . Til disse roller kan modificerede versioner af standardcellen bruges til at forbedre lagringstider og reducere vedligeholdelseskrav. Gelceller og absorberede glas-mat- batterier er almindelige i disse roller, samlet kendt som VRLA (ventilregulerede blysyre) batterier .

I ladet tilstand lagres batteriets kemiske energi i potentialeforskellen mellem det rene bly på den negative side og PbO ₂ på den positive side plus den vandige svovlsyre. Den elektriske energi, der produceres af et afladende bly -syrebatteri, kan tilskrives den energi, der frigives, når de stærke kemiske bindinger af vand ( H ₂ O ) molekyler dannes af H ⁺ -ioner af syren og O ² -ioner af PbO ₂ . Omvendt fungerer batteriet under opladning som en vandopdelende enhed.

Historie

Den franske videnskabsmand Nicolas Gautherot observerede i 1801, at ledninger, der havde været brugt til elektrolyseforsøg, selv ville give en lille mængde "sekundær" strøm, efter at hovedbatteriet var blevet afbrudt. I 1859 var Gaston Plantés blybatteri det første batteri, der kunne genoplades ved at føre en omvendt strøm igennem det. Plantés første model bestod af to blyplader adskilt af gummilister og rullet til en spiral. Hans batterier blev først brugt til at tænde lysene i togvogne, mens de blev standset på en station. I 1881 opfandt Camille Alphonse Faure en forbedret version, der bestod af et ledningsgittergitter, i hvilket en blyoxidpasta blev presset ind i en plade. Dette design var lettere at masseproducere. En tidlig producent (fra 1886) af bly -syrebatterier var Henri Tudor .

Dette batteri bruger en gelelektrolyt i stedet for en væske, så batteriet kan bruges i forskellige positioner uden at lække. Gelelektrolytbatterier til enhver position blev først brugt i 1930'erne, og i slutningen af ​​1920'erne tillod bærbare kuffertradiosæt cellen lodret eller vandret (men ikke omvendt) på grund af ventildesign. I 1970'erne blev det ventilregulerede blysyrebatteri (VRLA eller "forseglet") udviklet, herunder moderne typer af absorberede glasmåtter (AGM), der muliggør drift i enhver position.

Det blev opdaget tidligt i 2011, at blysyrebatterier faktisk brugte nogle aspekter af relativitet til at fungere, og i mindre grad flydende metal og smeltede saltbatterier, såsom Ca – Sb og Sn – Bi, brugte også denne effekt.

Elektrokemi

Udskrivning

Fuldt udladet: to identiske blysulfatplader og fortyndet svovlsyreopløsning

I udladet tilstand bliver både de positive og negative plader bly (II) sulfat ( PbSO
₄), og elektrolytten mister meget af sin opløste svovlsyre og bliver primært til vand. Afladningsprocessen drives af den markante reduktion i energi, når 2H ⁺ (aq) (hydratiserede protoner) af syren reagerer med O ^2- ioner af PbO ₂ til dannelse af de stærke OH bindinger i H ₂ O (ca. -880 kJ pr. 18 g vand). Denne yderst eksergoniske proces kompenserer også for den energisk ugunstige dannelse af Pb ²⁺ (aq) ioner eller bly sulfat ( PbSO
₄(s)).

Negativ pladereaktion

Pb (er) + HSO^-
₄(aq) → PbSO
₄(s) + H⁺
(aq) + 2e ^-

Frigivelsen af ​​to ledende elektroner giver blyelektroden en negativ ladning.

Når elektroner akkumuleres, skaber de et elektrisk felt, der tiltrækker hydrogenioner og afviser sulfationer, hvilket fører til et dobbeltlag nær overfladen. Hydrogenionerne screener den ladede elektrode fra opløsningen, hvilket begrænser yderligere reaktion, medmindre ladning får lov til at strømme ud af elektroden.

Positiv pladereaktion

PbO
₂(s) + HSO^-
₄(aq) + 3 H⁺
(aq) + 2e ^- → PbSO
₄(s) + 2 H
₂O (l)

drage fordel af metallisk ledningsevne af PbO
₂.

Den samlede reaktion kan skrives som

Pb (s) + PbO
₂(s) + 2 H
₂SÅ
₄(aq) → 2 PbSO
₄(s) + 2 H
₂O (l) ${\ displaystyle E_ {cell}^{\ circ} = 2,05 {\ tekst {V}}}$

Den frigjorte nettoenergi pr. Mol (207 g) Pb (er) konverteret til PbSO
₄(er), er ca. 400 kJ, svarende til dannelsen af ​​36 g vand. Summen af ​​molekylmasserne af reaktanterne er 642,6 g/mol, så teoretisk set kan en celle producere to faradays ladning (192,971 coulombs ) fra 642,6 g reaktanter eller 83,4 ampere timer pr. Kg (eller 13,9 ampere timer pr. et 12 volt batteri) til en 2 volt celle. Dette kommer til 167 watt-timer pr. Kg reaktanter, men i praksis giver en bly-syre-celle kun 30-40 watt-timer pr. Kilogram batteri på grund af vandets masse og andre bestanddele.

Opladning

Fuldt genopladet: Blydioxid -positiv plade, Bly -negativ plade og koncentreret vandig svovlsyreopløsning

I fuldt ladet tilstand består den negative plade af bly, og den positive plade er blydioxid . Elektrolytopløsningen har en højere koncentration af vandig svovlsyre, som lagrer det meste af den kemiske energi.

Overopladning med høj ladestrøm spændinger frembringer oxygen og hydrogen gas ved elektrolyse af vand , der bobler ud og går tabt. Udformningen af ​​nogle typer bly-syrebatteri gør det muligt at inspicere elektrolytniveauet og fylde op med rent vand for at erstatte alt det, der er gået tabt på denne måde.

Effekt af ladningsniveauet på frysepunktet

På grund af frysepunktsdepression er det mere sandsynligt, at elektrolytten fryser i et koldt miljø, når batteriet har en lav opladning og tilsvarende lav svovlsyrekoncentration.

Ion bevægelse

Under udskrivning, H⁺
produceret ved de negative plader bevæger sig ind i elektrolytopløsningen og forbruges derefter på de positive plader, mens HSO^-
₄indtages ved begge tallerkener. Det omvendte sker under opladningen. Denne bevægelse kan være elektrisk drevet protonstrøm eller Grotthuss -mekanisme eller ved diffusion gennem mediet eller ved strømmen af ​​et flydende elektrolytmedium. Da elektrolyttætheden er større, når svovlsyrekoncentrationen er højere, vil væsken have en tendens til at cirkulere ved konvektion . Derfor har en væske-medium celle en tendens til hurtigt at aflade og hurtig oplade mere effektivt end en ellers lignende gelcelle.

Måling af ladningsniveauet

Et hydrometer kan bruges til at teste den specifikke tyngdekraft for hver celle som et mål for dens ladningstilstand.

Fordi elektrolytten deltager i ladningsudladningsreaktionen, har dette batteri en stor fordel i forhold til andre kemikalier: Det er relativt enkelt at bestemme ladningstilstanden ved blot at måle elektrolytens specifikke tyngdekraft ; den specifikke tyngdekraft falder, når batteriet aflades. Nogle batteridesigner inkluderer et simpelt hydrometer ved hjælp af farvede flydende bolde med forskellig tæthed . Når den blev brugt i dieselelektriske ubåde , blev tyngdekraften regelmæssigt målt og skrevet på en tavle i kontrolrummet for at angive, hvor meget længere båden kunne forblive nedsænket.

Batteriets åbne kredsløbsspænding kan også bruges til at måle ladetilstanden. Hvis forbindelserne til de enkelte celler er tilgængelige, kan ladningstilstanden for hver celle bestemmes, hvilket kan være en vejledning om tilstanden for batteriet som helhed, ellers kan den samlede batterispænding vurderes.

Spændinger til almindelig brug

IUoU batteriopladning er en tre-trins opladningsprocedure for blybatterier. Et bly-syrebatteris nominelle spænding er 2 V for hver celle. For en enkelt celle kan spændingen variere fra 1,8 V belastet ved fuld afladning til 2,10 V i et åbent kredsløb ved fuld opladning.

Float -spændingen varierer afhængigt af batteritype (dvs. oversvømmede celler, geleret elektrolyt, absorberet glasmåtte ) og varierer fra 1,8 V til 2,27 V. Udligningsspænding og opladningsspænding for sulfaterede celler kan variere fra 2,67 V til næsten 3 V. ( kun indtil en ladestrøm flyder) Specifikke værdier for et givet batteri afhænger af design og producentens anbefalinger og er normalt givet ved en baseline temperatur på 20 ° C (68 ° F), hvilket kræver justering af omgivelsesbetingelser.

Konstruktion

Plader

Indvendig visning af et lille bly-syrebatteri fra en elektrisk startudstyret motorcykel

Bly-syre cellen kan demonstreres ved hjælp af plade bly plader til de to elektroder. En sådan konstruktion producerer imidlertid kun omkring en ampere til plader i omtrent postkortstørrelse og i kun et par minutter.

Gaston Planté fandt en måde at tilvejebringe et meget større effektivt overfladeareal. I Plantés design blev de positive og negative plader dannet af to spiraler af blyfolie, adskilt med et stykke klud og oprullet. Cellerne havde oprindeligt lav kapacitet, så en langsom proces med "formning" var påkrævet for at tære blyfolierne og skabe blydioxid på pladerne og ruge dem for at øge overfladearealet. Oprindeligt brugte denne proces elektricitet fra primære batterier; da generatorer blev tilgængelige efter 1870, faldt omkostningerne ved at producere batterier kraftigt. Plantéplader bruges stadig i nogle stationære applikationer, hvor pladerne er rillet mekanisk for at øge deres overfladeareal.

I 1880 patenterede Camille Alphonse Faure en metode til belægning af et blygitter (som fungerer som den nuværende leder) med en pasta af blyoxider, svovlsyre og vand efterfulgt af en hærdningsfase, hvor pladerne blev udsat for mild varme i en miljø med høj luftfugtighed. Hærdningsprocessen ændrede pastaen til en blanding af bly -sulfater, der klæbede til blypladen. Under batteriets indledende opladning (kaldet "dannelse") blev den hærdede pasta på pladerne omdannet til elektrokemisk aktivt materiale ("aktiv masse"). Faures proces reducerede betydeligt tid og omkostninger til fremstilling af blybatterier og gav en betydelig kapacitetsforøgelse sammenlignet med Plantés batteri. Faures metode er stadig i brug i dag, med kun trinvise forbedringer af pastasammensætning, hærdning (som stadig udføres med damp, men nu er en meget tæt kontrolleret proces), og struktur og sammensætning af det gitter, som pastaen påføres.

Gitteret udviklet af Faure var af rent bly med forbindelsesstænger af bly i rette vinkler. I modsætning hertil er nutidens gitre struktureret til forbedret mekanisk styrke og forbedret strømflow. Ud over forskellige gittermønstre (ideelt set er alle punkter på pladen lige langt fra strømlederen), anvender nutidens processer også en eller to tynde glasfibermåtter over nettet for at fordele vægten mere jævnt. Og mens Faure havde brugt rent bly for sine net, inden for et år (1881) disse var blevet afløst af bly- antimon (8-12%) legeringer at give de strukturer ekstra stivhed. Gitter med højt antimon har imidlertid en højere brintudvikling (hvilket også accelererer, når batteriet ældes), og dermed større udgasning og højere vedligeholdelsesomkostninger. Disse spørgsmål blev identificeret af UB Thomas og WE Haring på Bell Labs i 1930'erne og førte til sidst til udviklingen af ​​bly- calciumnetlegeringer i 1935 til standby-batterier på det amerikanske telefonnet. Relateret forskning førte til udviklingen af ​​bly- selenium- legeringer i Europa et par år senere. Både bly-calcium og bly-selenium legeringer tilføjer stadig antimon, omend i meget mindre mængder end de ældre high-antimon gitre: bly-calcium gitter har 4-6% antimon, mens bly-selen gitre har 1-2%. Disse metallurgiske forbedringer giver nettet mere styrke, hvilket gør det muligt at bære mere vægt, dvs. mere aktivt materiale, og så kan pladerne være tykkere, hvilket igen bidrager til batteriets levetid, da der er mere materiale til rådighed til at kaste, før batteriet bliver ubrugeligt . Højantimoniumlegeringsgitre bruges stadig i batterier beregnet til hyppig cykling, f.eks. I motorstartapplikationer, hvor hyppig ekspansion/sammentrækning af pladerne skal kompenseres, men hvor afgasning ikke er signifikant, da ladestrømme forbliver lave. Siden 1950'erne har batterier designet til sjældne cyklingapplikationer (f.eks. Standby-batterier) i stigende grad lednings-calcium- eller bly-selenium-legeringsgitre, da disse har mindre brintudvikling og dermed lavere vedligeholdelsesomkostninger. Bly-calciumlegeringsgitre er billigere at fremstille (cellerne har dermed lavere omkostninger i forvejen) og har en lavere selvudladningshastighed og lavere omsætningskrav, men har lidt dårligere ledningsevne, er mekanisk svagere (og kræver derfor mere antimon for at kompensere) og er stærkere udsat for korrosion (og dermed en kortere levetid) end celler med bly-selen-legeringsgitre.

Den åbne kredsløbseffekt er et dramatisk tab af batteriets levetid, som blev observeret, da calcium blev erstattet af antimon. Det er også kendt som antimonfri effekt.

Moderne pasta indeholder carbon black , blanc fixe ( bariumsulfat ) og lignosulfonat . Blancfixen fungerer som en frøkrystal for bly -til -bly -sulfatreaktionen . Blancfixen skal være fuldstændigt spredt i pastaen for at den skal være effektiv. Lignosulfonatet forhindrer den negative plade i at danne en fast masse under udladningscyklussen og muliggør i stedet dannelsen af ​​lange nålelignende dendritter . De lange krystaller har mere overfladeareal og konverteres let tilbage til den oprindelige tilstand ved opladning. Carbon black modvirker virkningen af ​​hæmning af dannelse forårsaget af lignosulfonaterne. Sulfoneret naphthalen kondensat dispergeringsmiddel er en mere effektiv ekspander end lignosulfonat og fremskynder dannelsen. Dette dispergeringsmiddel forbedrer dispergeringen af bariumsulfat i pastaen, reducerer hydrosettiden, producerer en mere brudbestandig plade, reducerer fine blypartikler og forbedrer derved håndterings- og indsætningsegenskaber. Det forlænger batteriets levetid ved at øge slutspændingen. Sulfoneret naphthalen kræver omkring en tredjedel til halvdelen af ​​mængden af ​​lignosulfonat og er stabil over for højere temperaturer.

Når de er tørre, stables pladerne med passende separatorer og indsættes i en cellebeholder. De alternative plader udgør derefter alternerende positive og negative elektroder, og inden i cellen er de senere forbundet parallelt med hinanden (negativ til negativ, positiv til positiv). Separatorerne forhindrer pladerne i at røre hinanden, hvilket ellers ville udgøre en kortslutning. I oversvømmede celler og gelceller er separatorerne isolerende skinner eller studs, tidligere af glas eller keramik, og nu af plast. I AGM -celler er separatoren selve glasmåtten, og pladen med skillevægge presses sammen, før den indsættes i cellen; når de er i cellen, udvider glasmåtterne sig let og låser pladerne effektivt på plads. I multicellebatterier forbindes cellerne derefter i serie i serie, enten gennem stik gennem cellevæggene eller ved en bro over cellevæggene. Alle intra-celle og inter-celle forbindelser er af samme blylegering som den, der bruges i gitrene. Dette er nødvendigt for at forhindre galvanisk korrosion .

Deep-cycle batterier har en anden geometri for deres positive elektroder. Den positive elektrode er ikke en flad plade, men en række blyoxidcylindere eller rør, der er spændt side om side, så deres geometri kaldes rørformet eller cylindrisk. Fordelen ved dette er et øget overfladeareal i kontakt med elektrolytten, med højere udladnings- og ladestrømme end en fladpladecelle med samme volumen og ladningsdybde. Tubular-elektrode celler har en højere effekttæthed end flat-plate celler. Dette gør rørformede/cylindriske geometriplader særligt velegnede til applikationer med høj strøm med vægt- eller pladsbegrænsninger, f.eks. Til gaffeltrucks eller til start af marine dieselmotorer. Men fordi rør/cylindre har mindre aktivt materiale i samme volumen, har de også en lavere energitæthed end fladpladeceller. Og mindre aktivt materiale ved elektroden betyder også, at de har mindre materiale til rådighed til at kaste, før cellen bliver ubrugelig. Rørformede/cylindriske elektroder er også mere komplicerede til fremstilling ensartet, hvilket har en tendens til at gøre dem dyrere end fladpladeceller. Disse afvejninger begrænser rækkevidden af ​​applikationer, hvor rørformede/cylindriske batterier er meningsfulde i situationer, hvor der ikke er tilstrækkelig plads til at installere højere kapacitet (og dermed større) flade pladeenheder.

Ca. 60% af vægten af ​​et bly-syrebatteri af en bil, der er vurderet til omkring 60 A · h, er bly eller indvendige dele af bly; balancen er elektrolyt, separatorer og sagen. For eksempel er der cirka 8,7 kg (19 lb) bly i et typisk 14,5 kg (32 lb) batteri.

Separatorer

Adskillere mellem de positive og negative plader forhindrer kortslutning ved fysisk kontakt, for det meste gennem dendritter ("træning"), men også ved afgivelse af det aktive materiale. Separatorer tillader strømmen af ​​ioner mellem pladerne i en elektrokemisk celle at danne et lukket kredsløb. Træ, gummi, glasfibermåtte, cellulose og PVC eller polyethylenplast er blevet brugt til at lave separatorer. Træ var det oprindelige valg, men det forringes i syreelektrolytten.

En effektiv separator skal have en række mekaniske egenskaber; såsom permeabilitet , porøsitet, porestørrelsesfordeling, specifikt overfladeareal , mekanisk design og styrke, elektrisk modstand , ionisk ledningsevne og kemisk kompatibilitet med elektrolytten. I drift skal separatoren have god modstandsdygtighed over for syre og oxidation . Separatorens område skal være lidt større end pladernes areal for at forhindre materialekort mellem pladerne. Separatorerne skal forblive stabile over batteriets driftstemperaturområde .

Absorberende glasmåtte (AGM)

I det absorberende glasmåtte -design eller kort sagt AGM udskiftes separatorerne mellem pladerne med en glasfibermåtte, der er gennemblødt i elektrolyt. Der er kun nok elektrolyt i måtten til at holde den våd, og hvis batteriet punkteres, strømmer elektrolytten ikke ud af måtterne. Formålet med udskiftning af flydende elektrolyt i et oversvømmet batteri med en halvmættet glasfibermåtte er hovedsageligt at øge gastransporten gennem separatoren væsentligt; hydrogen eller iltgas frembragt under overopladning eller ladning (hvis ladestrømmen er for stor) er i stand til frit at passere gennem glasmåtten og reducere eller oxidere henholdsvis den modstående plade. I en oversvømmet celle flyder gasboblerne til toppen af ​​batteriet og går tabt i atmosfæren. Denne mekanisme for den gas, der produceres til rekombination, og den ekstra fordel ved en halvmættet celle, der ikke giver nogen væsentlig lækage af elektrolyt ved fysisk punktering af batterikassen, gør det muligt at lukke batteriet helt, hvilket gør dem nyttige i bærbare enheder og lignende roller. Derudover kan batteriet installeres i enhver retning, men hvis det er installeret på hovedet, kan syre blæse ud gennem overtryksventilen.

For at reducere vandtabshastigheden legeres calcium med pladerne, men gasopbygning er stadig et problem, når batteriet er dybt eller hurtigt opladet eller afladet. For at forhindre overtryk af batterihuset omfatter AGM-batterier en envejs afblæsningsventil og er ofte kendt som "ventilreguleret blysyre" eller VRLA-design.

En anden fordel ved AGM -designet er, at elektrolytten bliver separatormaterialet og mekanisk stærk. Dette gør det muligt at komprimere pladestakken i batteriskallen, hvilket øger energitætheden lidt i forhold til flydende eller gel -versioner. AGM -batterier viser ofte en karakteristisk "udbulning" i deres skaller, når de er bygget i fælles rektangulære former på grund af udvidelsen af ​​de positive plader.

Måtten forhindrer også elektrolytens lodrette bevægelse i batteriet. Når en normal våd celle opbevares i afladet tilstand, har de tungere syremolekyler tendens til at lægge sig til bunden af ​​batteriet, hvilket får elektrolytten til at stratificere. Når batteriet derefter bruges, strømmer størstedelen af ​​strømmen kun i dette område, og bunden af ​​pladerne har en tendens til at slides hurtigt. Dette er en af ​​grundene til, at et konventionelt bilbatteri kan ødelægges ved at lade det opbevares i en lang periode og derefter bruges og genoplades. Måtten forhindrer denne lagdeling betydeligt, hvilket eliminerer behovet for periodisk at ryste batterierne, koge dem eller køre en "udligningsladning" igennem dem for at blande elektrolytten. Stratificering får også de øverste lag af batteriet til at blive næsten helt vand, hvilket kan fryse i koldt vejr, AGM'er er betydeligt mindre modtagelige for skader på grund af brug ved lav temperatur.

Selvom AGM -celler ikke tillader vanding (typisk er det umuligt at tilføje vand uden at bore et hul i batteriet), er deres rekombinationsproces grundlæggende begrænset af de sædvanlige kemiske processer. Hydrogengas vil endda diffundere lige igennem selve plastikhuset. Nogle har fundet ud af, at det er rentabelt at tilføje vand til et AGM -batteri, men dette skal gøres langsomt, så vandet kan blandes via diffusion i hele batteriet. Når et bly -syrebatteri mister vand, stiger dets syrekoncentration, hvilket øger pladernes korrosionshastighed betydeligt. AGM-celler har allerede et højt syreindhold i et forsøg på at sænke vandtabshastigheden og øge standbyspændingen, og det medfører kortere levetid sammenlignet med et bly-antimon oversvømmet batteri. Hvis den åbne kredsløbsspænding af AGM -celler er betydeligt højere end 2.093 volt eller 12.56 V for et 12 V batteri, har den et højere syreindhold end en oversvømmet celle; Selvom dette er normalt for et AGM -batteri, er det ikke ønskeligt i lang levetid.

AGM -celler, der forsætligt eller ved et uheld er overopladet, viser en højere åben kredsløbsspænding i henhold til tabt vand (og syrekoncentrationen øges). En ampertime med overopladning vil elektrolyse 0,335 gram vand pr. Celle; noget af dette frigjorte brint og ilt vil rekombineres, men ikke alt det.

Gelerede elektrolytter

I løbet af 1970'erne udviklede forskere den forseglede version eller gelbatteri , som blander et silica -geleringsmiddel i elektrolytten ( silicagelbaserede blybatterier, der blev brugt i bærbare radioer fra begyndelsen af ​​1930'erne, var ikke fuldstændigt forseglede). Dette omdanner det tidligere flydende indre af cellerne til en halvstiv pasta, hvilket giver mange af de samme fordele ved generalforsamlingen. Sådanne designs er endnu mindre modtagelige for fordampning og bruges ofte i situationer, hvor ringe eller ingen periodisk vedligeholdelse er mulig. Gelceller har også lavere frysepunkt og højere kogepunkter end de flydende elektrolytter, der bruges i konventionelle våde celler og AGM'er, hvilket gør dem velegnede til brug under ekstreme forhold.

Den eneste ulempe ved geldesignet er, at gelen forhindrer hurtig bevægelse af ionerne i elektrolytten, hvilket reducerer bærermobilitet og dermed øger strømkapaciteten. Af denne grund findes gelceller mest almindeligt i energilagringsapplikationer som off-grid-systemer.

"Vedligeholdelsesfri", "forseglet" og "VRLA" (ventilreguleret blysyre)

Både gel- og AGM -designs er forseglede, kræver ikke vanding, kan bruges i enhver retning og bruge en ventil til gasblæsning. Af denne grund kan begge designs kaldes vedligeholdelsesfrie, forseglede og VRLA. Det er imidlertid ganske almindeligt at finde ressourcer, der angiver, at disse udtryk specifikt henviser til et eller andet af disse designs.

Ansøgninger

De fleste af verdens bly -syrebatterier er start-, belysnings- og tændingsbatterier (SLI) til biler med anslået 320 millioner enheder afsendt i 1999. I 1992 blev der brugt omkring 3 millioner tons bly til fremstilling af batterier.

Stand-by (stationære) batterier til vådceller, der er designet til dyb afladning, bruges almindeligvis i store backup-strømforsyninger til telefon- og computercentre, energilagring i nettet og husholdningselektriske systemer uden for nettet. Bly -syrebatterier bruges i nødbelysning og til at drive sump -pumper i tilfælde af strømsvigt .

Trækkraft (fremdrift) batterier bruges i golfvogne og andre batteri elektriske køretøjer . Store blysyrebatterier bruges også til at drive elmotorerne i dieselelektriske (konventionelle) ubåde, når de er neddykket, og bruges også som nødstrøm på atomubåde . Ventilregulerede blysyrebatterier kan ikke spilde deres elektrolyt. De anvendes i back-up power forsyninger til alarm og mindre edb-systemer (især i nødstrømsanlæg, UPS) og til el-scootere , elektriske kørestole , elektrificeret cykler , marine applikationer, elbiler eller mikroorganismer hybridbiler , og motorcykler. Mange elektriske gaffeltrucks bruger blysyrebatterier, hvor vægten bruges som en del af en modvægt. Bly -syrebatterier blev brugt til at levere filament (varmelegeme) spænding, med 2 V fælles i tidlige vakuumrør (ventil) radiomodtagere.

Bærbare batterier til minearbejdernes lampe forlygter har typisk to eller tre celler.

Cykler

Start af batterier

Blysyrebatterier designet til start af bilmotorer er ikke designet til dyb afladning. De har et stort antal tynde plader designet til maksimalt overfladeareal og derfor maksimal strømudgang, som let kan blive beskadiget ved dyb udladning. Gentagne dybe udladninger vil resultere i kapacitetstab og i sidste ende i for tidlig svigt, da elektroderne opløses på grund af mekaniske belastninger, der opstår ved cykling. Startbatterier, der holdes på en kontinuerlig flydeopladning, vil lide af korrosion af elektroderne, hvilket også vil resultere i for tidlig svigt. Startbatterier bør derfor holdes åbne, men oplades regelmæssigt (mindst hver anden uge) for at forhindre sulfatering .

Startbatterier er lettere end dybcyklusbatterier af samme størrelse, fordi de tyndere og lettere celleplader ikke strækker sig helt til bunden af ​​batterikassen. Dette tillader løst opløst materiale at falde af pladerne og samle sig i bunden af ​​cellen, hvilket forlænger batteriets levetid. Hvis dette løse affald stiger nok, kan det røre bunden af ​​pladerne og forårsage svigt i en celle, hvilket kan resultere i tab af batterispænding og kapacitet.

Deep-cycle batterier

Specielt designet deep cycle-celler er langt mindre modtagelige for nedbrydning som følge af at cykle, og er nødvendige for applikationer, hvor batterierne regelmæssigt afladet, såsom fotovoltaiske systemer, elektriske køretøjer ( gaffeltruck , golf cart , elbiler og andre) og Uninterruptible Power forsyninger . Disse batterier har tykkere plader, der kan levere mindre spidsstrøm , men kan modstå hyppig afladning.

Nogle batterier er designet som et kompromis mellem starter (højstrøm) og dyb cyklus. De er i stand til at blive afladet i større grad end bilbatterier, men mindre end dybe cykler. De kan betegnes som "marine/autocamper" batterier eller "fritidsbatterier".

Hurtig og langsom opladning og afladning

Opladestrøm skal matche batteriets evne til at absorbere energien. Brug af for stor ladestrøm på et lille batteri kan føre til kogning og udluftning af elektrolytten. I dette billede er et VRLA batterihus ballon på grund af det høje gastryk, der blev udviklet under overopladning.

Kapaciteten på et bly -syrebatteri er ikke en fast mængde, men varierer alt efter hvor hurtigt det aflades. Det empiriske forhold mellem udskrivningshastighed og kapacitet er kendt som Peukerts lov .

Når et batteri oplades eller aflades, påvirkes først de reagerende kemikalier, der er i grænsefladen mellem elektroderne og elektrolytten. Med tiden spredes ladningen, der er lagret i kemikalierne ved grænsefladen, ofte kaldet "grænsefladeladning" eller "overfladeladning" ved diffusion af disse kemikalier i hele det aktive materiales volumen.

Overvej et batteri, der er helt afladet (som f.eks. Når bilens lygter tændes natten over, en strømforbrug på ca. 6 ampere). Hvis den derefter får en hurtig opladning i kun et par minutter, oplades batteripladerne kun i nærheden af ​​grænsefladen mellem pladerne og elektrolytten. I dette tilfælde kan batterispændingen stige til en værdi nær laderspændingen; dette får ladestrømmen til at falde betydeligt. Efter et par timer vil denne grænsefladeopladning sprede sig til mængden af ​​elektroden og elektrolytten; dette fører til en grænseflade, der er så lav, at det kan være utilstrækkeligt at starte bilen. Så længe opladningsspændingen forbliver under gasspændingen (ca. 14,4 volt i et normalt blybatteri), er det usandsynligt, at batteriet beskadiges, og med tiden bør batteriet vende tilbage til en nominelt opladet tilstand.

Ventilreguleret (VRLA)

I et ventilreguleret blysyre (VRLA) batteri rekombineres hydrogen og ilt, der produceres i cellerne, stort set til vand. Lækage er minimal, selvom noget elektrolyt stadig undslipper, hvis rekombinationen ikke kan følge med gasudviklingen. Da VRLA -batterier ikke kræver (og umuliggør) regelmæssig kontrol af elektrolytniveauet, er de blevet kaldt vedligeholdelsesfrie batterier . Dette er dog noget af en forkert betegnelse. VRLA -celler kræver vedligeholdelse. Da elektrolyt går tabt, tørrer VRLA-celler ud og mister kapacitet. Dette kan detekteres ved regelmæssige interne modstands- , konduktans- eller impedansmålinger . Regelmæssig test viser, om der er behov for mere involveret test og vedligeholdelse. Nylige vedligeholdelsesprocedurer er blevet udviklet, der tillader "rehydrering", hvilket ofte genopretter betydelige mængder tabt kapacitet.

VRLA -typer blev populære på motorcykler omkring 1983, fordi den sure elektrolyt absorberes i separatoren, så den ikke kan spildes. Separatoren hjælper dem også bedre med at modstå vibrationer. De er også populære i stationære applikationer såsom telekommunikationssteder på grund af deres lille fodaftryk og installationsfleksibilitet.

Sulfation og desulfation

Sulfaterede plader fra 12 V 5 Ah batteri

Blysyrebatterier mister evnen til at acceptere en opladning, når de aflades for længe på grund af sulfatering , krystallisation af blysulfat . De genererer elektricitet gennem en kemisk dobbelt sulfatreaktion. Bly og blydioxid, de aktive materialer på batteriets plader, reagerer med svovlsyre i elektrolytten for at danne bly -sulfat . Blysulfatet dannes først i en fint opdelt, amorf tilstand og vender let tilbage til bly, blydioxid og svovlsyre, når batteriet oplades. Når batterierne cykler gennem mange afladninger og ladninger, rekombineres noget blysulfat ikke til elektrolyt og omdannes langsomt til en stabil krystallinsk form, der ikke længere opløses ved genopladning. Således returneres ikke alt bly til batteripladerne, og mængden af ​​brugbart aktivt materiale, der er nødvendigt til elproduktion, falder over tid.

Sulfatering forekommer i blysyrebatterier, når de udsættes for utilstrækkelig opladning under normal drift. Det forhindrer genopladning; sulfataflejringer ekspanderer i sidste ende, revner pladerne og ødelægger batteriet. Til sidst kan så meget af batteripladens område ikke levere strøm, at batterikapaciteten reduceres kraftigt. Derudover returneres sulfatdelen (af blysulfatet) ikke til elektrolytten som svovlsyre. Det menes, at store krystaller fysisk blokerer elektrolytten for at komme ind i pladernes porer. En hvid belægning på pladerne kan være synlig i batterier med klare kasser eller efter demontering af batteriet. Batterier, der er sulfaterede, viser en høj indre modstand og kan kun levere en lille brøkdel af normal afladningsstrøm. Sulfation påvirker også opladningscyklussen, hvilket resulterer i længere opladningstider, mindre effektiv og ufuldstændig opladning og højere batteritemperaturer.

SLI -batterier (start, belysning, tænding, f.eks. Bilbatterier) lider mest forringelse, fordi køretøjer normalt står ubrugte i relativt lange perioder. Dybcyklus- og drivkraftbatterier udsættes for regelmæssig kontrolleret overopladning, hvilket til sidst svigter på grund af korrosion af de positive pladegitre frem for sulfatering.

Sulfatering kan undgås, hvis batteriet er fuldt opladet umiddelbart efter en afladningscyklus. Der er ingen kendte uafhængigt verificerede måder at vende sulfatering på. Der er kommercielle produkter, der hævder at opnå afsvovling ved hjælp af forskellige teknikker, såsom pulsopladning, men der er ingen fagfællebedømte publikationer, der verificerer deres påstande. Sulfationsforebyggelse er fortsat den bedste fremgangsmåde ved periodisk fuld opladning af blysyrebatterierne.

Stratificering

Et typisk bly -syrebatteri indeholder en blanding med varierende koncentrationer af vand og syre. Svovlsyre har en højere densitet end vand, hvilket får syren dannet ved pladerne under opladning til at strømme nedad og samle sig i bunden af ​​batteriet. Til sidst vil blandingen igen nå ensartet sammensætning ved diffusion , men dette er en meget langsom proces. Gentagne cyklusser med delvis opladning og afladning vil øge stratificeringen af ​​elektrolytten, hvilket reducerer batteriets kapacitet og ydeevne, fordi manglen på syre på topgrænser pladeaktivering. Stratificeringen fremmer også korrosion på den øverste halvdel af pladerne og sulfatering i bunden.

Periodisk overopladning skaber gasformige reaktionsprodukter på pladen, hvilket forårsager konvektionsstrømme, der blander elektrolytten og løser lagdelingen. Mekanisk omrøring af elektrolytten ville have samme virkning. Batterier i køretøjer i bevægelse udsættes også for fald og sprøjt i cellerne, da køretøjet accelererer, bremser og drejer.

Fare for eksplosion

Bil bly -syrebatteri efter eksplosion, der viser sprød fraktur i foringsrørets ender

Overdreven opladning forårsager elektrolyse , udsender brint og ilt. Denne proces er kendt som "gasning". Våde celler har åbne ventilationsåbninger for at frigive enhver produceret gas, og VRLA -batterier er afhængige af ventiler monteret på hver celle. Katalytiske hætter er tilgængelige for oversvømmede celler til at rekombinere brint og ilt. En VRLA -celle rekombinerer normalt alt hydrogen og ilt, der produceres inde i cellen, men funktionsfejl eller overophedning kan få gas til at bygge op. Hvis dette sker (f.eks. Ved overopladning) åbner ventilen gassen og normaliserer trykket, hvilket frembringer en karakteristisk syrelugt. Ventiler kan dog mislykkes, f.eks. Hvis snavs og snavs ophobes, så trykket kan bygge op.

Akkumuleret brint og ilt antændes undertiden i en intern eksplosion . Eksplosionens kraft kan få batteriets kabinet til at briste, eller få dens top til at flyve af, sprøjte syre og foringsrester. En eksplosion i en celle kan antænde enhver blanding af brændbar gas i de resterende celler. Tilsvarende i et dårligt ventileret område kan tilslutning eller frakobling af et lukket kredsløb (f.eks. En belastning eller en oplader) til batteripolerne også forårsage gnister og en eksplosion, hvis der blev udluftet gas fra cellerne.

Individuelle celler i et batteri kan også kortslutte og forårsage en eksplosion.

Cellerne i VRLA -batterier svulmer typisk op, når det indre tryk stiger, og det giver en advarsel til brugere og mekanikere. Deformationen varierer fra celle til celle og er størst i de ender, hvor væggene ikke understøttes af andre celler. Sådanne overtryksbatterier bør omhyggeligt isoleres og kasseres. Personale, der arbejder i nærheden af ​​batterier med risiko for eksplosion, bør beskytte deres øjne og udsatte hud mod forbrændinger på grund af sprøjtning af syre og ild ved at bære ansigtsskærm , overalls og handsker. Brug af beskyttelsesbriller i stedet for et ansigtsskærm ofrer sikkerheden ved at efterlade ansigtet udsat for mulig flyvende syre, etui eller batterifragmenter og varme fra en potentiel eksplosion.

Miljø

Miljøhensyn

Ifølge en rapport fra 2003 med titlen "Getting the Lead Out" af Environmental Defense og Ecology Center i Ann Arbor, Michigan, indeholdt køretøjernes batterier anslået 2.600.000 tons (2.600.000 lange tons; 2.900.000 short tons) bly . Nogle blyforbindelser er ekstremt giftige. Langsigtet udsættelse for selv små mængder af disse forbindelser kan forårsage hjerneskade og nyreskade, nedsat hørelse og indlæringsproblemer hos børn. Bilindustrien bruger hvert år over 1.000.000 tons (980.000 lange tons; 1.100.000 korte tons) bly, hvor 90% går til konventionelle blybatterier. Mens genbrug af bly er en veletableret industri, ender mere end 40.000 tons (39.000 lange tons; 44.000 korte tons) hvert år på lossepladser. Ifølge den føderale Toxic Release Inventory frigives yderligere 70.000 tons (69.000 lange tons; 77.000 korte tons) i den ledende minedrift og fremstillingsproces.

Man forsøger at udvikle alternativer (især til brug i biler) på grund af bekymringer om miljøkonsekvenserne af forkert bortskaffelse og blysmeltning , blandt andet. Alternativer vil sandsynligvis ikke fortrænge dem til applikationer såsom motorstart eller backup-energisystemer, da batterierne, selvom de er tunge, er billige.

Genbrug

En medarbejder genbruger smeltet bly i et batteri genbrug facilitet

Ifølge Battery Council, en branchegruppe, er genbrug af blybatterier et af de mest succesrige genbrugsprogrammer i verden. I USA blev 99% af alt batterileder genbrugt mellem 2014 og 2018.

Imidlertid har dokumenter fra US Environmental Protection Administration siden 1982 angivet satser, der varierer mellem 60% og 95%.

Bly er meget giftigt for mennesker, og genbrug kan føre til forurening og forurening af mennesker, hvilket kan resultere i mange og varige sundhedsproblemer. En rangordning nævner genanvendelse af blybatterier som verdens mest dødbringende industrielle proces, hvad angår tab af livsstilsjusterede leveår -hvilket resulterer i 2.000.000 til 4.800.000 estimerede år med individuelt menneskeliv tabt globalt.

Bly-syre-batteri-genbrugspladser er i sig selv blevet en kilde til blyforurening, og i 1992 havde EPA valgt 29 sådanne steder til Superfund -oprydning med 22 på sin nationale prioritetsliste.

Et effektivt forureningsbekæmpelsessystem er en nødvendighed for at forhindre blyemission. Kontinuerlig forbedring af batteri genbrugsanlæg og ovndesign er påkrævet for at holde trit med emissionsstandarder for blysmelter.

Tilsætningsstoffer

Kemiske tilsætningsstoffer har været brugt lige siden blysyrebatteriet blev en kommerciel genstand for at reducere opbygning af blysulfat på plader og forbedre batteriets tilstand, når det tilføjes til elektrolytten i et ventileret blysyrebatteri. Sådanne behandlinger er sjældent, hvis nogensinde, effektive.

To forbindelser, der anvendes til sådanne formål, er Epsom -salte og EDTA . Epsom -salte reducerer den interne modstand i et svagt eller beskadiget batteri og kan muligvis give en lille forlænget levetid. EDTA kan bruges til at opløse sulfataflejringer af stærkt afladede plader. Imidlertid er det opløste materiale ikke længere tilgængeligt for at deltage i den normale opladnings-afladningscyklus, så et batteri, der midlertidigt genoplives med EDTA, vil have en reduceret levetid. Resterende EDTA i blysyre-cellen danner organiske syrer, som fremskynder korrosion af blypladerne og interne stik.

De aktive materialer ændrer fysisk form under ladning/afladning, hvilket resulterer i vækst og forvrængning af elektroderne og afgivelse af elektroder i elektrolytten. Når det aktive materiale er faldet ud af pladerne, kan det ikke genoprettes på plads ved kemisk behandling. På samme måde kan interne fysiske problemer såsom revnede plader, korroderede stik eller beskadigede separatorer ikke genoprettes kemisk.

Korrosionsproblemer

Korrosion af de eksterne metaldele af bly-syrebatteriet skyldes en kemisk reaktion mellem batteripolerne, stik og stik.

Korrosion på den positive terminal skyldes elektrolyse på grund af en uoverensstemmelse mellem metallegeringer, der bruges til fremstilling af batteripolen og kabelstikket. Hvid korrosion er normalt bly- eller zinksulfatkrystaller . Aluminiumsstik korroderer til aluminiumsulfat . Kobberstik producerer blå og hvide korrosionskrystaller. Korrosion af et batteris terminaler kan reduceres ved at belægge terminalerne med vaselin eller et kommercielt tilgængeligt produkt fremstillet til formålet.

Hvis batteriet er overfyldt med vand og elektrolyt, kan termisk ekspansion tvinge noget af væsken ud af batteriets ventilationsåbninger på toppen af ​​batteriet. Denne løsning kan derefter reagere med bly og andre metaller i batteristikket og forårsage korrosion.

Elektrolytten kan sive fra plast-til-bly-tætningen, hvor batteriets terminaler trænger ind i plastikhuset.

Syredampe, der fordamper gennem udluftningshætterne, ofte forårsaget af overopladning og utilstrækkelig ventilering af batterikassen, kan give svovlsyredampe til at bygge op og reagere med de udsatte metaller.

Se også

Referencer

Generel

• Batteripladesulfatering (MagnaLabs) [1]
• Batterisulfatering [2]
• Blybatterier [3]
• DC forsyning! (April 2002) [4]
• Nogle tekniske detaljer om blybatterier [5]

eksterne links

• Battery Council International (BCI) , bly -syre batteriproducenters brancheorganisation .
• Bil- og dybcykelbatteri Ofte stillede spørgsmål
• Bly (Pb) toksicitet: Nøglebegreber | ATSDR - Environmental Medicine & Environmental Health Education - CSEM (Case Studies in Environmental Medicine) , Agency for Toxic Substances and Disease Registry, CDC
• Blysyrebatteri -desulfator (hjemmestrøm #77 juni/juli 2000)