Næsten alle bærbare og håndholdte enheder består af et batteri. Batteriet er en lagerenhed, hvor energi lagres for at levere strøm, når der er behov for det. Der findes forskellige typer batterier i den moderne elektronikverden, og blandt dem er blybatterier almindeligt anvendt til høj strømforsyning. Blysyrebatterier er normalt større i størrelse og har en hård og tung konstruktion, de kan lagre store mængder energi og anvendes generelt i biler og invertere.

Selv efter at have fået konkurrence fra Li-ion-batterier stiger efterspørgslen efter blysyrebatterier dag for dag, fordi de er billigere og nemme at håndtere i forhold til Li-ion-batterier. Ifølge nogle markedsundersøgelser forventes det indiske marked for blybatterier at vokse med en CAGR på over 9 % i løbet af 2018-24. Så det har en enorm efterspørgsel på markedet inden for automatisering, bilindustrien og forbrugerelektronik. Selv om de fleste elbiler er udstyret med lithion-ion-batterier, er der stadig mange elektriske tohjulede køretøjer, der bruger blybatterier til at drive køretøjet.

I den foregående tutorial lærte vi om lithium-ion-batterier, her vil vi forstå, hvordan blybatterier fungerer, hvordan de er opbygget og hvordan de anvendes. Vi vil også lære om opladnings-/afladningsværdier, krav og sikkerhed for blybatterier.

Blybatteriernes opbygning

Hvad er et blybatteri? Hvis vi bryder navnet Blysyrebatteri, får vi bly, syre og batteri. Bly er et kemisk grundstof (symbolet er Pb og atomnummeret er 82). Det er et blødt og formbart grundstof. Vi ved, hvad syre er; det kan afgive en proton eller acceptere et elektronpar, når det reagerer. Så et batteri, der består af bly og vandfri blysyre (nogle gange fejlagtigt kaldet blyperoxid), kaldes et blybatteri.

Hvad er den indre konstruktion nu?

Et blybatteri består af følgende ting, vi kan se det på nedenstående billede:

Et blybatteri består af plader, separator og elektrolyt, hård plast med et hylster af hård gummi.

I batterierne er pladerne af to typer, positive og negative. Den positive består af blydioxid og den negative består af svampebly. Disse to plader er adskilt ved hjælp af en separator, som er et isolerende materiale. Denne samlede konstruktion opbevares i en hård plastkasse med en elektrolyt. Elektrolytten består af vand og svovlsyre.

Den hårde plastkasse er en celle. En enkelt celle lagre typisk 2,1V. Af denne grund består et 12V-blybatteri af 6 celler og giver 6 x 2,1V/Celle = 12,6V typisk.

Nu, hvad er opladningslagringskapaciteten?

Det er meget afhængig af det aktive materiale (elektrolytmængde) og pladens størrelse. Du har måske set, at lithiumbatteriers lagerkapacitet beskrives i mAh eller milliamperetimer, men i tilfælde af blybatterier er det Amperetimer. Vi vil beskrive dette i et senere afsnit.

Blybatteriets virkemåde

Blybatteriets virkemåde handler om kemi, og det er meget interessant at vide noget om det. Der er en enorm kemisk proces involveret i blybatteriets opladnings- og afladningstilstand. Den fortyndede svovlsyre H2SO4-molekyler opdeles i to dele, når syren opløses. Det vil skabe positive ioner 2H+ og negative ioner SO4-. Som vi har fortalt før, er to elektroder forbundet som plader, anode og katode. Anoden fanger de negative ioner, og katoden tiltrækker de positive ioner. Denne binding i anode og SO4- og katode med 2H+ udveksler elektroner, som yderligere reagerer med H2O eller med vand (fortyndet svovlsyre, svovlsyre + vand).

Batteriet har to tilstande af kemisk reaktion, opladning og afladning.

Blysyrebatteri oplades

Som vi ved, skal vi for at oplade et batteri levere en spænding, der er større end polspændingen. Så for at oplade et batteri på 12,6 V kan der tilføres 13 V.

Men hvad sker der egentlig, når vi oplader et blybatteri?

Jamen, de samme kemiske reaktioner, som vi beskrev før. Nærmere bestemt, når batteriet er forbundet med opladeren, opdeles svovlsyremolekylerne i to ioner, positive ioner 2H+ og negative ioner SO4-. Brintet udveksler elektroner med katoden og bliver til brint, dette brint reagerer med PbSO4 i katoden og danner svovlsyre (H2SO4) og bly (Pb). På den anden side udveksler SO4- elektroner med anoden og bliver til radikal SO4. Dette SO4 reagerer med PbSO4 i anoden og danner blyperoxid PbO2 og svovlsyre (H2SO4). Energien lagres ved at øge svovlsyreens tyngdekraft og øge cellepotentialets spænding.

Som forklaret ovenfor finder følgende kemiske reaktioner sted ved anoden og katoden under opladningsprocessen.

Ved katode

PbSO4 + 2e- => Pb + SO42-

Ved anode

PbSO4 + 2H2O => PbO2 + SO42- + 4H- + 2e-

Kombineres ovenstående to ligninger, bliver den samlede kemiske reaktion

2PbSO4 + 2H2O => PbO2 + Pb + 2H2SO4 

Der findes forskellige metoder, der kan anvendes til opladning af blybatterier. Hver metode kan anvendes til specifikke bly-syre-batterier til specifikke anvendelser. Nogle applikationer anvender opladningsmetoden med konstant spænding, nogle applikationer anvender en metode med konstant strøm, mens kildeladning også er nyttig i nogle tilfælde. Normalt leverer batteriproducenten den korrekte metode til opladning af de specifikke bly-syre-batterier. Konstantstrømsopladning anvendes typisk ikke til opladning af blybatterier.

Den mest almindelige opladningsmetode, der anvendes til blybatterier, er opladningsmetoden med konstant spænding, som er en effektiv proces med hensyn til opladningstid. I en fuld opladningscyklus forbliver opladningsspændingen konstant, og strømmen falder gradvist med stigningen i batteriets opladningsniveau.

Blysyrebatteri afladning

Afladning af et blysyrebatteri er igen involveret i kemiske reaktioner. Svovlsyre er i fortyndet form med typisk et forhold på 3:1 med vand og svovlsyre. Når belastningerne tilsluttes over pladerne, spaltes svovlsyre igen i positive ioner 2H+ og negative ioner SO4. Brintionerne reagerer med PbO2 og danner PbO og vand H2O. PbO begynder at reagere med H2SO4 og danner PbSO4 og H2O.

På den anden side udveksler SO4-ioner elektroner fra Pb og danner radikale SO4, som yderligere danner PbSO4, der reagerer med Pb.

Som forklaret ovenfor finder følgende kemiske reaktioner sted ved anoden og katoden under afladningsprocessen. Disse reaktioner er præcis modsat af opladningsreaktionerne:

Ved katode

Pb + SO42- => PbSO4 + 2e-

Ved anode:

PbO2 + SO42- + 4H- + 2e- => PbSO4 + 2H2O

Kombineres ovenstående to ligninger, vil den samlede kemiske reaktion være

PbO2 + Pb + 2H2SO4 => 2PbSO4 + 2H2O

På grund af elektronudvekslingen på tværs af anode og katode påvirkes elektronbalancen på tværs af pladerne. Elektronerne strømmer derefter gennem belastningen, og batteriet bliver afladet.

Under denne afladning falder den fortyndede svovlsyregravitation. Samtidig falder også cellens potentialforskel.

Risikofaktor og elektriske nominelle værdier

Blybatteriet er skadeligt, hvis det ikke vedligeholdes sikkert. Da batteriet genererer brintgas under den kemiske proces, er det meget farligt, hvis det ikke anvendes i et ventileret område. Desuden beskadiger ukorrekt opladning batteriet alvorligt.

Hvad er standardværdierne for blybatterier?

Hvert blybatteri er forsynet med et datablad for standardopladningsstrøm og -afladningsstrøm. Typisk kan et 12V-blybatteri, som kan anvendes til bilindustrien, have en strømstyrke på mellem 100Ah og 350Ah. Denne værdi er defineret som udladningsværdien med en 8-timers periode.

Et 160Ah-batteri kan f.eks. levere 20A forsyningsstrøm til belastningen i 8 timer af spændvidden. Vi kan trække mere strøm, men det er ikke tilrådeligt at gøre det. Ved at trække mere strøm end den maksimale afladestrøm med hensyn til 8 timer vil batteriets effektivitet blive beskadiget, og batteriets interne modstand kan også ændres, hvilket yderligere øger batteritemperaturen.

På den anden side bør vi i opladningsfasen være forsigtige med opladerens polaritet, den bør være korrekt forbundet med batteriets polaritet. Omvendt polaritet er farlig for opladning af blybatterier. Den færdige oplader leveres med en opladningsspændings- og opladningsstrømmåler med en kontrolmulighed. Vi skal give en større spænding end batterispændingen for at oplade batteriet. Den maksimale opladestrøm skal være den samme som den maksimale forsyningsstrøm ved 8 timers afladningshastighed. Hvis vi tager det samme 12V 160Ah eksempel, så er den maksimale forsyningsstrøm 20A, så den maksimale sikre opladestrøm er de 20A.

Vi bør ikke øge eller give stor opladestrøm, da dette vil resultere i varme og øget gasgenerering.

Regler for vedligeholdelse af bly-syre-batterier

1. Vanding er den mest forsømte vedligeholdelsesfunktion for oversvømmede bly-syre-batterier. Da overopladning mindsker vandet, er vi nødt til at kontrollere det ofte. Mindre vand skaber oxidation i pladerne og mindsker batteriets levetid. Tilsæt destilleret eller ioniseret vand efter behov.
2. Kontroller for udluftningsåbningerne, de skal perfektioneres med gummihætter, ofte hænger gummihætterne for tæt sammen med hullerne.
3. Lad bly-syre-batterier op efter hver brug. En lang periode uden opladning giver sulfatering i pladerne.
4. Du må ikke fryse batteriet eller oplade det mere end 49-graders celcius. I kolde omgivelser skal batterier oplades fuldt op, da fuldt opladede batterier er mere sikre end tomme batterier med hensyn til frysning.
5. Det må ikke dybdeaflades mindre end 1,7 V pr. celle.
6. For at opbevare et blybatteri skal det oplades helt, hvorefter elektrolytten skal drænes. Derefter bliver batteriet tørt og kan opbevares i en lang periode.