Quasi ogni dispositivo portatile e portatile consiste in una batteria. La batteria è un dispositivo di immagazzinamento in cui l’energia viene immagazzinata per fornire l’energia quando necessario. Ci sono diversi tipi di batterie disponibili nel mondo dell’elettronica moderna, tra cui la batteria al piombo è comunemente usata per la fornitura di alta potenza. Di solito le batterie al piombo sono di dimensioni più grandi con una costruzione dura e pesante, possono immagazzinare un’elevata quantità di energia e generalmente utilizzati in automobili e inverter.

Anche dopo aver ottenuto la concorrenza con le batterie Li-ion, la domanda di batterie al piombo è in aumento giorno dopo giorno, perché sono più economici e facili da gestire in confronto alle batterie Li-ion. Come per alcune ricerche di mercato, il mercato delle batterie al piombo è proiettato a crescere a un CAGR di oltre il 9% nel periodo 2018-24. Quindi, ha un’enorme domanda di mercato nell’automazione, nell’automotive e nell’elettronica di consumo. Anche se la maggior parte del veicolo elettrico è dotato di batterie agli ioni di litio, ma ci sono ancora molti veicoli elettrici a due ruote che utilizzano batterie al piombo per alimentare il veicolo.

Nel precedente tutorial abbiamo imparato a conoscere le batterie agli ioni di litio, qui capiremo il funzionamento, la costruzione e le applicazioni delle batterie al piombo. Impareremo anche i valori di carica/scarica, i requisiti e la sicurezza delle batterie al piombo.

Costruzione della batteria al piombo

Che cos’è una batteria al piombo? Se rompiamo il nome batteria al piombo otteniamo Piombo, Acido e Batteria. Il piombo è un elemento chimico (il simbolo è Pb e il numero atomico è 82). È un elemento morbido e malleabile. Sappiamo cos’è l’acido: può donare un protone o accettare una coppia di elettroni quando reagisce. Così, una batteria, che consiste di piombo e di acido piombico anidro (a volte erroneamente chiamato perossido di piombo), è chiamata batteria al piombo acido.

Ora, qual è la costruzione interna?

Una batteria al piombo consiste delle seguenti cose, possiamo vederle nell’immagine sottostante:

Una batteria al piombo consiste di piastre, separatore ed elettrolita, plastica dura con una custodia di gomma dura.

Nelle batterie, le piastre sono di due tipi, positive e negative. Quella positiva è costituita da biossido di piombo e quella negativa da piombo spugnoso. Queste due piastre sono separate da un separatore che è un materiale isolante. Questa costruzione totale è tenuta in un contenitore di plastica dura con un elettrolita. L’elettrolita è acqua e acido solforico.

La custodia in plastica dura è una cella. Una singola cella memorizza tipicamente 2,1 V. Per questo motivo, una batteria al piombo acido da 12V è composta da 6 celle e fornisce 6 x 2.1V/cella = 12.6V tipicamente.

Ora, qual è la capacità di immagazzinamento della carica?

È altamente dipendente dal materiale attivo (quantità di elettrolita) e dalla dimensione della piastra. Avrai visto che la capacità di accumulo delle batterie al litio è descritta in mAh o milliampere/ora, ma nel caso delle batterie al piombo, è in Ampere/ora. Descriveremo questo nella sezione successiva.

Funzionamento della batteria al piombo

Il funzionamento della batteria al piombo è tutto sulla chimica ed è molto interessante conoscerla. Ci sono enormi processi chimici coinvolti nelle condizioni di carica e scarica della batteria al piombo. Le molecole di acido solforico diluito H2SO4 si rompono in due parti quando l’acido si dissolve. Creerà ioni positivi 2H+ e ioni negativi SO4-. Come abbiamo detto prima, due elettrodi sono collegati come piastre, anodo e catodo. L’anodo cattura gli ioni negativi e il catodo attrae gli ioni positivi. Questo legame in anodo e SO4- e catodo con 2H+ scambia elettroni e che è ulteriormente reagisce con l’H2O o con l’acqua (acido solforico diluito, acido solforico + acqua).

La batteria ha due stati di reazione chimica, carica e scarica.

Carica della batteria al piombo

Come sappiamo, per caricare una batteria, dobbiamo fornire una tensione maggiore della tensione terminale. Così, per caricare una batteria da 12.6V, si possono applicare 13V.

Ma cosa succede realmente quando carichiamo una batteria al piombo?

Beh, le stesse reazioni chimiche che abbiamo descritto prima. In particolare, quando la batteria è collegata al caricatore, le molecole di acido solforico si rompono in due ioni, ioni positivi 2H+ e ioni negativi SO4-. L’idrogeno scambia elettroni con il catodo e diventa idrogeno, questo idrogeno reagisce con il PbSO4 nel catodo e forma acido solforico (H2SO4) e piombo (Pb). D’altra parte, SO4- scambia elettroni con l’anodo e diventa radicale SO4. Questo SO4 reagisce con il PbSO4 dell’anodo e crea il perossido di piombo PbO2 e l’acido solforico (H2SO4). L’energia viene immagazzinata aumentando la gravità dell’acido solforico e aumentando la tensione potenziale della cella.

Come spiegato sopra, le seguenti reazioni chimiche avvengono all’anodo e al catodo durante il processo di carica.

Al catodo

PbSO4 + 2e- => Pb + SO42-

All’anodo

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

Combinando sopra due equazione, la reazione chimica complessiva sarà

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

Ci sono vari metodi applicabili per caricare la batteria al piombo. Ogni metodo può essere usato per specifiche batterie al piombo per specifiche applicazioni. Alcune applicazioni utilizzano il metodo di carica a tensione costante, alcune applicazioni utilizzano un metodo a corrente costante, mentre la carica a solletico è anche utile in alcuni casi. Normalmente il produttore della batteria fornisce il metodo corretto per caricare le batterie al piombo specifiche. La carica a corrente costante non è tipicamente usata nella carica della batteria al piombo.

Il metodo di carica più comune usato nella batteria al piombo è il metodo di carica a tensione costante che è un processo efficace in termini di tempo di carica. In un ciclo di carica completa la tensione di carica rimane costante e la corrente diminuisce gradualmente con l’aumento del livello di carica della batteria.

Scarica della batteria al piombo

La scarica di una batteria al piombo è di nuovo coinvolta in reazioni chimiche. L’acido solforico è nella forma diluita con un rapporto tipicamente 3:1 con acqua e acido solforico. Quando i carichi sono collegati attraverso le piastre, l’acido solforico si rompe di nuovo in ioni positivi 2H+ e ioni negativi SO4. Gli ioni idrogeno reagiscono con il PbO2 e fanno PbO e acqua H2O. Il PbO inizia a reagire con l’H2SO4 e crea PbSO4 e H2O.

Dall’altro lato gli ioni SO4- scambiano elettroni dal Pb, creando il radicale SO4 che crea ulteriormente PbSO4 reagendo con il Pb.

Come spiegato sopra, le seguenti reazioni chimiche avvengono all’anodo e al catodo durante il processo di scarica. Queste reazioni sono esattamente l’opposto delle reazioni di carica:

Al catodo

Pb + SO42- => PbSO4 + 2e-

All’anodo:

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

Combinando sopra due equazione, la reazione chimica complessiva sarà

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

A causa dello scambio di elettroni attraverso anodo e catodo, l’equilibrio degli elettroni attraverso le piastre è interessato. Gli elettroni poi scorrono attraverso il carico e la batteria si scarica.

Durante questa scarica, la gravità dell’acido solforico diluito diminuisce. Inoltre, allo stesso tempo, la differenza di potenziale della cella diminuisce.

Fattore di rischio e valutazioni elettriche

La batteria al piombo acido è dannosa se non viene mantenuta in modo sicuro. Poiché la batteria genera gas idrogeno durante il processo chimico, è altamente pericolosa se non viene usata in un’area ventilata. Inoltre, la carica imprecisa danneggia gravemente la batteria.

Quali sono i valori nominali standard delle batterie al piombo?

Ogni batteria al piombo viene fornita con una scheda tecnica per la corrente di carica standard e la corrente di scarica. Tipicamente una batteria al piombo da 12V applicabile per l’applicazione automobilistica potrebbe essere compresa tra 100Ah e 350Ah. Questo rating è definito come il rating di scarico con un periodo di tempo di 8 ore.

Per esempio, una batteria 160Ah potrebbe fornire 20A di corrente di alimentazione al carico per 8 ore della portata. Possiamo prelevare più corrente, ma non è consigliabile farlo. Traendo più corrente rispetto alla corrente di scarica massima rispetto a 8 ore danneggerà l’efficienza della batteria e la resistenza interna della batteria potrebbe anche essere cambiata, che aumenta ulteriormente la temperatura della batteria.

D’altra parte, durante la fase di carica, dovremmo stare attenti alla polarità del caricatore, dovrebbe essere collegato correttamente con la polarità della batteria. L’inversione di polarità è pericolosa per la carica della batteria al piombo. Il caricabatterie già pronto è dotato di un misuratore di tensione e corrente di carica con un’opzione di controllo. Dovremmo fornire una tensione maggiore di quella della batteria per caricare la batteria. La corrente di carica massima dovrebbe essere uguale alla corrente massima di alimentazione a 8 ore di scarica. Se prendiamo lo stesso esempio di 12V 160Ah, allora la corrente di alimentazione massima è 20A, quindi la corrente di carica massima sicura è la 20A.

Non dovremmo aumentare o fornire grande corrente di carica come questo si tradurrà in calore e aumento della generazione di gas.

Regole di manutenzione della batteria al piombo

1. L’irrigazione è la caratteristica di manutenzione più trascurata delle batterie al piombo inondate. Poiché il sovraccarico diminuisce l’acqua, dobbiamo controllarla frequentemente. Meno acqua crea ossidazione nelle piastre e diminuisce la durata di vita della batteria. Aggiungere acqua distillata o ionizzata quando necessario.
2. Controllare gli sfiati, hanno bisogno di essere perfezionati con tappi di gomma, spesso i tappi di gomma si attacca con i fori troppo stretto.
3. Ricaricare le batterie piombo-acido dopo ogni uso. Un lungo periodo senza ricaricare fornisce solfatazione nelle piastre.
4. Non congelare la batteria o caricare più di 49 gradi centigradi. In ambiente freddo le batterie devono essere completamente caricate come batterie completamente cariche più sicuro delle batterie vuote per quanto riguarda il congelamento.
5. Non scaricare profondamente la batteria meno di 1,7 V per cella.
6. Per conservare una batteria al piombo acido, ha bisogno di essere completamente carica poi l’elettrolito deve essere scaricato. Poi la batteria diventerà secca e può essere conservata per un lungo periodo di tempo.