Bijna elk draagbaar en draagbaar apparaat bestaat uit een batterij. De batterij is een opslagmedium waarin energie wordt opgeslagen om stroom te leveren wanneer dat nodig is. Er zijn verschillende soorten batterijen beschikbaar in deze moderne elektronicawereld, waaronder loodzuurbatterijen vaak worden gebruikt voor hoge stroomvoorziening. Meestal loodzuur batterijen zijn groter in omvang met harde en zware constructie, kunnen ze opslaan grote hoeveelheid energie en over het algemeen gebruikt in auto’s en omvormers.

Zelf na het krijgen van concurrentie met Li-ion batterijen, Loodzuur batterijen vraag stijgt met de dag, omdat ze goedkoper en gemakkelijk te hanteren in vergelijking met Li-ion batterijen. Volgens sommige marktonderzoeken zal de India Lead Acid Battery Market naar verwachting groeien met een CAGR van meer dan 9% in de periode 2018-24. Er is dus een grote vraag op de markt voor automatisering, auto’s en consumentenelektronica. Hoewel de meeste elektrische voertuigen zijn uitgerust met lithium-ion batterijen, zijn er nog steeds veel elektrische tweewielers die loodzuur batterijen gebruiken om het voertuig aan te drijven.

In de vorige tutorial hebben we geleerd over Lithium-ion batterijen, hier zullen we de werking, constructie en toepassingen van loodzuur batterijen begrijpen. We zullen ook leren over het opladen / ontladen ratings, eisen en veiligheid van lood-zuur batterijen.

Bouw van lood-zuur batterij

Wat is een lood-zuur batterij? Als we de naam loodzuurbatterij breken, krijgen we Lood, Zuur, en Batterij. Lood is een chemisch element (symbool is Pb en het atoomnummer is 82). Het is een zacht en kneedbaar element. We weten wat zuur is; het kan een proton afstaan of een elektronenpaar aanvaarden wanneer het reageert. Dus, een batterij, die bestaat uit lood en watervrij loodzuur (soms ten onrechte loodperoxide genoemd), wordt loodzuur-batterij genoemd.

Nu, wat is de interne constructie?

Een loodzuur accu bestaat uit de volgende dingen, we kunnen het zien in de onderstaande afbeelding:

Een loodzuur accu bestaat uit platen, separator, en elektrolyt, hard plastic met een harde rubberen behuizing.

In de batterijen, de platen zijn van twee soorten, positief en negatief. De positieve bestaat uit looddioxide en de negatieve uit sponslood. Deze twee platen worden van elkaar gescheiden door een separator, die een isolerend materiaal is. Deze totale constructie wordt bewaard in een harde plastic behuizing met een elektrolyt. De elektrolyt bestaat uit water en zwavelzuur.

De hardplastic behuizing is één cel. Een enkele cel slaat gewoonlijk 2,1 V op. Om deze reden bestaat een 12V loodzuur batterij uit 6 cellen en levert 6 x 2.1V/Cell = 12.6V typisch.

Nu, wat is de lading opslagcapaciteit?

Het is sterk afhankelijk van het actieve materiaal (hoeveelheid elektrolyt) en de grootte van de plaat. U hebt wellicht gezien dat de opslagcapaciteit van lithiumbatterijen wordt beschreven in mAh of milliampère-uur, maar in het geval van loodzuurbatterijen is dat Ampère-uur. We zullen dit later beschrijven.

Werking van loodzuur-batterij

Werking van de loodzuur-batterij heeft alles te maken met chemie en het is zeer interessant om er meer over te weten. Er zijn enorme chemische proces is betrokken bij het laden van lood-zuur batterij en het ontladen voorwaarde. Het verdunde zwavelzuur H2SO4 moleculen breken in twee delen wanneer het zuur oplost. Er ontstaan positieve ionen 2H+ en negatieve ionen SO4-. Zoals wij voordien vertelden, worden twee elektroden verbonden als platen, Anode en Kathode. De anode vangt de negatieve ionen en de kathode trekt de positieve ionen aan. Deze binding in Anode en SO4- en Kathode met 2H+ wisselen elektronen uit en die reageren verder met H2O of met water (verdund zwavelzuur, zwavelzuur + water).

De batterij heeft twee staten van chemische reactie, Laden en Ontladen.

Loodzuurbatterij Laden

Zoals we weten, om een batterij op te laden, moeten we een spanning leveren die groter is dan de eindspanning. Dus om een batterij van 12,6 V op te laden, kan 13 V worden toegepast.

Maar wat gebeurt er eigenlijk wanneer we een loodzuur-batterij opladen?

Wel, dezelfde chemische reacties die we eerder hebben beschreven. Wanneer de batterij wordt aangesloten op de oplader, vallen de zwavelzuurmoleculen uiteen in twee ionen: positieve ionen 2H+ en negatieve ionen SO4-. De waterstof wisselt elektronen uit met de kathode en wordt waterstof, deze waterstof reageert met het PbSO4 in de kathode en vormt zwavelzuur (H2SO4) en lood (Pb). Aan de andere kant wisselt SO4- elektronen uit met de anode en wordt radicaal SO4. Dit SO4 reageert met PbSO4 van de anode en creëert het loodperoxide PbO2 en zwavelzuur (H2SO4). De energie wordt opgeslagen door de zwaartekracht van zwavelzuur te verhogen en de potentiële spanning van de cel te verhogen.

Zoals hierboven uitgelegd, vinden de volgende chemische reacties plaats bij de anode en de kathode tijdens het laadproces.

Aan kathode

PbSO4 + 2e- => Pb + SO42-

Aan anode

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

Combinatie van de twee bovenstaande vergelijkingen, zal de totale chemische reactie

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

Er zijn verschillende methoden van toepassing voor het opladen van de loodzuurbatterij. Elke methode kan worden gebruikt voor specifieke loodzuur-batterijen voor specifieke toepassingen. Sommige toepassingen maken gebruik van een constante spanning laadmethode, sommige toepassingen maken gebruik van een constante stroom methode, terwijl kietelen opladen ook nuttig in sommige gevallen. Normaal gesproken geeft de fabrikant van de accu de juiste methode voor het opladen van de specifieke loodzuur accu’s. Het constante huidige laden wordt typisch niet gebruikt in het laden van Lood Zure Batterij.

De gemeenschappelijkste het laden methode die in lood zure batterij wordt gebruikt is het constante voltage laden methode die een efficiënt proces in termen van het laden tijd is. In volledige ladingscyclus blijft de ladingsvoltage constant en de stroom verminderde geleidelijk met de verhoging van batterijcharge level.

Lead Acid Battery Discharging

Discharge van een lood-zuur batterij is opnieuw betrokken met chemische reacties. Het zwavelzuur is in de verdunde vorm met typisch 3:1 verhouding met water en zwavelzuur. Wanneer de ladingen over de platen worden aangesloten, breekt het zwavelzuur opnieuw in positieve ionen 2H+ en negatieve ionen SO4. De waterstofionen reageren met het PbO2 en maken PbO en water H2O. PbO begint te reageren met de H2SO4 en creëert PbSO4 en H2O.

Aan de andere kant wisselen SO4-ionen elektronen uit Pb, waardoor radicaal SO4 ontstaat dat verder PbSO4 creëert dat reageert met het Pb.

Zoals hierboven uitgelegd, vinden de volgende chemische reacties plaats bij de anode en kathode tijdens het ontladingsproces. Deze reacties zijn precies het tegenovergestelde van de oplaadreacties:

Aan kathode

Pb + SO42- => PbSO4 + 2e-

Aan anode:

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

Combinatie van de twee bovenstaande vergelijkingen, zal de totale chemische reactie

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

Vanwege de elektronenuitwisseling over anode en kathode, wordt de elektronenbalans over de platen beïnvloed. De elektronen stromen dan door de lading en de batterij wordt ontladen.

Tijdens deze ontlading neemt de verdunde zwavelzuurazwaarte af. Ook, op hetzelfde moment, het potentiaalverschil van de cel decrease.

Risicofactor en elektrische Ratings

De loodzuur batterij is schadelijk indien niet veilig onderhouden. Aangezien de batterij tijdens het chemische proces waterstofgas genereert, is hij zeer gevaarlijk als hij niet in een geventileerde ruimte wordt gebruikt. Ook onnauwkeurig opladen beschadigt de batterij ernstig.

Wat zijn de standaard ratings van loodzuur batterijen?

Elke lood-zuur batterij is voorzien van een gegevensblad voor standaard laadstroom en ontlaadstroom. Een 12V-loodzuurbatterij voor toepassingen in de auto-industrie heeft een capaciteit van 100Ah tot 350Ah. Deze waarde wordt gedefinieerd als de ontlaadstroom met een tijdspanne van 8 uur.

Bij voorbeeld, een batterij van 160Ah kan gedurende 8 uur 20A stroom leveren aan de belasting. We kunnen meer stroom opnemen, maar het is niet aan te raden dit te doen. Door meer stroom te trekken dan de maximale ontlaadstroom met betrekking tot 8 uur zal de efficiëntie van de batterij worden beschadigd en de interne weerstand van de batterij zou ook kunnen worden gewijzigd, waardoor de temperatuur van de batterij verder toeneemt.

Aan de andere kant, tijdens de oplaadfase, moeten we voorzichtig zijn met de polariteit van de oplader, deze moet goed worden aangesloten op de polariteit van de batterij. Omgekeerde polariteit is gevaarlijk voor het laden van lood-zuur batterijen. De kant-en-klare lader wordt geleverd met een laadspanning- en laadstroommeter met een regelmogelijkheid. Het voltage moet hoger zijn dan het voltage van de accu om de accu op te laden. De maximale laadstroom moet gelijk zijn aan de maximale voedingsstroom bij 8 uur ontlading. Als we hetzelfde voorbeeld nemen van een 12V 160Ah, dan is de maximale voedingsstroom 20A, dus de maximale veilige laadstroom is de 20A.

We moeten de laadstroom niet verhogen of te groot maken, want dit leidt tot warmte en meer gasontwikkeling.

Regels voor het onderhoud van loodzuurbatterijen

1. Wateren is het meest verwaarloosde onderhoudskenmerk van natte loodzuurbatterijen. Omdat door overladen het water afneemt, moeten we het vaak controleren. Minder water veroorzaakt oxidatie in de platen en vermindert de levensduur van de batterij. Voeg gedistilleerd of geïoniseerd water toe wanneer dat nodig is.
2. Controleer de ventilatiegaten, ze moeten worden geperfectioneerd met rubberen doppen, vaak plakken de rubberen doppen te strak in de gaten.
3. Lood-zuur batterijen na elk gebruik opnieuw opladen. Een lange periode zonder opladen zorgt voor sulfatering in de platen.
4. Vries de batterij niet in en laad hem niet op boven 49 graden Celsius. In een koude omgeving moeten batterijen volledig worden opgeladen omdat volledig opgeladen batterijen veiliger zijn dan lege batterijen wat bevriezing betreft.
5. Diep de batterij niet op tot minder dan 1,7V per cel.
6. Om een loodzuur-batterij op te slaan, moet deze volledig worden opgeladen en vervolgens moet de elektrolyt worden afgetapt. Dan wordt de batterij droog en kan ze voor lange tijd worden opgeslagen.