Nästan alla bärbara och handhållna enheter består av ett batteri. Batteriet är en lagringsenhet där energi lagras för att ge ström närhelst det behövs. Det finns olika typer av batterier tillgängliga i denna moderna elektronikvärld, bland dem används ofta blybatterier för hög energiförsörjning. De kan lagra stora mängder energi och används vanligen i bilar och växelriktare.

Även efter att ha fått konkurrens av Li-ion-batterier ökar efterfrågan på blybatterier dag för dag, eftersom de är billigare och lätta att hantera i jämförelse med Li-ion-batterier. Enligt vissa marknadsundersökningar beräknas Indiens marknad för blybatterier växa med en CAGR på över 9 % under 2018-24. Det har alltså en enorm efterfrågan på marknaden inom automation, fordonsindustrin och konsumentelektronik. Även om de flesta elfordon är utrustade med litiumjonbatterier finns det fortfarande många elektriska tvåhjulingar som använder blybatterier för att driva fordonet.

I den tidigare handledningen lärde vi oss om litiumjonbatterier, här kommer vi att förstå hur blybatterier fungerar, hur de är konstruerade och vilka tillämpningar de har. Vi kommer också att lära oss om laddnings- och urladdningsvärden, krav och säkerhet för blybatterier.

Blybatteriets konstruktion

Vad är ett blybatteri? Om vi bryter namnet Blysyrabatteri får vi bly, syra och batteri. Bly är ett kemiskt grundämne (symbolen är Pb och atomnumret är 82). Det är ett mjukt och formbart grundämne. Vi vet vad syra är; den kan avge en proton eller ta emot ett elektronpar när den reagerar. Ett batteri som består av bly och vattenfri blysyra (som ibland felaktigt kallas blyperoxid) kallas alltså för blysyrabatteri.

Nu, vad är den inre konstruktionen?

Ett blybatteri består av följande saker, vi kan se det i nedanstående bild:

Ett blybatteri består av plattor, separator och elektrolyt, hårdplast med ett hölje av hårdgummi.

I batterierna är plattorna av två typer, positiva och negativa. Den positiva består av blydioxid och den negativa består av svampbly. Dessa två plattor skiljs åt med hjälp av en separator som är ett isolerande material. Denna totala konstruktion förvaras i ett hårdplastfodral med en elektrolyt. Elektrolyten består av vatten och svavelsyra.

Hårdplasthöljet är en cell. En enda cell lagrar vanligtvis 2,1 V. Av denna anledning består ett 12V blybatteri av 6 celler och ger 6 x 2,1V/Cell = 12,6V typiskt.

Nu, vad är laddningslagringskapaciteten?

Det beror i hög grad på det aktiva materialet (mängden elektrolyt) och plattans storlek. Du kanske har sett att lagringskapaciteten för litiumbatterier beskrivs i mAh eller milliamperetimmar, men när det gäller blybatterier är det amperetimmar. Vi kommer att beskriva detta i ett senare avsnitt.

Blysyrabatteriets funktion

Blysyrabatteriets funktion handlar om kemi och det är mycket intressant att känna till den. Det finns enorma kemiska processer som är inblandade i blybatteriets laddnings- och urladdningstillstånd. Den utspädda svavelsyran H2SO4-molekylerna delas upp i två delar när syran löses upp. Det bildas positiva joner 2H+ och negativa joner SO4-. Som vi har berättat tidigare är två elektroder anslutna som plattor, anod och katod. Anoden fångar upp de negativa jonerna och katoden drar till sig de positiva jonerna. Denna bindning i anod och SO4- och katod med 2H+ utbyter elektroner och som vidare reagerar med H2O eller med vatten (utspädd svavelsyra, svavelsyra + vatten).

Batteriet har två tillstånd av kemisk reaktion, Laddning och urladdning.

Laddning av blysyrabatteri

Som vi vet, för att ladda ett batteri, måste vi tillhandahålla en spänning som är högre än spänningen på terminalen. Så för att ladda ett batteri på 12,6 V kan 13 V tillföras.

Men vad händer egentligen när vi laddar ett blybatteri?

Ja, samma kemiska reaktioner som vi beskrev tidigare. När batteriet ansluts till laddaren bryts svavelsyramolekylerna specifikt till två joner, positiva joner 2H+ och negativa joner SO4-. Vätet utbyter elektroner med katoden och blir till väte, detta väte reagerar med PbSO4 i katoden och bildar svavelsyra (H2SO4) och bly (Pb). Å andra sidan utbyter SO4- elektroner med anoden och blir till radikal SO4. Denna SO4 reagerar med PbSO4 i anoden och bildar blyperoxiden PbO2 och svavelsyra (H2SO4). Energin lagras genom att öka svavelsyrans tyngd och öka cellpotentialspänningen.

Som förklarats ovan äger följande kemiska reaktioner rum vid anoden och katoden under laddningsprocessen.

I katoden

PbSO4 + 2e- => Pb + SO42-

I anoden

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

Kombinerar man ovanstående två ekvationer blir den totala kemiska reaktionen

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

Det finns olika metoder som kan användas för att ladda blybatterier. Varje metod kan användas för specifika bly-syrabatterier för specifika tillämpningar. I vissa tillämpningar används en metod för laddning med konstant spänning, i vissa tillämpningar används en metod med konstant ström, medan tickle-laddning också är användbar i vissa fall. Normalt tillhandahåller batteritillverkaren en lämplig metod för laddning av specifika bly-syrabatterier. Konstantströmsladdning används vanligtvis inte vid laddning av blybatterier.

Den vanligaste laddningsmetoden som används i blybatterier är konstantspänningsladdningsmetoden som är en effektiv process när det gäller laddningstid. Vid full laddningscykel förblir laddningsspänningen konstant och strömmen minskar gradvis med ökningen av batteriets laddningsnivå.

Blysyrabatteri urladdning

Uttappning av ett blysyrabatteri är återigen involverad med kemiska reaktioner. Svavelsyran är i utspädd form med vanligtvis 3:1-förhållandet mellan vatten och svavelsyra. När belastningarna ansluts över plattorna bryts svavelsyran återigen till positiva joner 2H+ och negativa joner SO4. Vätejonerna reagerar med PbO2 och bildar PbO och vatten H2O. PbO börjar reagera med H2SO4 och skapar PbSO4 och H2O.

På andra sidan byter SO4-joner ut elektroner från Pb, vilket skapar radikal SO4 som vidare skapar PbSO4 som reagerar med Pb.

Som förklarats ovan sker följande kemiska reaktioner vid anod och katod under urladdningsprocessen. Dessa reaktioner är exakt motsatta till laddningsreaktionerna:

I katoden

Pb + SO42- => PbSO4 + 2e-

I anoden:

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

Om man kombinerar ovanstående två ekvationer blir den totala kemiska reaktionen

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

På grund av elektronutbytet mellan anoden och katoden påverkas elektronbalansen mellan plattorna. Elektronerna flödar sedan genom lasten och batteriet urladdas.

Under denna urladdning minskar den utspädda svavelsyrans gravitation. Samtidigt minskar också cellens potentialskillnad.

Riskfaktor och elektriska värden

Blybatteriet är skadligt om det inte underhålls på ett säkert sätt. Eftersom batteriet genererar vätgas under den kemiska processen är det mycket farligt om det inte används i ett ventilerat område. Dessutom skadar felaktig laddning batteriet allvarligt.

Vad är standardvärdena för blybatterier?

Varje blybatteri är försett med datablad för standardladdningsström och urladdningsström. Typiskt för ett 12 V bly-syrabatteri som är tillämpligt för fordonstillämpningar kan det ligga mellan 100 Ah och 350 Ah. Detta värde definieras som urladdningsvärdet med en tidsperiod på 8 timmar.

Till exempel kan ett 160Ah-batteri ge 20A matningsström till belastningen under 8 timmar av spännvidden. Vi kan dra mer ström men det är inte tillrådligt att göra det. Genom att dra mer ström än den maximala urladdningsströmmen med avseende på 8 timmar kommer batteriets effektivitet att skadas och batteriets interna motstånd kan också ändras, vilket ytterligare ökar batteritemperaturen.

Å andra sidan bör vi under laddningsfasen vara försiktiga med laddarens polaritet, den bör vara korrekt ansluten med batteriets polaritet. Omvänd polaritet är farligt för laddning av blybatterier. Den färdiga laddaren levereras med en mätare för laddningsspänning och laddningsström med ett kontrollalternativ. Vi bör ge högre spänning än batterispänningen för att ladda batteriet. Den maximala laddningsströmmen bör vara densamma som den maximala matningsströmmen vid 8 timmars urladdning. Om vi tar samma 12V 160Ah exempel, så är den maximala matningsströmmen 20A, så den maximala säkra laddningsströmmen är den 20A.

Vi bör inte öka eller tillhandahålla stor laddningsström eftersom detta kommer att resultera i värme och ökad gasgenerering.

Underhållsregler för bly-syrabatterier

1. Vatten är den mest försummade underhållsfunktionen för översvämmade bly-syrabatterier. Eftersom överladdning minskar vattnet måste vi kontrollera det ofta. Mindre vatten skapar oxidation i plattorna och minskar batteriets livslängd. Tillsätt destillerat eller joniserat vatten vid behov.
2. Kontrollera ventilerna, de måste fulländas med gummikappar, ofta fastnar gummikapparna med hålen för tätt.
3. Ladd upp blybatterier efter varje användning. En lång period utan uppladdning ger sulfatering i plattorna.
4. Frys inte batteriet eller ladda det mer än 49-graders celsius. I kall omgivning måste batterier laddas fullt ut eftersom fullt laddade batterier är säkrare än tomma batterier när det gäller frysning.
5. Du får inte djupurladdning av batteriet under 1,7 V per cell.
6. För att lagra ett blybatteri måste det laddas helt och hållet och sedan måste elektrolyten tömmas. Då blir batteriet torrt och kan lagras under lång tid.