Acumulator plumb-acid
PlatesEdit
Celula plumb-acid poate fi demonstrată folosind plăci de tablă de plumb pentru cei doi electrozi. Cu toate acestea, o astfel de construcție produce doar în jur de un amperiu pentru plăci de dimensiunea aproximativă a unei cărți poștale, și doar pentru câteva minute.
Gaston Planté a găsit o modalitate de a oferi o suprafață efectivă mult mai mare. În proiectul lui Planté, plăcile pozitive și negative erau formate din două spirale de folie de plumb, separate cu o foaie de pânză și înfășurate. Inițial, celulele aveau o capacitate scăzută, astfel încât a fost necesar un proces lent de „formare” pentru a coroda foliile de plumb, creând dioxid de plumb pe plăci și făcându-le mai aspre pentru a crește suprafața. Inițial, acest proces folosea electricitate de la bateriile primare; când generatoarele au devenit disponibile după 1870, costul de producere a bateriilor a scăzut foarte mult. Plăcile Planté sunt încă utilizate în unele aplicații staționare, în care plăcile sunt canelate mecanic pentru a le mări suprafața.
În 1880, Camille Alphonse Faure a brevetat o metodă de acoperire a unei rețele de plumb (care servește drept conductor de curent) cu o pastă de oxizi de plumb, acid sulfuric și apă, urmată de o fază de întărire în care plăcile erau expuse la o căldură ușoară într-un mediu cu umiditate ridicată. Procesul de întărire a transformat pasta într-un amestec de sulfați de plumb care a aderat la placa de plumb. Apoi, în timpul încărcării inițiale a bateriei (numită „formare”), pasta întărită de pe plăci a fost transformată în material activ din punct de vedere electrochimic („masa activă”). Procedeul lui Faure a redus semnificativ timpul și costurile de fabricare a bateriilor plumb-acid și a permis o creștere substanțială a capacității în comparație cu bateria lui Planté. Metoda lui Faure este utilizată și în prezent, cu doar îmbunătățiri incrementale în ceea ce privește compoziția pastei, polimerizarea (care se face în continuare cu abur, dar este acum un proces foarte bine controlat), precum și structura și compoziția grilei pe care se aplică pasta.
Grila dezvoltată de Faure era din plumb pur cu tije de legătură din plumb în unghiuri drepte. În schimb, grilele actuale sunt structurate pentru o mai bună rezistență mecanică și o mai bună circulație a curentului. Pe lângă diferitele modele de grilă (în mod ideal, toate punctele de pe placă sunt echidistante față de conductorul de curent), procedeele din zilele noastre aplică, de asemenea, unul sau două covorașe subțiri din fibră de sticlă peste grilă pentru a distribui greutatea mai uniform. Și, deși Faure a folosit plumb pur pentru grilele sale, în decurs de un an (1881) acestea au fost înlocuite cu aliaje de plumb-antimoniu (8-12%) pentru a conferi structurilor o rigiditate suplimentară. Cu toate acestea, grilele cu conținut ridicat de antimoniu au o evoluție mai mare a hidrogenului (care, de asemenea, se accelerează pe măsură ce bateria îmbătrânește) și, prin urmare, o degazare mai mare și costuri de întreținere mai mari. Aceste probleme au fost identificate de U. B. Thomas și W. E. Haring de la Laboratoarele Bell în anii 1930 și au dus în cele din urmă la dezvoltarea în 1935 a aliajelor de plumb-calciu pentru grila de rețea pentru bateriile de rezervă din rețeaua telefonică americană. Cercetări conexe au dus la dezvoltarea de aliaje de plumb-seleniu în Europa câțiva ani mai târziu. Atât aliajele de plumb-calciu, cât și cele de plumb-seleniu adaugă în continuare antimoniu, deși în cantități mult mai mici decât vechile grile cu conținut ridicat de antimoniu: grilele de plumb-calciu au 4-6% antimoniu, în timp ce grilele de plumb-seleniu au 1-2%. Aceste îmbunătățiri metalurgice conferă rețelei mai multă rezistență, ceea ce îi permite să suporte mai multă greutate, adică mai mult material activ, și astfel plăcile pot fi mai groase, ceea ce, la rândul său, contribuie la creșterea duratei de viață a bateriei, deoarece există mai mult material disponibil pentru a fi eliminat înainte ca bateria să devină inutilizabilă. Grilele din aliaj cu conținut ridicat de antimoniu sunt încă utilizate în bateriile destinate ciclurilor frecvente, de exemplu, în aplicațiile de pornire a motorului, unde trebuie compensată expansiunea/contracția frecventă a plăcilor, dar unde degazarea nu este semnificativă, deoarece curenții de încărcare rămân mici. Începând cu anii 1950, bateriile concepute pentru aplicații cu cicluri rare (de exemplu, bateriile de rezervă) au din ce în ce mai multe grile din aliaj de plumb-calciu sau plumb-seleniu, deoarece acestea au o evoluție mai redusă a hidrogenului și, prin urmare, costuri de întreținere mai mici. Grilele din aliaj plumb-calciu sunt mai ieftine de fabricat (celulele au astfel costuri inițiale mai mici) și au o rată de autodescărcare mai mică și cerințe de udare mai mici, dar au o conductivitate puțin mai slabă, sunt mai slabe din punct de vedere mecanic (și astfel necesită mai mult antimoniu pentru a compensa) și sunt mai puternic supuse coroziunii (și astfel au o durată de viață mai scurtă) decât celulele cu grile din aliaj plumb-seleniu.
Efectul de circuit deschis este o pierdere dramatică a duratei de viață a ciclului bateriei care a fost observată atunci când calciul a fost înlocuit cu antimoniu. Este, de asemenea, cunoscut sub numele de efectul fără antimoniu.
Pasta din zilele noastre conține negru de fum, blanc fixe (sulfat de bariu) și lignosulfonat. Blanc fixe acționează ca un cristal de sămânță pentru reacția de transformare a plumbului în sulfat de plumb. Blanc fixe trebuie să fie complet dispersat în pastă pentru ca aceasta să fie eficientă. Lignosulfonatul împiedică placa negativă să formeze o masă solidă în timpul ciclului de descărcare, permițând în schimb formarea unor dendrite lungi sub formă de ace. Cristalele lungi au o suprafață mai mare și sunt ușor de transformat înapoi la starea inițială la încărcare. Negrul de fum contracarează efectul de inhibare a formării cauzat de lignosulfonate. Dispersantul de condensat de naftalină sulfonată este un expandant mai eficient decât lignosulfonatul și accelerează formarea. Acest dispersant îmbunătățește dispersia sulfatului de bariu în pastă, reduce timpul de hidratare, produce o placă mai rezistentă la rupere, reduce particulele fine de plumb și îmbunătățește astfel caracteristicile de manipulare și lipire. Prelungește durata de viață a bateriei prin creșterea tensiunii de sfârșit de încărcare. Naftalina sulfonată necesită aproximativ o treime până la jumătate din cantitatea de lignosulfonat și este stabilă la temperaturi mai ridicate.
După ce sunt uscate, plăcile sunt stivuite cu separatori adecvați și introduse într-un container de celule. Plăcile alternative constituie apoi electrozi alternativ pozitivi și negativi, iar în cadrul celulei sunt ulterior conectate între ele (negativ la negativ, pozitiv la pozitiv) în paralel. Separatoarele împiedică plăcile să se atingă între ele, ceea ce altfel ar constitui un scurtcircuit. În cazul celulelor inundate și al celulelor cu gel, separatorii sunt șine sau știfturi izolatoare, anterior din sticlă sau ceramică, iar în prezent din plastic. În cazul celulelor AGM, separatorul este chiar covorul de sticlă, iar suportul de plăci cu separatori este strâns împreună înainte de a fi introdus în celulă; odată intrat în celulă, covorul de sticlă se dilată ușor, blocând efectiv plăcile în poziție. În cazul bateriilor cu mai multe celule, celulele sunt apoi conectate între ele în serie, fie prin conectori prin pereții celulei, fie printr-o punte peste pereții celulei. Toate conexiunile intra-celule și intercelule sunt din același aliaj de plumb ca și cel utilizat în grile. Acest lucru este necesar pentru a preveni coroziunea galvanică.
Baterii cu ciclu profund au o geometrie diferită pentru electrozii lor pozitivi. Electrodul pozitiv nu este o placă plată, ci un rând de cilindri sau tuburi de oxid de plumb înșirate unul lângă altul, astfel încât geometria lor este numită tubulară sau cilindrică. Avantajul este o suprafață mai mare în contact cu electrolitul, cu curenți de descărcare și încărcare mai mari decât o celulă cu placă plană de același volum și aceeași adâncime de încărcare. Celulele cu electrozi tubulari au o densitate de putere mai mare decât cele cu plăci plate. Acest lucru face ca plăcile cu geometrie tubulară/cilindrică să fie deosebit de potrivite pentru aplicații de curent ridicat cu limitări de greutate sau de spațiu, cum ar fi stivuitoarele sau pentru pornirea motoarelor diesel marine. Cu toate acestea, deoarece tuburile/cilindrii au mai puțin material activ în același volum, acestea au, de asemenea, o densitate de energie mai mică decât celulele cu plăci plate. Și, având mai puțin material activ la electrod, înseamnă, de asemenea, că acestea au mai puțin material disponibil pentru a se desprinde înainte ca celula să devină inutilizabilă. Electrozii tubulari/cilindrici sunt, de asemenea, mai complicat de fabricat în mod uniform, ceea ce tinde să le facă mai scumpe decât celulele cu plăci plate. Aceste compromisuri limitează gama de aplicații în care bateriile tubulare/cilindrice sunt semnificative la situațiile în care nu există spațiu suficient pentru a instala unități cu plăci plate de capacitate mai mare (și, prin urmare, mai mari).
Aproximativ 60% din greutatea unei baterii plumb-acid de tip auto cu o capacitate nominală de aproximativ 60 A-h este reprezentată de plumb sau de piese interne fabricate din plumb; restul este reprezentat de electrolit, separatori și carcasă. De exemplu, există aproximativ 8,7 kg (19 lb) de plumb într-o baterie tipică de 14,5 kg (32 lb).
SeparatoriEdit
Separatorii dintre plăcile pozitivă și negativă previn scurtcircuitele prin contact fizic, mai ales prin dendrite („treeing”), dar și prin desprinderea materialului activ. Separatorii permit fluxul de ioni între plăcile unei celule electrochimice pentru a forma un circuit închis. Lemnul, cauciucul, covorul din fibră de sticlă, celuloza și plasticul din PVC sau polietilenă au fost folosite pentru a fabrica separatoare. Lemnul a fost alegerea inițială, dar acesta se deteriorează în electrolitul acid. Separatorii din cauciuc sunt stabili în acidul bateriei și oferă avantaje electrochimice valoroase pe care alte materiale nu le pot oferi.
Un separator eficient trebuie să posede o serie de proprietăți mecanice; cum ar fi permeabilitatea, porozitatea, distribuția dimensiunilor porilor, suprafața specifică, designul și rezistența mecanică, rezistența electrică, conductivitatea ionică și compatibilitatea chimică cu electrolitul. În exploatare, separatorul trebuie să aibă o bună rezistență la acizi și la oxidare. Suprafața separatorului trebuie să fie puțin mai mare decât suprafața plăcilor pentru a preveni scurtcircuitarea materialului între plăci. Separatorii trebuie să rămână stabili pe toată gama de temperaturi de funcționare a bateriei.
Absorbent Glass Mat (AGM)Edit
În designul covorului de sticlă absorbantă, sau pe scurt AGM, separatoarele dintre plăci sunt înlocuite de un covor de fibră de sticlă îmbibat în electrolit. Există doar suficient electrolit în saltea pentru a o menține umedă, iar dacă bateria este perforată, electrolitul nu va curge din saltea. În principal, scopul înlocuirii electrolitului lichid într-o baterie inundată cu un covoraș de fibră de sticlă semi-saturat este de a crește substanțial transportul gazelor prin separator; hidrogenul sau oxigenul gazos produs în timpul supraîncărcării sau al încărcării (dacă curentul de încărcare este excesiv) poate trece liber prin covorașul de sticlă și reduce, respectiv oxidează placa opusă. Într-o celulă inundată, bulele de gaz plutesc în partea superioară a bateriei și se pierd în atmosferă. Acest mecanism de recombinare a gazului produs și avantajul suplimentar al unei celule semi-saturate, care nu asigură o scurgere substanțială a electrolitului în cazul perforării fizice a carcasei bateriei, permite ca aceasta să fie complet etanșă, ceea ce o face utilă în cazul dispozitivelor portabile și al unor roluri similare. În plus, bateria poate fi instalată în orice orientare, deși, dacă este instalată cu capul în jos, acidul poate fi suflat prin gura de aerisire pentru suprapresiune.
Pentru a reduce rata de pierdere a apei, calciul este aliat cu plăcile, însă acumularea de gaz rămâne o problemă atunci când bateria este încărcată sau descărcată profund sau rapid. Pentru a preveni suprapresurizarea carcasei bateriei, bateriile AGM includ o supapă de aerisire unidirecțională și sunt adesea cunoscute sub denumirea de modele „plumb-acid cu reglare prin supapă”, sau VRLA.
Un alt avantaj al designului AGM este că electrolitul devine materialul separator și este rezistent din punct de vedere mecanic. Acest lucru permite ca stiva de plăci să fie comprimată împreună în carcasa bateriei, crescând ușor densitatea de energie în comparație cu versiunile cu lichid sau gel. Bateriile AGM prezintă adesea o „umflătură” caracteristică în învelișul lor atunci când sunt construite în forme dreptunghiulare obișnuite, din cauza expansiunii plăcilor pozitive.
Stratul previne, de asemenea, mișcarea verticală a electrolitului în interiorul bateriei. Atunci când o celulă umedă normală este depozitată în stare descărcată, moleculele de acid mai grele au tendința de a se depune pe fundul bateriei, determinând stratificarea electrolitului. Când bateria este apoi utilizată, majoritatea curentului circulă doar în această zonă, iar partea inferioară a plăcilor tinde să se uzeze rapid. Acesta este unul dintre motivele pentru care o baterie de mașină convențională poate fi distrusă dacă este lăsată depozitată pentru o perioadă lungă de timp și apoi folosită și reîncărcată. Covorașul previne semnificativ această stratificare, eliminând necesitatea de a scutura periodic bateriile, de a le fierbe sau de a trece prin ele o „încărcare de egalizare” pentru a amesteca electrolitul. Stratificarea face, de asemenea, ca straturile superioare ale bateriei să devină aproape în totalitate apă, care poate îngheța pe vreme rece, AGM-urile sunt semnificativ mai puțin susceptibile la deteriorări datorate utilizării la temperaturi scăzute.
În timp ce celulele AGM nu permit udarea (de obicei, este imposibil să se adauge apă fără a face o gaură în baterie), procesul lor de recombinare este limitat în mod fundamental de procesele chimice obișnuite. Hidrogenul gazos va difuza chiar și prin însăși carcasa de plastic. Unii au descoperit că este profitabil să se adauge apă la o baterie AGM, dar acest lucru trebuie făcut încet pentru a permite ca apa să se amestece prin difuzie în întreaga baterie. Atunci când o baterie plumb-acid pierde apă, concentrația de acid crește, mărind semnificativ rata de coroziune a plăcilor. Celulele AGM au deja un conținut ridicat de acid în încercarea de a reduce rata de pierdere a apei și de a crește tensiunea de așteptare, iar acest lucru determină o durată de viață mai scurtă în comparație cu o baterie inundată cu plumb-antimoniu. Dacă tensiunea de circuit deschis a celulelor AGM este semnificativ mai mare decât 2,093 volți, sau 12,56 V pentru o baterie de 12 V, atunci aceasta are un conținut de acid mai mare decât o celulă inundată; deși acest lucru este normal pentru o baterie AGM, nu este de dorit pentru o durată de viață lungă.
Celele AGM care sunt supraîncărcate în mod intenționat sau accidental vor prezenta o tensiune de circuit deschis mai mare în funcție de apa pierdută (și de concentrația de acid crescută). Un amper-oră de supraîncărcare va electroliza 0,335 grame de apă pe celulă; o parte din acest hidrogen și oxigen eliberat se va recombina, dar nu tot.
Electroliți gelificațiEdit
Articolul principal: Baterie VRLA § Baterie cu gel
În anii 1970, cercetătorii au dezvoltat versiunea sigilată sau bateria cu gel, care amestecă un agent de gelifiere cu silice în electrolit (bateriile cu plumb-acid pe bază de gel de silice folosite în radiourile portabile de la începutul anilor 1930 nu erau complet sigilate). Acest lucru transformă interiorul anterior lichid al celulelor într-o pastă semi rigidă, oferind multe dintre aceleași avantaje ca și AGM. Astfel de modele sunt chiar mai puțin susceptibile la evaporare și sunt adesea utilizate în situații în care este posibilă o întreținere periodică redusă sau inexistentă. De asemenea, celulele cu gel au puncte de congelare mai mici și puncte de fierbere mai ridicate decât electroliții lichizi utilizați în celulele umede convenționale și în AGM, ceea ce le face potrivite pentru utilizarea în condiții extreme.
Singurul dezavantaj al designului cu gel este că gelul împiedică mișcarea rapidă a ionilor din electrolit, ceea ce reduce mobilitatea purtătorilor și, prin urmare, capacitatea de supratensiune a curentului. Din acest motiv, celulele cu gel sunt cel mai des întâlnite în aplicațiile de stocare a energiei, cum ar fi sistemele off-grid.