Blybatteri
PlattorRedigera
Blycellen kan demonstreras genom att använda plåtplattor av bly för de två elektroderna. En sådan konstruktion ger dock endast cirka en ampere för plåtar av ungefär vykortsstorlek, och endast i några minuter.
Gaston Planté hittade ett sätt att ge en mycket större effektiv yta. I Plantés konstruktion utgjordes de positiva och negativa plattorna av två spiraler av blyfolie som skiljdes åt med ett tygstycke och rullades ihop. Cellerna hade till en början låg kapacitet, så det krävdes en långsam process av ”formning” för att korrodera blyfolierna, vilket skapade blydioxid på plattorna och gjorde dem ojämna för att öka ytan. Till en början användes elektricitet från primärbatterier, men när generatorer blev tillgängliga efter 1870 sjönk kostnaden för att tillverka batterier kraftigt. Plantéplattor används fortfarande i vissa stationära tillämpningar, där plattorna är mekaniskt räfflade för att öka deras yta.
År 1880 patenterade Camille Alphonse Faure en metod för att belägga ett blygaller (som fungerar som strömledare) med en pasta av blyoxider, svavelsyra och vatten, följt av en härdningsfas där plattorna utsattes för mild värme i en miljö med hög luftfuktighet. Härdningsprocessen förändrade pastan till en blandning av blysulfater som fastnade på blyplattan. Under batteriets första laddning (kallad ”bildning”) omvandlades den härdade pastan på plattorna till elektrokemiskt aktivt material (den ”aktiva massan”). Faures process minskade avsevärt tiden och kostnaden för att tillverka bly-syrabatterier och gav en väsentlig ökning av kapaciteten jämfört med Planté-batteriet. Faures metod används fortfarande idag, med endast inkrementella förbättringar av pastans sammansättning, härdning (som fortfarande sker med ånga, men som numera är en mycket noggrant kontrollerad process) samt struktur och sammansättning av det galler som pastan appliceras på.
Det galler som Faure utvecklade bestod av rent bly med förbindelsestänger av bly i rätvinkliga vinklar. Dagens galler är däremot strukturerade för bättre mekanisk hållfasthet och bättre strömflöde. Förutom olika rutmönster (i idealfallet är alla punkter på plattan lika långt från strömledaren) applicerar dagens processer också en eller två tunna glasfibermattor över rutnätet för att fördela vikten jämnare. Faure använde rent bly till sina galler, men inom ett år (1881) hade detta ersatts av legeringar av bly och antimon (8-12 %) för att ge strukturerna ytterligare styvhet. Nät med högt antimoninnehåll har dock en högre väteutveckling (som också accelererar när batteriet åldras), vilket leder till större avgasning och högre underhållskostnader. Dessa problem identifierades av U. B. Thomas och W. E. Haring vid Bell Labs på 1930-talet och ledde så småningom till att man 1935 utvecklade bly-kalciumgallerlegeringar för reservkraftsbatterier i det amerikanska telefonnätet. Relaterad forskning ledde några år senare till utvecklingen av bly-selen-gallerlegeringar i Europa. Både bly-kalcium- och bly-selen-gitterlegeringar innehåller fortfarande antimon, om än i mycket mindre mängder än de äldre gitten med högt antimoninnehåll: bly-kalcium-gitten innehåller 4-6 % antimon medan bly-selen-gitten innehåller 1-2 % antimon. Dessa metallurgiska förbättringar ger gallret mer styrka, vilket gör att det kan bära mer vikt, dvs. mer aktivt material, och därför kan plattorna vara tjockare, vilket i sin tur bidrar till att öka batteriets livslängd eftersom det finns mer material att avlägsna innan batteriet blir obrukbart. Gitter av högantimonlegering används fortfarande i batterier som är avsedda för frekventa cykler, t.ex. i tillämpningar för motorstart där plattornas frekventa expansion/kontraktion måste kompenseras, men där utgasning inte är betydande eftersom laddningsströmmarna förblir låga. Sedan 1950-talet har batterier som är avsedda för sällan återkommande cykling (t.ex. batterier för reservkraft) i allt större utsträckning haft galler av bly-kalcium- eller bly-selenlegeringar, eftersom dessa har mindre väteutveckling och därmed lägre underhållskostnader. Nät av bly-kalciumlegering är billigare att tillverka (cellerna har därför lägre initiala kostnader), har en lägre självurladdningshastighet och lägre krav på vattning, men har något sämre ledningsförmåga, är mekaniskt svagare (och kräver därför mer antimon för att kompensera detta) och är mer utsatta för korrosion (och har därför en kortare livslängd) än celler med nät av bly-selenlegering.
Den öppna kretsen-effekten är en dramatisk förlust av batteriernas livslängd, som observerades när kalcium ersattes av antimon. Den är också känd som den antimonfria effekten.
Den moderna pastan innehåller kimrök, blanc fixe (bariumsulfat) och lignosulfonat. Blanc fixe fungerar som en frökristall för reaktionen från bly till blysulfat. Blanc fixe måste vara helt utspridd i pastan för att den ska vara effektiv. Lignosulfonatet förhindrar att den negativa plattan bildar en fast massa under urladdningscykeln och möjliggör i stället bildandet av långa nålliknande dendriter. De långa kristallerna har större yta och omvandlas lätt tillbaka till det ursprungliga tillståndet vid laddning. Kolsot motverkar effekten av den hämmande bildning som orsakas av lignosulfonaterna. Dispergeringsmedel för sulfonerade naftalenkondensat är en effektivare expanderare än lignosulfonat och påskyndar bildningen. Detta dispergeringsmedel förbättrar spridningen av bariumsulfat i pastan, förkortar hydrosettiden, ger en mer brottsbeständig platta, reducerar fina blypartiklar och förbättrar därmed hanterings- och klistringsegenskaperna. Det förlänger batteriets livslängd genom att öka spänningen i slutet av laddningen. Sulfonerad naftalen kräver ungefär en tredjedel till hälften av mängden lignosulfonat och är stabil mot högre temperaturer.
När plattorna är torra staplas de med lämpliga separatorer och sätts in i en cellbehållare. De alternerande plattorna utgör då omväxlande positiva och negativa elektroder, och i cellen kopplas de senare parallellt till varandra (negativt till negativt, positivt till positivt). Separatorerna förhindrar att plattorna rör vid varandra, vilket annars skulle innebära en kortslutning. I översvämmade celler och gelceller är separatorerna isolerande skenor eller stift, tidigare av glas eller keramik och numera av plast. I AGM-celler är separatorn själva glasmattan, och plåtarna med separatorer pressas ihop innan de sätts in i cellen. När de väl är inne i cellen expanderar glasmattan något, vilket effektivt låser plattorna på plats. I batterier med flera celler ansluts cellerna sedan till varandra i serie, antingen genom kontakter genom cellväggarna eller genom en bro över cellväggarna. Alla anslutningar inom och mellan cellerna är av samma blylegering som den som används i gittrarna. Detta är nödvändigt för att förhindra galvanisk korrosion.
Djupcykelbatterier har en annan geometri för sina positiva elektroder. Den positiva elektroden är inte en platt platta utan en rad blyoxidcylindrar eller rör som är uppradade sida vid sida, varför deras geometri kallas tubulär eller cylindrisk. Fördelen med detta är en större yta i kontakt med elektrolyten, med högre urladdnings- och laddningsströmmar än en platta cell med samma volym och laddningsdjup. Celler med rörformade elektroder har en högre effekttäthet än platta celler. Detta gör att plattor med rörformig/cylindrisk geometri är särskilt lämpliga för högströmstillämpningar med vikt- eller utrymmesbegränsningar, t.ex. för gaffeltruckar eller för att starta marina dieselmotorer. Eftersom rör/cylindrar har mindre aktivt material i samma volym har de dock också en lägre energitäthet än platta celler. Mindre aktivt material vid elektroden innebär också att de har mindre material tillgängligt för avgivning innan cellen blir oanvändbar. Rörformiga/cylindriska elektroder är också mer komplicerade att tillverka på ett enhetligt sätt, vilket tenderar att göra dem dyrare än platta celler. Dessa kompromisser begränsar användningsområdet för rörformade/cylindriska batterier till situationer där det inte finns tillräckligt med utrymme för att installera enheter med högre kapacitet (och därmed större) med platta plattplattor.
Omkring 60 % av vikten i ett blybatteri av biltyp med en nominell effekt på cirka 60 A-h utgörs av bly eller interna delar av bly, medan resten utgörs av elektrolyt, separatorer och hölje. Det finns till exempel cirka 8,7 kg bly i ett typiskt batteri på 14,5 kg.
SeparatorerRedigera
Separatorer mellan de positiva och negativa plattorna förhindrar kortslutning genom fysisk kontakt, främst genom dendriter (”treeing”), men också genom att det aktiva materialet släpper ut. Separatorer gör det möjligt för jonflödet mellan plattorna i en elektrokemisk cell att bilda en sluten krets. Trä, gummi, glasfibermatta, cellulosa och PVC- eller polyetenplast har använts för att tillverka separatorer. Trä var det ursprungliga valet, men det försämras i den sura elektrolyten. Separatorer av gummi är stabila i batterisyra och ger värdefulla elektrokemiska fördelar som andra material inte kan ge.
En effektiv separator måste ha ett antal mekaniska egenskaper, t.ex. genomsläpplighet, porositet, porstorleksfördelning, specifik yta, mekanisk utformning och hållfasthet, elektrisk resistans, jonledningsförmåga och kemisk kompatibilitet med elektrolyten. I drift måste separatorn ha god motståndskraft mot syra och oxidation. Separatorns yta måste vara lite större än plattornas yta för att förhindra materialkortning mellan plattorna. Separatorerna måste förbli stabila över batteriets driftstemperaturområde.
Absorbent Glass Mat (AGM)Edit
I den absorberande glasmattekonstruktionen, eller kort sagt AGM, ersätts separatorerna mellan plattorna av en glasfibermatta som blötläggs i elektrolyt. Det finns bara tillräckligt med elektrolyt i mattan för att hålla den våt, och om batteriet punkteras kommer elektrolyten inte att rinna ut ur mattan. Syftet med att ersätta flytande elektrolyt i ett översvämmat batteri med en halvmättad glasfibermatta är huvudsakligen att väsentligt öka gastransporten genom separatorn. Vätgas eller syrgas som produceras vid överladdning eller laddning (om laddningsströmmen är för hög) kan fritt passera genom glasmattan och reducera eller oxidera den motsatta plattan respektive. I en översvämmad cell flyter gasbubblorna upp till toppen av batteriet och försvinner till atmosfären. Denna mekanism för rekombination av den producerade gasen och den ytterligare fördelen med en halvmättad cell som inte ger något väsentligt läckage av elektrolyt vid fysisk punktering av batterihöljet gör att batteriet kan vara helt förseglat, vilket gör dem användbara i bärbara apparater och liknande funktioner. Dessutom kan batteriet installeras i vilket läge som helst, men om det installeras upp och ner kan syra blåsa ut genom övertrycksventilen.
För att minska vattenförlusten legeras kalcium med plattorna, men gasbildning förblir ett problem när batteriet laddas eller urladdas djupt eller snabbt. För att förhindra övertryck i batterihuset har AGM-batterier en envägsutblåsningsventil och kallas ofta ”ventilreglerade bly-syror” eller VRLA-konstruktioner.
En annan fördel med AGM-konstruktionen är att elektrolyten blir separatormaterialet och att den är mekaniskt stark. Detta gör att plattan kan komprimeras ihop i batteriskalet, vilket ökar energitätheten något jämfört med flytande eller gelversioner. AGM-batterier uppvisar ofta en karakteristisk ”utbuktning” i sina skal när de byggs i vanliga rektangulära former, på grund av expansionen av de positiva plattorna.
Mattan förhindrar också elektrolytens vertikala rörelse i batteriet. När en normal våtcell förvaras i urladdat tillstånd tenderar de tyngre syramolekylerna att lägga sig i botten av batteriet, vilket leder till att elektrolyten skiktas. När batteriet sedan används flödar majoriteten av strömmen endast i detta område, och plattornas botten tenderar att slitas ut snabbt. Detta är en av anledningarna till att ett konventionellt bilbatteri kan förstöras om man låter det förvaras under en längre tid och sedan används och laddas på nytt. Mattan förhindrar avsevärt denna skiktning, vilket eliminerar behovet av att regelbundet skaka batterierna, koka dem eller köra en ”utjämningsladdning” genom dem för att blanda elektrolyten. Stratifiering leder också till att batteriets övre lager blir nästan helt och hållet vatten, vilket kan frysa i kallt väder, AGM-celler är betydligt mindre känsliga för skador på grund av användning vid låga temperaturer.
Medans AGM-celler inte tillåter vattning (typiskt sett är det omöjligt att tillsätta vatten utan att borra ett hål i batteriet), är deras rekombinationsprocess i grunden begränsad av de vanliga kemiska processerna. Vätgas kan till och med diffundera rakt igenom själva plasthöljet. Vissa har funnit att det är lönsamt att tillsätta vatten till ett AGM-batteri, men detta måste göras långsamt så att vattnet kan blandas genom diffusion i hela batteriet. När ett blybatteri förlorar vatten ökar syrakoncentrationen, vilket ökar plattornas korrosionshastighet avsevärt. AGM-celler har redan en hög syrahalt i ett försök att sänka vattenförlusthastigheten och öka standby-spänningen, och detta medför en kortare livslängd jämfört med ett översvämmat bly-antimon-batteri. Om AGM-cellernas öppna kretsspänning är betydligt högre än 2,093 volt, eller 12,56 V för ett 12 V-batteri, har det en högre syrahalt än en översvämmad cell; även om detta är normalt för ett AGM-batteri är det inte önskvärt för lång livslängd.
AGM-celler som avsiktligt eller oavsiktligt överladdas kommer att uppvisa en högre öppen kretsspänning i enlighet med vattenförlusten (och den ökade syrakoncentrationen). En amperetimme överladdning kommer att elektrolysera 0,335 gram vatten per cell; en del av detta frigjorda väte och syre kommer att rekombineras, men inte allt.
Gelerade elektrolyterRedigera
Under 1970-talet utvecklade forskarna den förseglade versionen eller gelbatteriet, som blandar ett geleringsmedel av kiseldioxid i elektrolyten (kiselgelbaserade bly-syrabatterier som användes i bärbara radioapparater från början av 1930-talet var inte helt förseglade). Detta omvandlar cellernas tidigare flytande inre till en halvstyv pasta, vilket ger många av AGM:s fördelar. Sådana konstruktioner är ännu mindre känsliga för avdunstning och används ofta i situationer där litet eller inget periodiskt underhåll är möjligt. Gelceller har också lägre fryspunkt och högre kokpunkt än de flytande elektrolyter som används i konventionella våtceller och AGM, vilket gör dem lämpliga för användning under extrema förhållanden.
Den enda nackdelen med gelkonstruktionen är att gelen hindrar joner från att röra sig snabbt i elektrolyten, vilket minskar bärarens rörlighet och därmed överströmsförmågan. Av denna anledning är gelceller vanligast i energilagringstillämpningar som system utanför elnätet.