Loodzuuraccu: werken, opbouwen en laden / ontladen

Bijna elk draagbaar en handheld-apparaat bevat een batterij. De batterij is een opslagapparaat waarin energie wordt opgeslagen om de stroom te leveren wanneer dat nodig is. Er zijn verschillende soorten batterijen beschikbaar in deze moderne elektronica wereld, waaronder Lead Acid accu wordt vaak gebruikt voor hoge voeding. Gewoonlijk zijn loodzuurbatterijen groter van formaat met een harde en zware constructie, kunnen ze veel energie opslaan en worden ze over het algemeen gebruikt in auto's en omvormers.

Zelfs nadat ze concurrentie hebben gekregen met Li-ion-batterijen, neemt de vraag naar loodzuurbatterijen met de dag toe, omdat ze goedkoper en gemakkelijk te hanteren zijn in vergelijking met Li-ion-batterijen. Volgens sommige marktonderzoeken zal India Lead Acid Battery Market naar verwachting groeien met CAGR van meer dan 9% in 2018-24. Het heeft dus een enorme marktvraag in automatisering, automotive en consumentenelektronica. Hoewel de meeste elektrische voertuigen worden geleverd met Lithion-ionbatterijen, zijn er nog steeds veel elektrische tweewielers die loodzuurbatterijen gebruiken om het voertuig van stroom te voorzien.

In de vorige tutorial hebben we geleerd over lithium-ionbatterijen, hier zullen we de werking , constructie en toepassingen van loodzuurbatterijen begrijpen . We zullen ook leren over laad- / ontlaadclassificaties, vereisten en veiligheid van loodzuuraccu's.

Bouw van loodzuuraccu

Wat is een loodzuuraccu? Als we de naam Lead Acid-batterij breken, krijgen we Lead, Acid en Battery. 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 accepteren als het reageert. Dus een batterij, die bestaat uit lood en watervrij loodzuur (soms ten onrechte loodperoxide genoemd), wordt loodzuurbatterij genoemd.

Nu, wat is de interne constructie?

Een loodzuuraccu bestaat uit de volgende zaken, we kunnen het zien in de onderstaande afbeelding:

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

In de batterijen zijn de platen van twee typen, positief en negatief. De positieve bestaat uit looddioxide en de negatieve bestaat uit sponslood. Deze twee platen worden gescheiden door middel van een separator die een isolatiemateriaal is. Deze totale constructie zit in een harde kunststof koffer met elektrolyt. De elektrolyt is water en zwavelzuur.

De harde plastic behuizing is een cel. Een enkele celopslag typisch 2,1V. Om deze reden bestaat een loodzwavelzuuraccu van 12 V uit 6 cellen en levert deze doorgaans 6 x 2,1 V / cel = 12,6 V.

Nu, wat is de lading opslagcapaciteit?

Het is in hoge mate afhankelijk van het actieve materiaal (hoeveelheid elektrolyt) en de grootte van de plaat. Je hebt misschien gezien dat de opslagcapaciteit van een lithiumbatterij wordt beschreven in mAh of milliampère-uur, maar in het geval van een loodzuurbatterij is dit ampère-uur. We zullen dit in een later gedeelte beschrijven.

Werking van loodzuuraccu

De werking van de loodzuurbatterij heeft alles te maken met chemie en het is erg interessant om ervan te weten. Er is een enorm chemisch proces betrokken bij het opladen en ontladen van loodzuuraccu's. De verdunde zwavelzuur H ₂ SO ₄ moleculen breken in twee delen wanneer het zuur oplost. Het zal positieve ionen 2H + en negatieve ionen SO ₄ - creëren. Zoals we eerder vertelden, zijn twee elektroden verbonden als platen, anode en kathode. Anode vangt de negatieve ionen op en kathode trekt de positieve ionen aan. Deze binding in Anode en SO ₄ - en Kathode met 2H + wisselen elektronen uit en die reageert verder met de H2O of met het water (Verdund zwavelzuur, Zwavelzuur + Water).

De batterij heeft twee chemische reacties: opladen en ontladen.

Loodzuuraccu opladen

Zoals we weten, moeten we om een ​​batterij op te laden een spanning leveren die hoger is dan de klemspanning. Dus om een ​​12,6V-batterij op te laden, kan 13V worden toegepast.

Maar wat gebeurt er eigenlijk als we een loodzuuraccu opladen?

Nou, dezelfde chemische reacties die we eerder hebben beschreven. Specifiek, wanneer de batterij is aangesloten op de oplader, breken de zwavelzuurmoleculen in twee ionen, positieve ionen 2H + en negatieve ionen SO ₄ -. De waterstof wisselen elektronen uit met de kathode en worden waterstof, deze waterstof reageert met het PbSO ₄ in de kathode en vormt zwavelzuur (H ₂ SO ₄) en lood (Pb). Aan de andere kant, SO ₄ - wisselt elektronen uit met anode en wordt radicaal SO ₄. Deze SO ₄ reageert met PbSO ₄ van anode en vormt het loodperoxide PbO ₂ en zwavelzuur (H ₂ SO ₄). De energie wordt opgeslagen door de zwaartekracht van zwavelzuur te verhogen en de potentiaalspanning van de cel te verhogen.

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

Bij kathode

PbSO ₄ + 2e ^- => Pb + SO ₄ ^2-

Bij anode

PbSO ₄ + 2H ₂ O => PbO ₂ + SO ₄ ^2- + 4H ^- + 2e ^-

Door bovenstaande twee vergelijkingen te combineren, zal de algehele chemische reactie zijn

2PbSO ₄ + 2H ₂ O => PbO ₂ + Pb + 2H ₂ SO ₄

Er zijn verschillende methoden om de loodzuuraccu op te laden. Elke methode kan worden gebruikt voor specifieke loodzuuraccu's voor specifieke toepassingen. Sommige toepassingen gebruiken een oplaadmethode met constante spanning, sommige toepassingen gebruiken een methode met constante stroom, terwijl kietelen in sommige gevallen ook nuttig is. Normaal gesproken biedt de batterijfabrikant de juiste methode om de specifieke loodzuurbatterijen op te laden. Opladen met constante stroom wordt doorgaans niet gebruikt bij het opladen van loodzuuraccu's.

De meest gebruikelijke oplaadmethode die in een loodzuuraccu wordt gebruikt, is een oplaadmethode met constante spanning, wat een effectief proces is in termen van oplaadtijd. Bij een volledige laadcyclus blijft de laadspanning constant en neemt de stroom geleidelijk af naarmate het laadniveau van de accu toeneemt.

Loodzuuraccu wordt ontladen

Het ontladen van een loodzuuraccu is weer betrokken bij chemische reacties. Het zwavelzuur is in de verdunde vorm met een typisch 3: 1 verhouding met water en zwavelzuur. Wanneer de belastingen over de platen worden verbonden, breekt het zwavelzuur opnieuw in positieve ionen 2H + en negatieve ionen SO ₄. De waterstofionen reageren met PbO ₂ en maken PbO en water H ₂ O. PbO begint te reageren met H ₂ SO ₄ en creëert PbSO ₄ en H ₂ O.

Aan de andere kant wisselen SO ₄ -ionen elektronen uit van Pb, waardoor radicale SO ₄ ontstaat die verder PbSO ₄ creëert dat reageert met de Pb.

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

Bij kathode

Pb + SO ₄ ^2- => PbSO ₄ + 2e ^-

Bij anode:

PbO ₂ + SO ₄ ^2- + 4H ^- + 2e ^- => PbSO ₄ + 2H ₂ O

Door bovenstaande twee vergelijkingen te combineren, zal de algehele chemische reactie zijn

PbO ₂ + Pb + 2H ₂ SO ₄ => 2PbSO ₄ + 2H ₂ O

Door de elektronenuitwisseling over anode en kathode wordt de elektronenbalans over de platen beïnvloed. De elektronen stromen vervolgens door de belasting en de batterij raakt ontladen.

Tijdens deze lozing neemt de zwaartekracht van het verdunde zwavelzuur af. Tegelijkertijd neemt ook het potentiaalverschil van de cel af.

Risicofactor en elektrische beoordelingen

De loodzuurbatterij is schadelijk als deze niet veilig wordt onderhouden. Omdat de batterij waterstofgas produceert tijdens het chemische proces, is het zeer gevaarlijk als het niet wordt gebruikt in de geventileerde ruimte. Ook wordt de batterij ernstig beschadigd door onnauwkeurig opladen.

Wat zijn de standaardclassificaties van loodzuuraccu's?

Elke loodzuuraccu is voorzien van een datasheet voor standaard laadstroom en ontlaadstroom. Typisch kan een 12V-loodzuuraccu die geschikt is voor de automobieltoepassing, variëren van 100 Ah tot 350 Ah. Deze classificatie wordt gedefinieerd als de ontladingsclassificatie met een tijdsperiode van 8 uur.

Een 160 Ah-batterij kan bijvoorbeeld 20 A voedingsstroom leveren aan de belasting gedurende 8 uur van de spanwijdte. We kunnen meer stroom trekken, maar dat is niet aan te raden. Door meer stroom te trekken dan de maximale ontlaadstroom met betrekking tot 8 uur, zal de efficiëntie van de batterij worden aangetast en kan ook de interne weerstand van de batterij worden gewijzigd, wat de temperatuur van de batterij verder verhoogt.

Aan de andere kant moeten we tijdens de oplaadfase voorzichtig zijn met de polariteit van de oplader, deze moet correct zijn aangesloten met de polariteit van de batterij. Omgekeerde polariteit is gevaarlijk voor het opladen van de loodzuuraccu. De kant-en-klare oplader wordt geleverd met een laadspanning en laadstroommeter met een besturingsmogelijkheid. We moeten meer spanning leveren dan de batterijspanning om de batterij op te laden. De maximale laadstroom moet hetzelfde zijn als de maximale voedingsstroom bij een ontlaadsnelheid van 8 uur. Als we hetzelfde voorbeeld van 12V 160Ah nemen, dan is de maximale voedingsstroom 20A, dus de maximale veilige laadstroom is de 20A.

We moeten geen hoge laadstroom verhogen of leveren, omdat dit zal resulteren in warmte en meer gasproductie.

Onderhoudsregels voor loodzuuraccu's

1. Water geven is de meest verwaarloosde onderhoudsfunctie van ondergelopen loodzuuraccu's. Omdat overladen water vermindert, moeten we dit regelmatig controleren. Minder water zorgt voor oxidatie in platen en verkort de levensduur van de batterij. Voeg indien nodig gedestilleerd of geïoniseerd water toe.
2. Controleer de ventilatieopeningen, ze moeten worden geperfectioneerd met rubberen doppen, vaak blijven de rubberen doppen te strak zitten met de gaten.
3. Laad loodzuuraccu's na elk gebruik op. Een lange periode zonder opladen zorgt voor sulfatering in de platen.
4. Vries de batterij niet in en laad hem niet op tot meer dan 49 graden Celsius. In een koude omgeving moeten batterijen volledig worden opgeladen, aangezien volledig opgeladen batterijen veiliger zijn dan lege batterijen met betrekking tot bevriezing.
5. Ontlaad de batterij niet diep met minder dan 1,7 V per cel.
6. Om een ​​loodzuuraccu op te slaan, moet deze volledig worden opgeladen en vervolgens moet de elektrolyt worden afgetapt. De batterij wordt dan droog en kan voor langere tijd worden opgeborgen.