Inleiding
Over het algemeen zijn er twee soorten loodzuuraccu's, gebaseerd op hun constructiemethode. Deze accu's worden geclassificeerd als open (geventileerd) of gesloten. Open en gesloten accu's verschillen ook in hun werking. Alle loodzuuraccu's produceren waterstof- en zuurstofgas (gasvorming) aan de elektroden tijdens het opladen door een proces dat elektrolyse wordt genoemd. Deze gassen mogen ontsnappen bij een open cel, maar de gesloten cel is zo geconstrueerd dat de gassen worden vastgehouden en opnieuw worden gecombineerd. Het moet worden opgemerkt dat waterstofgas explosief is in lucht bij slechts 4% per volume. Open en gesloten loodzuuraccu's worden in de volgende paragrafen besproken.
Open Loodzuuraccu's
Open cellen zijn cellen waarbij de elektroden/platen ondergedompeld zijn in elektrolyt. Aangezien de gassen die tijdens het opladen worden gecreëerd naar de atmosfeer worden afgevoerd, moet er af en toe gedestilleerd water worden toegevoegd om het elektrolyt weer op het vereiste niveau te brengen. Het meest bekende voorbeeld van een open loodzuurcel is de 12-V autobatterij.
Open Loodzuur Autobatterij
Gesloten Loodzuuraccu's
Deze soorten accu's houden het elektrolyt vast, maar hebben een ventiel of klep om gassen te laten ontsnappen als de interne druk een bepaalde drempel overschrijdt. Tijdens het opladen genereert een loodzuuraccu zuurstofgas aan de positieve elektrode.
Gesloten loodzuuraccu's zijn zo ontworpen dat de zuurstof die tijdens het opladen wordt gegenereerd, wordt opgevangen en opnieuw wordt gecombineerd in de accu. Dit wordt een zuurstofrecombinatiecyclus genoemd en werkt goed zolang de oplaadsnelheid niet te hoog is. Een te hoge oplaadsnelheid kan leiden tot behuizingsbreuk, thermische uitloop of interne mechanische schade.
De ventielgeregelde accu is het meest voorkomende type gesloten accu. Het werd ontwikkeld voor stationaire en telecommunicatie-accutoepassingen. Deze soorten gesloten accu's hebben een veerbediende klep die gassen afvoert bij een vooraf bepaalde druk. Typische drukdrempels variëren van 2 tot 5 psig, afhankelijk van het accudesign. Hoewel de term "ventielgeregeld" vaak synoniem wordt gebruikt om gesloten loodzuuraccu's te beschrijven, zijn niet alle gesloten accu's ventielgeregeld. Sommige accudesigns gebruiken vervangbare ventpluggen of andere mechanismen om overtollige druk af te voeren. Gesloten accu's werden ontwikkeld om het onderhoud dat nodig is voor accu's in actieve dienst te verminderen. Aangezien de elektrolytniveaus worden behouden door het opvangen en opnieuw combineren van uitlaatgassen, zou er geen behoefte moeten zijn om gedestilleerd water toe te voegen gedurende de levensduur van de accu. Deze accu's worden vaak verkeerd aangeduid als "onderhoudsvrij”. In feite zijn alle onderhoudspraktijken die van toepassing zijn op niet-gesloten accu's ook van toepassing op gesloten accu's. De enige uitzondering is dat elektrolytniveaus niet kunnen en niet hoeven te worden onderhouden.
Gesloten accu's worden vaak vermeden voor toepassingen als back-upstroombron om verschillende redenen. Een reden is dat de laadstatus van gesloten accu's niet kan worden bepaald door de gebruikelijke soortelijke massa meting. Betrouwbare alternatieve methoden om de laadstatus van gesloten accu's te meten zijn in ontwikkeling. Een tweede reden is hun gevoeligheid voor hoge temperaturen.
Accucomponenten en Werking
Cellen vs. Accu's
Een accu is een apparaat dat de chemische energie in zijn actieve materialen omzet in elektrische energie door middel van een elektrochemische reactie. Hoewel de term "accu" vaak wordt gebruikt, is het basiselektrochemische element waarnaar wordt verwezen de cel. Een accu bestaat uit twee of meer cellen die elektrisch in serie zijn verbonden om een eenheid te vormen. In het algemeen gebruik worden de termen "accu" en "cel" door elkaar gebruikt.
Primaire en Secundaire Cellen en Accu's
Accu's zijn ofwel primair of secundair. Primaire accu's kunnen slechts één keer worden gebruikt omdat de chemische reacties die de elektrische stroom leveren onomkeerbaar zijn. Secundaire (of opslag) accu's kunnen worden gebruikt, opgeladen en hergebruikt. In deze accu's zijn de chemische reacties die elektrische stroom leveren gemakkelijk omkeerbaar, zodat de accu kan worden opgeladen.
Primaire accu's zijn gebruikelijk omdat ze goedkoop en gemakkelijk te gebruiken zijn. Bekende toepassingen van primaire accu's zijn in zaklampen, horloges, speelgoed en radio's. Het meest voorkomende gebruik voor secundaire (opslag) accu's is voor starten, verlichting en ontsteking (SLI) in auto's en motor-generator sets. Andere toepassingen omvatten ononderbroken stroomvoorzieningen (UPS's) voor nood- en back-upstroom, elektrische voertuigen (tractie), telecommunicatie en draagbare gereedschappen. De rest van dit artikel zal zich alleen bezighouden met opslagaccu's, behalve waar algemene operationele kenmerken van accu's worden besproken.
Accucomponenten
Een cel heeft vijf hoofdcomponenten zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding.
Belangrijkste Componenten van een Cel
De negatieve elektrode levert elektronen aan het externe circuit (of belasting) tijdens ontlading. In een volledig opgeladen loodzuuraccu is de negatieve elektrode samengesteld uit sponslood (Pb).
De positieve elektrode accepteert elektronen van de belasting tijdens ontlading. In een volledig opgeladen loodzuuraccu is de positieve elektrode samengesteld uit looddioxide (PbO2). Het moet worden opgemerkt dat de elektroden in een accu van verschillende materialen moeten zijn, anders kan de cel geen elektrisch potentiaal ontwikkelen en dus geen elektrische stroom geleiden.
Het elektrolyt voltooit het interne circuit in de accu door ionen te leveren aan de positieve en negatieve elektroden. Verdund zwavelzuur (H2SO4) is het elektrolyt in loodzuuraccu's. In een volledig opgeladen loodzuuraccu bestaat het elektrolyt uit ongeveer 25% zwavelzuur en 75% water.
De scheider wordt gebruikt om de positieve en negatieve elektroden elektrisch te isoleren. Als de elektroden in contact komen, zal de cel kortsluiten en nutteloos worden omdat beide elektroden op hetzelfde potentiaal zouden zijn. Het type scheider dat wordt gebruikt, varieert per celtype. Materialen die als scheiders worden gebruikt, moeten ionenoverdracht tussen het elektrolyt en de elektroden mogelijk maken. Veel scheiders zijn gemaakt van een poreus plastic of glasvezelmateriaal.
Bovenstaande componenten zijn gehuisvest in een container, vaak een pot of container genoemd.
Cel- en Accuspanning
Om een cel of accu elektrische stroom aan een extern circuit te kunnen leveren, moet er een potentiaalverschil bestaan tussen de positieve en negatieve elektroden. Het potentiaalverschil (meestal gemeten in volt) wordt vaak aangeduid als de spanning van de cel of accu. Een enkele loodzuurcel kan een maximaal potentiaalverschil van ongeveer 2 V onder belasting ontwikkelen. Een volledig ontladen loodzuurcel heeft een potentiaalverschil van ongeveer 1,75 V, afhankelijk van de ontlaadsnelheid.
Capaciteit en Accuwaarderingen
In algemene termen is de capaciteit van een cel/accu de hoeveelheid beschikbare lading uitgedrukt in ampère-uren (Ah). Een ampère is de meeteenheid voor elektrische stroom en wordt gedefinieerd als een coulomb lading die in één seconde door een elektrische geleider gaat. De capaciteit van een cel of accu is gerelateerd aan de hoeveelheid actieve materialen erin, de hoeveelheid elektrolyt en het oppervlak van de platen. De capaciteit van een accu/cel wordt gemeten door te ontladen bij een constante stroom totdat deze zijn eindspanning bereikt (meestal ongeveer 1,75 volt). Dit gebeurt meestal bij een constante temperatuur, onder standaardomstandigheden van 25ºC (77ºF). De capaciteit wordt berekend door de ontlaadstroomwaarde te vermenigvuldigen met de tijd die nodig is om de eindspanning te bereiken.
De meest voorkomende term die wordt gebruikt om het vermogen van een accu om stroom te leveren te beschrijven, is zijn nominale capaciteit. Fabrikanten specificeren vaak de nominale capaciteit van hun accu's in ampère-uren bij een specifieke ontlaadsnelheid. Bijvoorbeeld, dit betekent dat een loodzuuraccu met een nominale capaciteit van 200 Ah (voor een 10-uurs snelheid) 20 ampère stroom zal leveren gedurende 10 uur onder standaardtemperatuurcondities (25ºC of 77ºF). Alternatief kan een ontlaadsnelheid worden gespecificeerd door zijn laadsnelheid of C-snelheid, die wordt uitgedrukt als een veelvoud van de nominale capaciteit van de cel of accu. Bijvoorbeeld, een accu kan een rating hebben van 200 Ah bij een C/10 ontlaadsnelheid. De ontlaadsnelheid wordt bepaald door de onderstaande vergelijking:
C/10 snelheid (ampère)= 200 Ah/10 h = 20 ampère
Accucapaciteit varieert met de ontlaadsnelheid. Hoe hoger de ontlaadsnelheid, hoe lager de celcapaciteit. Lagere ontlaadsnelheden resulteren in een hogere capaciteit. De literatuur van de fabrikant over accu's zal normaal gesproken verschillende ontlaadsnelheden (in ampère) specificeren samen met de bijbehorende ontlaadtijd (in uren). De capaciteit van de accu voor elk van deze verschillende ontlaadsnelheden kan worden berekend zoals hierboven besproken.
De nominale capaciteit voor loodzuuraccu's wordt meestal gespecificeerd bij de 8-, 10- of 20-uurs snelheden (C/8, C /10, C /20). UPS-accu's worden beoordeeld op 8-uurs capaciteiten en telecommunicatieaccu's worden beoordeeld op 10-uurs capaciteiten.
Serie- en Parallelverbindingen
Cellen en accu's kunnen in serie, parallel of combinaties van beide worden verbonden. Cellen of accu's die in serie zijn verbonden, hebben de positieve pool van een cel of accu verbonden met de negatieve pool van een andere cel of accu. Dit heeft het effect van het verhogen van de totale spanning, maar de totale capaciteit blijft hetzelfde. Bijvoorbeeld, de 12-V loodzuur autobatterij bevat 6 cellen die in serie zijn verbonden, waarbij elke cel een potentiaalverschil heeft van ongeveer 2 V. Een ander voorbeeld van cellen of accu's die in serie zijn verbonden, wordt getoond in de onderstaande afbeelding.
Cellen of accu's die in parallel zijn verbonden, hebben hun gelijke polen met elkaar verbonden. De totale spanning blijft hetzelfde, maar de capaciteit wordt vergroot. Bijvoorbeeld, als twee 12-V autobatterijen parallel zouden worden verbonden, zou de totale spanning voor de accu's nog steeds 12 V zijn. Echter, de verbonden accu's zouden de dubbele capaciteit hebben van een enkele 12-V accu. Een ander voorbeeld van cellen of accu's die in parallel zijn verbonden, wordt getoond in de onderstaande afbeelding.
Cellen Verbonden in Serie
Cellen Verbonden in Parallel
Accu's kunnen ook worden verbonden in een serie/parallel combinatie. Accu's worden in serie toegevoegd totdat de gewenste spanning is bereikt, en in parallel totdat de accubank aan de capaciteitsvereisten voldoet. Alleen gelijke cellen of accu's moeten met elkaar worden verbonden. Het verbinden van cellen of accu's van verschillende rating of fabrikant kan ongewenste of zelfs gevaarlijke resultaten opleveren.
Hoe Loodzuuraccu's Werken
Gerelateerde Online Technische Cursussen
Hoe Batterij Energieopslagsystemen (BESS) Werken
Aanvullende Bronnen
https://electrical4u.com/zinc-carbon-battery
https://britannica.com/technology/battery-electronics/Lithium-batteries
https://batteryuniversity.com/learn/article/lead_based_batteries