Как работи оловно-киселинната батерия?

Изобретена от френския лекар Гастон Планте през 1859 г., оловната киселина е първата акумулаторна батерия за търговска употреба. Въпреки напредналата си възраст оловната химия продължава да се използва широко и днес. Има основателни причини за нейната популярност; оловната киселина е надеждна и евтина на база разходи за един ват. Малко са другите акумулатори, които доставят енергия в голям обем толкова евтино, колкото оловната киселина, и това прави акумулатора рентабилен за автомобили, колички за голф, мотокари, морски и непрекъсваеми захранвания (UPS).

Структурата на решетката на оловно-киселинната батерия е изработена от оловна сплав. Чистото олово е твърде меко и не би могло да се поддържа, затова се добавят малки количества други метали, за да се получи механична здравина и да се подобрят електрическите свойства. Най-често срещаните добавки са антимон, калций, калай и селен. Тези батерии често са известни като "оловно-антимонови" и "оловно-калциеви".

Добавянето на антимон и калай подобрява дълбокия цикъл, но това увеличава консумацията на вода и необходимостта от изравняване. Калцият намалява саморазряда, но положителната оловно-калциева пластина има страничен ефект на нарастване поради окисляване на мрежата при свръхзареждане. В съвременните оловно-кисели батерии се използват и допинг агенти като селен, кадмий, калай и арсен, за да се намали съдържанието на антимон и калций.

Оловната киселина е тежка и е по-неиздръжлива от системите на никелова и литиева основа при дълбоко циклично зареждане. Пълното разреждане води до натоварване и всеки цикъл на разреждане/зареждане трайно лишава батерията от малка част от капацитета. Тази загуба е малка, докато акумулаторът е в добро експлоатационно състояние, но избледняването се увеличава, когато производителността спадне до половината от номиналния капацитет. Тази характеристика на износване се прилага за всички батерии в различна степен.

В зависимост от дълбочината на разреждане оловната киселина за приложения с дълбок цикъл осигурява от 200 до 300 цикъла на разреждане/зареждане. Основните причини за сравнително краткия ѝ живот по време на цикъл са корозията на решетката на положителния електрод, изчерпването на активния материал и разширяването на положителните плочи. Това явление на стареене се ускорява при повишени работни температури и при използване на високи токове на разреждане. (Вж. BU-804:Как да удължим живота на оловно-киселинните акумулатори)

Зареждането на оловно-киселинна батерия е лесно, но трябва да се спазват правилните граници на напрежението. Изборът на ниска граница на напрежението предпазва акумулатора, но това води до лоши характеристики и причинява натрупване на сулфат върху отрицателната плоча. Високата граница на напрежението подобрява работата, но образува мрежова корозия върху положителната плоча. Докато сулфатизацията може да се обърне, ако се обслужва навреме, корозията е постоянна. (Вж. BU-403: Зареждане на оловни киселини)

Оловната киселина не се поддава на бързо зареждане и при повечето видове пълното зареждане отнема 14-16 часа. Акумулаторът трябва винаги да се съхранява в състояние на пълен заряд. Ниското ниво на зареждане води до сулфатизация - състояние, което лишава акумулатора от ефективност. Добавянето на въглерод върху отрицателния електрод намалява този проблем, но това намалява специфичната енергия. (Виж BU-202: Нови оловно-киселинни системи)

Животът на оловната киселина е умерен, но тя не е подложена на памет, както системите на никелова основа, а запазването на заряда е най-добро сред акумулаторните батерии. Докато NiCd губи приблизително 40% от съхранената си енергия за три месеца, оловната киселина се саморазрежда със същото количество за една година. Оловно-киселинната батерия работи добре при ниски температури и превъзхожда литиево-йонната при работа в условия под нулата. Според RWTH, Аахен, Германия (2018 г.), цената на залятата оловна киселина е около $150 за kWh, което е една от най-ниските при батериите.

Запечатана оловна киселина
В средата на 70-те години на миналия век се появяват първите запечатани или необслужваеми оловни киселини. Инженерите твърдяха, че терминът "запечатана оловна киселина" е неправилно название, тъй като никоя оловна батерия не може да бъде напълно запечатана. За да се контролира обезвъздушаването по време на напрегнато зареждане и бързо разреждане, са добавени клапани, които изпускат газовете, ако се натрупа налягане. Вместо плочите да бъдат потопени в течност, електролитът се импрегнира в овлажнен сепаратор - конструкция, която наподобява системите на никелова и литиева основа. Това дава възможност за работа с батерията във всякаква физическа ориентация без изтичане.

Запечатаната батерия съдържа по-малко електролит от залятата, откъдето идва и терминът "киселинно изтощена". Може би най-същественото предимство на запечатаната оловна киселина е възможността за комбиниране на кислород и водород за създаване на вода и предотвратяване на изсъхването по време на цикъл. Рекомбинацията се извършва при умерено налягане от 0,14 бара (2 psi). Вентилът служи като предпазен отдушник, ако натрупването на газ се повиши. Многократното обезвъздушаване трябва да се избягва, тъй като това ще доведе до евентуално изсъхване. Според RWTH, Аахен, Германия (2018 г.), цената на VRLA е около $260 за kWh.

Появиха се няколко вида запечатани оловни киселини, като най-разпространените са гел, известен също като клапанно регулирана оловна киселина (VRLA), и абсорбираща стъклена подложка (AGM). Геловата клетка съдържа гел от силициев диоксид, който суспендира електролита в паста. По-малките пакети с капацитет до 30Ah често се наричат SLA (запечатана оловна киселина). Опаковани в пластмасов контейнер, тези батерии се използват за малки UPS, аварийно осветление и инвалидни колички. Поради ниската цена, надеждното обслужване и лесната поддръжка SLA остава предпочитан избор за здравеопазването в болници и старчески домове. По-големите VRLA се използват за резервно захранване на клетъчни ретранслаторни кули, интернет хъбове, банки, болници, летища и др.

В AGM електролитът се намира в специално проектирана стъклена подложка. Това предлага няколко предимства пред оловно-киселинните системи, включително по-бързо зареждане и незабавни високи товарни токове при поискване. AGM работи най-добре като акумулатор от среден клас с капацитет от 30 до 100Ah и е по-малко подходящ за големи системи, като например UPS. Типични приложения са стартерните батерии за мотоциклети, функцията старт-стоп за микрохибридни автомобили, както и за морски и RV превозни средства, които се нуждаят от известно циклизиране.

При циклично движение и стареене капацитетът на AGM постепенно намалява; гелът, от друга страна, има куполообразна крива на производителността и остава в диапазона на висока производителност по-дълго време, но след това спада внезапно към края на живота. AGM е по-скъп от наводнения, но е по-евтин от гела. (Гелът би бил твърде скъп за използване в автомобили със старт/стоп.)

За разлика от залятата, запечатаната оловно-киселинна батерия е проектирана с нисък потенциал за свръхнапрежение, за да се предотврати достигането на потенциала за генериране на газ по време на зареждане. Прекомерното зареждане води до изпускане на газ, вентилация и последващо изчерпване на водата и изсъхване. Вследствие на това геловите и отчасти AGM акумулатори не могат да бъдат зареждани до пълния си потенциал и границата на зарядното напрежение трябва да бъде зададена по-ниска от тази на залятата акумулаторна батерия. Това се отнася и за плаващия заряд при пълно зареждане. По отношение на зареждането, гелът и AGM не са директни заместители на наводнения тип. Ако няма предназначено зарядно устройство за AGM с по-ниски настройки на напрежението, изключете зарядното устройство след 24 часа зареждане. Това предотвратява образуването на газове поради твърде високото напрежение на поплавъка. (Виж BU-403: Зареждане на оловни киселини)

Оптималната работна температура за VRLA батерията е 25°C; всяко повишаване на температурата с 8°C над този праг намалява живота на батерията наполовина. (Вижте BU-806a: Как топлината и натоварването влияят на живота на батерията) Оловно-киселинните батерии са с номинална скорост на разреждане 5 часа (0,2°C) и 20 часа (0,05°C). Батерията работи най-добре, когато се разрежда бавно; показанията на капацитета са значително по-високи при по-бавно разреждане, отколкото при скорост 1С. Въпреки това оловната киселина може да достави високи импулсни токове от няколко С, ако това се прави само за няколко секунди. Това прави оловната киселина много подходяща като стартерна батерия, известна още като стартер-светлинно запалване (SLI). Високото съдържание на олово и на сярна киселина правят оловната киселина неблагоприятна за околната среда.

Оловно-киселинните батерии обикновено се разделят на три вида употреба: Автомобилни (стартерни или SLI), двигателни (тягови или с дълбок цикъл) и стационарни (UPS).

Стартерни батерии
Стартерният акумулатор е предназначен за запалване на двигателя с моментно натоварване с голяма мощност, продължаващо около секунда. За своя размер акумулаторът е в състояние да осигури висок ток, но не може да бъде подложен на дълбок цикъл. Стартерните акумулатори се оценяват с Ah или RS (резервен капацитет), за да се посочи способността за съхранение на енергия, както и с CCA (ампери при студено зареждане), за да се посочи токът, който акумулаторът може да достави при ниска температура. SAE J537 определя 30 секунди разряд при -18°C при номиналния CCA ампер, без напрежението на акумулатора да падне под 7,2 волта. RC отразява времето за работа в минути при постоянен разряд от 25. (SAE е съкращение от Society of Automotive Engineers (Дружество на автомобилните инженери).) Вж. също BU-902a: Как да измерваме CCA.

Стартерните акумулатори имат много ниско вътрешно съпротивление, което се постига чрез добавяне на допълнителни плочи за постигане на максимална повърхност (фигура 1). Плочите са тънки, а оловото е нанесено под формата на гъба, която има вид на фина пяна, което допълнително разширява площта на повърхността. Дебелината на плочите, която е важна за акумулатор с дълбок цикъл, е по-малко важна, тъй като разрядът е кратък и акумулаторът се зарежда по време на движение; акцентът е върху мощността, а не върху капацитета.

Стартерна батерия

Фигура 1: Стартерна батерия.
Стартерният акумулатор има много тънки плочи, разположени паралелно, за да се постигне ниско съпротивление с голяма повърхност.
Стартерната батерия не позволява дълбоко циклично зареждане. С любезното съдействие на Cadex
Батерия с дълбок цикъл
Дълбокоцикличната батерия е създадена, за да осигурява непрекъснато захранване на инвалидни колички, колички за голф, мотокари и др. Тази батерия е създадена за максимален капацитет и сравнително висок брой цикли. Това се постига, като оловните плочи са дебели (фигура 2). Въпреки че батерията е проектирана за циклично използване, пълните разряди все пак предизвикват напрежение и броят на циклите е свързан с дълбочината на разреждане (DoD). Батериите с дълбок цикъл се обозначават в Ah или минути на работа. Капацитетът обикновено се оценява като 5-часов и 20-часов разряд.

Батерия с дълбок цикъл

Фигура 2: Батерия с дълбок цикъл.
Дълбокоцикличната батерия има дебели плочи за по-добри възможности за циклиране.
Обикновено батерията с дълбок цикъл позволява около 300 цикъла. С любезното съдействие на Cadex
Стартерният акумулатор не може да се сменя с акумулатор за дълбок цикъл или обратното. Въпреки че изобретателният пенсионер може да се изкуши да инсталира стартерна батерия вместо по-скъпата батерия с дълъг цикъл на инвалидната количка, за да спести пари, стартерната батерия няма да издържи дълго, защото тънките плочи, подобни на гъба, бързо ще се разтворят при многократни дълбоки цикли.

Съществуват комбинирани стартерни/дълбокоциклични батерии за камиони, автобуси, превозни средства за обществена безопасност и военни превозни средства, но тези устройства са големи и тежки. Като проста насока, колкото по-тежък е акумулаторът, толкова повече олово съдържа той и толкова по-дълго ще издържи. Таблица 3 сравнява типичния живот на стартерните и дълбокоцикличните акумулатори, когато са подложени на дълбок цикъл.
Разряд от 100% означава пълен разряд; 50% е половината, а 30% е умерен разряд с оставащи 70%.
Оловна киселина или литиево-йонна батерия в автомобила ви?
Откакто Cadillac въвежда стартера през 1912 г., оловно-киселинните акумулатори служат добре като предпочитани батерии. Томас Едисън се опитва да замени оловната киселина с никел-желязна (NiFe), но оловната киселина надделява поради своята здравина и безпощадност, както и поради ниската си цена. Сега оловната киселина, служеща като стартерна батерия в автомобилите, е оспорвана от Li-ion.

На фигура 4 са показани характеристиките на оловно-киселинните и литиево-йонните батерии. И двете химически смеси се представят по сходен начин при студено зареждане. Оловната киселина е малко по-добра по отношение на W/kg, но литиево-йонната осигурява значително подобрение на живота на цикъла, по-добра специфична енергия във Wh/kg и добро приемане на динамичен заряд. Литиево-йонната химия не успява да се справи с високата цена на kWh, сложното рециклиране и по-слабата безопасност в сравнение с оловно-киселинната.

Фигура 4: Сравнение на оловно-киселинна и литиево-йонна стартерна батерия.
Оловната киселина поддържа силно олово в стартерната батерия. Заслугата е на добрите характеристики при ниски температури, ниската цена, добрите показатели за безопасност и лесното рециклиране[1].
Оловото е токсично и защитниците на околната среда биха искали да заменят оловно-киселинната батерия с алтернативна химическа технология. Европа успя да спре разпространението на NiCd в потребителските продукти и подобни усилия се полагат и за стартерните батерии. Изборът е между NiMH и Li-ion, но цената им е твърде висока, а характеристиките при ниски температури са слаби. С 99-процентно ниво на рециклиране оловно-киселинната батерия не представлява голяма опасност за околната среда и вероятно ще продължи да бъде предпочитаната батерия.