Loodbatterijen

De loodbatterijen waren de eerste oplaadbare batterijen die een succes waren. Ze worden nog steeds gebruikt in gespecialiseerde toepassingen.

De loodbatterijen hebben een lange geschiedenis en worden nog steeds gebruikt omdat ze gemakkelijk en goedkoop te fabriceren zijn en omdat ze op een eenvoudige manier gerecycleerd kunnen worden. Deze batterijen zijn zeer goedkoop per geleverde Ah, bewaren redelijk goed hun lading en kunnen een hoge stroom leveren. Maar het zijn ook batterijen die een lage energiedichtheid hebben per gewichtseenheid en ze gaan niet zo lang mee.

De loodbatterijen worden vooral gebruikt om voertuigen te starten, maar er zijn andere toepassingen, zoals back up van server installaties, noodvoedingen en alarmsystemen. Deze batterijen kunnen constant geladen worden (float charge). Deze batterijen hebben een celspanning van 2V en kunnen dus niet als alternatief voor gewone, niet-oplaadbare batterijen gebruikt worden.

Deze batterijen hebben natuurlijk een paar nadelen: ze mogen niet in ongeladen toestand bewaard worden, want ze gaan defekt indien ze meer dan een paar dagen in ongeladen toestand blijven. In ongeladen toestand ontstaat er loodsulfaat, en dit is en onomkeerbare reaktie. Na gebruik moeten de batterijen altijd opnieuw opgeladen worden. Na 6 maanden opslag hebben de batterijen hun lading gedeeltelijk verloren en moeten ze verplicht opnieuw geladen worden. Ook is de energiedichtheid per gewichtseenheid zeer laag (maar voor de specifieke toepassingen speelt dit geen rol van belang). Voor het starten van een auto is niet veel energie nodig (wel veel stroom in een kort tijdsbestek) en de back up batterijen zijn meestal stationaire systemen waarbij het gewicht onbelangrijk is.

De concentratie van het zuur verandert met de ladingstoestand van de batterij (en daarmee gaande ook de spanning per element). Dit is een verschil met de Ni-xxx batterijen waarvan de electrolietconcentratie gelijk blijft gedurende de volledige cyclus. Door de batterijspanning van een loodbatterij in rust te meten kan men zich een idee vormen van de ladingstoestand, wat niet het geval is met nickel-batterijen waarvan de spanning nagenoeg constant op 1.2V blijft ongeacht de ladingstoestand.

De ladingstoestand van ieder element kan gecontroleerd worden door wat zuur af te tappen (indien de cellen open kunnen) en de densiteit te meten. De tweede batterij rechts heeft zelfs een eenvoudige meter bestaande uit bolletjes met verschillende densiteit die gaan zinken (batterij leeg) of drijven (batterij geladen). Deze batterij is op ongeveer 2/3 geladen.

De batterij bestaat uit een loden frame waarin loodpasta geperst wordt. Het geheel wordt op zijn plaats gehouden door isolatieplaten (vroeger een soort sterk karton) die de ionen wel doorlaten. De frame wordt in een rechthoekige plastieken behuizing geperst en er wordt zwavelzuur toegevoegd.

Bij het gebruik veranderd de samenstelling van de loodplaten (en dus ook hun dikte). Bij cyclisch gebruik gaan de platen op de duur vervormen. Dit wordt gedeeltelijk vermeden door de isolatieplaten die tegen de platen drukken, maar er komen regelmatig loodfragmenten los die zich op de boden van het element verzamelen, waardoor de capaciteit lager wordt. Het is daarom aangeraden de batterij nooit tot minder dan 80% van zijn capaciteit te ontladen. Batterijen hebben daarom een lege ruimte onderaan ieder element, waarin de smurrie zich kan verzamelen zonder kortsluiting tussen de elementen te maken.

Laadapparaten voor loodbatterijen laden eerst de batterij snel op met een constante stroom (BOOST), totdat de maximale spanning bereikt is (14.4V). Dan zakt automatisch de stroom. Deze spanning wordt een tijd aangehouden (EQUALIZE) om ervoor te zorgen dat alle cellen geladen zijn, totdat de stroom beneden een bepaalde waarde gezakt is, en dan schakelt de lader op een lagere onderhoudsspanning (FLOAT 13.5V). Op regelmatige tijdstippen wordt er overgeschakeld naar de hogere spanning gedurende een korte tijd.

Deze werkwijze heeft als voordeel dat de batterij sneller geladen wordt met de maximaal toegelaten stroom. De lader schakelt dan over op een lagere spanning om te vermijden dat de accu zou gassen. Een bijkomend voordeel is dat de loden platen minder snel aangetast worden door het zuur. Als de batterij maximaal geladen is, is de zuurconcentratie hoger en worden de platen sneller aangetast. Een batterij die constant op een spanning van meer dan 14V gehouden wordt gaat minder langer mee.

Herstellen van gesulfateerde batterijen

Dit werd vaak gedaan bij tractiebatterijen. Bij deze batterijen kon het electroliet gemakkelijk vervangen worden. Moderne batterijen hebben een zeer hoge zuurconcentratie (om de inwendige weerstand te verlagen), daardoor is er meer kans op sulfatatie.

De verschillende electronische systemen om de sulfatatie weg te werken zijn weinig efficient. Ze werken door een zeer hoge stroom door de batterij te sturen (constant laden/ontladen/laden/ontladen aan hoge frekwentie). Het enige dat er bereikt wordt is dat het sulfaat los komt van de batterijplaten en zich onderaan de bak verzamelt. De batterij kan weer gebruikt worden, maar door het verlies aan electrodemateriaal is de capaciteit minder geworden.

Parameters van een lood batterij

Om de laadtoestand van een loodaccu te bepalen volstaat het in theorie om de open klemspanning te meten. De spanning zakt immers als de batterij verder ontladen wordt. De spanning is afhankelijk van de concentratie van het electroliet, en die daalt als de accu ontladen wordt. Maar als de accu juist geladen of ontladen werd is deze meting niet betrouwbaar. Men moet de accu 4 uur laten rusten vooraleer een spanningsmeting te doen.

De capaciteit meten zou eigenlijk eenvoudig moeten zijn: accu volledig laden en dan ontladen met een stroom van 0.05C (1/20 van de nominale capaciteit) en de capaciteit meten als de spanning onder de 10.5V komt. Deze procedure is traag, is niet bevorderlijk voor de levensduur van de accu en verschillende ontlaadcycli geven verschillende resultaten (dit fenomeen blijkt eigen aan de loodaccus te zijn). Echt betrouwbaar is deze methode dus niet.

Er is ook een methode om de maximale stroom die een accu kan leveren te meten. De accu wordt afgekoeld tot -18° gedurende 24 uur. Dan wordt de CCA stroom afgenomen (cold cranking amps). Hier verschillen de diverse normen, waarbij amerikaanse normen minder streng zijn. Algemeen moet de batterij de CCA stroom kunnen leveren gedurende minstens 30 seconden, waarbij de spanning niet onder 9.6V mag komen.

Het is dus zeer moeilijk de algemene toestand van een accu te bepalen, dit is een combinatie van de capaciteit en de maximale stroom. Zelfs een startaccu met een verlaagde capaciteit kan nog een aanvaardbare CCA waarde hebben. Dit is trouwens de reden waarom startaccus plots uitvallen: als het wat kouder wordt en het starten langer duurt, dan kan de accu met een verlaagde capaciteit de nodige stroom niet meer leveren terwijl de dag voordien de accu nog de auto normaal kon starten. Daartegenover zakt de capaciteit in de loop van de jaren.

Batterijmeters gebruiken verschillende methodes om snel de toestand van een accu te bepalen. Het is nodig het type accu in te geven (bijvoorbeeld een AGM accu of absorbed glass mat, waarbij het zuur opgenomen wordt in een glasvezelplaat). Door de accu kortstondig te ontladen kunnen de parameters benaderd worden. Sommige meters printen zelfs het resultaat uit.

-