Loodbatterijen


Fotografie » Batterijen » Oplaadbaar » Lood

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.

Wat is eigenlijk het verband tussen een loodbatterij en deze site over fotografie? De eerste videocamera's (schoudermodellen) gebruikten loodbatterijen van 12V 2Au. Loodbatterijen waren toen de enige batterijen die een hoge stroom konden leveren (jaren 1980). De concurrerende technologie (nickel-cadmium) was toen te duur en had een te lage capaciteit. Ondertussen heeft de Nickel-Metaalhydride de loodtechnologie voorbijgestoken wat betreft de beschikbare capaciteit en gebruiksgemak.

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 gedurende de volledige ontlading.

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 het poeder zich kan verzamelen zonder kortsluiting tussen de elementen te maken.

De loodbatterijen zijn aangepast aan de belasting. We onderscheiden daarom verschillende types: Startbatterijen die versleten zijn en een lage capaciteit hebben kunnen toch een hoge stroom leveren. Het is dus niet mogelijk de batterijtoestand te controleren bij het starten van de auto. Als het wat kouder wordt, en de motor meer energie vraagt om te starten, dan kan de batterij die plots niet meer leveren.

De batterijen die in warme landen gebruikt worden hebben een lagere zuurconcentratie. Dit vermindert de maximale stroom die de batterij kan leveren, maar zorgt er ook voor dat de batterijen lang genoeg meegaan.

Batterijen voor toepassingen waar hoge eisen aan de batterij gesteld worden (bijvoorbeeld marine-batterijen) hebben ronde elementen in plaats van rechthoekige.

Met een voltmeter kan de ladingstoestand van een loodaccu bepaald worden. Bij de ontlading vermindert de zuurconcentratie, en dus ook de klemspanning. Bij de nickel-metaalhydride blijft de electroliet concentratie stabiel tijdens de volledige ontlading, en dus ook de spanning.

De verminderde zuurconcentratie veroorzaakt een opzwelling van de electrodes (het zuur wordt in de electrodes gebonden), waardoor de electrodes sneller verslijten bij opeenvolgende ladingen en ontladingen.

Herstellen van gesulfateerde batterijen

Loodbatterijen die gesulfateerd zijn kunnen hersteld worden. Het zuur moet verwijderd worden en vervangen worden een een zeer verdunde zuuroplossing (1/5 van de normale concentratie of lager). De batterij wordt dan met een lage stroom geladen. Na het verdwijnen van de sulfatatie wordt de verdunde oplossing vervangen door de normaal geconcentreerde oplossing.

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

De parameters van een batterij zijn de laadtoestand (min of meer geladen), de capaciteit en de maximale stroom. Geen enkel van de ze parameters kan snel en betrouwbaar gemeten worden, enkel een schatting is mogelijk.

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.

Types accus

Loodaccus met vloeibaar electroliet (zogenaamde "flooded")
Deze accus worden in auto's en vrachtwagens gebruikt. Dit zijn goedkope accus met een relatief hoge capaciteit en ontlaadstroom. Ze kunnen maar beperkt ontladen worden: bij het ontladen worden de sulfaat-ionen in de platen opgenomen, waardoor de platen gaan opzwellen. Door het laden en ontladen kont er uiteindelijk plaatmateriaal vrij, die zich onderaan de accu verzamelt en niet meer aan de reakties deelneemt, waardoor de capaciteit lager wordt. Bij het snelladen komt er zuurstofgas en waterstofgas vrij, waardoor de hoeveelheid water in de accu zakt. Ook hogere temperaturen kunnen voor verdamping van het water zorgen. Regelmatig moet het waterpeil geconroleerd worden, behalve bij onderhoudsvrije accus waarbij de gassen gecombineerd worden.

Gelaccus
Dit zijn accus waarbij het zwavelzuur gebonden wordt tot een gel. De accus kunnen sterker ontladen worden maar de ontlaadstroom is lager. Het is niet mogelijk water toe te voegen aan de accu. De levensduur van een accu ligt hoger. Deze accus worden vaak in noodvoedingen gebruikt. Terwijl de levensduur van een startaccu (met vloeibaar electroliet) beperkt is tot 4 à 5 jaar, gaat een gelaccu tot 8 jaar mee.

AGM accus
Dit zijn accus waarbij de scheidingsplaten bestaan uit een dunne glasvezelplaat (een soort vlies). De glasvezelplaat is zeer dun, waardoor de gassen die ontstaan beter opnieuw gecombineerd kunnen worden tot water. Het zuur wordt aan het glas gebonden: dit zijn dus ook accus zonder vloeibaar electroliet. Deze accus worden gebruikt in meer kritische toepassingen (batterijen voor marine-toepassingen). De levensduur van een AGM accu is niet beter, maar de accus kunnen in minder gunstige toepassingen gebruikt worden. In teoepassingen waar de accus zeer sterk ontladen kunnen worden, moeten de accus om de drie jaar vervangen worden (militaire toepassingen).

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), 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.

Het voordeel van deze procedure is dat de batterij zo snel mogelijk geladen wordt aan de maximaal toegelaten stroom. Eenmaal de batterij geladen wordt er overgeschakeld op een lagere spanning zodat de batterij niet gaat gassen. Om de lading te behouden wordt er éénmaal per 24 uur gedurende 30 minuten de laadspanning opgevoerd.

Motorhomes en camping cars:
Laadautomaat om de camperbatterij op te laden
zonder de startbatterij te belasten
(de camperbatterij wordt enkel opgeladen
met de stroom die niet gebruikt wordt
door de startbatterij)

Paginas die volgens Google je zouden kunnen interesseren

-