Bateria de plom àcid: funcionament, construcció i càrrega / descàrrega

Gairebé tots els dispositius portàtils i de mà tenen una bateria. La bateria és un dispositiu d'emmagatzematge on s'emmagatzema energia per proporcionar energia sempre que sigui necessari. Hi ha diferents tipus de bateries disponibles en aquest món de l’electrònica moderna, entre les quals la bateria de plom àcid s’utilitza habitualment per a una font d’alimentació elevada. Normalment, les bateries de plom àcid tenen una mida més gran amb una construcció dura i pesada, poden emmagatzemar gran quantitat d’energia i s’utilitzen generalment en automòbils i inversors.

Fins i tot després de competir amb les bateries de ions de Li, la demanda de bateries de plom àcid augmenta dia a dia, ja que són més barates i fàcils de manejar en comparació amb les bateries de ions de Li. Segons algunes investigacions de mercat, es preveu que el mercat de les bateries de plom àcid de l’Índia creixi amb un CAGR superior al 9% durant el període 2018-24. Per tant, té una gran demanda del mercat en automàtica, automoció i electrònica de consum. Tot i que la major part del vehicle elèctric ve amb bateries de ions de liti, però encara hi ha moltes dues rodes elèctriques que fan servir bastons de plom àcid per alimentar el vehicle.

En un tutorial anterior vam aprendre sobre les bateries de ions de liti, aquí coneixerem el funcionament, la construcció i les aplicacions de les bateries de plom àcid. També coneixerem els nivells de càrrega / descàrrega, els requisits i la seguretat de les bateries de plom àcid.

Construcció de bateria de plom àcid

Què és una bateria de plom àcid? Si trencem el nom de bateria de plom àcid, obtindrem plom, àcid i bateria. El plom és un element químic (el símbol és Pb i el nombre atòmic és 82). És un element suau i mal·leable. Sabem què és l'àcid; pot donar un protó o acceptar un parell d'electrons quan reacciona. Per tant, una bateria, que consisteix en plom i àcid plumbic anhidre (de vegades equivocadament anomenada peròxid de plom), s’anomena bateria de plom àcid

Ara bé, quina és la construcció interna?

Una bateria de plom àcid consta de les següents coses: la podem veure a la imatge següent:

Una bateria de plom àcid consta de plaques, separador i electròlit, de plàstic dur amb una caixa de goma dura.

A les bateries, les plaques són de dos tipus, positives i negatives. La positiva consisteix en diòxid de plom i la negativa consisteix en esponja de plom. Aquestes dues plaques es separen mitjançant un separador que és un material aïllant. Aquesta construcció total es conserva en una caixa de plàstic dur amb un electròlit. L’ electròlit és aigua i àcid sulfúric.

La caixa de plàstic dur és d’una sola cel·la. Un magatzem d’una sola cèl·lula normalment de 2.1V. Per aquest motiu, una bateria de plom àcid de 12V consta de 6 cel·les i proporciona normalment 6 x 2,1V / cèl·lula = 12,6V.

Ara, quina és la capacitat d'emmagatzematge de càrrega?

És molt fiable en funció del material actiu (quantitat d'electròlits) i de la mida de la placa. És possible que hàgiu vist que la capacitat d’emmagatzematge de la bateria de liti es descriu en la classificació de mAh o miliamp-hora, però en el cas de la bateria de plom àcid, és l’hora de l’amplificador. Ho descriurem en una secció posterior.

Funcionament de la bateria de plom àcid

El funcionament de la bateria de plom àcid té a veure amb la química i és molt interessant saber-ne. Hi ha un procés químic enorme en la condició de càrrega i descàrrega de la bateria de plom àcid. Les molècules d’àcid sulfúric H ₂ SO ₄ diluïdes es divideixen en dues parts quan l’àcid es dissol. Crearà ions positius 2H + i ions negatius SO ₄ -. Com hem dit abans, dos elèctrodes estan connectats com a plaques, l’ànode i el càtode. L’ànode atrapa els ions negatius i el càtode atrau els ions positius. Aquesta unió en ànode i SO ₄ - i càtode amb electrons d’intercanvi 2H + i que reacciona encara més amb l’H2O o amb l’aigua (àcid sulfúric diluït, àcid sulfúric + aigua).

La bateria té dos estats de reacció química: càrrega i descàrrega.

Càrrega de bateria de plom àcid

Com sabem, per carregar una bateria, hem de proporcionar una tensió superior a la tensió del terminal. Per carregar una bateria de 12,6 V, es poden aplicar 13 V.

Però, què passa realment quan carreguem una bateria de plom àcid?

Doncs bé, les mateixes reaccions químiques que hem descrit abans. Concretament, quan la bateria està connectada amb el carregador, les molècules d’àcid sulfúric es divideixen en dos ions, els ions positius 2H + i els ions negatius SO ₄ -. Els hidrògens intercanvien electrons amb el càtode i es converteixen en hidrogen; aquest hidrogen reacciona amb el PbSO ₄ del càtode i forma àcid sulfúric (H ₂ SO ₄) i plom (Pb). D'altra banda, SO ₄ - intercanvia electrons amb ànode i esdevé SO ₄ radical. Aquest SO ₄ reacciona amb el PbSO ₄ de l’ànode i crea el peròxid de plom PbO ₂ i l’àcid sulfúric (H ₂ SO ₄). L’energia s’emmagatzema augmentant la gravetat de l’àcid sulfúric i augmentant el voltatge potencial de la cèl·lula.

Com s’ha explicat anteriorment, les reaccions químiques següents tenen lloc a l’ànode i el càtode durant el procés de càrrega.

Al càtode

PbSO ₄ + 2e ^- => Pb + SO ₄ ^2-

A l’ànode

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

Combinant per sobre de dues equacions, la reacció química global serà

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

Hi ha diversos mètodes aplicables per carregar la bateria de plom-àcid. Cada mètode es pot utilitzar per a bateries de plom-àcid específiques per a aplicacions específiques. Algunes aplicacions utilitzen un mètode de càrrega de voltatge constant, algunes aplicacions utilitzen un mètode de corrent constant, mentre que la càrrega de pessigolles també és útil en alguns casos. Normalment, el fabricant de bateries proporciona el mètode adequat per carregar les bateries específiques de plom-àcid. La càrrega de corrent constant no s’utilitza normalment en la càrrega de la bateria de plom àcid.

El mètode de càrrega més comú utilitzat en la bateria de plom àcid és el mètode de càrrega de voltatge constant, que és un procés eficaç en termes de temps de càrrega. En un cicle de càrrega complet, la tensió de càrrega es manté constant i el corrent va disminuint gradualment amb l'augment del nivell de càrrega de la bateria.

Descàrrega de la bateria de plom àcid

La descàrrega d’una pila d’àcid de plom torna a implicar-se amb les reaccions químiques. L’àcid sulfúric es troba en forma diluïda amb una relació típicament 3: 1 amb aigua i àcid sulfúric. Quan les càrregues es connecten a través de les plaques, l’àcid sulfúric es torna a trencar en ions positius 2H + i ions negatius SO ₄. Els ions hidrogen reaccionen amb el PbO ₂ i fan que el PbO i l’aigua H ₂ O. PbO comencin a reaccionar amb l’H ₂ SO ₄ i creen PbSO ₄ i H ₂ O.

A l'altre costat, els ions SO ₄ intercanvien electrons de Pb, creant SO ₄ radical que crea més PbSO _{4 que} reacciona amb el Pb.

Com s’ha explicat anteriorment, les reaccions químiques següents tenen lloc a l’ànode i el càtode durant el procés de descàrrega. Aquestes reaccions són exactament oposades a les reaccions de càrrega:

Al càtode

Pb + SO ₄ ^2- => PbSO ₄ + 2e ^-

A l’ànode:

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

Combinant per sobre de dues equacions, la reacció química global serà

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

A causa de l'intercanvi d'electrons entre ànode i càtode, l'equilibri d'electrons a través de les plaques es veu afectat. Els electrons flueixen a través de la càrrega i la bateria es descarrega.

Durant aquesta descàrrega, la gravetat de l'àcid sulfúric diluït disminueix. Al mateix temps, la diferència de potencial de la cèl·lula disminueix.

Factors de risc i valoracions elèctriques

La bateria de plom àcid és perjudicial si no es manté amb seguretat. Com que la bateria genera gas d’hidrogen durant el procés químic, és molt perillós si no s’utilitza a la zona ventilada. A més, una càrrega inexacta danya greument la bateria.

Quines són les qualificacions estàndard de la bateria de plom àcid?

Totes les bateries de plom-àcid s’ofereixen amb un full de dades per al corrent de càrrega i descàrrega estàndard. Normalment, una bateria de plom àcid de 12V que és aplicable per a aplicacions d’automoció pot anar des de 100Ah fins a 350Ah. Aquesta qualificació es defineix com la qualificació de descàrrega amb un període de temps de 8 hores.

Per exemple, una bateria de 160 Ah podria proporcionar 20 A de corrent de subministrament a la càrrega durant 8 hores del període. Podem dibuixar més corrent però no és aconsellable fer-ho. En treure més intensitat que la intensitat màxima de descàrrega respecte a 8 hores, es perjudicarà l’eficiència de la bateria i també es pot canviar la resistència interna de la bateria, cosa que augmenta encara més la temperatura de la bateria.

D'altra banda, durant la fase de càrrega, hauríem de tenir cura de la polaritat del carregador, hauria d'estar correctament connectada amb la polaritat de la bateria. La polaritat inversa és perillosa per a la càrrega de la bateria de plom àcid. El carregador readymade ve amb un mesurador de tensió de càrrega i corrent de càrrega amb opció de control. Hauríem de proporcionar una tensió superior a la de la bateria per carregar-la. El corrent de càrrega màxim ha de ser el mateix que el corrent de subministrament màxim a les taxes de descàrrega de 8 hores. Si prenem el mateix exemple de 12V 160Ah, el corrent de subministrament màxim és de 20A, de manera que el corrent de càrrega segur màxim és de 20A.

No hauríem d’augmentar ni proporcionar un gran corrent de càrrega, ja que es traduirà en calor i augment de la generació de gas.

Normes de manteniment de la bateria plom-àcid

1. El reg és la característica de manteniment més descuidada de les bateries de plom àcid inundades. Com que la sobrecàrrega disminueix l’aigua, hem de comprovar-la amb freqüència. Menys aigua crea oxidació a les plaques i disminueix la vida útil de la bateria. Afegiu aigua destil·lada o ionitzada quan calgui.
2. Comproveu les obertures de ventilació, cal perfeccionar-les amb taps de goma, sovint els taps de goma s’enganxen amb els forats massa tancats.
3. Recarregueu les bateries de plom-àcid després de cada ús. Un llarg període sense recarregar proporciona sulfatació a les plaques.
4. No congeleu la bateria ni carregueu-la a més de 49 graus centígrads. En zones fredes, les bateries s’han de carregar completament, ja que carreguen les bateries més segures que les bateries buides pel que fa a la congelació.
5. No descarregueu la bateria en profunditat a menys d’1,7 V per cel·la.
6. Per emmagatzemar una pila d’àcid de plom, s’ha de carregar completament i, per tant, s’ha de drenar l’electròlit. A continuació, la bateria s’assecarà i es podrà emmagatzemar durant molt de temps.