- Aufbau einer Blei-Säure-Batterie
- Funktionieren der Blei-Säure-Batterie
- Aufladen der Blei-Säure-Batterie
- Entladung der Blei-Säure-Batterie
- Risikofaktor und elektrische Bewertungen
- Wartungsregeln für Blei-Säure-Batterien
Fast jedes tragbare und tragbare Gerät besteht aus einer Batterie. Die Batterie ist ein Speichergerät, in dem Energie gespeichert wird, um bei Bedarf Strom zu liefern. In dieser modernen Elektronikwelt gibt es verschiedene Arten von Batterien, darunter Blei- Säure-Batterien, die üblicherweise für die Hochleistungsversorgung verwendet werden. Normalerweise sind Blei-Säure-Batterien größer, haben eine harte und schwere Konstruktion, können viel Energie speichern und werden im Allgemeinen in Automobilen und Wechselrichtern verwendet.
Selbst nach der Konkurrenz mit Li-Ionen-Batterien steigt die Nachfrage nach Blei-Säure-Batterien von Tag zu Tag, da sie im Vergleich zu Li-Ionen-Batterien billiger und einfacher zu handhaben sind. Laut einigen Marktforschungen wird der indische Markt für Blei-Säure-Batterien im Zeitraum 2018-24 voraussichtlich um über 9% wachsen. Die Nachfrage auf dem Markt für Automatisierung, Automobilindustrie und Unterhaltungselektronik ist enorm. Obwohl der größte Teil des Elektrofahrzeugs mit Lithion-Ionen-Batterien ausgestattet ist, gibt es immer noch viele elektrische Zweiräder, die Blei-Säure-Batterien verwenden, um das Fahrzeug anzutreiben.
Im vorherigen Tutorial haben wir etwas über Lithium-Ionen-Batterien gelernt. Hier werden wir die Funktionsweise , den Aufbau und die Anwendung von Blei-Säure-Batterien verstehen . Wir erfahren auch mehr über Lade- / Entladewerte, Anforderungen und Sicherheit von Blei-Säure-Batterien.
Aufbau einer Blei-Säure-Batterie
Was ist eine Blei-Säure-Batterie? Wenn wir den Namen Blei-Säure-Batterie brechen, erhalten wir Blei, Säure und Batterie. Blei ist ein chemisches Element (Symbol ist Pb und die Ordnungszahl ist 82). Es ist ein weiches und formbares Element. Wir wissen, was Säure ist; es kann ein Proton abgeben oder ein Elektronenpaar akzeptieren, wenn es reagiert. Eine Batterie, die aus Blei und wasserfreier Lot (manchmal fälschlicherweise als Bleiperoxid bezeichnet) besteht, wird als Blei-Säure-Batterie bezeichnet.
Nun, was ist der innere Aufbau?
Eine Blei-Säure-Batterie besteht aus den folgenden Dingen, die wir im folgenden Bild sehen können:
Eine Blei-Säure-Batterie besteht aus Platten, Separator und Elektrolyt, Hartplastik mit einem Hartgummihülle.
In den Batterien gibt es zwei Arten von Platten: positive und negative. Das positive besteht aus Bleidioxid und das negative besteht aus Blei-Schwamm. Diese beiden Platten werden unter Verwendung eines Separators getrennt, der ein Isoliermaterial ist. Diese Gesamtkonstruktion wird in einem Hartplastikgehäuse mit einem Elektrolyten aufbewahrt. Der Elektrolyt ist Wasser und Schwefelsäure.
Das Hartplastikgehäuse ist eine Zelle. Ein einzelner Zellenspeicher typischerweise 2,1 V. Aus diesem Grund besteht eine 12-V-Blei-Säure-Batterie aus 6 Zellen und liefert typischerweise 6 x 2,1 V / Zelle = 12,6 V.
Nun, was ist die Ladungsspeicherkapazität?
Es ist sehr abhängig vom aktiven Material (Elektrolytmenge) und der Plattengröße. Möglicherweise haben Sie gesehen, dass die Speicherkapazität von Lithiumbatterien in mAh oder Milliamperestunden angegeben ist. Bei Blei-Säure-Batterien ist dies jedoch die Ampere-Stunde. Wir werden dies in einem späteren Abschnitt beschreiben.
Funktionieren der Blei-Säure-Batterie
Bei der Arbeit mit der Blei-Säure-Batterie dreht sich alles um Chemie, und es ist sehr interessant, darüber Bescheid zu wissen. Der Lade- und Entladezustand der Blei-Säure-Batterie ist mit einem enormen chemischen Prozess verbunden. Die verdünnten Schwefelsäure-H 2 SO 4 -Moleküle brechen beim Auflösen der Säure in zwei Teile. Es entstehen positive Ionen 2H + und negative Ionen SO 4 -. Wie bereits erwähnt, sind zwei Elektroden als Platten verbunden, Anode und Kathode. Die Anode fängt die negativen Ionen auf und die Kathode zieht die positiven Ionen an. Diese Bindung in Anode und SO 4 - und Kathode mit 2H + tauscht Elektronen aus und reagiert weiter mit dem H2O oder mit dem Wasser (verdünnte Schwefelsäure, Schwefelsäure + Wasser).
Die Batterie hat zwei chemische Reaktionszustände: Laden und Entladen.
Aufladen der Blei-Säure-Batterie
Wie wir wissen, müssen wir zum Laden einer Batterie eine Spannung bereitstellen, die größer als die Klemmenspannung ist. Zum Laden einer 12,6-V-Batterie können 13 V angelegt werden.
Aber was passiert eigentlich, wenn wir eine Blei-Säure-Batterie aufladen?
Nun, die gleichen chemischen Reaktionen, die wir zuvor beschrieben haben. Insbesondere wenn die Batterie mit dem Ladegerät verbunden ist, brechen die Schwefelsäuremoleküle in zwei Ionen auf, positive Ionen 2H + und negative Ionen SO 4 -. Die Wasserstoffaustauschelektronen mit der Kathode und werden zu Wasserstoff, dieser Wasserstoff reagiert mit dem PbSO 4 in der Kathode und bildet Schwefelsäure (H 2 SO 4) und Blei (Pb). Andererseits tauschen SO 4 - Elektronen mit der Anode aus und werden zu radikalischem SO 4. Dieses SO 4 reagiert mit PbSO 4 der Anode und erzeugt das Bleiperoxid PbO 2 und Schwefelsäure (H 2 SO 4)). Die Energie wird gespeichert, indem die Schwerkraft der Schwefelsäure erhöht und die Zellpotentialspannung erhöht wird.
Wie oben erläutert, finden während des Ladevorgangs folgende chemische Reaktionen an Anode und Kathode statt.
An der Kathode
PbSO 4 + 2e - => Pb + SO 4 2-
An der Anode
PbSO 4 + 2H 2 O => PbO 2 + SO 4 2- + 4H - + 2e -
Wenn man die beiden obigen Gleichungen kombiniert, ergibt sich eine chemische Gesamtreaktion
2PbSO 4 + 2H 2 O => PbO 2 + Pb + 2H 2 SO 4
Es gibt verschiedene Methoden zum Laden der Blei-Säure-Batterie. Jede Methode kann für bestimmte Blei-Säure-Batterien für bestimmte Anwendungen verwendet werden. Einige Anwendungen verwenden eine Konstantspannungs-Lademethode, andere Anwendungen verwenden eine Konstantstrom-Lademethode, während das Kitzelladen in einigen Fällen ebenfalls nützlich ist. Normalerweise bietet der Batteriehersteller die richtige Methode zum Laden der spezifischen Blei-Säure-Batterien an. Das Laden mit konstantem Strom wird normalerweise nicht beim Laden von Blei-Säure-Batterien verwendet.
Die gebräuchlichste Lademethode, die in Blei-Säure-Batterien verwendet wird, ist die Konstantspannungs-Lademethode, die hinsichtlich der Ladezeit ein effektiver Prozess ist. Im vollen Ladezyklus bleibt die Ladespannung konstant und der Strom nimmt mit zunehmendem Ladezustand der Batterie allmählich ab.
Entladung der Blei-Säure-Batterie
Das Entladen einer Blei-Säure-Batterie ist wiederum mit chemischen Reaktionen verbunden. Die Schwefelsäure liegt in verdünnter Form mit einem typischen Verhältnis von 3: 1 zu Wasser und Schwefelsäure vor. Wenn die Lasten über die Platten geschaltet werden, zerfällt die Schwefelsäure wieder in positive Ionen 2H + und negative Ionen SO 4. Die Wasserstoffionen reagieren mit dem PbO 2 und machen PbO und Wasser zu H 2 O. PbO beginnt mit dem H 2 SO 4 zu reagieren und erzeugt PbSO 4 und H 2 O.
Auf der anderen Seite tauschen SO 4 -Ionen Elektronen aus Pb aus, wodurch radikalisches SO 4 entsteht, das ferner PbSO 4 erzeugt, das mit dem Pb reagiert.
Wie oben erläutert, finden während des Entladevorgangs folgende chemische Reaktionen an Anode und Kathode statt. Diese Reaktionen sind genau entgegengesetzt zu Ladungsreaktionen:
An der Kathode
Pb + SO 4 2- => PbSO 4 + 2e -
An der Anode:
PbO 2 + SO 4 2- + 4H - + 2e - => PbSO 4 + 2H 2 O.
Wenn man die beiden obigen Gleichungen kombiniert, ergibt sich eine chemische Gesamtreaktion
PbO 2 + Pb + 2H 2 SO 4 => 2PbSO 4 + 2H 2 O.
Aufgrund des Elektronenaustauschs zwischen Anode und Kathode wird das Elektronengleichgewicht zwischen den Platten beeinträchtigt. Die Elektronen fließen dann durch die Last und die Batterie wird entladen.
Während dieser Entladung nimmt die Schwerkraft der verdünnten Schwefelsäure ab. Gleichzeitig nimmt auch die Potentialdifferenz der Zelle ab.
Risikofaktor und elektrische Bewertungen
Die Blei-Säure-Batterie ist schädlich, wenn sie nicht sicher gewartet wird. Da die Batterie während des chemischen Prozesses Wasserstoffgas erzeugt, ist es sehr gefährlich, wenn es nicht im belüfteten Bereich verwendet wird. Außerdem beschädigt eine ungenaue Aufladung den Akku erheblich.
Was sind die Standardwerte für Blei-Säure-Batterien?
Jede Blei-Säure-Batterie wird mit einem Datenblatt für den Standardladestrom und den Entladestrom geliefert. Typischerweise kann eine 12-V-Blei-Säure-Batterie, die für die Automobilanwendung geeignet ist, im Bereich von 100 Ah bis 350 Ah liegen. Diese Bewertung wird als Entladungsbewertung mit einer Zeitspanne von 8 Stunden definiert.
Zum Beispiel könnte eine 160-Ah-Batterie 8 Stunden lang 20 A Versorgungsstrom für die Last liefern. Wir können mehr Strom ziehen, aber es ist nicht ratsam, dies zu tun. Wenn mehr Strom als der maximale Entladestrom in Bezug auf 8 Stunden entnommen wird, wird die Batterieeffizienz beeinträchtigt, und der Innenwiderstand der Batterie kann ebenfalls geändert werden, wodurch die Batterietemperatur weiter erhöht wird.
Auf der anderen Seite sollten wir während der Ladephase auf die Polarität des Ladegeräts achten und es sollte richtig mit der Polarität des Akkus verbunden sein. Die Verpolung ist gefährlich für das Laden der Blei-Säure-Batterie. Das vorgefertigte Ladegerät verfügt über eine Ladespannungs- und Ladestromanzeige mit Steueroption. Wir sollten eine größere Spannung als die Batteriespannung bereitstellen, um die Batterie aufzuladen. Der maximale Ladestrom sollte dem maximalen Versorgungsstrom bei 8 Stunden Entladerate entsprechen. Wenn wir dasselbe 12V 160Ah-Beispiel nehmen, beträgt der maximale Versorgungsstrom 20A, sodass der maximale sichere Ladestrom 20A beträgt.
Wir sollten keinen großen Ladestrom erhöhen oder bereitstellen, da dies zu Wärme und erhöhter Gaserzeugung führt.
Wartungsregeln für Blei-Säure-Batterien
- Bewässerung ist das am meisten vernachlässigte Wartungsmerkmal von überfluteten Blei-Säure-Batterien. Da die Überladung das Wasser verringert, müssen wir es häufig überprüfen. Weniger Wasser führt zu Oxidation in den Platten und verkürzt die Lebensdauer der Batterie. Fügen Sie bei Bedarf destilliertes oder ionisiertes Wasser hinzu.
- Überprüfen Sie die Lüftungsschlitze. Sie müssen mit Gummikappen perfektioniert werden. Oft haften die Gummikappen zu fest an den Löchern.
- Laden Sie nach jedem Gebrauch Blei-Säure-Batterien auf. Ein langer Zeitraum ohne Aufladen sorgt für Sulfatierung in den Platten.
- Frieren Sie den Akku nicht ein und laden Sie ihn nicht über 49 Grad Celsius auf. Bei kalter Umgebung müssen Batterien vollständig aufgeladen werden, da vollständig geladene Batterien in Bezug auf das Einfrieren sicherer sind als leere Batterien.
- Entladen Sie den Akku nicht tiefer als 1,7 V pro Zelle.
- Um eine Blei-Säure-Batterie aufzubewahren, muss sie vollständig aufgeladen und der Elektrolyt abgelassen werden. Dann wird der Akku trocken und kann lange gelagert werden.