Blybatteri | |
![]() Bilbatteri (12 V, 40 Ah ) | |
Kjennetegn | |
---|---|
Energi / vekt | 20−40 Wh / kg |
Energi / volum | 40−100 Wh / ℓ |
Ladeutladningseffektivitet | 50−92 % |
Selvutladning | 3–20% / måned |
Livstid | min. 4 til 5 år |
Antall ladningssykluser | 500 til 1200 |
Nominell spenning per celle | 2,1 V |
Et blybatteri er et sett med batterier til bly - svovelsyre koblet i serie for å oppnå ønsket spenning, og er inkludert i samme hus. Blyplater og rister er faktisk laget av herdet bly (f.eks. Ved bruk av tinn , kadmium og strontium , noen få prosent av legeringen).
Dette "lagrings" -systemet for elektrisitet brukes mye i industrien , i utstyr til jernbanevogner og biler (inkludert lastebiler), men også når det er behov for umiddelbart tilgjengelig elektrisk energi (fly, satellitt, etc. ).
Bly- syreakkumulatoren ble oppfunnet i 1854 av Wilhelm Josef Sinsteden. I 1859 forbedret franskmannen Gaston Planté blybatteriet betydelig. Han var virkelig den første som hadde utviklet det oppladbare batteriet. Opprinnelig var akkumulatorene plassert i glassbeholdere. Deretter systematiserte vi bruken av plasttanker som er mer motstandsdyktige mot støt.
I dag er vedlikeholdsfrie batterier i ferd med å bli utbredt: lugs behandlet med antisulfaterende blykalsiumplater, noe som eliminerer behovet for å fylle opp væskenivået, og derfor tillater forsegling.
Batterier er den viktigste bruken av bly i dag. Denne enkle og robuste teknikken er også veldig konkurransedyktig og er fremdeles den viktigste teknikken for startbatterier. I 2010 representerte blybatterier mer enn 99% av tonnasje batterier som ble brukt i bilen.
I 2011 lyktes forskere ved universitetet i Helsingfors og Uppsala for første gang å gjengi korrekt fra de første prinsippene i fysikk den nominelle spenningen på 2,1 V observert for batteriet i ledningen. Klassisk kjemi alene ville ikke forklare denne verdien. I følge dem må man inkludere virkningene av Einsteins relativitet i beregningen for å komme til den observerte verdien.
Et blybatteri er i det vesentlige preget av:
Maksimumsverdiene er gitt av produsenten for et nytt batteri og ladet til 100%, de varierer betydelig i henhold til ladetilstanden , forverres med tiden og bruken av batteriet.
Ladningen er en tvungen disproporsjonering , de elektrokjemiske reaksjonene ved elektrodene er som følger:
Den samlede reaksjonen kan således skrives:
Utladningen er en spontan mediamutasjon , de elektrokjemiske reaksjonene ved elektrodene er som følger:
Den samlede reaksjonen kan således skrives:
Blybatteriet er det med lavest spesifikk energi , 35 Wh / kg , etter nikkeljernbatteriet . Men siden den er i stand til å levere en toppstrøm med stor intensitet, nyttig for elektrisk start av forbrenningsmotorer, er den fortsatt mye brukt, spesielt i motorvogner og i de fleste jernbanevogner. Det har også fordelen av ikke å være følsom for minneeffekten .
Dette batteriet brukes til å drive elektriske komponenter i kjøretøy med forbrenningsmotorer, spesielt den elektriske starteren. Når motoren går, lades den av en dynamo eller en dynamo .
Historisk har bil- eller motorsykkelbatterier ofte laget 6 V (tre celler). Siden 1980-tallet har 12 V- batterier (seks celler) blitt generalisert på biler og motorsykler, mens tunge eller militære kjøretøyer bruker 24 V, og til slutt bruker jernbanevogner grupper som varierer fra 36 V i Sveits (to 18 V- batterier i serie), 72 V i Frankrike til 110 V i de fleste andre europeiske land.
Merk: i 2012 var elbiler (rekkevidde på ca. 60 til 500 km ) mindre enn biler med varmemotorer (rekkevidde på ca. 600 til 2500 km ).
Blybatterier brukes til å drive alle slags elektriske maskiner, sikkerhets- og igangkjøringsutstyr samt nødbelysning i de fleste tog. De er hovedsakelig samlet i grupper på seks 12 V- batterier for å produsere 72 V og er overflødige i tilfelle en av de to gruppene svikter.
De brukes ofte i inntrengingsalarmer , brannalarmer eller sikkerhetsbelysning av frontlykter (eller projektorer) i store bygninger (fabrikker, idrettshaller). Generelt kan de brukes i ethvert system som trenger en reservestrømkilde som trenger god batterilevetid (12 til 48 timer) og hvor ledningens vekt ikke er viktig. For disse bruksområdene er de "gel-bly" batterier. De utgjør en forskjell i forhold til konvensjonelle blybatterier (for biler): syren er inneholdt i en silikagel, som gjør at batteriet kan brukes i alle posisjoner (materialet flyter ikke). De egner seg godt til innendørs bruk (ingen eller svært lite gassutslipp) og for langsom (lav intensitet) og dype utladninger, i motsetning til flytende syrebatterier som er beregnet på høye intensiteter og delvis utladninger. Når motoren har startet, lades batteriet på et kjøretøy umiddelbart av dynamoen.
Disse batteriene kan også brukes til å lagre produsert energi med jevne mellomrom, for eksempel sol- eller vindkraft.
Et blybatteri lades ved å påføre det en likestrøm av hvilken som helst verdi (med forbehold om teknologiske grenser knyttet til selve batteriet eller dets tilkoblinger), forutsatt at det ikke fører til at batteripolene ser ut som en spenning større enn 2,35 V per celle (verdi ved 25 ° C ) .
Anvendelsen av denne regelen fører til observasjon i praksis av to påfølgende ladningsfaser:
På slutten av lading avbrytes ikke strømmen i fase CV. Den stabiliserer seg ved en lav, men ikke null-verdi, som ikke lenger øker ladetilstanden, men elektrolyserer vannet fra elektrolytten . Det anbefales derfor å avbryte ladningen, eller, hvis vi vil bruke en permanent ladning (kalt vedlikehold eller " flytende ", for å kompensere for fenomenet selvutladning ), å senke setpunktsspenningen til en verdi av rekkefølge på 2,3 V per element.
CC / CV-lading har blitt utbredt fordi den alene tillater lading ved høy strøm (og derfor raskt) uten å skade batteriet. Denne lademodusen brukes i alle biler: i likestrømsfase avhenger ladestrømmen i hovedsak av rotasjonshastigheten til generatoren (og dermed motoren). I fase CV opprettholdes børspenningen av servostyringen som utgjøres av spenningsregulatoren. Dette reduserer faktisk generatorens eksiteringsstrøm, slik at generatorens utgangsstrøm aldri resulterer i en spenning større enn 2,35 V per celle (med en liten korreksjon avhengig av temperaturen).
Når en lader som er i stand til å begrense spenningen til referanseverdien tilsvarende 2,35 V per celle, ikke er tilgjengelig, anbefales det å begrense ladestrømmen (i ampere) til for eksempel 10% av verdien av batterikapasiteten (i ampere-timer), for å minimere de skadelige konsekvensene av overspenningen som kan oppstå ved slutten av ladingen (samt de skadelige konsekvensene for levetiden til elektrodene) .
Spenningen på 2,34 V per celle kalles "V- gass ". Det tilsvarer spenningen der elektrolytten i flytende form blir elektrolysert ( 2 H 2 + O 2).
Et batteri skal aldri lades ut til mindre enn 20% av dets nominelle kapasitet. Spenningen er ikke en pålitelig referanse over tid, siden jo eldre batteriet er, desto mer har spenningen en tendens til å synke.
I følge Peukerts lov , jo raskere et batteri lades ut, jo lavere er kapasiteten.
Hovedårsakene til batteriforringelse er:
Sulfering representerer opphopning av blysulfat på elektrodene. Dette fenomenet vises naturlig hver gang batteriet blir utladet, og forsvinner under lading. Imidlertid, under visse forhold (langvarig eller for dyp utladning, høy temperatur, forgassning av elektrolytten), vises stabile øyer med blysulfat og er ikke lenger oppløst under lading. Blysulfatet som altså dannes reduserer batteriets kapasitet ved å forhindre reaksjoner på elektroden på grunn av dets lave elektriske ledningsevne . Sulfasjonsprosessen blir avbrutt så snart batteriet lades opp.
Eksempel: Et sulfatbatteri på 1000 CCA (toppstrøm) i ny tilstand, men kontrollert ved 12 V og med en effekt på 500 CCA, vil gjenopptas etter lading av en spenning større enn eller lik 12,6 V, men den målte effekten på 500 CCA vil endre lite. Et batteri i denne tilstanden tillater ikke flere påfølgende starter av et motorkjøretøy, og kan for eksempel forårsake en immobiliseringsfeil fra den første forkjølelsen.
AvsvovlingDet er en måte å snu sulfateringsprosessen til et batteri på. Dette består i å sende elektriske pulser med resonansfrekvensen til batteriet (mellom 2 og 6 MHz ). I løpet av denne prosessen kolliderer svovelionene med platene, noe som fører til at løssulfatet dekker dem opp.
For et motorkjøretøy skjer fullstendig utladning av batteriet vanligvis ved lite forbruk i en lengre periode ( f.eks. Overlys), under hyppig bruk av kjøretøyet for korte turer (som ikke gir tid til batteriet å bli fulladet), når generatoren eller andre deler av det elektriske systemet er skadet eller av høyt forbruk ( f.eks. nærlys, ventilasjon) med motoren stoppet. Den spenning som da er meget lav ved klemmene på batteriet, mindre enn 10 V for et batteri hvis merkespenning er 12 V .
Tilstanden til et bilbatteri kan kontrolleres med et multimeter / voltmeter for å kontrollere batterispenningen i hvile (utetemperatur over 10 ° C ):
For parkerte biler som ikke brukes i lange perioder, gir en generell regel utladning av blybatterier i størrelsesorden 5% per måned (selvutladning). Denne regelen gjelder ved en temperatur på 25 ° C, og utslippet er raskere i kaldt vær.
Batteriet må lades regelmessig for ikke å bli skadet av fullstendig utladning og for å være i stand til å starte motoren. Det er tilstrekkelig å kjøre i omtrent tretti minutter eller med en lader.
Batteriets CCA, toppstrømmen, som derfor er den kalde sveivfunksjonen, avtar med temperaturen. Om vinteren, mistet kjøretøyets batteri nesten 33% av sin effekt når temperaturen synker under 0 ° C, og mer enn 50% under -18 ° C .
Dette er grunnen til at et sulfatbatteri som allerede har mistet en del av sitt første CCA, vil vise tegn på svakhet om vinteren.
Strømmen som kreves for batteriet avhenger av motortypen i kjøretøyet: jo tyngre og mer effektiv det er, jo mer kreves det av starteren for å starte motoren.
"Batteriladere" er nyttige, for eksempel når kjøretøyets motor går en gang i måneden.
De fleste nye batterier er bare delvis ladet. Et nytt batteri, som ikke lades på forhånd med en passende lader, kan tømmes helt hvis kjøretøyet ikke brukes til å lade batteriet (med tilstrekkelig antall kilometer). For eksempel :
Batterier i fulladet tilstand må lades innen maksimalt 48 timer : utover det er skaden irreversibel. Avsvovling (levert av noen modeller av vedlikeholdsladere) kan forlenge levetiden til et batteri som ikke er helt utladet.
Batteriprodusenter angir levetiden som et antall standardiserte utladnings- / ladesykluser . Ved slutten av en viss driftstid, avhengig av syklusens antall og amplitude, er batteriet utslitt: elektrolytten har et svartaktig utseende. Eksempel: gjentatt bruk av motorisert bakløft av en lastebil når motoren stoppes, akselererer slitasjen på bilbatteriet ved å sykle.
Oksidasjon er en årsak til feil på batteriet. Når elektrolyttnivået er for lavt, kommer platene i kontakt med luft og oksiderer. Startkraften er avbrutt, selv om elektrolyttnivået fylles på. Mangelen på elektrolytt kan komme fra intensiv bruk (eksempel: ekstrautstyr), fra høy utetemperatur (større enn eller lik 30 ° C ) eller fra en for høy ladningsspenning.
Det hender at et batteri hvis terminaler er lite eller ikke strammet, ser polene oksidere, noe som forhindrer strømmen i å passere.
En måte å overvinne dette på er å dekke terminalene med et lag kobberfett.
Åpne blybatterier (gaffeltrucker, lifter, etc.) har en levetid som er begrenset til ca. 1500 sykluser. Ettersom energi lagres og frigjøres under normale driftssykluser, bygger sulfatkrystaller seg gradvis opp på elektrodene, og forhindrer at batteriet effektivt leverer strøm. Krystallene "kveler" faktisk batteriet. Selv en avsvovlingslading hindrer ikke alltid at batteriet må byttes ut etter noen år.
For å gjenopprette den tapte kapasiteten til et bly / syrebatteri, er det nødvendig å tvinge oppløsningen av disse klyngene av blysulfatkrystaller, som ikke lenger oppstår under den konvensjonelle ladesyklusen. Dette blir referert til som batteriregenerering, som kan gjøres via en prosess ved bruk av kraftige elektriske pulser, ved en gitt frekvens (vanligvis noen få hundre hertz). Energien til disse elektriske pulser overføres til elektrodene. PbSO 4- krystallene , som har en høyere motstand enn det aktive materialet (Pb / PbO 2 ), vil resonere under effekten av pulser. Det elektriske støtet blir til et mekanisk støt, som initierer og letter oppløsningen av blysulfatkrystaller i elektrolytten. Dermed blir den aktive overflaten av elektrodene gjenvunnet, og batteriets kapasitet øker betydelig. De således behandlede batteriene dekker lagring og elektrisk ledningsfunksjon som ligner på et nytt batteri. Denne prosessen er gyldig på blybatterier av start, stasjonær eller trekkraft.
I følge nylige estimater kan rundt 80% av brukte blybatterier regenereres. Det er imidlertid ikke mulig å gjenopprette den positive platen etter fire eller fem års normal batteribruk. Som et resultat kan et batteri på noen få måneder effektivt regenereres, og vi kan nå hastigheten på 80% av renoveringen for å fungere, jo mer øker bruksvarigheten over tid og jo mindre mulig (naturlig nedbrytning på grunn av temperaturøkning av batteriet, er uunngåelig). Denne prosessen er effektiv, og flere batteriregeneratorer brukes kommersielt. For eksempel mister et bly / syrebatteri omtrent 50% av kapasiteten etter 5 års bruk. Selv om andre problemer kan være årsaken til denne aldringen (korrosjon av elektrodene, intern kortslutning, etc.), er hovedårsaken til dette tapet av kapasitet ofte hard sulfatering. Etter regenerering når kapasiteten verdier fra 90% til 100% av batteriets nominelle kapasitet.
I 2001 ble det ifølge en senatrapport om tungmetaller hvert år skiftet ut eller forlatt cirka 7,5 millioner bilbatterier, muligens i naturen (dvs. 75.000 tonn bly).
Den resirkulering av blybatterier er gjort kompleks av tilstedeværelsen av meget forskjellige materialer (metallisk bly , bly lim , svovelsyreoppløsning , polypropylen ) og ved den farlige innholdet i noen av disse komponentene. Denne resirkuleringen utføres oftest i fire trinn:
Den raffinerte blyen selges deretter i form av barrer eller blokker. Når den er vasket, selges knust polypropylen til plastgjenvinnere. Resirkuleringen av blyet som er oppnådd, gjør det mulig å forsyne batterifabrikkene igjen. Det anslås også over hele verden at i 2011 kom 55% av raffinert blyproduksjon fra resirkulert bly.
Behandlingskapasiteten til franske fabrikker som spesialiserer seg på denne aktiviteten er i tråd med bassenget med brukte batterier samlet hvert år i Frankrike. Oppsamlingsgraden for sektoren er også regelmessig over 100%, slik ADEMEs årsrapport avslører . I tillegg oppfyller ytelsen til denne resirkuleringskanalen gjenvinningsminimumet på 65 vekt%, som er fastsatt ved lov. Franske selskaper som spesialiserer seg på resirkulering av blybatterier er også strengt regulert av lovgivning og er underlagt regelmessige kontroller av de regionale direktoratene for miljø, planlegging og bolig (DREAL). I følge en fersk rapport fra Blacksmith Institute er blybatteri-resirkuleringsindustrien den mest forurensende industrien på grunn av toksisitet.
Ved inntak eller innånding kan bly forårsake akutt eller kronisk forgiftning . Det kan være årsaken til blyforgiftning . God kontroll av risikoen ved brukte blybatterier er derfor viktig, og fordi det er avfall som er farlig for helse og miljø, må disse batteriene samles inn og behandles på nytt av spesialiserte selskaper. For å forhindre forurensningsrisiko, er franske selskaper pålagt å sette opp prosedyrer i samsvar med best tilgjengelige teknikker og er underlagt streng og regelmessig kontroll . De må også garantere et høyt beskyttelsesnivå for sine ansatte. Denne beskyttelsen innebærer opplæring i risikoen forbundet med bly og systematisk bruk av kollektivt og individuelt verneutstyr . Effektiviteten av disse tiltakene kontrolleres regelmessig ved å måle ansattes blodledningsnivåer .
Demontering utført under dårlige forhold kan føre til dødsfall og varig forurensning. Dette ble fremhevet av Verdens helseorganisasjon i et distrikt Thiaroye-sur-mer (Senegal) hvor en underjordisk gjenvinningsaktivitet ble opprettet for å levere et parallelt batterimarked. I dette området har tester avdekket blynivåer på opptil 1000 µg / l hos noen mennesker, mens konsentrasjoner over 100 µg / l kan svekke nevrologisk utvikling hos barn.