Loodaccu

Loodaccu
Specificaties
Energie/massa	30-40 Wh/kg
Energie/inhoud	~80 Wh/l
Vermogen/massa	180 W/kg
Laad/ontlaadefficiëntie	50-92 %
Energie/consumentenprijs	4,5 Wh/€
Zelfontlading	3-20 %/maand
Levensduur	12-120 maanden
Aantal laadcycli	600-800
Bronspanning	2,105 V
Laadtemperatuur	25 °C

Loodaccu’s zijn uitgevonden door de Franse natuurkundige Gaston Planté in 1859. Deze vorm van oplaadbare galvanische cel is een van de oudste accutypes. Tegenwoordig is de loodaccu het meest gebruikte type oplaadbare accu.

Kenmerken

Voordelen van loodaccu’s, vergeleken met andere typen accu’s, zijn:

• grote eenvoud: het elektrochemische systeem bestaat slechts uit water, zwavelzuur en lood;
• kunnen hoge elektrische stroom leveren, bijvoorbeeld voor startmotoren van auto's;
• relatief hoog vermogen per massa-eenheid;
• relatief goedkoop;
• gemakkelijk te recupereren. Er zijn geen ingewikkelde scheidingsprocessen voor nodig;
• de hoge spanning van ruim 2,0 volt per cel (hoger dan zink-kool, maar lager dan lithium-ion).

Nadelen:

• lage energie per massa-eenheid, in de orde van 108 kJ/kg (30 Wh/kg).

Bijna alle hedendaagse auto's gebruiken loodaccu's. Ook worden ze bijvoorbeeld gebruikt voor aandrijving in vorkheftrucks, waar het hoge gewicht (al gauw 1500 kg) nuttig gebruikt wordt als contragewicht.

12-Volts accu's bestaan uit zes cellen in serie, met elk een nominale spanning van 2,1 volt. Zo'n samenstelling van accu's noemt men als regel een accubatterij. Enkele kenmerken:

• Open klemspanning bij volledig geladen: 12,6 V
• Einde van ontladen: 11,8 V
• Laden met: 13,8-14,4 V
• Spanning waarbij water ontleedt in waterstof en zuurstof: 14,4 V
• Bij continu laden: maximaal met 13,8 V
• Na volledig opgeladen te zijn zakt de klemspanning snel naar 13,2 V en dan langzaam naar 12,6 V.

Er zijn ook loodaccu's met een lager voltage (2, 4, 6, 8, 9 volt) en met een hoger voltage (24 volt).

Werking

Elke cel heeft (in geladen toestand) een elektrode van fijn verdeeld zuiver lood (Pb) en een elektrode van lood(IV)oxide (PbO₂), die zich bevinden in een elektrolyt van ongeveer 37 massaprocent zwavelzuur (H₂SO₄). Het elektrodemateriaal is aangebracht op loden platen die zelf niet aan de elektrochemische processen bijdragen.

Tijdens de ontlading vormt zich een laag loodsulfaat op beide materialen. Tijdens het opladen wordt het loodsulfaat weer omgezet in lood en lood(IV)oxide.

De chemische reacties zijn (links geladen, rechts ontladen):

Bij ontladen (reactie naar rechts) = Anode (Oxidatie) / Bij opladen (reactie naar links) = Kathode (Reductie):

Pb (s) + SO₄^2- (aq) ↔ PbSO₄ (s) + 2 e^-

waarbij ε⁰ = −0,356 V

Bij ontladen (reactie naar rechts) = Kathode (Reductie) / Bij opladen (reactie naar links) = Anode (Oxidatie):

PbO₂ (s) + SO₄^2- (aq) + 4 H⁺ + 2 e^- ↔ PbSO₄ (s) + 2 H₂O (l)

waarbij ε⁰ = 1,685 V

Omdat de cellen in de meeste accu's een vloeibaar elektrolyt hebben, ontstaat bij overladen knalgas, een explosief mengsel van zuurstof en waterstof. Een ander gevaar van accu's is de zeer corrosieve werking van zwavelzuur.

In ontladen toestand bestaan beide elektroden uit lood(II)sulfaat. Het elektrolyt verandert dan in water, waardoor ontladen loodaccu’s kunnen bevriezen.

Typen loodaccu's

Er worden de volgende typen loodaccu's onderscheiden, afhankelijk van het beoogde gebruik en daarmee de bouw van de accu:

• startaccu's: deze kunnen korte tijd hoge stroom leveren. Autoaccu's zijn startaccu's. Aanbevolen wordt om een startaccu niet verder dan 20% te ontladen. In auto's met een verbrandingsmotor wordt daaraan voldaan: na de hoge stroom om de automotor te starten wordt de accu snel weer opgeladen. Startaccu's hebben relatief veel en dunne loden platen. De capaciteit van een startaccu gaat sterk achteruit door sterk ontladen en weer laden, ten gevolg van sulfatering. Bij sulfatering ontstaat een harde, onoplosbare laag op de elektroden, die niet elektrisch geleidend is. Dit type accu's is de goedkoopste soort.
• stationaire accu's of semi-tractie accu's: leveren een lagere stroom dan startaccu's, maar kunnen dieper ontladen worden, tot 50%. Deze accu's zijn beter tegen sulfatering bestand dan startaccu's.
• (vol-)tractie-accu's: kunnen tot 80% ontladen worden, en hebben een langere levensduur (uitgedrukt in ontlaad-laad-cycli) dan stationaire accu's. Echter, vol-tractie accu's zijn aanmerkelijk duurder dan stationaire accu's.

Naast de "gewone" natte-elektrolyt accu's bestaan er ook gel-accu's (zie verderop in dit artikel). Deze bevatten een elektroliet in gel-vorm, en zijn daarmee ook in gekantelde toestand bruikbaar. Deze kunnen langdurig diep ontladen worden, tot 80%, en weer snel geladen worden.

Algemene informatie

Als eende accu lange tijd niet gebruikt wordt, treedt er door zelfontlading verlies aan lading op. Bovendien wordt het loodsulfaat dan geleidelijk in een minder actieve vorm omgezet. Daarbij laat het ook los van de elektrodes en zakt naar beneden in de sedimentatieruimte onder de platen. Tijdens dit sedimentatieproces kan er kortsluiting ontstaan.
Tijdens het ontladen en de vorming van loodsulfaat aan de platen wordt er zwavelzuur onttrokken aan de elektrolyt. De zwavelzuurconcentratie en daarmee het soortelijk gewicht neemt dan af. Door het controleren van de zuurdichtheid heeft men controle op de ladingstoestand. Tijdens het gebruik is er alleen waterverlies. Door verdamping en door waterelektrolyse bij het laden en tijdens de langzame zelfontlading. Daarom mag de accu alleen met zuiver water worden bijgevuld. Onzuiver hard water kan leiden tot afzetting van gips en inwendige kortsluiting via migrerende ijzer(II)-ionen en ijzer(III)-ionen (Fe²⁺ en Fe³⁺).

Capaciteit van accu's

De capaciteit van een accu wordt uitgedrukt in het aantal ampère-uren ( Ah ) , opgeslagen in een volledig geladen accubatterij. Dit houdt in, dat gedurende een aantal uren ( h ) een bepaalde stroom ( I ) uit de accubatterij kan worden afgenomen.

Karakteristiek van een loodaccubatterij van 250 Ah

De capaciteit van een accubatterij wordt algemeen gedefinieerd bij een ontlaadtijd van 10 uur. Bij een accubatterij van 250 Ah kan dus gedurende 10 uur een stroom worden afgenomen van 25 A.
Naarmate de stroomafname stijgt, wordt de ontlaadtijd automatisch korter, doordat de capaciteit van de accubatterij door enkele oorzaken dan lager blijkt te zijn dan 250 Ah. Als de stroom gedurende 6 uur bijvoorbeeld 39 A bedraagt, dan hoort daar een capaciteit van 235 Ah bij, en bij een stroomafname van 68 A gedurende 3 uur, hoort een capaciteit van 205 Ah. Dit is nog maar iets meer dan 80% van de nominale capaciteit! In de grafiek is deze capaciteitsafname zichtbaar gemaakt, zoals deze voor een loodaccubatterij geldt.

Grote stationaire accubatterijen voor bijvoorbeeld bedrijfsvoeringscentra en grote computerruimten, bezitten soms een capaciteit van 800 Ah[1] of meer bij een spanning van 400 volt. Dergelijke relatief grote stationaire accubatterijen worden bijvoorbeeld in een UPS ( Uninterruptible Power Supply ) voor grote computerruimten toegepast, waarbij soms klemspanningen van 400 volt worden verlangd, en waarbij tijdens een netuitval een periode moet worden overbrugd totdat de netspanning terugkeert of totdat een noodstroom-aggregaat ( NSA ) op toeren is gekomen. In zo’n overbruggingsperiode worden grote vermogens van de accubatterij afgenomen.

Het zal duidelijk zijn dat bij het kiezen van een accubatterij goed rekening moet worden gehouden met de karakteristieke eigenschappen van de capaciteit, aangezien anders problemen ontstaan. Daar komt nog bij, dat ook bij een lage temperatuur de capaciteit van een accubatterij omlaag gaat. Zo kan bij strenge vorst een niet-optimale accubatterij van een auto voor startproblemen zorgen.

Kortsluitstromen

Als bij genoemde accubatterij van 250 Ah een directe kortsluiting op de aansluitklemmen aanwezig is, dan gaat er een kortsluitstroom I _k vloeien van ongeveer 8500 A ( = 8,5 kA ).

Ook bij toepassing van gelijkstroom kunnen respectabele kortsluitstromen optreden

In een schakelkast op bijvoorbeeld 10 meter afstand, is I _k - afhankelijk van de elektrische weerstand van de gebruikte kabel - gereduceerd tot ongeveer 7 kA, en op 100 meter afstand is I _k tot 3 kA. Dit zijn nog steeds respectabele stromen, die natuurlijk op een selectieve manier beveiligd dienen te worden met smeltveiligheden of installatie-automaten.
Bij een personenauto ligt de capaciteit van de accubatterij meestal in de orde van 45 Ah. Een directe kortsluiting op de klemmen van deze accubatterij geeft een kortsluitstroom I _k van ongeveer 1,5 kA, dus ook een stroom om rekening mee te houden. Bij het achterlicht van de auto is door de inwendige weerstand van de kabels I _k de kortsluitstroom gereduceerd tot circa 400 A.
Dergelijke stromen kunnen leiden tot ernstige brandwonden als de kortsluitstroom door bijvoorbeeld een aan een vinger gedragen ring loopt of bij onzorgvuldig gebruik van steeksleutels of ander gereedschap van metaal.

Gelaccu's

Voordelen van gelaccu's ten opzichte van natte accu's zijn:

• bruikbaar in elke oriëntatie
• bij het laden ontstaat minder gas, en het gas dat ontstaat wordt door het sponsachtige elektrolyt opgenomen, waarbij de zuurstof en waterstof bij ontladen weer water wordt. Dit gebeurt op dezelfde wijze als in een brandstofcel.
• gelaccu's zijn hierdoor onderhoudsvrij: er hoeft geen water toegevoegd te worden
• er treedt minder snel sulfatering op
• de zelfontlading is minder dan bij natte accu's

Nadelen van gelaccu's ten opzichte van natte accu's zijn:

• kunnen minder stroom leveren bij gelijke afmetingen
• lagere capaciteit bij gelijke afmetingen
• gevoelig voor overladen, er ontstaan holtes die niet kunnen ontsnappen waardoor de capaciteit afneemt
• er kan geen water bijgevuld worden als ten gevolg van overladen water verloren is gegaan in de vorm van gas
• hogere prijs

Toepassingen

Natte accu's die ontworpen zijn om ver ontladen te worden worden onder andere gebruikt in:

• golfkarretjes, vorkheftrucks en dergelijke
• onderzeeboten
• back-up voedingen voor telefooncentrales, grote computercentra, etc.
• opslag van elektriciteit van zonnepanelen

Gelaccu's worden onder andere toegepast in

• noodstroomvoedingen voor kleine computersystemen (UPS)
• elektrische scooters
• beveiliging systemen
• fietsen met elektrische hulpmotor
• maritieme toepassingen

Zie ook

• Lood (doorverwijzing).
• Accu (doorverwijzing).

Referenties