Kurşun asit batarya 1859’da Fransız fizikçi Gaston Planté tarafından icat edildi, ve ticari kullanım amaçlı üretilen ilk şarj edilebilir batarya oldu. İcadından bu güne, o kadar yıl geçmesine karşın, kurşun bileşenli bataryalar günümüzde hala çok yaygın olarak kullanılmaya devam etmektedir. Kurşun asit bileşeninin hala popüler olmasının nedeni ise, watt başına maliyet bazında hala en ucuz ve en güvenilir batarya bileşeni olmaya devam etmesidir. Diğer batarya bileşenleri ile karşılaştırdığımızda kurşun asit kadar ucuz bir şekilde büyük ve devamlı güç sağlayan batarya bileşeni neredeyse yok gibi. Ve bu da kurşun asit bataryayı otomobiller, golf arabaları, forkliftler, deniz araçları ve kesintisiz güç kaynakları (UPS) için en uygun maliyeti olan bir platform haline getiriyor.
Kurşun asit bataryasında kullanılan ızgara yapısı plakalar bir kurşun alaşımından yapılır. Saf kurşun çok yumuşaktır ve kendi başına şeklini muhafaza edemez (Örneğin çok eskiden camilerin çatıları kurşun plakalar ile kaplanır ve bu plakalar zamanla çok yavaş hareket eden bir sıvı gibi çatının eğiminden akıp çatı uçlarına toplanırdı), bu nedenle mekanik mukavemeti elde etmek ve elektrik özelliklerini iyileştirmek için az miktarda başka metaller eklenir. En yaygın katkı maddeleri antimon, kalsiyum, kalay ve selenyumdur. Bu bataryalar genellikle “kurşun antimon” ve “kurşun kalsiyum” olarak bilinir.
Antimon ve kalay eklemek bataryalarda derin şarj/deşarj döngüsünü iyileştirir, ancak bu sıvı elektrolit tüketimini arttırır ve bataryanın dengelenme gereksinimi arttırır. Plakalara kalsiyum eklenmesi kendi kendine deşarjı azaltır, ancak kalsiyum eklenmiş pozitif kurşun plakaları aşırı şarj olduğunda ızgara oksidasyonu nedeniyle genleşmesi gibi bir yan etkiye sahiptir. Modern kurşun asit aküler aynı zamanda antimon ve kalsiyum içeriğini düşürmek için selenyum, kadmiyum, kalay ve arsenik gibi katkı maddelerini kullanır.
Kurşun asit bileşimi ağırdır ve derin şarj/deşarj döngüsünde nikel ve lityum bazlı sistemlere göre daha az dayanıklıdır. Tam bir deşarj bataryanın bileşenlerinde aşırı zorlanmaya neden olur ve bunun yanında da her bir deşarj / şarj döngüsü bataryanın kapasitesini az miktarda olsa da kalıcı olarak eksiltir. Bu kayıp, batarya iyi çalışma durumundayken küçüktür, ancak performans nominal kapasitenin yarısına düştüğünde kayıp oranı gittikçe artar. Bu yıpranma özelliği, çeşitli ve değişik bileşenler içerse de, tüm batarya gurupları için geçerlidir.
Deşarj derinliğine bağlı olarak, derin döngü uygulamaları için üretilen kurşun asit bataryalar 200 ila 300 deşarj / şarj döngüsü sağlar. Bu kadar kısa çevrim ömrü için ana nedenler, pozitif elektrotta ızgara korozyonu, aktif materyalin tükenmesi ve pozitif plakaların genişlemesidir. Bu yaşlanma fenomeni yüksek çalışma sıcaklıklarında ve yüksek deşarj akımları çekilirken hızlanır. (Bkz. Piller-804: Kurşun Asit Akülerin Ömrü Nasıl Uzatılır)
Bir kurşun asit akünün şarj edilmesi kolaydır, ancak doğru gerilim sınırlarına uyulmalıdır. Düşük voltaj limiti seçmek bataryayı korur, ancak bu düşük performans sağlar ve negatif plakada sülfat birikmesine neden olur. Yüksek voltaj limiti performansı artırır ancak pozitif plaka üzerinde ızgara korozyonu oluşturur. Sülfatlama zamanında önlem alınırsa tersine çevrilebilirken, korozyon kalıcıdır. (Bkz. Piller-403: Şarj Kurşun Asidi.)
Kurşun asit bataryalar hızlı şarj edilemez ve çoğu tiplerinde tam şarj 14-16 saat sürer. Kurşun asit bataryalar daima tam şarj edilmiş halde saklanmalıdır. Düşük şarj plakalarda sülfat tabakasının oluşmasına neden olur, bu da bataryanın verimini düşürür. Negatif elektrot üzerine karbon eklemek bu sorunu azaltır, ancak bu da bataryanın özün enerjisini azaltır. (Bkz. Piller-202: Yeni Kurşun Asit Sistemleri.)
Kurşun asit orta uzunlukta bir ömre sahiptir, ancak nikel bazlı sistemlerde olduğu için bir hafıza tutulmasına uğramazlar ve şarj tutma açısından, şarj edilebilir bataryalar arasında en iyisidir. NiCd üç ayda depolanmış enerjilerinin yaklaşık yüzde 40’ını kaybederken, kurşun asit bir yıl içinde aynı miktarda kendi kendine deşarj olur. Kurşun asit akü soğuk ve sıcaklık ortamlarda iyi çalışır ve sıfır altı koşullarda çalışırken lityum iyon bataryalardan daha üstündür. RWTH Aachen (veya uzun adıyla Rheinisch Westfalische Technische Hochschule Aachen, Aachen Teknik Yüksek Okulu), Almanya’nın 2018 de yaptığı bir araştırmaya göre, sıvı elektrolitli kurşun asit bataryanın maliyeti kWh başına yaklaşık 150 $ ile bataryalar arasında en düşüklerinden biridir.
Tam Kapalı Kurşun Asit Batarya
İlk kapalı veya bakım gerektirmeyen kurşun asitli batarya 1970’lerin ortalarında ortaya çıktı. Mühendisler, “kapalı kurşun asit” teriminin yanlış bir isimlendirme olduğunu savundu. Şarj ve deşarj sırasında az da olsa gaz salgıladığı için hiç bir kurşun asit batarya tamamen kapalı hale getirilemezdi. Kapalı kurşun asit bataryalara stresli şarj ve hızlı deşarj sırasında havalandırmayı kontrol etmek için basınç yükseldiğinde oluşan gazları serbest bırakan vanalar eklenmiştir.
Kapalı kurşun asit bataryalarda plakaları bir sıvıya batırmak yerine, elektrolit, nemli ve lityum bazlı sistemlere benzeyen bir tasarım olan nemli bir ayırıcıya emprenye edilir. Bu, bataryanın herhangi bir fiziksel yönde sızıntı olmadan çalıştırılmasını sağlar.
Kapalı kurşun asit batarya sıvı elektrolit kullanan kurşun asit bataryalardan daha az elektrolit içerir, bu nedenle bu bataryaların çalışma biçimi için “asit açlığı” terimi de kullanılır. Kapalı kurşun asit bataryanın belki de en önemli avantajı, oksijen ve hidrojeni birleştirerek su oluşturmak ve şarj deşarj döngüsü sürerken bataryanın kurumasını önlemek için bir araya getirme yeteneğidir. Bu bir araya getirme 0.14 bar (2psi) orta basınçta gerçekleşir. Kaçış ağızları (ventil) gaz birikmesi yükselirse biriken gazın dışarı kaçabileceği bir emniyet deliği görevini görür. Ama bu gaz kaçışı durmadan tekrarlanırsa bataryanın kurumasına yol açar. RWTH, Aachen, Almanya’ya (2018) araştırmasına göre, Kapalı kurşun asit bataryanın (VRLA) maliyeti kWh başına yaklaşık 260 $ ‘dır.
Zaman içinde birkaç tip sızdırmaz Kapalı kurşun asit batarya ortaya çıkmıştır. Günümüzde bunlardan en yaygın olanları valf ayarlı kurşun asit (VRLA) ve emici cam yatak (AGM) olarak da bilinen jeldir. Jel hücre, elektroliti içine emen macun gibi bir silika jel katman içerir. 30Ah’a kadar kapasiteye sahip olan daha küçük boyutlardaki tiplerine genellikle SLA (kapalı kurşun asit) denir. Plastik bir kap içine yerleştirilmiş olan bu bataryalar küçük UPS ler, acil durum aydınlatması ve tekerlekli sandalyeler için kullanılır. Düşük fiyat, güvenilir hizmet ve düşük bakım nedeniyle, SLA hastanelerde ve huzur evlerinde sağlık hizmetleri için tercih edilen seçenek olmaya devam etmektedir. Daha büyük valf ayarlı kurşun asit (VRLA) bataryalar, cep telefonu baz istasyon kuleleri, İnternet dağıtım merkezleri, bankalar, hastaneler, hava alanları ve benzer yerlerde için güç yedeklemesi amacı ile kullanılır.
Emici cam yatak (AGM), elektroliti özel olarak tasarlanmış bir cam yatak içinde tutar. Bu, kurşun asit sistemlerine daha hızlı şarj ve talep üzerine anında yüksek yük akımları verme gibi çeşitli avantajlar sunar. AGM bataryalar en çok 30 ila 100Ah kapasiteli orta sınıf bir batarya olarak çalışır ve UPS gibi büyük sistemler için daha az uygundur. Tipik kullanım alanları, motosikletler için marş aküleri, mikro hibrid otomobiller için start-stop fonksiyonu, ayrıca bazı denizcilikte ve gezi için kullanılan motorlu seyyar evlerdir.
Şarj/deşarj döngüsü ve zamanla emici cam yatağının (AGM) kapasitesi yavaş yavaş azalır. Jel şeklindeki elektrolitler ise kubbe şeklinde bir performans eğrisine sahiptir ve yüksek performans aralığında daha uzun süre kalırlar. Ancak ömrünün sonuna doğru bu eğri sonra aniden düşer. AGM, sıvı elektrolitlere nazaran daha pahalıdır, ancak jelden daha ucuzdur. Yeni araçlarda kullanılan başlatma / durdurma akülerinde (Start/Stop) AGM yerine jel kullanılması akü maliyetini katbekat yükseltecektir.
Sıvı elektrolit kullanan bataryaların aksine, kapalı kurşun asit batarya, bataryanın şarj sırasında gaz üretme potansiyeline ulaşmasını engellemek için düşük bir aşırı voltaj gerilimi ile şarj edilmek üzere tasarlanmıştır. Aşırı şarj, gazlamaya, hava kaçırmaya ve ardından sıvı tükenmesi nedeniyle kurumasına neden olur. Sonuç olarak, jel, ve kısmen de AGM, potansiyellerinin tepe noktalarına kadar şarj edilmez ve şarj gerilimi sınırı sıvı elektrolit kullanan bataryalardan daha düşük bir değere ayarlanılır. Bu aynı zamanda tam şarjdan sonraki depolama süreçlerinde kullanılan tamamlama şarjı için de geçerlidir. Şarj ile ilgili olarak, jel ve AGM, sıvı elektrolit kullanan bataryaların doğrudan yerine geçemez. Düşük voltaj ayarlarına sahip AGM veya jel için yapılmış bir şarj cihazı yoksa, 24 saatlik şarjın ardından şarj cihazının bataryaya bağlantısının kesilmesi gerekir. Bu, sıvı elektrolit kullanan bataryaların gerektirdiği daha yüksek ayarlanmış bir doldurma gerilimi nedeniyle oluşabilecek gazlanmayı önler. (Bkz. Piller-403: Kurşun Asit Bataryaların Şarjı)
Bir VRLA batarya için ideal çalışma sıcaklığı 25 ° C’dir; bu sıcaklık eşiğinin üzerindeki her 8 ° C artış batarya ömrünü yarı yarıya azaltır. (Bkz. Piller -806a: Isı ve Yükleme Batarya Ömrünü Nasıl Etkiler) Kurşun asit bataryalar için kullanılan kapasite tanımlamalarında bu bataryalar 5 saatlik (0.2C) ve 20 saatlik (0.05C) deşarj hızı altında değerlendirilirler. Kurşun asit bataryalar yavaş boşaltıldığında en iyi performansı verir; kapasite değerleri daha yavaş bir deşarjda 1C hızındaki deşarjda olduğundan önemli ölçüde daha yüksektir. Bununla birlikte, kurşun asit devamlı olmamak şartı ile ve kısa bir süre için yapılırsa birkaç C değerinde yüksek darbe akımları sağlayabilir. Bu, kurşun asit bataryayı starter-light-ignition (SLI) olarak da bilinen bir marş aküsü olarak kullanımı için çok uygun hale getirir. Yüksek dönüşüm oranına sahip kurşun ve sülfürik asit elektroliti içeriği kurşun asit bataryayı çevre dostu yapar.
Kurşun asit bataryalar yaygın olarak üç kullanıma ayrılır: Otomotiv için (marş motoru veya SLI), tahrik gücü amaçlı (çekiş veya derin devir) ve sabit kullanım (UPS).
Marş Bataryaları
Marş bataryası, bir saniye kadar süren bir anlık yüksek güç yüküne sahip bir motoru başlatmak için tasarlanmıştır. Boyutu nedeniyle, batarya yüksek akım iletebilir, ancak derin döngülü olamaz. Marş bataryaları, enerji depolama kapasitesini göstermek için Ah veya RS (yedek kapasite) ve bir pilin soğuk sıcaklıkta sağlayabileceği akımı belirtmek için CCA (soğuk marş amperleri) ile derecelendirilmiştir. SAE J537 standardı, akü voltajı 7,2 voltun altına düşmeden nominal CCA amperinde –18 ° C’de 30 saniye deşarj belirtir. RC, çalışma zamanını dakikalar halinde 25’lik sabit bir deşarjda yansıtır. (SAE, Otomotiv Mühendisleri Derneği anlamına gelir.) Ayrıca bkz. Piller-902a: CCA Nasıl Ölçülür?
Marş bataryaları, ekstra plakalar eklenerek maksimum yüzey alanı elde edilen çok düşük bir iç dirence sahip bataryalardır (Şekil 1). Plakalar incedir ve kurşun, yüzey alanını daha da genişleterek ince köpük görünümüne sahip sünger benzeri bir formda uygulanır. Derin devirli bir akü için önemli olan plaka kalınlığı daha az önemlidir, çünkü deşarj kısa ve sürüş sırasında akü şarj edilir; vurgu kapasiteden ziyade güç üzerindedir.
|Şekil 1: Marş bataryasıMarş bataryası, yüksek yüzey alanı ile düşük direnç elde etmek için paralel olarak birçok ince plakaya sahiptir. Marş aküsü, derin devir işlemine izin vermez.|
Derin Döngü Batarya
Derin döngülü Batarya, tekerlekli sandalyeler, golf arabaları, forkliftler ve benzer araçlar için sürekli güç sağlamak üzere üretilmiştir. Bu batarya maksimum kapasite ve oldukça yüksek şarj/deşarj sayısı için üretilmiştir. Bunu elde etmek için de kurşun plakalar kalınlaştırılır (Şekil 2). Batarya devamlı döngü için tasarlanmış olsa da, tam deşarj yine de stresi tetikler ve devir sayısı deşarj derinliği (DoD) ile bağlantılıdır. Derin devirli bataryalar Ah veya dakika olarak çalışma süresiyle tanımlanır. Kapasite derecelendirimesi ise tipik olarak 5 saatlik ve 20 saatlik deşarj olarak tanımlanır.
|Şekil 2: Derin devirli batarya|
Derin devirli bataryanın geliştirilmiş şarj/deşarj döngüsü için kalın plakaları vardır. Derin devirli batarya genellikle yaklaşık 300 döngüye izin verir.
Bir marş bataryası, derin devirli bir batarya ile değiştirilemez veya tam tersi de yapılamaz. Yaratıcı bir yaşlıya paradan tasarruf etmek için tekerlekli sandalyesine daha pahalı derin döngü yerine bir marş bataryası takmak çok daha cazip gelebilirken, ince sünger benzeri plakalar tekrarlanan derin döngü ile hızlı bir şekilde çözüleceğinden marş aküsü fazla dayanmayacak ve bu uçuz görünen çözüm sonuçta daha pahalıya çıkacaktır.
Kamyonlar, otobüsler, kamu güvenliği ve askeri araçlar için birleştirilmiş marş / derin devirli bataryalar mevcuttur, ancak bu üniteler büyük ve ağırdır. Basit bir kural, batarya ne kadar ağır olursa, ne kadar fazla kurşun içerir ve o kadar uzun süre dayanır. Tablo 3, derin çevrimlerde marş ve derin devirli bataryaların tipik ömrünü karşılaştırmaktadır.
|Deşarj derinliği||Starter bataryası||Derin döngü bataryası|
|100%|
50%
30%
|12–15 döngü|
100–120 döngü
130–150 döngü
|150–200 döngü|
400–500 döngü
1,000 döngü ve fazlası
Tablo 3: Marş motoru ve derin döngülü akülerin çevrim performansı. % 100’lük bir deşarj, tam deşarj anlamına gelir; % 50’si yarı deşarj,% 30’u ise% 70 enerjisi bataryada kalan orta derecede bir deşarjdır.
Arabanız için hangisi, Kurşun Asit veya Li-ion?
Cadillac, 1912’de marş motorunu piyasaya sunduğundan beri, kurşun asit bataryalar tercih edilen bataryalar olarak iyi hizmet etti. Thomas Edison kurşun asidini nikel demir (NiFe) ile değiştirmeye çalıştı, ancak kurşun asit sağlam ve affedici doğası ve düşük maliyeti nedeniyle galip geldi. Şimdi ise araçlarda marş bataryası görevini gören kurşun asit bataryalara Li-ion bataryalar meydan okuyor.
Şekil 4, kurşun asit batarya ve Li-iyonun özelliklerini göstermektedir. Her iki bileşen da soğuk motor başlatmada benzer şekilde performans gösterir. Kurşun asit W / kg’da biraz daha iyidir, ancak Li-ion döngü ömründe büyük gelişmeler, Wh / kg’da daha iyi özgün enerji ve iyi dinamik şarj kabulü sağlamaktadır. Li-ion’un yetersiz kaldığı yer ise, kWh başına yüksek maliyet, karmaşık geri dönüşüm ve kurşun asitten daha kötü bir güvenlik geçmişidir.
Şekil 4: Marş bataryası olarak kurşun asit ve Li-ion bataryaların karşılaştırması.Kurşun asit, marş bataryalarında güçlü bir üstünlük sağlar. Nedenleri soğuk ve sıcak ortamlarda iyi bir verim sağlaması, düşük maliyeti, iyi bir kullanım güvenliği ve geri dönüşüm kolaylığıdır.
Kurşun zehirli bir metaldir ve çevreciler uzun zamandır kurşun asit bataryalarının yerine daha çevreye dost bir bileşim üretmeye çalışıyorlar. Avrupa zaman içinde NiCd bataryaları tüketici ürünlerinden uzak tutmayı başardı ve otomotiv endüstrisinde kullanılan marş aküleri içi de benzer çabalar sarf ediliyor. Şu andaki en uygun seçenekler NiMH ve Li-ion bataryalar. Ancak üretim maliyetleri çok yüksek ve düşük sıcaklık altında çalışma verimleri hala çok düşük. Kurşun asit bataryalar yüzde 99 geri dönüşüm oranıyla diğer bileşenlerden çok daha az çevresel tehlike oluşturur ve bu nedenle muhtemelen uzun bir zaman tercih edilen batarya olmaya devam edecektir.
Tablo 4, günümüzde kullanılan yaygın kurşun asit bataryaların avantajlarını ve sınırlamalarını listelemektedir. Tablo, yeni kurşun asit bileşimlerini içermemektedir. (Ayrıca bkz. Piller-202: Yeni Kurşun Asit Sistemleri.)
|Üstünlükleri||Ucuz ve basit üretim;Watt-saat başına düşük maliyet|
Düşük kendi kendine deşarj; şarj edilebilir bataryalar arasında en düşük olanı
Yüksek deşarj akımları sağlayabilen, yüksek özgün güç
Düşük ve yüksek sıcaklıklar altında iyi verim sağlama
|Sınırlamaları||Düşük özgün enerji;Düşük ağırlık / enerji oranı|
Yavaş şarj; tamamen doymuş şarj 14-16 saat gerektirir
Sülfatlanmayı önlemek için tam şarjlı durumda depolanmalıdır
Sınırlı şarj/deşarj ömrü; tekrarlanan derin döngü batarya ömrünü kısaltır
Sıvı elektrolit kullanan tipleri devamlı sıvı eklenmesini gerektirir
Sıvı elektrolit kullanan tiplerde nakliye kısıtlamaları
Çevre dostu değil
Tablo 4: Kurşun asitli bataryaların avantajları ve sınırlamaları. Kuru elektrolit kullanan batarya sistemlerinin sıvı elektrolit kullanan batarya sistemlerine göre avantajları vardır ancak sağlamlık açısından daha az güvenilirlerdir.