Blybatteri

Blybatteri
Blybilbatteri
Informasjon
Navn		Blybatteri
Spesifikk energi		35–40 Wt/kg
Energi tetthet		80–90 Wt/L
Spesifikk effekt		180 W/kg
Lade/utladningseffektivitet		50–95%
Energi/forbrukerpris		7 (sld) to 18 (fld) Wh/US$
Selvutladningshastighet		3–20%/måneder
Syklus holdbarhet		<350 Sykluser
Nominell cellespenning		2.1 V
Ladetemperaturintervall		Min. −35 °C, maks. 45 °C

Blybatteriet eller blysyrebatteriet ble oppfunnet i 1859 av den franske fysikeren Gaston Planté og er den tidligste typen oppladbart batteri. Til tross for å ha et veldig lavt forhold mellom energi og vekt og et lavt forhold mellom energi og volum, betyr dets evne til å levere høye overspenningsstrømmer at cellene har et relativt stort forhold mellom kraft og vekt. Disse funksjonene, sammen med de lave kostnadene, gjør dem attraktive for bruk i motorkjøretøyer for å gi den høye strømmen som kreves av startmotorer.

Siden de er rimelige sammenlignet med nyere teknologier, blir blybatterier mye brukt, selv om overspenningsstrøm ikke er viktig, og andre design kan gi høyere energitetthet. I 1999 utgjorde salg av blybatterier 40-45% av verdien fra batterier solgt over hele verden (unntatt Kina og Russland), tilsvarende en markedsverdi på produksjonen på rundt 15 milliarder dollar. Bly-syre-design i stort format brukes mye til lagring av reservestrømforsyninger i mobiltelefontårn, høy tilgjengelighetsinnstillinger som sykehus og frittstående kraftsystemer. For disse rollene kan modifiserte versjoner av standardcellen brukes til å forbedre lagringstiden og redusere vedlikeholdskravene. Gelceller og absorberte glassmattebatterier er vanlige i disse rollene, samlet kjent som VRLA (ventilregulerte bly-syrebatterier).

I ladet tilstand lagres den kjemiske energien til batteriet i potensialforskjellen mellom den rene blyen på den negative siden og PbO₂ på den positive siden, pluss den vandige svovelsyren. Den elektriske energien som produseres av et utladet blysyrebatteri kan tilskrives energien som frigjøres når de sterke kjemiske bindingene av vann (H₂O) -molekyler dannes fra H⁺-ioner av syren og O₂−ioner av PbO₂. Omvendt, under lading, fungerer batteriet som en vanndelende enhet.

Historie

Den franske forskeren Nicolas Gautherot observerte i 1801 at ledninger som hadde blitt brukt til elektrolyseeksperimenter selv ville gi en liten mengde "sekundær" strøm etter at hovedbatteriet var frakoblet. I 1859 var Gaston Plantés blybatteri det første batteriet som kunne lades ved å føre en motstrøm gjennom det. Plantés første modell besto av to blyplater skilt av gummistrimler og rullet til en spiral. Batteriene hans ble først brukt til å drive lysene i vogner mens de ble stoppet på en stasjon. I 1881 oppfant Camille Alphonse Faure en forbedret versjon som besto av et blygitter, hvori en blyoksidpasta ble presset, og danner en plate. Dette designet var lettere å masseprodusere. En tidlig produsent (fra 1886) av blybatterier var Henri Tudor.

Dette batteriet bruker en gelelektrolytt i stedet for en væske, slik at batteriet kan brukes i forskjellige posisjoner uten å lekke. Gelelektrolyttbatterier for hvilken som helst posisjon ble først brukt på 1930-tallet, og på slutten av 1920-tallet tillot bærbare koffertradiosett cellen vertikal eller horisontal (men ikke invertert) på grunn av ventildesign. På 1970-tallet ble det ventilregulerte blybatteriet (VRLA, eller "forseglet") utviklet, inkludert moderne typer absorbert glassmatte (AGM), som muliggjorde drift i alle posisjoner.

Det ble oppdaget tidlig i 2011 at blybatterier faktisk brukte noen aspekter av relativitet for å fungere, og i mindre grad bruker flytende metall og smeltet saltbatterier som Ca-Sb og Sn-Bi også denne effekten.

Elektrokjemi

Utladning

Fullt utladet: to identiske blysulfatplater og fortynnet svovelsyreoppløsning

I utladet tilstand blir både de positive og negative platene bly(II)sulfat (PbSO₄), og elektrolytten mister mye av den oppløste svovelsyren og blir primært vann. Utladningsprosessen drives av den uttalte reduksjonen i energi når 2H⁺ (aq) (hydratiserte protoner) av syren reagerer med O²⁻ ioner av PbO₂ for å danne de sterke OH-bindingene i H₂O (ca. −880 kJ per 18 g vann Denne svært eksergoniske prosessen kompenserer også for den energisk ugunstige dannelsen av Pb²⁺ (aq) -ioner eller blysulfat (PbSO₄ (s)).

Negativ reaksjon

${\ce {Pb (s) + HSO4- (aq) -> PbSO4 (s) + H+ (aq) +2e-}}$

Frigjøringen av to ledende elektroner gir ledningselektroden en negativ ladning.

Når elektroner akkumuleres, skaper de et elektrisk felt som tiltrekker seg hydrogenioner og frastøter sulfationer, noe som fører til et dobbeltlag nær overflaten. Hydrogenionene siktet den ladede elektroden fra løsningen som begrenser ytterligere reaksjon med mindre ladning får strømme ut av elektroden.

Positiv reaksjon

${\ce {PbO2 (s) + HSO4- (aq) + 3H+ (aq) + 2e- -> PbSO4(s) + 2H2O(l)}}$

utnytte den metalliske ledningsevnen til PbO₂.

Den totale reaksjonen kan skrives som

${\ce {Pb (s) {+}PbO2(s) {+}2H2SO4(aq) -> 2PbSO4(s) {+}2H2O(l)}}$ ${\ce {\displaystyle E_{cell}^{\circ }=2,05V}}$

Netto energi frigitt per mol (207 g) Pb (s) omgjort til PbSO₄ (s), er ca. 400 kJ, tilsvarende dannelsen av 36 g vann. Summen av molekylmassene til reaktantene er 642,6 g/mol, så teoretisk kan en celle produsere to faradayer med ladning (192,971 coulomb) fra 642,6 g reaktanter, eller 83,4 ampere timer per kilo (eller 13,9 ampere timer per kilogram for et 12-volts batteri). For en 2-voltscelle utgjør dette 167 wattimer per kilo reaktanter, men i praksis gir en bly-syre-celle bare 30-40 wattimer per kilo batteri, på grunn av massen av vannet og andre bestanddeler.

Lading

I fulladet tilstand består den negative platen av bly, og den positive platen er blydioksid. Elektrolyttløsningen har en høyere konsentrasjon av vandig svovelsyre, som lagrer det meste av den kjemiske energien.

Overladning med høye ladningsspenninger genererer oksygen og hydrogengass ved elektrolyse av vann, som bobler ut og går tapt. Utformingen av noen typer blybatteri gjør at elektrolyttnivået kan inspiseres og fylles på med rent vann for å erstatte alt som har gått tapt på denne måten.

Eksplosjonsfare

Bilblybatteri etter eksplosjon som viser brudd i foringsenden

Overdreven lading forårsaker elektrolyse, avgir hydrogen og oksygen. Denne prosessen er kjent som "gassing". Våte celler har åpne ventiler for å frigjøre produsert gass, og VRLA-batterier er avhengige av ventiler montert i hver celle. Katalytiske hetter er tilgjengelige for oversvømte celler for å rekombinere hydrogen og oksygen. En VRLA-celle rekombinerer normalt hydrogen og oksygen som produseres inne i cellen, men funksjonsfeil eller overoppheting kan føre til at gass samler seg. Hvis dette skjer (for eksempel ved overlading), ventilerer gassen og normaliserer trykket, noe som gir en karakteristisk syrelukt. Ventiler kan imidlertid svikte, for eksempel hvis smuss og rusk akkumuleres, slik at trykket kan bygge seg opp.

Akkumulert hydrogen og oksygen antennes noen ganger i en intern eksplosjon. Eksplosjonskraften kan føre til at batteriets kabinett sprekker, eller føre til at toppen flyr av og sprayer syre og kabinettfragmenter. En eksplosjon i en celle kan antenne enhver brennbar gassblanding i de gjenværende cellene. Tilsvarende, i et dårlig ventilert område, kan tilkobling eller frakobling av en lukket krets (for eksempel en last eller en lader) til batteripolene også forårsake gnister og en eksplosjon, hvis det ble ventilert gass fra cellene.

Enkelte celler i et batteri kan også kortslutte og forårsake en eksplosjon.

Cellene til VRLA-batterier hovner vanligvis når det indre trykket stiger, og gir derfor en advarsel til brukere og mekanikere. Deformasjonen varierer fra celle til celle, og er størst i endene der veggene ikke støttes av andre celler. Slike batterier med overtrykk skal isoleres og kastes nøye. Personell som arbeider nær batterier med fare for eksplosjon, skal beskytte øynene og utsatt hud mot brannskader på grunn av sprøyting av syre og brann ved å bruke ansiktsskjerm, kjeledress og hansker. Bruk av beskyttelsesbriller i stedet for ansiktsskjerm ofrer sikkerheten ved å la ansiktet bli utsatt for mulig syre, koffert eller batterifragmenter og varme fra en potensiell eksplosjon.

Miljø

Miljøbekymringer

Ifølge en rapport fra 2003 med tittelen "Getting the Lead Out", av Environmental Defense and the Ecology Center of Ann Arbor, Michigan, inneholdt batteriene i kjøretøyene på veien anslagsvis 2600 000 tonn bly. Noen blyforbindelser er ekstremt giftige. Langvarig eksponering for til og med små mengder av disse forbindelsene kan forårsake hjerne- og nyreskader, nedsatt hørsel og læringsproblemer hos barn. Bilindustrien bruker over 1.000.000 tonn bly hvert år, med 90% til konvensjonelle blybatterier. Mens blygjenvinning er en veletablert industri, havner mer enn 40 000 tonn bly her hvert år. Ifølge Toxic Release Inventory frigjøres ytterligere 70 000 tonn i blygruvedriften og produksjonsprosessen.

Det blir forsøkt å utvikle alternativer (spesielt for bilbruk) på grunn av bekymringer for miljøkonsekvensene av feil avhending og av blysmelting, blant annet. Alternativer vil neppe trenge dem i bruk for applikasjoner som motorstart- eller reservekraftsystemer, selv om de er tunge, er de billige.

Resirkulering

Resirkulering av blybatteri er et av de mest vellykkede resirkuleringsprogrammene i verden. I USA ble 99% av all blyet resirkulert mellom 2014 og 2018. Et effektivt forurensningskontrollsystem er en nødvendighet for å forhindre blyutslipp. Det kreves kontinuerlig forbedring av batterigjenvinningsanlegg og ovnsdesign for å holde tritt med utslippsstandarder for blysmelter.