Elsystem, del 3 – Fakta blybatterier

Den här typen av batterier har funnits i över hundra år och är en väl beprövad teknik. De här batterierna kännetecknas av att de har hög effekt, dvs kan leverera hög ström i förhållande till sitt energiinnehåll.


Bly och svavelsyra är skadligt för människor och djur, så därför är det viktigt att lämna in utslitna batterier för återvinning.


Det finns flera olika typer av batterier baserade på bly-syra.

Alla bly-syra batterier har en

  • Minuspol som är tillverkad av svampaktigt bly för att få så stor yta mot elektrolyten som möjligt.
  • Pluspol som är tillverkad av blydioxid.
  • Elektrolyt som består av flytande svavelsyra blandad med vatten.

Bilden nedan visar de kemiska processerna vid laddning och urladdning av ett bly-syra batteri.

Chemical processes in a lead-acid battery

Uppladdning av bly-syra

När batteriet laddas, används vatten i elektrolyten till att bilda svavelsyra med hjälp av svavelsulfat i både minus- och pluspol. Ett delsteg i den här omvandlingen skapar rent väte vid pluspolen.

När laddningsprocessen fungerar perfekt, används allt väte för att bilda svavelsyra med hjälp av svavelsulfat från båda polerna. Tyvärr är processen inte alltid helt perfekt och en del väte kan frigöras och lämna batteriet, speciellt om när laddningsströmmen är för stor. Det händer när laddningsspänningen blir för hög.

Det är därför som batteriboxar för bly-syra batterier alltid ska vara slutna med tillräcklig ventilation ut i det fria.

Urladdning av bly-syra

När batteriet laddas ur, används elektrolytens svavelsyra till att bilda blysulfat i både minus- och pluspol. När svavelsyran används bildas i ett steg ren vätgas respektive syre vid pluspolen. Om urladdningen fungerar perfekt används allt väte och syre till att bilda vatten som spär ut elektrolyten.

Tyvärr är processen inte alltid helt perfekt och en del väte kan frigöras och lämna batteriet. Det händer när strömuttaget är för stort för batteriet.

Det är därför som batteriboxar för bly-syra batterier alltid ska vara slutna med tillräcklig ventilation ut i det fria.

Batteriuppbyggnad bly-syra

Bly-syra batterier byggs ofta med den nominella spänningen 12V. Eftersom en bly-syra battericell ger 2.05V när den är fullt laddad, innehåller batteriet 6 st seriekopplade battericeller där varje cell utgörs av en egen behållare med anod och katod nedsänkta i svavelsyra blandad med vatten. Ett fulladdat bly-syra batteri har spänningen 12.3V. Direkt efter avslutad laddning är spänningen högre, men efter några timmars vila ska spänningen vara 12.3V.

Battery cells in a 12V lead-acid battery

Variationer elektrolyt i bly-syra

I princip finns det tre olika typer av såna här batterier och det som skiljer är vilken form elektrolyten har.

Flooded

Elektrolyten är flytande. Dessa batterier släpper dels ut vätgas, dels även lite svavelsyra som gör att metall i närheten av batteriet korroderar, ex.vis anslutna kablar. Dessa batterier skadas inte om det bildas vätgas i dem. Slutna batterier av den här typen tillverkas med viss mängd extra elektrolyt och det gör att de tål viss gasning innan de blir obrukbara. Öppna batterier kan man lätt fylla på mer vatten i.

AGM

Elektrolyten är bunden i en glasfibermatta. Dessa batterier skadas inte om det bildas vätgas i dem, däremot går vattnet åt och eftersom de tillveras med en viss mängd extra vatten klarar de en del s.k gasning innan de blir obrukbara.

GEL

Elektrolyten är i form av en kisel-gel. Dessa batterier är känsliga för bildandet av vätgas som bildar bubblor i gel’en och ger permanenta skador på batteriet. Det är därför dessa batterier inte ska användas där det kan krävas stora strömmar, ex.vis start eller bogpropeller.

Bly-syra batteribehållarens konstruktion

Inneslutningen för bly-syra batteriernas celler kan ha olika utförande och i grunden skiljer man på

Öppen eller sluten battericell för bly-syra

Ett öppet batteri kan man fylla på mer elektrolyt, egentligen destilerat vatten eftersom det är vattnet som försvinner när batteriet gasar vid stark laddning och vid urladdning med stor ström.

På ett slutet batteri går det inte att fylla på mer elektrolyt. AGM- och GEL-batterier är alltid slutna.

Ventilerade eller oventilerad

Ett oventilerat batteri har fritt utlopp för bildade gaser. Öppna celler är alltid oventilerade.
Ett ventilerat (VRLA) batteri har en säkerhetsventil som släpper ut bildad gas när trycket blir för högt. AGM- och GEL-batterier är alltid ventilerade och byggda för att så stor del som möjligt av vätgasen ska användas (rekombinering) vilket reducerar utsläpp av vätgas med upp till 99% jämfört med flooded batterier.

Utforming av batteripoler

Genom att variera utforming av anod och katod finns batterier med lite olika egenskaper som gör att de ex.vis kan lämna större ström, få fler laddningscykler eller tåla djupurladdning bättre.

Form battericeller

Det finns fyrkantiga (prismatiska) eller runda (cirkulära) battericeller.

Med fyrkantiga celler kan man öka energitätheten när den yttre batterilådan är fyrkantig. Runda battericeller är ofta enklare att tillverka eftersom man rullar ihop långa batteripoler istället för att koppla ihop flera parallellt som i prismatiska celler.

De flesta 12V bly-syra batterier har prismatiska battericeller.

Tjocklek bly-plattor

Fler och tunnare plattor i batteripolerna gör att batteriet får högre effekt i förhållande till sin kapacitet. Nackdelen är att batteriet blir känsligare för djupurladning och får färre laddningscykler.

Färre och tjockare plattor gör att batteriet får lägre effekt i förhållande till sin kapacitet. Fördelen är att det tål djupurladdning bättre och får fler laddningscykler.

Kemiska variationer

Genom att variera kemin i batteripolerna kan man skapa bly-syra batterier med bättre egenskaper.

Bly-Kalcium batterier

För att hålla blyet på plats i batteripolernas plattor används i vanliga fall ett nät tillverkat av en legering som bl.a innehåller antimon. När man ersätter antimonlegeringen med en kalciumlegeringa får man batterier som bildar mindre gas och därmed förbrukar mindre elektrolyt. De har även mindre självurladdning.

Det finns variationer på denna konstruktion där man även har blandat in silver i kalciumlegeringen och fått änu lägre grad av självurladdning och större tålighet mot sulfatering.

Dessa batterier är fortfarande mest lämpade att användas som startbatterier då de fortfarande har relativt dålig tålighet mot djupare urladdning och relativt få laddcykler.

Bly-Carbon batterier

Det här en ganska ny typ av bly-syra batteri där man lagt till en kol-baserad struktur i batteriets negativa pol (anod). Det gör att strömmen fördelas jämnare i batteripolen vilket resulterat i batterier som

  • har bättre tålighet att laddas ur delvis och laddas upp delvis vilket resulterar i fler laddningscykler
  • kan laddas ur mer
  • kan laddas upp snabbare
  • får mindre sulfateringen på den negativa polen

Dessa batterier fungerar bra som förbrukningsbatterier då de tål relativt djupa urladdningar och har många laddningscykler även från lite djupare urladdning.

Problem

Stratification

Det här gäller inte GEL eller AGM batterier.

När ett batteri laddas bildas svavelsyra som är tyngre än elektrolyten i sig som ju är uppblandad med vatten. En del av svavelsyran blandas inte med resten av elektrolyten och kommer att samlas vid botten i batteriet. Det här minskar batteriets kapacitet. Man kan få svavelsyran att blandas upp genom att röra om elektrolyten på något sätt, ex.vis skaka batteriet eller överladda det så att det bildas gasbubblor som rör om.

Shedding

Vid urladdning omvandlas materialet i den positiva batteripolen till ett material med något större volym vilket gör att batteripolen luckras upp lite för varje laddningscykel. Med tiden gör det att batteripolen kan falla sönder.

Korrosion av batteripoler

Det stödjande nätet i den positiva batteripolen korroderar i slutet av laddningsperioden eftersom halten svavelsyra är högst då. Med tiden gör det att batteripolen kan falla sönder.

Sulfatering

När batteriet laddas ur bildas blysulfat på den negativa batteripolen och om batteriet förblir urladdat en längre tid, bildar ämnet kristaller som hindrar uppladdning. Det gör att batteriets förmåga att lagra elektrisk energi minskar.

Skötsel av bly-syra batterier

  • Ladda batterierna med en 3-stegsladdare och se till att hålla dem laddade när du lämnar båten. Är batteriet inte fulladdat sulfaterar det och tappar kapacitet.
  • Håll batteriet rent och ta bort oxid från batteripolerna.
  • Ska du lagra ett blybatteri, se till att det är fulladdat och ladda upp det med jämna mellanrum, annars kommer det att sulfatera.

Sammankoppling av blybatterier

Eftersom ett hanterbart bly-batteri (60 kg) kan innehålla ungefär 1200 Wh tillgänglig energi kan man behöva koppla samman flera battierer i en batteribank för att få tillräckligt med energi. Den mängden räcker inte till förbrukningen på den fiktiva segelbåten i de här artiklarna, se Elsystem, Del 3 – Batterival i delsystemen där det finns en beräkning av energibehovet ombord.

Har båten behov av att lagra mer energi, är det bara att börja parallellkoppla eller seriekoppla batterier, se artikel Elsystem, Del 3 – Koppla batteribanken.

Tänk på att

  1. Koppla bara ihop batterier med samma kapacitet och ålder från samma leverantör.
  2. Parallellkoppla inte fler batterier än vad tillverkaren föreskriver.
  3. Seriekoppla inte fler batterier än vad tillverkaren föreskriver.
  4. Innan du kopplar ihop batterierna, se till att batterierna är laddade och har samma vilospänning.

Vilka blybatterier ska man välja?

Använd bara slutna batterier, det gör att det inte kan läcka ut svavelsyra i kölsvinet. Svavelsyra är frätande och förstör metall det kommer i kontakt med, ex.vis genomföringar och kölbultar. Det är även farligt för människor.

I Elsystem, Del 3 – Batterival i delsystemen kan du läsa mer om motiveringen av batterivalet för den fiktiva båten som används som referens i artiklarna.

Skyddsfunktioner

Tänk på att se batterierna som en del i ett större system där både laddare och förbrukare ingår. För att skydda batterier och båt måste man se till att batterilösningen är övervakad, d.v.s att den stänger av laddningen när batterierna är fulladdade och att de stänger av strömuttag när de är på väg att bli urladdade. Laddarna ska känna till batteritemperatur och verklig laddningsspänning.

Det måste även finnas en skyddsfunktion som kopplar bort batterierna när strömmen till eller från dem blir för stor. Detta för att hindra att batterier eller kablage överhettas.

Väljer du att bygga själv, rekommenderar jag att du

  • Bygger in automatik för bortkoppling av laddare när batteriet är fulladdat.
  • Bygger in automatik för bortkoppling/avstängning från förbrukarna när spänningen blir för låg.
  • Bygger in automatik för bortkoppling av batteriet när strömmen till/från batteriet blir för stor.

%d bloggare gillar detta: