Lood en zuur zijn twee dingen die de meeste mensen goed genoeg weten om te vermijden. Lood is een zwaar metaal dat een hele waslijst aan gezondheidsproblemen kan veroorzaken, en zuur is, nou ja, zuur. De loutere vermelding van het woord roept beelden op van borrelende groene vloeistoffen en kakelende wetenschappers die uit zijn op wereldheerschappij. Maar net als chocolade en pindakaas lijken lood en zuur niet samen te gaan, maar dat doen ze wel. Zonder lood en zuur zouden we geen autobatterijen hebben, en zonder autobatterijen zouden we geen van de moderne accessoires hebben – of basisbehoeften, zoals koplampen – waarvoor een elektrisch systeem nodig is om te functioneren. Dus hoe kwamen deze twee dodelijke stoffen precies samen om de rotsvaste basis te vormen van elektronische autosystemen? Het antwoord, om een woordspeling te gebruiken, is elementair.
De wetenschap van het opslaan van elektrische energie
Elektrische batterijen zijn eenvoudigweg opslagvaten die een elektrische lading kunnen vasthouden en vervolgens in een lading kunnen ontladen. Sommige batterijen zijn in staat om een elektrische stroom te produceren uit hun basiscomponenten zodra ze zijn gemonteerd. Deze batterijen heten primaire batterijen, en ze worden meestal weggegooid zodra de lading is opgebruikt. Autoaccu’s passen in een andere categorie elektrische accu’s die steeds weer kunnen worden opgeladen, ontladen en weer opgeladen. Deze secundaire batterijen maken gebruik van een omkeerbare chemische reactie die verschilt van het ene type oplaadbare batterij tot het andere. In termen die de meeste mensen gemakkelijk kunnen begrijpen, zijn de AA- of AAA-batterijen die u in de winkel koopt, in uw afstandsbediening steekt en vervolgens weggooit als ze dood gaan, primaire batterijen. Ze zijn meestal samengesteld uit zink-koolstof- of zink- en mangaandioxidecellen, en ze kunnen stroom leveren zonder te worden opgeladen. Als ze dood gaan, gooi je ze weg – of gooi je ze op de juiste manier weg, als je dat liever hebt. Natuurlijk kunt u diezelfde AA- of AAA-batterijen kopen in een “oplaadbare” vorm die meer kost. Deze oplaadbare batterijen gebruiken meestal nikkel-cadmium- of nikkel-metaalhydride-cellen. In tegenstelling tot traditionele “alkaline”-batterijen, kunnen NiCd- en NiMH-batterijen bij montage geen stroom leveren aan een belasting. In plaats daarvan wordt een elektrische stroom naar de cellen geleid, wat een chemische reactie in de batterij veroorzaakt. Vervolgens steekt u de batterij in uw afstandsbediening, en wanneer deze leeg is, plaatst u deze in een oplader en het aanbrengen van een stroom keert het chemische proces om dat zich tijdens het ontladen heeft voorgedaan. Autobatterijen, die gebruik maken van lood en zwavelzuur in plaats van nikkeloxyhydroxide en een waterstofabsorberende legering, zijn qua functie vergelijkbaar met NiMH-batterijen. Wanneer een elektrische stroom op de batterij wordt toegepast, vindt er een chemische reactie plaats en wordt een elektrische lading opgeslagen. Wanneer een belasting op de batterij is aangesloten, keert die reactie om en wordt er stroom aan de belasting geleverd.
Energie opslaan met lood en zuur
Als het gebruik van lood en zuur om een elektrische lading op te slaan archaïsch klinkt, is het dat ook. De eerste loodzuurbatterij werd uitgevonden in de jaren 1850 en de batterij in uw auto gebruikt dezelfde basisprincipes. De ontwerpen en materialen zijn in de loop der jaren geëvolueerd, maar hetzelfde basisidee is in het spel. Wanneer een loodzuuraccu wordt ontladen, wordt de elektrolyt een zeer verdunde oplossing van zwavelzuur – wat betekent dat het meestal gewoon oud H20 is met wat H2SO4 erin rondzwevend. De loden platen, die het zwavelzuur hebben geabsorbeerd, worden voornamelijk loodsulfaat. Wanneer een elektrische stroom op de batterij wordt toegepast, keert dit proces om. De loodsulfaatplaten veranderen (meestal) terug in het lood en de verdunde oplossing van zwavelzuur wordt meer geconcentreerd. Dit is geen erg efficiënte manier om elektrische energie op te slaan, in termen van hoe zwaar en groot de cellen zijn in vergelijking met de hoeveelheid energie die ze opslaan, maar loodzuurbatterijen worden nog steeds gebruikt om twee redenen. De eerste is een kwestie van economie; loodzuuraccu’s zijn veel goedkoper te vervaardigen dan welke andere optie dan ook. De andere reden is dat loodzuuraccu’s enorme hoeveelheden on-demand stroom tegelijk kunnen leveren, waardoor ze bij uitstek geschikt zijn om als startaccu te gebruiken.
Hoe ondiep is uw cyclus?
Traditionele autobatterijen worden soms aangeduid als: SLI-batterijen, waarbij “SLI” staat voor starten, aansteken en ontsteken. Deze afkorting illustreert de belangrijkste doelen van een auto-accu vrij goed, aangezien de belangrijkste taak van een auto-accu is om de startmotor, de lichten en het contact te laten lopen voordat de motor draait. Nadat de motor draait, levert de dynamo alle benodigde elektrische energie en wordt de batterij opgeladen. Dit type gebruik is een ondiep type inschakelduur, in die zin dat het een korte uitbarsting van een grote hoeveelheid stroom levert, en dat is waar autobatterijen specifiek voor zijn ontworpen. Met dat in gedachten bevatten moderne autobatterijen zeer dunne platen van lood, die een maximale hoeveelheid blootstelling aan de elektrolyt mogelijk maken en voor korte perioden de grootst mogelijke stroomsterkte bieden. Dit ontwerp is noodzakelijk vanwege de enorme stroomvereisten van startmotoren. In tegenstelling tot startaccu’s zijn deep-cycle-accu’s een ander type loodzuuraccu die is ontworpen voor een “diepere” cyclus. De configuratie van de platen is anders, dus ze zijn niet goed geschikt om grote hoeveelheden on-demand stroom te leveren. In plaats daarvan zijn ze ontworpen om gedurende langere tijd minder vermogen te leveren. De cyclus is “dieper” omdat deze langer is, in plaats van omdat de totale ontlading groter is. In tegenstelling tot startaccu’s, die na elk gebruik automatisch worden opgeladen, kunnen deep cycle-accu’s langzaam worden ontladen – tot een veilig niveau – voordat ze weer worden opgeladen. Net als startaccu’s mogen deep-cycle loodzuuraccu’s niet worden ontladen tot onder het aanbevolen niveau om blijvende schade te voorkomen.
Ander pakket, dezelfde technologie
Hoewel de basistechnologie achter loodzuuraccu’s min of meer hetzelfde is gebleven, hebben ontwikkelingen in materialen en technieken geleid tot een aantal variaties. Deep-cycle-batterijen gebruiken natuurlijk een andere plaatconfiguratie om een diepere duty-cycle mogelijk te maken. Andere variaties gaan nog verder. De grootste vooruitgang in de technologie van loodzuuraccu’s zijn waarschijnlijk ventielgereguleerde loodzuuraccu’s (VRLA). Ze gebruiken nog steeds lood en zwavelzuur, maar ze hebben geen ‘overstroomde’ natte cellen. In plaats daarvan gebruiken ze gelcellen of een geabsorbeerde glasmat (AGM) voor de elektrolyt. Het chemische proces is op basisniveau hetzelfde, maar deze batterijen zijn niet onderhevig aan ontgassing zoals bij ‘flooded cell’-batterijen, en ze zijn ook niet kwetsbaar voor lekkage als ze omvallen. Hoewel VRLA-batterijen een aantal voordelen hebben, zijn ze veel duurder om te produceren dan traditionele natte celbatterijen. Dus hoewel de technologie steeds vooruitgaat, is de kans groot dat je nog een tijdje rondrijdt met de allernieuwste technologie uit de jaren 1860 onder je motorkap, tenzij je elektrisch gaat. Maar dat is een heel andere zaak als het om batterijen gaat.
