Technisch
De loodaccubatterij voor het opslaan
van elektrische energie is al zeer oud. Hij bestaat in principe uit 2
loodplaten, die geplaatst zijn in een bak met verdund zwavelzuur. Door een
elektrische stroom door deze accu te sturen onstaat op de ene plaat
looddioxide, de andere plaat blijft lood. Eindigt men de stroomtoevoer,
dan kan met een voltmeter waargenomen worden dat de plaat met de
looddioxide de pluspool is geworden en de andere plaat de min2pool. De
spanning van deze accucel is ongeveer 2 Volt. Door een weerstand of een
lamp op de accu aan te sluiten blijkt dat deze enige tijd stroom kan
afgeven. Dit gaat net zolang door totdat beide platen bedekt zijn met
loodsulfaat. Nu blijkt dat de hoeveelheid opgeslagen elektriciteit, de
lading, afhankelijk is van het plaatoppervlak dat met het verdunde
zwavelzuur in contact kan komen. De oude, veel gebruikte vorm, van
plaatmateriaal is voor de positieve plaat, de Plantéplaat, genoemd naar
de uitvinder ervan. Deze plaat heeft een zekere dikte, waarop veel ribben
zijn gevormd. Hierdoor onstaat een groter oppervlakte. Voor de bijbehorende
negatieve plaat is gekozen voor een soort “doosjesplaat” : een plaat
waarin een aantal platte doosjes zijn gevormd. Deze doosjes worden gevuld
met sponsachtige loodstof en afgedekt door een fijnmazig rooster van lood,
zodat het loodstof goed met het zuur in contact kan komen.
Op deze manier werden zeer grote accubatterijen ontwikkeld, die in het verleden zelfs dienden om als buffer op te treden in een stedelijk elektriciteitsnet. Om bij grote capaciteiten de bakken niet onnodig groot te laten worden, werden vele plus- en minplaten om en om in een bak geplaatst. De bij elkaar horende plus- en minplaten zijn op 2 verzamelstrippen van lood verbonden, dus parallel geschakeld, waardoor een grote capaciteit kon worden gevormd. Om de onderlinge afstand tussen de platen zo klein mogelijk te houden, werden dunne houten schotten tussen de platen gehangen, die als isolatie moesten dienen, maar waar doorheen toch wel vloeistof- en elektronen transport mogelijk was.
Toen de vraag naar meer compacte batterijen vanuit het wegverkeer, de scheepvaart e.d. kwam, werden er andere plaatvormen ontwikkeld. De platen werden als roosters uitgevoerd met betrekkelijk dunne spijlen, terwijl de ruimte tussen de spijlen werd volgesmeerd met loodstof. Zo onstond de zgn. gesmeerde plaat. Omdat de spijlen erg dun werden gehouden om zoveel mogelijk loodstof te kunnen opnemen, moest het zuivere lood worden versterkt door bijmengsels van andere metalen, bijvoorbeeld antimoon. Door middel van de dunne “gesmeerde” plaatvorm werden zeer compacte accubatterijen mogelijk. De houten isolatie schotten tussen de platen werden vervangen door dunne poreuze kunststof platen, zodat ook de onderlinge afstand tussen de platen nog kleiner kon worden. Het gevolg was dat op deze wijze de inwendige weerstand van de accu aanmerkelijk kleiner werd dan van het oude type Plante-accu. Dat betekende dat de kortsluitstroom bij een bepaalde capaciteit erg groot kon worden. Bovendien werd het soortelijk gewicht van het zuur verhoogd, wat eveneens nog een verlaging van de inwendige weerstand tot gevolg had.
Zo was een relatief kleine accu reeds geschikt om een grote startstroom te leveren voor het starten van een motor. Daarbij is de capaciteit in ampere (Ah) die wordt verbruikt niet zozeer van belang, maar wel de relatief zeer grote stroomstoot die tijdens het starten geleverd moet kunnen worden door de accu. Daarom is een lage inwendige weerstand voor een startbatterij noodzakelijk. De capaciteit van een accu wordt opgegeven in een aantal ampere-uren en is erg afhankelijk van de ontlaadstroom. Bij een hoge ontlaadstroom is de capaciteit aanmerkelijk kleiner dan bij een kleine ontlaadstroom. Dit komt omdat bij een hoge ontlaadstroom de chemische reactie in het plaatmateriaal wordt afgeremd door het vloeistoftransport in de massa van de plaat.
Voorbeeld: als na het niet aanslaan
van de motor tijdens het starten de accu schijnbaar leeg is, kan na
verloop van tijd de accu weer opnieuw enige startstroom leveren. Een
moderne startbatterij van bijv. 43 Ah kan al een startstroom leveren van
200 Ah. De spanning kan daarbij dalen tot ongeveer 1 Volt per cel.
Het gedrag van de Lood Accu
Als een startbatterij geladen is, is het soortelijk gewicht van het zuur 1,28. Alle zwavel in de accu is in het zuur aanwezig en niets daarvan is in de platen gebonden. Bij ontlading worden beide platen door een chemische reactie voorzien van loodsulfaat. Hierdoor is het zwavel uit de vloeistof nodig geweest, waardoor het soortelijk gewicht is gedaald. Met een zuurweger kan op deze manier de ladingstoestand van de accu worden gemeten, want bij een ontladen accu is het soortelijk gewicht ongeveer 1,1.
Ook aan de klemspanning (spanning
over de accupolen) van de accu kan de landingstoestand bepaald worden
Deze klemspanning varieert namelijk ook van 100% geladen tot ontladen en
wel van resp. 2,12 tot 1,94 Volt per cel. Dit verschil is slechts klein
ten opzichte van de gemiddelde celspanning. Deze spanning kan alleen met
een nauwkeurige voltmeter goed worden gemeten. De celspanning kan in het
algemeen slechts goed worden vastgesteld als de accu in rusttoestand
verkeert, dus als enige tijd geen laad- of ontlaadstroom heeft
plaatsgevonden. Wordt een ontladen batterij geladen, dan wordt het
plaatmateriaal weer terug gebracht naar de uitgangsvorm. Dit kost in het
algemeen iets meer ampere-uren dan men eruit gehaald heeft.
De levensduur van een Lood Accu
Zoals aan het begin van dit artikel gesteld wordt, wordt de plusplaat bij het laden overdekt met een dun laagje looddioxide. Dit is nu het kardinale punt wat de levensduur betreft. Door het steeds maar opnieuw laden worden de plusplaten steeds opnieuw geformatteerd. De vorming van looddioxide gaat steeds dieper, zodat er een tijd komt waarbij de plusplaat doorgeformatteerd is en in brokken uit elkaar valt. De levensduur van een accu is dus in de eerste plaats afhankelijk van het aantal uren lading dat gegeven wordt. Verder is gebleken dat de laadspanning, dit is de klemspanning die de accu tijdens het laden krijgt, van zeer groot belang is voor de levensuur. Als een 43 Ah accu met bijv. een constante stroom van 4 Ah wordt geladen, loopt de spanning tegen het eind van de lading op tot 2,5 à 2,7 Volt per cel. Gebleken is dat het doorformatteren van de plusplaat bij hogere laadspanning erg versneld wordt.
En
dan is er nog een derde invloed van belang, namelijk de samenstelling van
het plaatmateriaal. Is dit van zuiver lood, dan is de levensduur
optimaal, doch als er andere materialen, zoals antimoon e.d. voor het
versterken en verharden van de platen nodig is, vermindert de levensduur
aanzienlijk. Ook diepe ontladingen zijn schadelijk, te meer omdat de
mogelijkheid bestaat dat één van de cellen eerder ontladen is dan de
overige cellen. Deze cel wordt dan omgepoold; dit doet de levensduur sterk
afnemen. Nu is het ook zo dat een geladen toestand van de batterij ook
chemisch de beste toestand is. Een geladen batterij blijft echter niet
vanzelf geladen, want door kruipstromen en lokale ontladingen in de plaat
zelf, treedt zelfontlading op. De norm hierbij is dat een goede batterij
niet meer zelfontlading mag hebben dan 0,4% per dag. Dit is van veel
belang voor startbatterijen, die soms gedurende lange tijd niet worden
gebruikt, bijv. bij jachten die ‘s winters niet gebruikt worden. Een
kwalitatief goede startaccu die 100% geladen is, heeft na een half jaar
bij 10o C nog steeds 50% van zijn lading en kan gedurende deze
tijd wel, zonder bijlading, met rust worden gelaten.
Tijdelijk niet gebruiken van de accu
Een
accu weegt zwaar en uit praktisch oogpunt laten we daarom de accu tijdens
de winterstalling vaak in ons schip zitten. Gezien het bovenstaande
hoeft dat bij een kwalitatief goede accu ook geen bezwaar te zijn. Maar
desalniettemin is de veiligste manier om er voor te zorgen dat de accu
voor 100% geladen is en blijft. Daarna eens per 6 weken bijladen totdat
het zuur weer op peil is (soortelijk gewicht = 1,28 bij een startbatterij
en 1,20 bij een stationaire batterij). Het ontladen van accu’s is
overigens nog wel wat afhankelijk van de temperatuur. Bij 20o C
is de zelfontlading ongeveer 2 maal groter dan bij 10o C. Dus
koud wegzetten is de beste manier.
Storingen bij het laden van de accu
Als van een accu het
soortelijk gewicht niet wil stijgen tot 1,28 bij een startbatterij en men
zeker weet dat er geen zuur verloren is gegaan, betekent dat gewoonlijk
dat er zuur in de platen is gebonden in de vorm van verhard loodsulfaat.
De capaciteit van de rest van het plaatmateriaal is dan kleiner en kan aan
het soortelijk gewicht worden afgemeten. Zo kan het
gebeuren dat bij een gedeeltelijk gesulfateerde accu deze volgeladen lijkt
bij een celspanning van 2,4 Volt en weinig stroomopname, terwijl toch
het zuur niet hoger komt dan bijv. 1,20. Dan kan men zeggen dat deze accu
voor ongeveer 50% is gesulfateerd en de nog
werkzame capaciteit dienovereenkomstig kleiner is geworden. Men mag bij
zo’n batterij niet in de verleiding komen het zuur bij te vullen tot een
soortelijk gewicht van 1,28 want dan wordt de sulfatering nog erger. Vul
dus nooit met accuzuur bij, alleen gedestilleerd water is nodig om de
vloeistof op peil te houden (ca. 1 cm boven de platen).
Veiligheid
De 2,4 Volt per cel is de zgn. gasgrens. Laat men de laadspanning hoger worden, dan ontstaat relatief veel meer gasontwikkeling; dit is ontleding van het water uit het accuzuur.
Er
komt dan waterstofgas en zuurstof vrij in grote hoeveelheden, het zgn.
knalgas. Hiervoor moeten extra veiligheidsmaatregelen worden genomen,
zoals goed ventileren. Voorzichtigheid met open vuur in de buurt van een
dergelijke accu is een vereiste. Let er eveneens op dat je geen vonken
maakt in de buurt van een dergelijke accu. Bovendien heeft dit veel vloeistofverlies
tot gevolg, dat weer moet worden aangevuld met gedestilleerd water. Tevens
kunnen met dit gas kleine druppeltjes accuzuur worden meegevoerd, die als
zuurspatjes buiten de accu terechtkomen en daar hun “bijtend” werk
verrichten. Tot slot kunnen door de sterke gassen stukjes massa uit de
plaat worden losgerukt, die naar de bodem van de bak zinken en dus extra
slijtage veroorzaken.
Het
is dus belangrijk dat:
u de accu's nooit te diep ontlaadt, regelmatig laden is noodzaak.
u de accu ook niet overlaadt, dus zorg dat uw spanningsregelaar goed staat afgesteld en gebruik een goede lader.
u regelmatig controleert of uw accu niet "droog" staat (zonodig gedestilleerd water toevoegen).
u de accu, gedurende de periode dat u de accu niet
gebruikt, koel wegzet (vergeet het regelmatig laden niet!)