|
De in een vorig artikel behandelde elektrische cellen worden 'primaire cellen' genoemd. Als de cel is uitgeput kunt u deze niet opnieuw opladen. Daarnaast zijn er 'secundaire cellen', in het dagelijks spraakgebruik accumulatoren of accu's genoemd. Accu's kunt u opnieuw opladen als zij zijn uitgeput.
|
Het principe van accumulatoren
Wat is een accu?
Accumulatoren zijn eigenlijk verzamelaars van elektrische energie. Als u aan een accumulator elektrische energie toevoegt, wordt deze omgezet in chemische energie. Dat noemt men het opladen van de accu. Na het opladen blijft de energie in de chemische samenstelling van de accu aanwezig. Gaat u nadien de accu elektrisch belasten, dan zet de chemische energie zich weer om in elektrische energie. Dit noemt men het ontladen van de accu. In principe kan het proces van laden en ontladen eindeloos herhaald worden.
De eerste accumulator
De uitvinding van de accumulator wordt toegeschreven aan de Franse natuurkundige Planté. In 1860 deed hij een proef die wordt toegelicht aan de hand van onderstaande figuur. In een glazen bak werden twee loden elektroden opgehangen in een bad met verdund zwavelzuur. Het zal duidelijk zijn dat een dergelijke opstelling nooit een primaire elektrochemische cel kan vormen, omdat twee platen van hetzelfde metaal worden toegepast en daartussen nooit een elektrische spanning kan ontstaan.
 |
| Het experiment dat aan de basis ligt van de uitvinding van de accumulator. (© 2018 Jos Verstraten) |
U kunt de twee loden platen via een ampère-meter A en een omschakelaar S aansluiten op een primaire cel U of op een weerstand R. Als u de schakelaar S in de stand A zet, kunt u vaststellen dat er een stroom uit de cel naar de opstelling vloeit. Na enige tijd wordt deze stroom steeds lager en zal tot nul afnemen. Als u vervolgens de opstelling loskoppelt van de cel door de schakelaar om te schakelen van A naar B, stelt u vast dat er weer een stroom door de kring gaat vloeien, maar nu in tegengestelde richting. Als er een stroom vloeit, dan moet er ook een spanning zijn. Nu is het zeer onwaarschijnlijk dat die spanning ontstaat in de weerstand R of in de ampèremeter A. De voor de hand liggende conclusie is dat alleen de bak met loden platen en zwavelzuur verantwoordelijk kan zijn voor het ontstaan van een spanning in de kring. U stelt vast dat de stroom na een tijdje kleiner wordt en naar nul afneemt.
Conclusies van Planté
Planté was in staat de volgende conclusies te trekken:
- Blijkbaar is een bak gevuld met verdund zwavelzuur waarin twee loden platen hangen in staat elektriciteit te 'bewaren'. De constructie lijkt dus een beetje op een Leidsche fles (condensator), die dat ook kan.
- Die elektriciteit blijft echter zeer lang in de bak opgeslagen. Dit was dus een groot verschil met de Leidsche fles, waaruit de opgeslagen elektriciteit zeer snel weer verdwenen was.
- De opgeslagen elektriciteit uit zich doordat er tussen de beide loden platen een spanning gemeten kan worden.
- De opgeslagen elektriciteit kan op ieder gewenst moment weer nuttig gebruikt worden door de loden platen te verbinden met een verbruiker.
- Het proces kan vele malen herhaald worden.
Een geweldige uitvinding met praktische beperkingen
In principe had Planté dus een geweldige uitvinding gedaan. Helaas kon men er in die tijd heel weinig mee aanvangen. Het heeft immers geen enkele zin om de elektriciteit, die door een primaire elektrochemische cel wordt gegenereerd, via deze omslachtige weg beschikbaar te stellen. Had men ergens elektriciteit nodig, dan kon men veel beter rechtstreeks een primaire cel, zoals een Volta-zuil, maken. Een accumulator laden door middel van elektrochemische cellen is een energie-omzetting die bijzonder weinig nut heeft. Eerst toen, veel later, uitvinders zoals Siemens en Gramme dynamo's hadden uitgevonden, kreeg de ontdekking van Planté echt een heel groot praktisch nut.
De moderne loodaccu
Honderdvijftig jaar technologische verfijningen
Het is ongelooflijk, maar de moderne loodaccu werkt nog steeds volgens hetzelfde principe als de allereerste uitvoering van Planté. Meer dan honderdvijftig jaar technologie heeft natuurlijk wél de nodige verfijningen aangebracht. Zo zal een cel van een moderne accu nooit meer bestaan uit twee ordinaire platen lood. Er wordt gebruik gemaakt van een sandwich-constructie, zie onderstaande figuur, opgebouwd uit vele platen lood die om en om parallel worden geschakeld. Op deze manier wordt het werkzame oppervlak van beide elektroden vergroot, zonder dat dit ten koste gaat van de afmetingen van de cel. Bovendien wordt geen zuiver lood gebruikt. De platen zijn vervaardigd van een lood/antimoon-legering, die veel beter bestand is tegen de inwerking van zwavelzuur. Een reeks platen (de negatieve pool) wordt voorzien van een laag zeer fijn verdeeld zuiver lood Pb, de andere reeks (de positieve pool) wordt bedekt met een dunne laag loodperoxide PbO2. Dank zij deze constructie neemt de levensduur en het rendement van de batterij toe.
 |
| De samenstelling van de cel van een moderne loodaccu. (© www.aljevragen.nl) |
De elektrische energie ontstaat door het omzetten van het Pb en het PbO2 in loodsulfaat PbSO4, dit natuurlijk onder invloed van de elektrolytische dissociatie van het zwavelzuur H2SO4.
Tijdens het ontladen van de loodaccu gebeurt het volgende.
Aan de negatieve pool:
Pb + (SO4)2- → PbSO4 + 2e
Aan de positieve pool:
PbO2 + 2H+ + H2SO4 → PbSO4 + 2H2O + 2+
Er ontstaat dus op beide platen een afzetting van loodsulfaat PbSO4.
Bij het laden van de accu gebeurt het tegenovergestelde. Het op beide platen gevormde loodsulfaat wordt weer omgezet in enerzijds lood en anderzijds loodperoxide. Het zijn dus de gedissocieerde ionen van het zwavelzuur H+ en (SO4)2- die zorgen voor het elektronentransport door de vloeistof, zowel bij laden als bij ontladen. Dit verschijnsel wordt overzichtelijk voorgesteld in onderstaande figuur.
 |
| Het ionentransport door de vloeistof bij het laden (rechts) en ontladen (links) van een lood accu. (© 2018 Jos Verstraten) |
De zuurgraad, ofwel de concentratie van zwavelzuur in een loodaccu, is een belangrijke eigenschap omdat deze parameter een indicatie geeft over de laadtoestand van de accu. Uit de chemische formules blijkt dat gedurende het ontladen het zwavelzuur wordt omgezet in zwavelsulfaat.
Hoe meer de accu ontladen wordt, hoe lager de concentratie van het zwavelzuur in de oplossing. De zuurgraad gaat dus dalen naarmate een accu meer ontladen raakt. Er zijn kleine apparaatjes in de handel, zie onderstaande figuur, waarmee u de zuurgraad van een loodaccu op een eenvoudige manier kunt meten. Als u veel met accu's werkt, bijvoorbeeld voor de stroomvoorziening van uw boot of camper, dan adviseren wij u zo'n metertje, areometer genoemd, aan te schaffen. De zuurgraad geeft namelijk een veel betere indicatie van de toestand van de accu dan een eenvoudige klemspanningsmeting.
 |
| Een zuurmeter of areometer, waarmee u de laadtoestand van een loodaccu kunt controleren. (© www.gerstaecker.nl) |
Een areometer is niets anders dan een metertje, waarmee u het soortelijk gewicht van een vloeistof kunt meten. Bij een volledig ontladen accu bedraagt het soortelijk gewicht van de zwavelzuur oplossing 1,14 g/cm3. Deze waarde stijgt tot 1,28 g/cm3 als de accu volledig geladen is.
Het laden en ontladen van een loodaccu
De laadcurve
Loodaccumulatoren worden gekenmerkt door een heleboel eigenschappen, waarvan de laad- en ontlaadcurves de belangrijksten zijn. De laadcurve geeft aan hoe de klemspanning van een cel stijgt in functie van de laadtijd. Bij een loodaccu heeft de laadcurve het typisch verloop dat in onderstaande figuur is getekend. Een volledig ontladen cel van een loodaccu heeft een klemspanning van 2,1 V. Bij het laden van de accu stijgt de celspanning vrij snel tot 2,2 V en gaat nadien zeer langzaam oplopen tot 2,3 V. Nadien gaat de spanning in snel tempo oplopen tot 2,7 V, waarbij u opmerkt dat er een grote gasontwikkeling in de cel optreedt en het elektrolyt niet meer helder is, maar melkachtig. Een klemspanning van 2,7 V is de einde-laad spanning. Verder laden heeft geen enkele zin en is zelfs zeer schadelijk voor de levensduur van de cel.
 |
| De laadcurve van de cel van een loodaccu. (© 2018 Jos Verstraten) |
De karakteristieke verschijnselen bij het bereiken van de volle lading zijn:
- De klemspanning van een cel bereikt de waarde 2,7 V en zal op deze waarde stabiliseren.
- De positieve platen krijgen een kastanje-achtige kleur.
- De negatieve platen zijn grijs.
- Er ontstaat overvloedige ontwikkeling van waterstofgas.
- Het elektrolyt krijgt een melkachtige kleur.
- De dichtheid van het elektrolyt is gestegen tot 1,28 g/cm3.
Het ontladen van een loodaccu
Op het moment dat de laadstroom wordt uitgeschakeld, zal de einde-laad spanning van 2,7 V zeer snel terug vallen tot ongeveer 2,1 V. Als de cel van de accu belast wordt zal de celspanning heel snel gaan dalen tot 1,9 V. Daarna daalt de spanning heel geleidelijk tot 1,8 V. Dit noemt men de einde-ontlaad spanning van de cel. Verder ontladen heeft dan geen zin en is zelfs gevaarlijk voor de levensduur van de cel. Deze gegevens kunnen worden samengevat tot de ontlaadcurve, getekend in onderstaande figuur.
 |
| De ontlaadcurve van de cel van een loodaccu. (© 2018 Jos Verstraten) |
Karakteristieken van een accumulator
Inleiding
Net zoals een primaire cel, heeft ook een secundaire cel bepaalde karakteristieken. Deze zijn uiteraard vergelijkbaar met deze van de primaire cel, maar er zijn toch ook enige verschillen.
De emk
Dit is natuurlijk weer de klemspanning die u over de twee polen van een cel kunt meten. Voor loodcellen bedraagt deze emk 2,7 V bij volledige lading en 1,8 V bij volledige ontlading. De waarde van de emk is volledig onafhankelijk van de grootte van de cel.
De inwendige weerstand
De inwendige weerstand van secundaire cellen is zeer laag. Natuurlijk is de waarde van de inwendige weerstand in sterke mate afhankelijk van het oppervlak van de platen. Een typische loodaccu heeft een inwendige weerstand van slechts 10 mΩ! Het zal dus wel zonder meer duidelijk zijn dat het kortsluiten van een volledig geladen accu een zeer grote kortsluitstroom tot gevolg heeft, die zelfs vrij dikke koperdraden onmiddellijk tot gloeien brengt!
Het regime
Het regime is de maximale waarde van de laad- en de ontlaadstromen. Voor het laden wordt als vuistregel een maximale stroom van 1 A gehanteerd per kg lood. Voor het ontladen geldt de dubbele waarde. Er is een andere redenering die uitgaat van de capaciteit (zie volgend punt). Men stelt dan de maximale laad- en ontlaadstromen gelijk zijn aan een/tiende van de capaciteit. Een loodaccu met een capaciteit van 48 Ah kunt u dus laden en ontladen met een stroom van 4,8 A. Overschrijden van deze waarde gedurende een lange tijd heeft het kromtrekken van de elektroden tot gevolg.
De capaciteit
De capaciteit is de hoeveelheid elektriciteit, uitgedrukt in ampère-uur, die een volledig geladen accumulator kan leveren van het ogenblik dat de ontlading start tot het moment dat de celspanning gedaald is tot 1,8 V. De capaciteit is het product van de ontlaadstroom en het aantal ontlaaduren. U kunt een accu met een capaciteit van 500 Ah dus maximaal gedurende 10 uur ontladen met een stroom van 50 A. De capaciteit is afhankelijk van de hoeveelheid actief plaatmateriaal in de accu, dus in feite van het oppervlak van de platen, maar ook van de zuurgraad van het elektrolyt.
Het rendement
Het rendement is de verhouding tussen de opgenomen energie gedurende de lading en de afgegeven energie gedurende de ontlading. Uiteraard wordt er meer energie opgenomen dan afgegeven, zodat het rendement in ieder geval een getal moet zijn dat lager is dan 1. Accumulatoren kunnen echter een erg hoog rendement hebben, waarden tussen 0,85 en 0,95 zijn geen uitzondering. Ware het niet dat de meeste accumulatoren chemische stoffen gebruiken die niet erg milieuvriendelijk zijn, dan zouden deze apparaten ideale energiereservoirs zijn voor zonnecellen.
|
|
Electric Heat Shrink Gun PowerTool
