Functie autobatterij

Hoe werkt een autobatterij en hoe is hij gemaakt?

De traditionele functie van de batterij in de motorruimte is welbekend: Zonder accu kan het voertuig niet gestart worden. Naast de startmotor hebben ook de bougies, gloeibougies, verlichting en elektronische toepassingen elektrische energie nodig. Maar hoe is een batterij opgebouwd en hoe werkt hij?

Loodzuurbatterijen: Componenten en structuur

Veel bestuurders zijn zich bewust van het zware gewicht van autoaccu's als ze een nieuwe kopen. Gewichten van ongeveer 10,5 kg tot 30 kg zijn mogelijk. De reden hiervoor zijn de loodplaten in de batterijcellen.

Bestanddelen en structuur van een batterijcel

Positieve elektrode:

• Positieve plaat: In een loodzuuraccu bestaat de positief geladen plaat (actief materiaal) uit loodoxide (PbO₂) dat in een elektrolyt is ondergedompeld.
• Positief rooster: Het positieve rooster bestaat uit een loodlegering en wordt gebruikt om het actieve materiaal vast te houden en als stroomcollector.

Negatieve elektrode:

• Negatieve plaat: De negatief geladen plaat (actief materiaal) bestaat uit zuiver lood (Pb), dat ook in een elektrolyt is ondergedompeld.
• Negatieve plaat: Deze bestaat net als de positieve plaat uit een loodlegering en dient hetzelfde doel.
  

De elektroden met verschillende ladingen worden gescheiden door een scheidingszak.

De elektrolyt is een mengsel van zwavelzuur (H₂SO₄) en gedestilleerd water. Deze elektrolyt kan in vloeibare vorm zijn (zoals in conventionele natte batterijen of in de verbeterde EFB-technologie), in gelvorm of gebonden in een glasmat (zoals in de AGM-technologie voor nieuwere start-stoptoepassingen).

Verschillende positieve elektroden vormen een positieve plaat en verschillende negatieve elektroden vormen een negatieve plaat. Een negatieve en een positieve set platen vormen samen een platenblok. Een plaatblok is een batterijcel.

Een conventionele startaccu bestaat uit 6 in serie geschakelde cellen, elk met een nominale spanning van 2 V, wat resulteert in een spanning van precies 12,72 V wanneer de accu volledig is opgeladen. De capaciteit en het koudstartvermogen van de accu zijn afhankelijk van het aantal platen per cel.

Vuistregel: Hoe meer platen een cel bevat en dus een groter oppervlak vormt, hoe groter het koudstartvermogen (CCA) dat de accu kan leveren. Als de ruimte in de cel echter wordt gebruikt voor minder, maar dikkere platen, neemt de cyclusstabiliteit toe. Dit betekent dat de batterij is ontworpen voor een hogere laaddoorvoer (continu laden en ontladen).

De cellen zitten in een behuizing van zuurbestendig plastic (polypropyleen). In een conventionele SLI-batterij wordt deze afgesloten met een deksel met een labyrintsysteem dat voorkomt dat de batterijvloeistof ontsnapt en dat de vloeistof scheidt van het gas.

Eeuwenoude batterijen hadden schroefdoppen waarmee ze konden worden bijgevuld met gedestilleerd water. Moderne batterijen zijn volledig onderhoudsvrij. Water hoeft en mag niet worden bijgevuld. Hoewel AGM-batterijen nog steeds “one-way plugs” hebben, mogen deze onder geen beding worden geopend.

De functie van de autoaccu: Chemische energie wordt elektrische energie

Een autobatterij slaat energie op in chemische vorm en zet deze om in elektrische energie. In dit elektrochemische proces reageren vier materialen met elkaar:

• Hydrogen (H)
• Oxygen (O₂)
• Lead (Pb)
• Sulfur (S)

Aansluiting van een externe verbruiker start de chemische reactie in de batterij:

• De elektrolyt, een mengsel van zwavelzuur (H₂SO₄) en gedestilleerd water valt uiteen in positief geladen waterstofionen (H⁺) en negatief geladen sulfaationen (SO₄^2-).
• Tegelijkertijd verplaatsen elektronen (2e^–) zich van de negatieve naar de positieve elektrode via de externe verbruiker.
• Om deze elektronenstroom te compenseren, verplaatsen sulfaationen zich van de elektrolyt naar de negatieve elektrode, waar ze reageren met lood (Pb) om loodsulfaat (PbSO₄) te produceren.
• In de positieve elektrode wordt ook loodsulfaat geproduceerd: De binding van zuurstof (O₂) in het loodoxide (PbO₂) wordt verbroken door de overdracht van elektronen en de zuurstof gaat over in de elektrolyt. Het resterende lood (Pb) bindt zich met het sulfaat (SO₄) uit de elektrolyt.
• Daar bindt de zuurstof zich met de waterstof om water (H₂O) te vormen. Naarmate het zwavelzuur wordt opgebruikt door de vorming van loodsulfaat, daalt de concentratie van de elektrolytoplossing. Als de zwavelzuurconcentratie onder een bepaald niveau zakt, moet de batterij worden opgeladen.
• Tijdens het opladen vinden de chemische processen in omgekeerde volgorde plaats. Aan het einde kunnen de originele elementen worden gevonden: De positieve elektrode bestaat uit loodsulfaat (PbSO₄), de negatieve elektrode bestaat uit puur lood (Pb) en de elektrolyt bestaat uit verdund zwavelzuur (H₂SO₄). Omdat dit conversieproces gepaard gaat met verliezen, kan een accu maar een beperkt aantal laadcycli aan. De gebruiksduur is daarom beperkt. 

Problemen met loodzuur-batterijen: Sulfatering en zuurlaag

Als een accu wordt opgeladen met een te lage spanning of als de accu altijd met een te lage spanning werkt (lager dan 80%), treedt zuurlaag op, ook wel stratificatie genoemd. Het zuur in de elektrolyt stratificeert door slechte menging. Verschillende dichtheden veroorzaken gelaagdheid van het zwavelzuur op de bodem en water in het bovenste gedeelte van de accu. Hierdoor kan alleen het middelste gedeelte van de elektrolyt, dus slechts een derde, worden gebruikt voor het ontladen en opladen.

Een mogelijke oorzaak van zuurlaagvorming zijn voornamelijk korte ritten met gelijktijdig gebruik van een groot aantal elektrische verbruikers. In dit geval heeft de dynamo niet genoeg tijd om de accu op te laden.

Een gevolg van zuurlagen is sulfatering. Als dit gebeurt in de accu, of als deze niet constant voldoende wordt opgeladen, kristalliseert het loodsulfaat (PbSO₄) op de elektroden en vormt na verloop van tijd grotere kristalstructuren. Dit proces staat bekend als “sulfatie”. De kristallisatie verhindert de omzetting van loodsulfaat in de oorspronkelijke componenten lood of loodoxide, wat resulteert in het niet accepteren van oplading en vermindering van het koude startvermogen.

Scherpe kristallen kunnen ook de separators beschadigen of kortsluiting veroorzaken in de cellen.

Om dit effect tegen te gaan en vroegtijdige uitval van de accu te voorkomen, mag een accu nooit langdurig aan een laag oplaadniveau worden blootgesteld. Daarom is het raadzaam om de batterij regelmatig te testen en indien nodig volledig op te laden.

Wil je meer weten over dit onderwerp? Hoe laad ik een batterij op de juiste manier op.

Nieuwe batterijtechnologieën: AGM en lithium-ion

Tot nu toe hadden conventionele loodzuuraccu's een groot marktaandeel. Maar de markt verandert snel: Innovatieve batterijtechnologieën voor start-stopvoertuigen zoals AGM gebruiken zuur dat in een mat is gebonden om een grotere cyclusstabiliteit te bieden en betrouwbare prestaties te garanderen in voertuigen met hogere energievereisten. Nog een voordeel van AGM: Zuurlagen zijn niet meer mogelijk vanwege het gebonden zuur.
Een nieuwe generatie autoaccu's voor microhybride voertuigen werkt op 48V en gebruikt cellen met lithiumiontechnologie.