Sebbene oggi esistano molte sostanze chimiche per batterie e nuovi tipi che diventano commercialmente validi nel tempo, ci occupiamo dei tipi al piombo acido, allagati, AGM e vero gel, poiché sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni in cui siamo specializzati. La tecnologia delle batterie al piombo è stata utilizzata commercialmente per oltre un secolo. Alcuni ritrovamenti archeologici di materiali appropriati in una configurazione artificiale suggeriscono che il principio è noto e utilizzato da molto più tempo. La loro costruzione è costituita da piastre in lega di piombo e da un elettrolita di acido solforico e acqua. Una batteria è composta da un numero di celle e la chimica del piombo impone una tensione completamente carica di circa 2,12 volt per cella. Pertanto, una batteria nominale da 6 volt ha tre celle con una tensione di carica completa da 6,3 a 6,4 volt e una batteria da 12 volt ha sei celle e una tensione di carica completa di 12,7 volt. Le batterie al piombo acido di alta qualità e ad alte prestazioni possono presentare una tensione delle celle più elevata.
La cella ha due tipi di piastre, una di piombo e una di biossido di piombo, entrambe a contatto con l'elettrolita dell'acido solforico come liquido, assorbito in un tappetino, o come gel. La piastra di biossido di piombo (PbO2) reagisce con l'elettrolita dell'acido solforico (H2SO4) provocando ioni idrogeno e ioni ossigeno (che producono acqua) e solfato di piombo (PbSO4) sulla piastra. La piastra di piombo reagisce con l'elettrolita (acido solforico) e lascia solfato di piombo (PbSO4) e un elettrone libero. La scarica della batteria (che consente agli elettroni di lasciare la batteria) provoca l'accumulo di solfato di piombo sulle piastre e la diluizione dell'acido in acqua. Maggiori informazioni sulla solfatazione e sui suoi problemi più avanti. Il peso specifico dell'elettrolita, misurato con un densimetro nelle batterie allagate, indica la sua carica relativa (forza) o il livello di diluizione (scarica). La reversibilità di questa reazione ci dà l'utilità di una batteria al piombo. Le versioni sigillate contengono l'acqua, l'idrogeno, ecc. in condizioni di uso normale, per la ricombinazione, ed eliminano il mantenimento del controllo dei livelli dell'acqua e la corrosione intorno ai terminali.
La ricarica della batteria consiste nell'invertire il processo di cui sopra e comporta l'assoggettamento della batteria a tensioni superiori alla tensione esistente. Maggiore è la tensione, maggiore è la velocità di carica, soggetta ad alcune limitazioni. C'è un punto di gassificazione da considerare, e le vere batterie al gel hanno una tensione di carica di picco più bassa, perché possono formarsi bolle nel gel che non si dissipano e provocano danni alla batteria. Maggiori informazioni su questo nel tutorial sulla ricarica.
L'elettrolita può essere assorbito in un materiale di tipo opaco in modo che non vi sia elettrolita libero (batteria AGM), oppure può essere in un formato gel che lo stabilizza (vera batteria al gel). Le attuali batterie al piombo si distinguono fondamentalmente come ciclo profondo/stoccaggio (valutato in ampere/ora) o tipo SLI (avviamento/illuminazione/accensione) automobilistico, valutato in ampere di avviamento. Esistono anche tipi di combinazione, classificati per entrambi i compiti, ma questi di solito hanno un amperaggio di avviamento inferiore rispetto a una batteria di avviamento della stessa dimensione del gruppo.
Batterie SLI
Le batterie SLI sono progettate per rilasciare un'elevata raffica di ampere per un breve periodo (una sequenza di avviamento) e quindi essere ricaricate in modo relativamente rapido dal sistema di ricarica dell'apparecchiatura (alternatore). In genere, una sequenza di avvio scarica meno del 3% della capacità della batteria. Le batterie SLI non sono progettate per scariche profonde ripetute e la loro durata è notevolmente ridotta se sottoposte a ciò. In questa classe esistono batterie bagnate (allagate) e totalmente sigillate, esenti da manutenzione (AGM - absorbed glass mat). Questi generalmente hanno un numero elevato di piastre e le piastre sono relativamente sottili. Sono classificati in CA, ampere di avviamento (a 32 gradi F) e CCA, ampere di avviamento a freddo (a 0 gradi F).
Batterie a ciclo profondo
Le batterie a ciclo profondo sono progettate con piastre più spesse, per avere una velocità di scarica costante, per essere scariche profonde e successivamente accettare la ricarica. Sono chiamate batterie per camper, marine, a ciclo profondo, di stoccaggio e talvolta golf cart, poiché questi sono i mercati tipici a cui si applicano, così come altri. Non vi è alcun vantaggio nello scaricare a fondo le batterie a ciclo profondo come procedura di manutenzione e non hanno alcun effetto memoria. In genere sono classificati in ampere (ah), ma possono avere una classificazione CA e CCA, se sono a doppio scopo, o occasionalmente utilizzati per scopi iniziali.
Le batterie al piombo acido a ciclo profondo sono disponibili in due configurazioni: bagnate e sigillate. Una batteria a celle umide ha una maggiore tolleranza al sovraccarico, tuttavia, durante la ricarica rilascerà idrogeno gassoso che deve essere adeguatamente sfiatato e i livelli dell'acqua devono essere controllati frequentemente. Le batterie al piombo sigillate possono essere di costruzione AGM (Absorbed Glass Mat) o Gel, ed entrambe sono talvolta chiamate batterie VRLA (piombo acido regolato da valvole). Spesso il termine "Gel" viene utilizzato per riferirsi a qualsiasi batteria veramente sigillata ed esente da manutenzione, e questa pratica causa confusione ai consumatori di batterie, poiché l'AGM e il vero Gel hanno alcune caratteristiche diverse, in particolare nei requisiti di carica del vero Gel. Entrambi i tipi sono esenti da manutenzione, non hanno liquidi da versare e la gassificazione è minima. Altri nomi per i tipi sigillati sono elettrolita affamato, esente da manutenzione, cella a secco e a prova di fuoriuscite. La maggior parte di questi sono approvati dal Dipartimento dei Trasporti (DOT) per il trasporto aereo e classificati come non pericolosi.
Il Gel è il meno influenzato da temperature estreme, immagazzinato a basso stato di carica e ha una velocità di scarica interna inferiore, ma ha requisiti di tensione di carica di picco che sono misurabilmente inferiori a quelli di una batteria allagata o AGM. Una batteria AGM gestirà il sovraccarico leggermente meglio della Gel Cell. Inclusi nella categoria AGM sono l'Optima™ e l'Odyssey™, oltre a diverse altre batterie sigillate ad alte prestazioni. Le batterie più piccole che si trovano nei sistemi di allarme domestici, nelle scatole UPS (gruppi di continuità) dei computer, ecc., che dicono "piombo acido sigillato", "a prova di fuoriuscite" o "esenti da manutenzione", sono quasi sempre batterie di tipo AGM. Se non c'è scritto "gel" o c'è una "G" nel numero di parte, non è un gel.
Batterie ad alte prestazioni
Abbiamo menzionato le batterie ad alte prestazioni Optima™ e Odyssey™. Ce ne sono anche altri come il Rock Racing™. Queste batterie utilizzano materiali e tecniche di costruzione di prima qualità e ottengono risultati eccellenti, che il prezzo tende a riflettere. Le unità Odyssey mostrano ampere di scoppio estremamente elevati per i primi 5 secondi, una caratteristica fondamentale per l'avviamento di motori ad alta cilindrata o ad alta compressione. Possono anche essere completamente scaricati e ricaricati più volte (con una frequenza nominale di 400 cicli all'80% della profondità di scarica). Per il doppio scopo, avviamento e ciclo profondo, questi sono difficili da battere. Teniamo un Odyssey PC1500 carico e pronto in negozio per salti di emergenza o altre situazioni e test. È stato detto abbastanza.
Capacità della batteria
La capacità della batteria è una misura dell'energia che la batteria può immagazzinare e fornire a un carico. È determinato dalla quantità di corrente che una batteria può erogare in un periodo di tempo standard del settore. L'unità di misura è chiamata "ampere-ora" (ah). Lo standard del settore delle batterie è una velocità di 20 ore, ovvero quanti ampere di corrente la batteria può erogare in 20 ore a 80 gradi F fino a quando la tensione scende a 10,5 volt per una batteria da 12 V e a 21 volt per una batteria da 24 V. Ad esempio, una batteria da 100 ah erogherà 5 ampere per 20 ore. Occasionalmente un'azienda o un addetto al marketing utilizzerà una tariffa di 10 ore o un'altra tariffa, quindi assicurati di quale tariffa ti viene fornita quando confronti i marchi e le dimensioni dei gruppi.
La capacità della batteria è anche espressa come capacità di riserva (RC) in minuti. La capacità di riserva è il tempo in minuti in cui una batteria può erogare 25 ampere a 80 gradi F fino a quando la tensione scende a 10,5 volt per una batteria da 12 V e a 21 volt per una batteria da 24 V. Una relazione tra ampere ora (ah) e capacità di riserva (RC) può essere approssimata con questa formula: ah = RC moltiplicato per 0,6
Dimensioni tipiche delle batterie BCI*Gruppo Tensione della batteria, V Batteria AH 31 12 105 4D 12 200 8D 12 245 GC2 (carrello da golf) 6 220 * Battery Council International
Elevati tassi di scarica della batteria
Quando la velocità di scarica viene aumentata al di sopra della tariffa standard del settore di 20 ore, la capacità utilizzabile diminuisce, a causa dell'"effetto Peukert". La diminuzione non è lineare ed è mostrata nel grafico sottostante.
Capacità della batteria/velocità di scarica Ore di scarica Capacità utilizzabile 20 100% 10 87% 8 83% 6 75% 5 70% 3 60% 2 50% 1 40%
Questo deve essere preso in considerazione quando si dimensiona una batteria per una particolare applicazione. Se si tratta di un elevato assorbimento di corrente, la capacità della batteria deve essere aumentata rispetto al semplice requisito di amperora calcolato.
Durata della batteria e profondità di scarica (DOD)
La durata della batteria si riduce quanto più si scarica in profondità ad ogni ciclo. L'aumento della capacità di un banco batterie oltre i requisiti minimi aumenterà la durata del banco. Le batterie True Gel tendono ad avere un numero di cicli maggiore rispetto agli AGM quando vengono ciclate profondamente, da qui il loro uso frequente in golf cart e sedie a rotelle/scooter quando vengono utilizzate batterie sigillate e si scaricano profondamente ogni giorno.
Tabella del ciclo di vita medio Profondità del ciclo di scarica Ciclo di vita Ciclo di vita Ciclo di vita % della capacità AH Gruppo 27/31 Gruppo 8D Gruppo GC2 10 1000 1500 3800 50 320 480 1100 80 200 300 675 100 150 225 550
Effetti della temperatura sulle batterie
Le batterie al piombo perdono capacità a basse temperature. A 32 gradi F, una batteria fornirà circa il 75% della sua capacità nominale a 80 gradi F. Questo deve essere considerato quando si dimensiona un banco batterie della capacità richiesta per ambienti più freddi. Un vano riscaldato o isolato è consigliabile per climi molto freddi. L'alta temperatura mantiene la chimica della batteria più attiva e riduce in modo misurabile la durata della batteria. Una batteria che può durare 5 anni in un ambiente da 60 F a 80 F, può durare solo 2 anni in un ambiente desertico.
Scarico interno
Le batterie sono soggette a una scarica interna, chiamata anche autoscarica. Questa velocità è determinata dal tipo di batteria e dalla metallurgia del piombo utilizzato nella sua costruzione. Le celle umide, con le cavità all'interno per l'elettrolita, utilizzano una lega piombo-antimonio per aumentare la resistenza meccanica. L'antimonio aumenta anche il tasso di scarica interna tra l'8% e il 40% al mese. Per questo motivo, le celle umide non devono essere lasciate senza manutenzione o senza carica per lunghi periodi. Il piombo utilizzato nella costruzione di batterie Gel e AGM non richiede un'elevata resistenza meccanica poiché è stabilizzato dal materiale del gel o del tappetino. Di solito il calcio è legato al piombo per ridurre la gassificazione e il tasso di scarica interna, che è solo dal 2% al 10% al mese per le batterie AGM e Gel.
Qualsiasi scarica della batteria, compresa la scarica interna, produce solfatazione sulle piastre della batteria come parte del ciclo chimico e, dato il tempo sufficiente, questa solfatazione si indurisce, causando una diminuzione della capacità della batteria nella migliore delle ipotesi o una perdita totale di funzionalità. La ricarica di routine dopo l'uso o l'uso di un caricabatterie "galleggiante" per lunghi periodi di stoccaggio (batterie per barche, ATV, ecc.) previene questa diminuzione della capacità e massimizza la durata della batteria. Gran parte (circa il 50%) delle batterie al piombo ha una capacità ridotta o diventa inutilizzabile a causa della solfatazione e non raggiunge mai la durata nominale. Esistono dispositivi elettronici (caricabatterie e dispositivi autonomi) per gestire la solfatazione, ma la migliore pratica è evitare la situazione in primo luogo con una corretta gestione della batteria, compreso l'uso di caricabatterie "intelligenti" di qualità.
Somma al raggiungimento della durata massima della batteria
Dalla discussione di cui sopra, si può vedere che ci sono diversi problemi relativi alla durata della batteria. La ricarica tempestiva dopo l'uso, evitando se possibile la scarica totale, la ricarica di manutenzione ordinaria o l'uso di un caricabatterie "float" su batterie in deposito o fuori stagione (moto d'acqua, motoslitta, quad, ecc.) sono tutte cose che contribuiscono a una buona durata della batteria. Evitare temperature estreme, in particolare il calore, quando possibile, e controllare i livelli dell'acqua nelle batterie allagate sono essenziali. Ci sono alcune applicazioni che hanno maggiori probabilità di raggiungere la fine del ciclo di vita di una batteria e di conseguenza hanno una capacità decrescente. Le sedie a rotelle e i monopattini utilizzati quotidianamente e pesantemente rientrano in questa categoria.
Collegamento in serie e in parallelo delle batterie
Quando due o più batterie sono collegate in serie (da positivo a negativo in una stringa), le loro tensioni si sommano ma la loro capacità AH rimane la stessa. Quindi, due batterie da 12 V, 100 ah collegate in serie danno come risultato un pacco da 24 V, 100 ah. Il negativo di una batteria si collega al positivo di una seconda batteria e i terminali rimanenti sono le connessioni del sistema.
Quando due o più batterie sono collegate in parallelo (da positivo a positivo, da negativo a negativo), la loro capacità AH (amperaggio) si somma ma la loro tensione rimane la stessa. Quindi, due batterie da 12 V, 100 ah collegate in parallelo danno vita a un pacco da 12 V, 200 ah.
