CAPITOLO 2 ... 44 LE BATTERIE AL PIOMBO ... 44 2.1INTRODUZIONE... 44 2.2CARATTERISTICHE GENERALI... 45 2.3CHIMICA... 48 2.4CARICA... 50 2.5SICUREZZA E MANUTENZIONE... 53 2.5.1 Gassificazione... 53 2.5.2 Corto circuito... 54
Capitolo 2
Le batterie al piombo
2.1 Introduzione
Le batterie al piombo che esistono in commercio sono principalmente di due tipi: quelle ad elettrolita libero “Flooded Lead Acid Battery” e le batterie VRLA “Valve Regulated Lead Acid”.
Le batterie ad elettrolita libero, sono le prime batterie al piombo ad essere state scoperte e prodotte. La caratteristica fondamentale di queste batterie consiste nel fatto che l’elettrolita è liquido e libero di muoversi all’interno della batteria, che tra l’altro è chiusa, ma non sigillata, di conseguenza è possibile che durante un particolare funzionamento o posizionamento della batteria, piccole quantità di elettrolita si riversino all’esterno.
Le batterie al piombo VRLA sono quelle più avanzate, nate dall’evoluzione di quelle ad elettrolita libero.
In queste batterie l’elettrolita non è libero, come nel caso precedente, ma immobilizzato: sotto forma di gel, nelle batterie al gel, oppure intrappolato in un separatore formato da microfibre di vetro. Oltre a ciò, queste batterie sono sigillate e non permettono la fuoriuscita dell’elettrolita.
Per quanto riguarda le applicazioni veicolari, le batterie al piombo ad elettrolita liquido sono utilizzate quasi esclusivamente per alimentare il
motore di avviamento dei veicoli. Visto che gli obbiettivi della tesi sono relativi allo studio delle batterie utilizzate nei veicoli elettrici ed ibridi, i quali come noto non utilizzano il motorino di avviamento, nell’elaborato saranno considerate solamente le batterie al piombo di nuova generazione, le VRLA. Queste nuove batterie sono attualmente molto usate per fornire l’energia necessaria alla trazione dei veicoli elettrici. Nonostante ciò saranno presenti numerosi riferimenti alle batterie ad elettrolita libero.
2.2 Caratteristiche generali
La nuova tecnologia relativa alle batterie al piombo acido, VRLA, differisce dalla precedente, ad elettrolita libero, perché contiene una limitata quantità di elettrolita, assorbito in un separatore o immobilizzato in un gel. Nella maggior parte delle batterie VRLA, la capacità delle celle è limitata dalla quantità dei materiali attivi positivi. Il limitato elettrolita e l’eccesso dei materiali attivi negativi facilitano la ricombinazione dell’ossigeno prodotto durante la sovraccarica o alla carica dovuta al recupero di energia dei veicoli, con i materiali attivi negativi. Le valvole di rilascio delle batterie solitamente sono chiuse per prevenire l’ingresso dell’ossigeno presente nell’aria esterna. Il tipo di valvole di pressione presenti nella batteria, dipende dal costruttore, ma soprattutto dal contenitore della stessa: dalla sua forma e dal materiale con cui è fatto. Le batterie VRLA hanno solitamente due forme, una con gli elettrodi a spirale avvolta (jelly-roll construction) posti all’interno di un contenitore cilindrico, ed una con elettrodi formati da superfici piane inseriti in un contenitore prismatico. I contenitori cilindrici possono mantenere alte pressioni interne senza deformarsi. Possono quindi essere progettati per avere una pressione di rilascio superiore rispetto a quella delle celle prismatiche. In alcune batterie è utilizzato un rivestimento esterno di metallo per prevenire la
deformazione del contenitore della batteria, fatto di plastica, alle alte temperature ed alle elevate pressioni interne.
L’elettrolita può essere immobilizzato in due modi:
• Elettrolita Assorbito: Una lastra molto porosa ed assorbente, costruita con microfibre di vetro, è parzialmente riempita con l’elettrolita e funziona sia come separatore sia come serbatoio per l’elettrolita.
• Elettrolita gelificato: All’elettrolita viene aggiunto del silicio affumicato che provoca l’indurimento dell’elettrolita, il quale diventa un gel. Durante una successiva carica viene persa un po’ di acqua, a questo punto si asciuga il gel fino a che tra l’elettrodo positivo e quello negativo si sviluppano un insieme di crepe e fessure. Le aperture sviluppate forniscono il percorso per la reazione di ricombinazione dell’ossigeno.
Le batterie, durante il loro funzionamento, possono essere posizionate in qualunque posizione, visto che l’elettrolita, immobilizzato in uno dei due modi appena descritti, non corre il rischio di fuoriuscire. Nelle grandi applicazioni industriali, le batterie possono essere posizionate su un lato, ciò permette una installazione compatta, detta “pancake style”.[12] Tale installazione permette una riduzione dello spazio occupato dalle batterie che può raggiungere il 40%. Inoltre, per alcune applicazioni in cui la batteria è stata montata con gli elettrodi paralleli al pavimento, è stato rilevato un cospicuo incremento dei cicli di vita della stessa [13].
L’utilizzo delle batterie VRLA in larga scala è iniziato intorno al 1999, anno in cui più del 75% delle batterie adoperate nelle telecomunicazioni e negli UPS utilizzavano questa tecnologia. Lo sviluppo delle tecniche di carica avanzate ha incrementato l’uso delle batterie VRLA anche nelle applicazioni cicliche come, ad esempio, nei carrelli sollevatori. Negli ultimi anni, nuove
opportunità di mercato nel campo dei dispositivi elettronici portatili, dei dispositivi di potenza e nei veicoli elettrici stanno incentivando lo studio e la ricerca nell’ambito di questo tipo di batteria. Comunque, le batterie VRLA non hanno le stesse possibilità di utilizzo che avevano le vecchie batterie al piombo. L’elettrolita, che nelle celle assorbe la maggior parte del calore, è molto limitato. Come risultato si ha che le batterie VRLA creano problemi se vengono utilizzate in condizioni di abuso termico e le problematiche riguardanti queste batterie sono superiori rispetto a quelle delle batterie tradizionali. Ciò è particolarmente vero quando le batterie VRLA sono costrette ad operare ad elevate temperature. Di recente si è discusso sui problemi relativi al funzionamento di queste batterie alle alte temperature (superiori a 40°C) e sui vantaggi e svantaggi rispetto alle batterie al piombo tradizionali [14,15]. Per assicurare una lunga vita delle batterie, funzionanti ad alte temperature o surriscaldate a causa della ricombinazione dell’ossigeno, devono essere prese opportune precauzioni.
Comunque sia si stanno sviluppando nuovi materiali e modelli di batterie VRLA [16]. Molte attività sono rivolte all’area delle fibre speciali, dei leganti e delle superfici trattate per le lastre dei separatori.
In Tab. 1 sono riportati i principali vantaggi e svantaggi relativi alle batterie VRLA [17]:
Tab. 1. Vantaggi e svantaggi delle batterie VRLA
2.3 Chimica
Anche se la struttura e la costruzione dei vari tipi di batterie VRLA sono differenti, i principi chimici che utilizzano sono gli stessi delle batterie al piombo tradizionali. L’equazione chimica applicata alla reazione globale è la seguente:
quella relativa all’eletttrodo positivo:
e quella dell’elettrodo negativo:
Vantaggi Svantaggi
Assenza di manutenzione Impossibilità di immagazzinare energia durante la scarica
Vita accettabile nel funzionamento in tampone
Bassa densità di energia
Elevata capacità Limitato numero di cicli di utilizzo
Alta efficienza di carica Perdita del controllo della batteria in caso di carica male effettuata o inadatta gestione termica
Assenza dell’effetto memoria (rispetto alle batterie al nikel-cadmio)
Maggiore sensibilità alle alte temperature rispetto alle batterie al Piombo convenzionali
Costo relativamente basso
Disponibilità di celle di piccola e grande capacità
Quando la cella viene ricaricata, i fini granuli di PbSO4 vengono convertiti
elettrochimicamente in piombo spugnoso all’elettrodo negativo e in PbO2 a
quello positivo. Raggiunta la carica completa della cella, ovvero quando la maggior parte di PbSO4 è stato convertito in Pb ed in PbO2, si ha l’inizio della
reazione di sovraccarica. Per le batterie convenzionali, “flooded lead-acid”, i prodotti della reazione sono idrogeno e ossigeno in forma gassosa, di conseguenza si ha una perdita d’acqua dalla batteria.
Un aspetto caratterizzante la struttura delle VRLA, è rappresentato dal fatto che la maggior parte dell’ossigeno generato all’interno della cella, durante una normale reazione di sovraccarica, si ricombina all’interno della cella stessa. Le griglie di piombo sottile impiegate nella struttura, minimizzano la produzione di idrogeno durante il processo di sovraccarica. L’eccesso di idrogeno prodotto viene rilasciato nell’atmosfera attraverso le valvole di sfogo.
L’ossigeno reagirà con il piombo all’elettrodo negativo in presenza di H2SO4
tanto velocemente quanto riesce a diffondersi sulla superficie dell’elettrodo.
In una batteria al piombo acido tradizionale la diffusione dei gas è un processo lento; teoricamente tutto l’H2 e l’O2 si liberano dalla cella piuttosto
che ricombinarsi. Nelle batterie VRLA, gli elettrodi vicini sono separati da una lastra composta da vetro conglobato in una struttura porosa. La cella è riempita con sufficiente quantità di elettrolita tale da rivestire la superficie dell’elettrodo ed ogni singola superficie vetrosa che forma il separatore in modo da creare le condizioni di elettrolita povero. Queste condizioni permettono al gas omogeneo di trasferirsi tra gli elettrodi, fattore necessario per promuovere la reazione di ricombinazione.
Le valvole di rilascio mantengono la pressione interna alla batteria al di sotto di un certo valore. Questa condizione favorisce la ricombinazione dei gas
Il risultato netto è che l’acqua, invece che essere rilasciata dalla batteria, è riciclata elettrochimicamente: per assorbire l’eccesso di corrente di sovraccarica, oltre che per la conversione di materiali attivi. Per questo la cella può essere sovraccaricata, in modo da convertire tutti i materiali attivi senza perdita di acqua, in particolare alle percentuali di ricarica raccomandate. Ad alte percentuali continue di sovraccarica (come C/3 e oltre), l’accumulo di gas diventa così rapido che il processo di ricombinazione non è abbastanza efficiente e O2 così come H2 vengono rilasciati dalla cella attraverso le
valvole di sfogo. Caricare a queste alte percentuali dovrebbe quindi essere evitato.
2.4 Carica
La ricarica delle batterie VRLA[18], come quella di tutte le batterie secondarie, ha lo scopo di reimmettere nelle batterie l’energia che esse hanno ceduto durante la scarica. Siccome nel processo vi sono delle perdite, per ricaricare le batterie al 100%, è necessario immettere una quantità di energia superiore a quella che è stata estratta. La quantità di energia che deve essere fornita alle batterie per ottenere una carica completa dipende dal modo in cui la batteria è stata scaricata, dal metodo di ricarica, dal tempo di ricarica, e dalla temperatura. La sovraccarica richiesta nelle batterie al piombo acido è associata alla formazione di gas interni alla batteria ed alla corrosione degli elettrodi positivi.
Nelle batterie ad elettrolita libero, i gas generati sono rilasciati dal sistema sotto forma di acqua, che deve essere reintegrata nella batteria durante la manutenzione. Le batterie VRLA utilizzano il principio di ricombinazione dei gas che permette all’ossigeno generato alla normale percentuale di sovraccarica di ridursi all’elettrodo negativo, eliminando la fuoriuscita di
ossigeno dalla batteria. La generazione di idrogeno gassoso è stata sostanzialmente ridotta tramite l’utilizzo di un elettrodo di piombo non antimoniale. La corrosione degli elettrodi positive è stato ridotto tramite l’uso di leghe di piombo di vario genere. La corrosione degli elettrodi positivi è stata limitata dall’uso di questi semplici elementi costruttivi.
La carica delle batterie VRLA può essere effettuata attraverso vari metodi che variano a seconda del tipo di applicazione, del tempo di carica e dalle prestazioni che si vogliono ottenere dalla batteria una volta ricaricata.
I metodi più usati sono:
• Carica a tensione costante • Carica veloce
• Carica in tampone
• Carica a corrente costante.
Carica a tensione costante
La carica a tensione costante rappresenta il metodo più veloce ed efficiente per caricare le batterie VRLA[17], la ricarica completa della batteria può avvenire in un ora e mezzo. Il caricabatteria richiesto per effettuare questo tipo di carica, nel tempo richiesto ed alla tensione data, deve essere in grado di erogare una corrente di almeno 2C relativamente alla capacità nominale della batteria. Se il caricatore a tensione costante utilizzato non riesce a fornire una corrente di almeno 2C, il tempo di carica deve essere esteso della percentuale oraria alla quale la carica è limitata; se la carica è limitata a C/10, il tempo nel quale la batteria si carica è dato dalla somma del tempo necessario per la ricarica con corrente superiore o pari a 2C più 10 ore. Se la ricarica avviene con una corrente pari a C/5, il tempo di ricarica sarà incrementato di 5 ore, e così via per tutte le altre percentuali di carica. Non ci
Si nota che questo tipo di ricarica è ottimo, a patto di avere un caricabatterie a tensione costante capace di erogare la corrente richiesta, altrimenti questo metodo può risultare sconveniente.
Carica veloce
La carica veloce è un metodo di ricarica capace di ristabilire la piena capacità della batteria in meno di 4 ore; per molte applicazioni è sufficiente 1 ora[19]. Differentemente dalle batterie ad elettrolita libero, le VRLA utilizzano una quantità limitata di elettrolita, immagazzinato all’interno di separatori molto assorbenti. Questa differenza tecnologica implica che i problemi legati alla gassificazione dei materiali presenti nelle batterie ad elettrolita libero siano superati da questo tipo di tecnologia, infatti l’ossigeno prodotto dalla sovraccarica riesce a ricombinarsi all’interno della batteria.
Carica in tampone
Questo tipo di carica viene utilizzato nelle applicazione in “standby” della batteria. Un esempio è il funzionamento delle batterie negli UPS. In queste applicazioni, la batteria rimane inutilizzata per molto tempo ed è chiamata ad erogare l’energia senza preavviso. Per questo motivo è necessario mantenere la batteria caricata alla massima capacità, correggendo il fenomeno dell’autoscarica durante tutto il tempo in cui rimane in servizio. Per ottenere ciò, la batteria viene carica continuamente tramite la rete di alimentazione e rimane sempre perfettamente carica. Tutto ciò è molto importante perché se così non fosse ci sarebbe il rischio che la batteria, scaricatasi durante il periodo di standby, al momento dell’entrata in servizio non ha più una adeguata quantità di energia disponibile.
Carica a corrente costante
Questo è un altro efficace metodo per ricaricare le batterie VRLA ed è ottenuto caricando le batterie tramite un generatore di corrente costante. Tale metodo è consigliato quando sono presenti molte batterie poste in serie e presenta il vantaggio di eliminare ogni sbilanciamento di carica presente nella batteria [17]. La carica a corrente costante, carica tutte le celle allo stesso modo perché tale processo è indipendente dalla tensione delle celle presenti nella batteria.
2.5 Sicurezza e manutenzione
I due principali aspetti da tenere sotto controllo per ottenere un utilizzo corretto e sicuro delle batterie VRLA sono: la gassificazione ed il corto circuito della batteria [17].
2.5.1 Gassificazione
Le batterie al piombo acido, durante la carica e la sovraccarica, producono al loro interno idrogeno ed ossigeno in forma gassosa. Questi gas, che formano una miscela esplosiva, vengono rilasciati dalle batterie al piombo acido convenzionali. Vista la pericolosità della miscela, non si può permettere a tali gas di restare immagazzinati nelle zone limitrofe alla batteria, perchè è sufficiente una scintilla per provocare un’ esplosione. Tuttavia, le batterie VRLA, operando il 100% della ricombinazione dell’ossigeno prodotto, alle raccomandate percentuali di carica e sovraccarica, non provocano degassamento di ossigeno.
Un altro aspetto da considerare è il possibile insuccesso del processo di carica. Se il caricabatteria funziona male, provocando una carica della batteria
superiore a quella prescritta, l’eventuale volume di idrogeno ed ossigeno prodotto viene espulso dalla batteria. Questo mix è esplosivo ed il suo accumulo non può essere permesso, per ciò è necessaria una adeguata ventilazione. Per questo le batterie VRLA non devono essere mai fatte funzionare in un contenitore a tenuta di gas.
2.5.2 Corto circuito
Le batterie VRLA hanno una bassa impedenza interna e per questo, se sono cortocircuitate esternamente, sono in grado di erogare elevate correnti. La produzione di calore che ne consegue può far innescare una fiamma che a sua volta può, per i motivi già visti, provocare una esplosione. Le persone che lavorano con le batterie, devono fare molta attenzione a non metterle in corto, soprattutto se indossano anelli o braccialetti di metallo. Se le batterie vengono inavvertitamente messe in corto per mezzo di questi oggetti metallici, possono causare pesanti bruciature a chi li indossa.
