Röhrenplatten: hohe Röhrenbatterie vs. Flachplattenbatterie
1. Was ist eine Röhrenplattenbatterie?
Einführung in Batterien
Es gibt verschiedene Arten von elektrochemischen Stromquellen (auch bekannt als galvanische Zellen, Voltazellen oder Batterien). Eine Batterie ist definiert als ein elektrochemisches Gerät, das chemische Energie in elektrische Energie umwandelt und umgekehrt. Das Thema Batterie gehört zur Elektrochemie, die sich mit der Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie beschäftigt. In diesem Artikel werden wir ausführlicher über rohrförmige Platten und halbrohrförmige Platten sprechen.
Diese Zellen erzeugen elektrische Energie durch spontane Oxidations-Reduktions-Reaktionen (Redox-Reaktionen), an denen die Chemikalien in den positiven und negativen Elektroden und im Elektrolyten beteiligt sind und die in jeder Elektrode, einer so genannten Halbzelle, stattfinden. Die chemische Energie in den aktiven Materialien wird in elektrische Energie umgewandelt. Die bei der Reduktionsreaktion erzeugten Elektronen fließen durch den externen Stromkreis, der die beiden Halbzellen verbindet, und erzeugen so einen elektrischen Strom. Die Oxidationsreaktion findet statt, indem Elektronen aus dem Anodenmaterial (meist Metalle) freigesetzt werden, und die Reduktionsreaktion findet statt, wenn die Elektronen über den externen Kreislauf zur Kathode (meist Oxide, Chloride, Sauerstoff usw.) gelangen. Der Kreislauf wird über den Elektrolyten geschlossen.
Blei-Säure-Batterie-System:
Wenn der äußere Stromkreis geschlossen ist, beginnen die Elektronen vom Minuspol aus zu wandern, als Ergebnis der Reaktion, die das Blei (Pb) zu zweiwertigen Blei-Ionen (Pb2+) umwandelt (elektrochemisch oxidiert). (Die letztgenannten Ionen reagieren mit Sulfatmolekülen und bilden im Inneren der Zelle Bleisulfat (PbSO4)). Diese Elektronen wandern durch den äußeren Stromkreis und erreichen die positive Platte, wo sie das Bleidioxid in Bleisulfat umwandeln, d. h. das Bleidioxid wird elektrochemisch zu Bleisulfat reduziert, indem die Pb4+-Ionen in Pb2+-Ionen in PbSO4 umgewandelt werden.
Technologie der Röhrenplattenbatterie
Die Gesamtreaktion der Zelle wird wie folgt beschrieben:
PbO2 + Pb + 2PbSO4 Ladung ↔ Entladung 2PbSO4 + 2H2O
Es ist zu erkennen, dass die Wertigkeit von Blei (Pb°) zu Pb
2+
,
durch Freisetzung von 2 Elektronen während der Entladung. Diese Erhöhung der Wertigkeit wird in der elektrochemischen Terminologie als Oxidation bezeichnet.
In der anderen Richtung wird die Wertigkeit des Bleis im Bleidioxid (Pb hat 4 Wertigkeiten im Bleidioxid) zu 2+ reduziert
indem es die beiden Elektronen aus der Oxidationsreaktion aufnimmt. Diese Abnahme der Wertigkeit wird in der Elektrochemie als Reduktion bezeichnet.
Diese Begriffe können auch durch die Veränderungen der einzelnen Elektrodenpotentiale der Zelle während der Entladung beschrieben werden. Das Potenzial (die Spannung) der Bleielektrode (Anode bei der Entladung) nimmt zu, indem es sich während der Entladung zu positiveren Werten bewegt. Diese Erhöhung des Potenzialwerts wird als Oxidation bezeichnet. Dadurch ändert sich das negative Plattenpotential des Bleis in der Blei-Säure-Zelle von etwa -0,35 auf etwa -0,20 Volt. Dies ist eine Steigerung des Potenzials. Daher wird diese Reaktion als anodische Reaktion bezeichnet.
Im Gegensatz dazu nimmt das Potenzial der Bleidioxidelektrode (Kathode während der Entladung) ab, indem es sich zur negativen Seite hin bewegt, d. h. der Wert wird mit fortschreitender Entladung immer niedriger. Das positive Plattenpotential des Bleidioxids in der Blei-Säure-Zelle ändert sich von etwa 1,69 auf etwa 1,5 Volt. Dies ist ein Rückgang des Potenzials. Daher wird diese Reaktion als kathodisch bezeichnet, und wir sagen, dass die Reduktion während der Entladung an einer positiven Platte stattfindet.
Diese Verringerung der Arbeitsspannung während der Entladung ist auf die so genannte Polarisation zurückzuführen, die durch eine Kombination aus Überspannung, η und Innenwiderstand an beiden Elektroden entsteht. Einfach ausgedrückt, ist die Überspannung die Differenz zwischen der OCV und den Betriebsspannungen.
Bei der Entladung gilt alsoEdisch = EOCV – ηPOS – ηNEG – IR.
Für die Aufladungsreaktion gilt jedochECh = EOCV + ηPOS + ηNEG + IR.
IR bezieht sich auf den Innenwiderstand, der durch Materialien innerhalb der Zelle wie Elektrolyt, aktives Material usw. entsteht. Die IR hängt von der Konstruktion der Zelle ab, d. h. vom verwendeten Separator, dem Abstand zwischen den Platten, den inneren Parametern des aktiven Materials (Partikelgröße, Oberfläche, Porosität usw.), der Temperatur und der Menge an PbSO4 im aktiven Material. Er kann als die Summe mehrerer Widerstände dargestellt werden, die von der oberen Leitung, der aktiven Masse und der Korrosionsschicht, dem Elektrolyt, dem Separator und der Polarisation der aktiven Materialien geboten werden.
Die ersten drei Faktoren werden durch das Zelldesign beeinflusst. Über die Polarisationswerte kann keine allgemeine Aussage getroffen werden, sie liegen jedoch in der Regel in der gleichen Größenordnung wie der Anfangswiderstand der oberen Leitung. Längere Platten haben mehr IR. Sie lässt sich aus der Steigung des Anfangsteils der Abflusskurve ermitteln. Bei gleichem Aufbau hat eine Zelle mit höherer Kapazität einen geringeren Innenwiderstand. Der Innenwiderstand einer 12V/28Ah VRLAB beträgt 6 mΩ, während der Innenwiderstand einer Batterie mit geringerer Kapazität (12V/ 7Ah) 20 bis 23 mΩ beträgt.
Bei sehr kleinen η-Werten nimmt die Beziehung zwischen η und Stromstärke I die Form des Ohm’schen Gesetzes an und die oben genannten Gleichungen werden vereinfacht zu
Edisch = EOCV – IR.
ECh = EOCV + IR.
Die obigen Ausführungen befassen sich mit der Entladungsreaktion einer Blei-Säure-Zelle.
Bei der Ladungsreaktion der Blei-Säure-Zelle treten die entgegengesetzten Phänomene auf.
Bei Primärbatterien wird die positive Elektrode in der Regel als Kathode und die negative Elektrode als Anode bezeichnet, was eindeutig ist, da nur eine Entladung stattfindet.
Somit verhält sich die Bleielektrode, die als Anode fungierte, während der Aufladung als Kathode und die Bleidioxidelektrode, die als Kathode fungierte, verhält sich nun als Anode. Um Unklarheiten zu vermeiden, verwenden wir in Sekundärzellen einfach positive und negative Elektroden oder Platten.
Um zu veranschaulichen, wie dies in der Praxis funktioniert, zeigt die folgende Abbildung einige hypothetische Kurven für die Entladung und Ladung einer Blei-Säure-Batterie.
Es ist deutlich zu erkennen, dass die praktische Entladespannung unter der Leerlaufspannung von 2,05 V liegt und die praktische Ladespannung über diesem Wert liegt. Die Abweichung von η ist ein Maß für den kombinierten Einfluss des Innenwiderstands der Zelle und der Polarisationsverluste. Wenn der Entlade- oder Ladestrom erhöht wird, wird der Wert von η gemäß den oben genannten Gleichungen größer.
Abb. 2 Spannungsänderungen an Platten und Zelle während der Ladung/Entladung am Beispiel einer Bleisäurezelle
Um die Reaktionen zusammenzufassen:
Blei, das negative aktive Material:
Während der Entladung: Pb → Pb2+ + 2e-
Während der Ladung: Pb2+ → Pb (d. h., PbSO4 → Pb)
Bleidioxid, das positive aktive Material:
Während der Entladung: Pb4+ → Pb2+ (PbO2 → PbSO4)
Während der Ladung: Pb2+ → PbO2 (d. h., PbSO4 → PbO2)
Da beide Elektrodenmaterialien in Bleisulfat umgewandelt werden, erhielt diese Reaktion 1882 von Gladstone und Tribe den Namen „Doppelsulfattheorie“.
Klassifizierung von Batterien
Je nach Art der elektrochemischen Reaktionen, die in diesen Zellen ablaufen, können sie unterteilt werden in
- Primäre Batterien
- Sekundär (oder Akkumulator oder Batterie)
- Brennstoffzellen
Zu Beginn ist es besser, die Unterschiede zwischen diesen Arten zu verstehen. In der Primärbatterie ist die elektrochemische Reaktion irreversibel, während die Sekundärzellen für ihre Reversibilität bekannt sind. Die Brennstoffzelle ist ebenfalls eine Primärzelle, aber der Unterschied zwischen der Brennstoffzelle und einer Primärzelle besteht darin, dass die Reaktanten außerhalb des Zellbehälters aufbewahrt werden, während sich die Reaktanten bei einer Primärzelle innerhalb der Zelle befinden.
- Primärzellen (z. B. Silberoxid-Zink-Zellen, die in Armbanduhren verwendet werden, MnO2-Zn-Zellen, die für Taschenlampen und Fernbedienungen für Wechselstromgeräte, Fernseher usw. verwendet werden) fallen in diese Kategorie. In diesen Zellen können die Reaktionen nur in eine Richtung ablaufen, und wir können die Reaktion nicht umkehren, indem wir Strom in die entgegengesetzte Richtung leiten.
- Im Gegenteil, die sekundären Rufe sind für ihre Reversibilität der energieerzeugenden Reaktionen bekannt. Wenn wir nach der Entladung Gleichstrom in die entgegengesetzte Richtung leiten, werden die ursprünglichen Reaktanten aus den Reaktionsprodukten regeneriert. Beispiele für diesen Batterietyp sind Blei-Säure-Batterien, Li-Ionen-Batterien, Ni-Cd-Batterien (eigentlich NiOOH-Cd-Batterien), Ni-Fe-Batterien und Ni-MH-Batterien, um nur die gängigsten Sekundärbatterien zu nennen.
- Zur Erläuterung des Reversibilitätskonzepts: Das Bleidioxid (PbO2) in der positiven Elektrode (allgemein als „Platten“ bezeichnet) und das Blei (Pb) in der negativen Platte einer Blei-Säure-Zelle werden beide in Bleisulfat (PbSO4) umgewandelt, wenn beide Materialien während der Energieerzeugungsreaktion mit dem Elektrolyten, verdünnte Schwefelsäure, reagieren. Dies wird von Elektrochemikern wie folgt dargestellt:
- PbO2 + Pb + 2PbSO4 Ladung ↔ Entladung 2PbSO4 + 2H2O
- Eine Brennstoffzelle ist ebenfalls eine Primärzelle, deren Reaktanden jedoch von außen zugeführt werden. Die Elektroden der Brennstoffzelle sind insofern inert, als sie während der Zellreaktion nicht verbraucht werden, sondern lediglich bei der elektronischen Leitung helfen und elektrokatalytisch wirken. Die letztgenannten Eigenschaften ermöglichen die Elektroreduktion oder Elektrooxidation der Reaktanten (der aktiven Materialien).
- Bei den in Brennstoffzellen verwendeten anodenaktiven Materialien handelt es sich in der Regel um gasförmige oder flüssige Brennstoffe wie Wasserstoff, Methanol, Kohlenwasserstoffe, Erdgas (die wasserstoffreichen Materialien werden als Brennstoffe bezeichnet), die in die Anodenseite der Brennstoffzelle eingespeist werden. Da diese Materialien den herkömmlichen, in Wärmekraftmaschinen verwendeten Brennstoffen ähneln, hat sich der Begriff „Brennstoffzelle“ zur Beschreibung dieser Art von Zellen durchgesetzt. Sauerstoff, meist Luft, ist das vorherrschende Oxidationsmittel und wird der Kathode zugeführt.
Brennstoffzellen
Theoretisch könnte eine einzelne H2/O2-Brennstoffzelle bei Umgebungsbedingungen 1,23 V erzeugen.
Die Reaktion ist: H2 + ½ O2 → H2O oder 2H2 + O2 → 2H2O E° = 1,23 V
In der Praxis erzeugen Brennstoffzellen jedoch Nutzspannungen, die weit von der theoretischen Spannung von 1,23 V entfernt sind, so dass Brennstoffzellen in der Regel zwischen 0,5 und 0,9 V betrieben werden. Die Spannungsverluste oder -abfälle gegenüber dem theoretischen Wert werden als „Polarisation“ bezeichnet, ein Begriff und ein Phänomen, das auf alle Batterien in unterschiedlichem Maße zutrifft.
Bleibatterie
Bei der Herstellung von Blei-Säure-Batterien wird eine Vielzahl von positiven Elektroden (oder, wie es allgemein heißt, „Platten“) verwendet:
Sie sind:
a. Flache Platte oder Gitterplatte oder geklebte Platte oder Gitterplatte oder Fauré-Platte (1,3 bis 4,0 mm Dicke)
b. Röhrenförmige Platten (Innendurchmesser ~ 4,9 bis 7,5 mm)
c. Planté-Platten (6 bis 10 mm)
d. Konische Platten
e. Jelly-Roll-Platten (0,6 bis 0,9 mm)
f. Bipolare Platten
- Von diesen ist der erstgenannte Flachplattentyp am weitesten verbreitet; er kann zwar für kurze Zeit hohe Ströme liefern (z. B. zum Anlassen eines Autos oder eines DG-Geräts), hat aber eine kürzere Lebensdauer. Hier wird ein gitterartiger, rechteckiger Stromabnehmer mit einer Paste aus einer Mischung aus Bleioxid, Wasser und Schwefelsäure gefüllt, sorgfältig getrocknet und geformt. Positiv- und Negativplatten werden auf die gleiche Art und Weise hergestellt, abgesehen von den unterschiedlichen Zusatzstoffen. Da sie dünn sind, können Batterien aus solchen Platten sehr hohe Ströme liefern, die zum Starten eines Autos benötigt werden. Die Lebenserwartung beträgt bei einer solchen Anwendung 4 bis 5 Jahre. Vor der Einführung der Lichtmaschinen-Gleichrichter-Anordnung war die Lebensdauer kürzer.
- Röhrenförmige Platten: Der nächste weit verbreitete Plattentyp ist die Röhrenplatte, die eine längere Lebensdauer hat, aber keine Stromstöße wie die Flachplattenbatterien liefern kann. Auf die Röhrenplatten gehen wir im Folgenden näher ein.
- Für eine lange Lebensdauer bei höchsten Anforderungen an die Zuverlässigkeit, z. B. in Kraftwerken und Telefonzentralen, werden bevorzugt Bleisäurezellen vom Typ Planté eingesetzt. Das Ausgangsmaterial für das Röhrenblech ist ein etwa 6-10 mm dicker Guss aus hochreinem Bleiblech mit zahlreichen dünnen vertikalen Lamellen. Die Grundfläche der röhrenförmigen Platte wird durch die Lamellenkonstruktion erheblich vergrößert, was zu einer effektiven Oberfläche führt, die 12-mal so groß ist wie ihre geometrische Fläche.
- Die konische Platte ist ein gitterartiges, kreisförmiges Gitter aus reinem Blei (im 10°-Winkel geschröpft), das horizontal übereinander gestapelt ist und aus reinem Blei besteht. Es wurde von den Bell Telephone Laboratories, USA, entwickelt.
- Jelly-Roll-Platten sind dünne durchgehende Gitterplatten aus einer bleiarmen Zinnlegierung mit einer Dicke von 0,6 bis 0,9 mm, die hohe Raten ermöglichen. Die Platten werden mit Bleioxiden beschichtet, durch eine absorbierende Glasmatte getrennt und spiralförmig gewickelt, um das Grundelement der Zelle zu bilden.
- Bipolare Platten: Diese Platten haben eine zentrale leitende Schicht, die entweder aus Metall oder einem leitenden Polymer besteht und auf einer Seite ein positives aktives Material und auf der anderen Seite ein negatives Material aufweist. Diese Platten werden so gestapelt, dass die aktiven Materialien entgegengesetzter Polarität einander gegenüberliegen, wobei sich ein Separator dazwischen befindet, um die erforderliche Spannung zu erhalten.
- Hier entfällt die separate Verbindung zwischen den Zellen, wodurch der Innenwiderstand verringert wird. Es ist anzumerken, dass die extremen Platten in einer bipolaren Batterie immer vom monopolaren Typ sind, entweder positiv oder negativ
2. Unterschiede - Röhrenbatterie vs. Flachplattenbatterie
Flachplattenbatterien sind für Hochstromentladungen von kurzer Dauer gedacht, wie sie in den Startbatterien von Autos und DG-Geräten vorkommen. Sie haben in der Regel eine Lebensdauer von 4 bis 5 Jahren, und das Ende der Lebensdauer ist hauptsächlich auf die Korrosion der positiven Gitter zurückzuführen, die zum Verlust des Kontakts zwischen dem Gitter und den aktiven Materialien und zum anschließenden Abwurf führt.
Was ist besser: Röhrenbatterie oder Flachbatterie?
Röhrenplatten sind robust und haben daher eine Lebensdauer von etwa 10 bis 15 Jahren im Schwimmerbetrieb. Sie sind auch für den zyklischen Betrieb geeignet und bieten die höchste Zyklenlebensdauer. Das aktive Material befindet sich in dem ringförmigen Raum zwischen dem Dorn und dem Oxidhalter. Dadurch wird die Belastung durch die beim Zyklus der Zellen auftretenden Volumenänderungen begrenzt.
Das Ende der Lebensdauer ist wiederum auf die Korrosion der Stacheln und den Verlust des Kontakts zwischen den Stacheln und dem aktiven Material zurückzuführen. Allerdings ist die Kontaktfläche zwischen der Wirbelsäule und der aktiven Masse bei einer solchen Konstruktion reduziert, so dass die höhere Stromdichte bei starken Stromabflüssen zu einer lokalen Erwärmung führt, die zum Bruch der Rohre und zu Rissen in der Korrosionsschicht führt.
Planté-Plattenzellen haben die längste Lebensdauer, aber die Kapazität ist im Vergleich zu anderen Typen gering. Aber diese Zellen bieten die höchste Zuverlässigkeit und die längste Lebensdauer. Ihre Kosten sind ebenfalls höher, aber wenn man sie über die Lebensdauer betrachtet, sind sie im Vergleich zu anderen stationären Zellen niedriger. Der Grund für die längere Lebensdauer liegt darin, dass die positive Plattenoberfläche kontinuierlich regeneriert wird und dabei praktisch keinen Kapazitätsverlust erleidet.
Konische Plattenzellen wurden von Lucent Technologies (ehemals AT&T Bell Laboratories) speziell für eine sehr lange Lebensdauer von mehr als 30 Jahren entwickelt. Jüngste Korrosionsdaten aus 23 Jahren lassen eine Lebensdauer von 68 bis 69 Jahren für solche Batterien erwarten.
Das Jelly-Roll-Design eignet sich aufgrund seiner hervorragenden mechanischen und elektrischen Eigenschaften für die Massenproduktion. Die Jelly-Roll-Konstruktion (spiralförmig gewickelte Elektroden) in einem zylindrischen Behälter kann einen höheren Innendruck aufrechterhalten, ohne sich zu verformen, und kann für einen höheren Auslösedruck ausgelegt werden.
als die prismatischen Zellen. Dies ist auf einen äußeren Metallbehälter zurückzuführen, der die Verformung der Kunststoffgehäuse bei höheren Temperaturen und Zellinnendrücken verhindert. Der Entlüftungsdruck kann zwischen 170 kPa und 275 kPa (25 bis 40 psi “ 1,7 bis 2,75 bar) für eine metallummantelte, spiralförmig gewickelte Zelle und zwischen 7 kPa und 14 kPa (1 bis 2 psi “ 0,07 bis 0,14 bar ) für eine große prismatische Batterie liegen.
Bipolare Plattenbatterien
Bei der Konstruktion einer Bipolarplatte gibt es ein zentrales elektronisch leitendes Material (entweder ein Metallblech oder eine leitende Polymerfolie), auf dessen einer Seite sich ein positives aktives Material und auf dessen anderer Seite ein negatives aktives Material befindet. Hier entfällt die separate Verbindung zwischen den Zellen, wodurch der Innenwiderstand verringert wird. Es ist zu beachten, dass die extremen Platten in einer bipolaren Endzelle immer vom monopolaren Typ sind, entweder positiv oder negativ.
Diese Batterien haben
- Höhere spezifische Energie und höhere Energiedichte (d. h. 40 % weniger Volumen oder 60 % der Größe einer herkömmlichen Bleibatterie, 30 % weniger Gewicht oder 70 % der Masse einer herkömmlichen Bleibatterie).
- Verdoppelung der Lebensdauer
- Es wird nur noch halb so viel Blei benötigt und auch andere Materialien werden reduziert.
3. Warum eine Röhrenbatterie?
Röhrenplattenbatterien werden vor allem dort eingesetzt, wo eine lange Lebensdauer bei hoher Kapazität gefordert ist. Sie werden vor allem im Bereitschaftsdienst in Telefonzentralen und großen Fabriken für Flurförderfahrzeuge, Traktoren, Bergbaufahrzeuge und in gewissem Umfang auch für Golfwagen eingesetzt.
Heutzutage sind diese Batterien in jedem Haushalt für Wechselrichter-USV-Anwendungen allgegenwärtig.
Besonders hohe Platten (bis zu 1 Meter und mehr) werden in U-Boot-Batterien verwendet, um Strom zu liefern, wenn das U-Boot untergetaucht ist. Es liefert geräuschlosen Strom. Die Kapazitäten reichen von 5.000 bis 22.000 Ah. In die submarinen Zellen sind Luftpumpen eingebaut, um die saure Schichtung des Elektrolyts bei 1 bis 1,4 m hohen Zellen aufzuheben.
Röhrenbatterien mit geliertem Elektrolyt und ventilgesteuerten Bleisäurebatterien werden in großem Umfang in nicht erneuerbaren Energiesystemen wie Solaranwendungen eingesetzt.
Dünne Röhrenplatten-EV-Batterien für Lieferwagen und Busse finden Anwendung im EV-Bereich und können je nach Rückendicke und spezifischer Energie 800 bis 1500 Zyklen liefern.
Die folgende Tabelle veranschaulicht die Beziehung zwischen Rückendicke, Plattenabstand, Elektrolytdichte, spezifischer Energie und Anzahl der Lebenszyklen.
| Rohrdurchmesser mm --> | 7.5 | 6.1 | 4.9 |
|---|---|---|---|
| Elektrolyt Dichte (Kg/Liter) | 1.280 | 1.300 | 1.320 |
| Anzahl der Stacheln | 19 | 24 | 30 |
| Teilung der Röhrenplatte | 15.9 | 13.5 | 11.4 |
| Dicke der Wirbelsäule | 3.2 | 2.3 | 1.85 |
| Spezifische Energie (Wh pro kg) bei einer Rate von 5 Stunden | 28 | 36 | 40 |
| Lebensdauer des Zyklus | 1500 | 1000 | 800 |
Referenz: K. D. Merz, J. Power Sources, 73 (1998) 146-151.
4. Wie stellt man eine röhrenförmige Batterieplatte her?
Schlauchbeutel
Die ersten röhrenförmigen Platten mit einzelnen Ringen wurden von Phillipart und mit röhrenförmigen Taschen von Woodward in den Jahren 1890-1900 konstruiert, und die Verwendung von geschlitzten Gummischläuchen (Exide Ironclad) wurde von Smith im Jahr 1910 entwickelt.
Die Montage einzelner Röhren auf den Stacheln wurde schon früher praktiziert und war langsamer als das Einsetzen eines kompletten Gitters in eine Konstruktion mit mehreren Röhren. Die physische Verbindung zwischen den einzelnen Rohren des Mehrrohrsystems sorgt zudem für eine höhere Steifigkeit während des Abfüllvorgangs. Die Verbiegung der Wirbelsäule durch die seitliche Bewegung ist ausgeschlossen. Aus diesen Gründen bevorzugen die Batteriehersteller die Verwendung von PT Bags Mehrröhrenstulpen.
Vorbereitung des Röhrchens. Heutzutage werden Multischläuche oder PT-Bags (Stulpen) aus chemisch resistenten Glas- oder organischen Fasern (Polyester, Polypropylen, Acrylnitril-Copolymere usw.) durch Weben, Flechten oder Filzen hergestellt.
In den Anfängen der Mehrfachschläuche wurde ein horizontal gewobener Stoff aus einem Garn aus einem Copolymer aus Vinylchlorid und Vinylacetat verwendet. Zwei Lagen des Gewebes wurden auf beiden Seiten einer Reihe von zylindrischen Formern (Dorn) geführt, und die Naht zwischen benachbarten Formern wurde heiß verschweißt.
Das Vinylacetat zersetzte sich jedoch und setzte Essigsäure frei, die wiederum zu Korrosion der Wirbelsäule und vorzeitigem Ausfall der Batterie führte. Außerdem musste das Heißsiegeln kontrolliert und dimensioniert werden. Wurde der Dichtungsdruck überschritten, waren die Nähte schwach und die Schichten trennten sich bald im Betrieb. War der Siegeldruck dagegen zu hoch, war die Siegelnaht zwar gut, aber die eigentliche Naht war dünn und löste sich im Betrieb schnell auf.
Während dies im Betrieb kein ernsthaftes Problem darstellte, bestand die Tendenz, dass sich die Naht während der ersten Handhabungs- und Befüllungsvorgänge löste und die Mitte der röhrenförmigen Platte dazu neigte, sich zu wölben, was bei den folgenden Arbeitsschritten Probleme verursachte, z. B. gab es manchmal Schwierigkeiten beim Einsetzen der Platte in den Zellenbehälter aufgrund der übergroßen Platten.
Es wurden verschiedene Methoden ausprobiert, um das Heißsiegeln zu ersetzen, wie z. B. die Verbundwebtechnik, bei der die Schläuche in einem Arbeitsgang gewebt werden, wobei sich die Fäden zwischen den Schläuchen kreuzen und eine integrale Naht bilden. Moderne Multischläuche werden mit Polyesterfäden, die in Gewebe oder Polyestervliese eingewebt sind, heiß versiegelt oder genäht.
Die Attraktivität der Vliestücher liegt darin, dass die Herstellungskosten aufgrund der geringeren Grundmaterialkosten durch den Wegfall des Webvorgangs niedriger sind. Um die gleiche Berstfestigkeit zu erreichen, muss der Vliesstoffschlauch jedoch dicker sein als sein gewebtes Gegenstück. Dadurch verringert sich sowohl das Arbeitsvolumen des Elektrolyts (aufgrund des größeren Volumens des Vliesschlauchmaterials). Das Volumen des aktiven Materials in der Röhre wird ebenfalls reduziert, was wiederum die Kapazität der Zelle geringfügig verringert.
Ausgezeichnete Röhrenplatten können entweder mit einzelnen Röhren oder mit mehreren Röhren hergestellt werden
das für die Herstellung der Rohre verwendete Garn ist ein Garn, das im Betrieb nicht leicht denaturiert. Sowohl speziell formulierte Glas- als auch Polyesterfilamente erfüllen diese Anforderung.
Röhrenplattenbatterien werden entweder stationär oder in Fahrzeugen eingesetzt und in der Regel mit einer Spannung von 2,2 bis 2,30 Volt pro Zelle, je nach spezifischem Gewicht des Elektrolyts, floatgeladen. Beispiele hierfür sind die üblichen Wechselrichter- und USV-Batterien, Telefonbatterien und Zellen für die Beleuchtung und Klimatisierung von Zügen (TL- und AC-Zellen).
Füllmaschine für Röhrenplatten
Bei einer röhrenförmigen Platte wird eine Reihe von Stacheln geeigneter Dicke, die aus einer Bleilegierung gegossen sind, mit einer oberen Stromschiene verbunden, entweder manuell oder mit Hilfe einer Druckgussmaschine. Die Stacheln werden in schlauchförmige Beutel eingesetzt, und der Raum zwischen den Stacheln und dem PT-Beutel (auch Oxidhalter genannt) wird entweder mit trockenem Oxid oder feuchter thixotroper Paste gefüllt. Die Stacheln werden durch sternförmige Vorsprünge in den Stacheln in der Mitte gehalten. Die PT-Taschen werden ausnahmslos aus gewebten oder gefilzten Polyesterfasern hergestellt. Die so vorbereiteten röhrenförmigen Platten werden anschließend gebeizt, gehärtet/getrocknet und entweder in Tanks oder Gläsern mit geeigneter Elektrolytdichte geformt.
Das Füllungsoxid kann eine beliebige Zusammensetzung haben: nur graues Oxid, graues Oxid und Mennige (auch „Minium“ genannt) in unterschiedlichen Anteilen.
Der Vorteil von Mennige in der Positivmischung besteht darin, dass sich die Formationszeit proportional zum Mennige-Anteil verkürzt. Denn das Mennige enthält bereits etwa ein Drittel Bleidioxid, der Rest ist Bleimonoxid. Das heißt, das Mennige Pb3O4 = 2PbO + PbO2.
Alternativ können die gefüllten röhrenförmigen Platten nach Entfernung der losen, außen an den Röhren haftenden Oxidpartikel direkt zu Zellen und Batterien zusammengesetzt und in Gläsern verpackt werden.
Die Negativplatte wird wie üblich nach dem Verfahren für flache Platten hergestellt. Die Expander sind die gleichen, aber die Menge des „blanc fixe“ ist größer als bei einer Autopaste. Die röhrenförmigen Platten werden in Aushärteöfen etwa 2 bis 3 Tage lang ausgehärtet, nachdem sie einen elektrisch oder gasbeheizten Trockentunnel durchlaufen haben, um die Oberflächenfeuchtigkeit zu entfernen, so dass die Platten bei den nachfolgenden Verarbeitungsprozessen nicht aneinander haften.
Der Unterschied in der anfänglichen spezifischen Dichte der Säure für gebeizte und ungebeizte Plattenbatterien ergibt sich aus der Tatsache, dass erstere mehr Säure enthalten und daher eine niedrigere spezifische Dichte für gebeizte Plattenbatterien gewählt wird, die in der Regel etwa 20 Punkte niedriger ist. Das spezifische Endgewicht des Elektrolyten beträgt 1,240 ± 0,010 bei 27°C.
Je höher das spezifische Gewicht des Elektrolyten ist, desto höher ist die Kapazität dieser Batterien, aber die Lebensdauer wird beeinträchtigt.
Oder die Röhrenplatten können wie üblich in Tanks geformt, getrocknet, montiert und geladen werden.
5. Verschiedene Arten von Röhrenplatten
Die meisten Batteriehersteller verwenden zylindrische Rohre für die Herstellung von Röhrenplatten und Batterien. Auch hier kann der Durchmesser der Röhren und damit der Stacheln von etwa 8 mm bis 4,5 mm variieren.
Die Rohre können aber auch oval, flach, quadratisch oder rechteckig sein. Der Grundaufbau ist derselbe wie bei den zylindrischen Röhrenplatten des Vorgängers (wie oben dargestellt).
7. Vorteile der Verwendung von Röhrenplatten
Röhrenplatten zeichnen sich durch eine lange Lebensdauer aus, da sie kein aktives Material abwerfen. Das aktive Material wird durch den Schlauchbeutel gehalten, so dass eine geringere Packungsdichte verwendet werden kann, um den Nutzungskoeffizienten zu maximieren. Die sich daraus ergebende höhere Porosität kann auch dazu beitragen, mehr aktives Material im Energieerzeugungsprozess zu verwenden. Je dicker die Wirbelsäule ist, desto höher ist die Lebensdauer, die mit solchen rohrförmigen Platten erzielt werden kann.
Die Anzahl der Lebenszyklen liegt zwischen 1000 und 2000 Zyklen, abhängig von der Dicke der Platten. Je dicker die Rohrplatte ist, desto höher ist die Anzahl der Zyklen, die sie ermöglicht. Es heißt, dass die röhrenförmigen Platten im Vergleich zu einer flachen Platte gleicher Dicke die doppelte Anzahl von Lebenszyklen bieten können.
8. Wie wird die Lebensdauer der Batterie durch die Verwendung von Röhrenplatten verbessert?
Wie bereits erwähnt, ist die Lebensdauer einer Röhrenplattenbatterie höher als die einer Flachplattenbatterie. In den folgenden Sätzen werden die Gründe für die längere Lebenserwartung von Röhrenplattenbatterien beschrieben. Am wichtigsten ist, dass das aktive Material fest von den Oxidhalteröhren gehalten wird, wodurch das Ablösen des Materials verhindert wird, was der Hauptgrund für das Versagen von Batterien ist. Außerdem erhalten die Stacheln im Laufe der Zeit eine Schutzschicht aus Bleidioxid, die dazu beiträgt, die Korrosionsrate der Stacheln zu verringern. Korrosion ist ganz einfach die Umwandlung des Bleilegierungsrückens in Bleidioxid.
Thermodynamisch gesehen sind Blei und Bleilegierungen bei einem hohen anodischen Potenzial von mehr als 1,7 bis 2,0 Volt instabil und neigen unter der korrosiven Atmosphäre von Schwefelsäure zur Korrosion und Umwandlung in PbO2.
Wenn die Zelle bei Spannungen geladen wird, die weit von der Leerlaufspannung (OCV) auf der höheren Seite entfernt sind, entsteht Sauerstoff als Ergebnis der elektrolytischen Dissoziation von Wasser, und der Sauerstoff entsteht auf der Oberfläche der positiven Röhrenplatten und muss zum Rückgrat diffundieren, um es zu korrodieren. Da die Stacheln von einer dicken Schicht aus positivem aktivem Material (PAM) umgeben sind, muss der Sauerstoff einen langen Weg von der Oberfläche zurücklegen, wodurch die Korrosionsrate tendenziell verringert wird. Dies trägt dazu bei, die Lebensdauer der Röhrchenplattenzellen zu verlängern.
9. Für welche Batterieanwendungen sollten idealerweise röhrenförmige Batterieplatten verwendet werden?
Röhrenplatten werden vor allem für Batterien mit hoher Kapazität und langer Lebensdauer verwendet, wie z. B. in Fahrzeugen des innerbetrieblichen Verkehrs (Gabelstapler, Elektroautos usw.). Es wird auch in OPzS-Batterien für Energiespeicheranwendungen wie Batterie-Energiespeichersysteme (BESS) verwendet, wo die Kapazität der Zellen bis zu 11000 Ah und 200 bis 500 kWh und bis zu 20 MWh betragen kann.
Typische Anwendungen für BESS sind Spitzenlastreduzierung, Frequenzregelung, Spinnreserve, Lastausgleich, Notstromversorgung usw.
Heutzutage hat jeder Haushalt in einigen Ländern mindestens eine Röhrenplattenbatterie für Wechselrichter-USV-Anwendungen. Ganz zu schweigen von einigen kommerziellen Einrichtungen, wie z. B. Browsing-Zentren, wo eine kontinuierliche Energieversorgung erforderlich ist.
In jüngster Zeit werden gelierte, ventilgeregelte Blei-Säure-Batterien in nicht erneuerbaren Energiesystemen, wie z. B. Solaranwendungen, in großem Umfang eingesetzt. Hier ist der gelierte Typ am besten geeignet.
EVs, die 800 Zyklen mit 40 Wh/kg spezifischer Energie benötigen, können am besten die dünnen röhrenförmigen EV-Batterien verwenden. Der verfügbare Kapazitätsbereich reicht von 200Ah bis 1000Ah bei einer Rate von 5 Stunden.
10. Wichtige technische Merkmale einer Röhrenplattenbatterie
Das wichtigste technische Merkmal der Röhrenplattenbatterie ist ihre Fähigkeit, das aktive Material während der gesamten Lebensdauer zu bewahren, ohne dass ein normaler Abbauprozess stattfindet, und damit die Grundlage für eine lange Lebensdauer zu schaffen.
Die Batterien mit solchen Platten haben eine lange Lebensdauer von 15-20 Jahren in stationären Anwendungen unter Erhaltungsladung, wie z.B. Telefonzentralen, Energiespeicher. Für den zyklischen Betrieb (z. B. Antriebsbatterien) können die Batterien je nach Energieabgabe pro Zyklus zwischen 800 und 1500 Zyklen liefern. Je geringer der Energieertrag pro Zyklus ist, desto höher ist die Lebensdauer.
Die Röhrenplatten eignen sich am besten für Solaranwendungen mit geliertem Elektrolyt in ventilgeregelter Ausführung ohne Schichtungsproblem im Elektrolyten. Da kein regelmäßiges Nachfüllen von zugelassenem Wasser erforderlich ist und keine schädlichen Gase aus diesen Zellen austreten, eignen sie sich hervorragend für Solaranwendungen.
11. Schlussfolgerung
Unter den heute verwendeten elektrochemischen Stromquellen übertrifft die Bleibatterie alle anderen Systeme. Bei den Blei-Säure-Batterien führen die allgegenwärtigen Autobatterien das Team an. Als nächstes kommt die Röhrenplatten-Industriebatterie. Die Autobatterien haben Kapazitäten im Bereich von 33 Ah bis 180 Ah, alle in Monoblock-Behältern, aber der andere Typ hat eine Kapazität von 45 Ah bis Tausende von Ah.
Rohrplattenbatterien mit kleiner Kapazität (bis zu 200 Ah) werden in Monoblöcken und 2-V-Zellen mit großer Kapazität in Einzelbehältern montiert und in Reihe oder parallel geschaltet. Röhrenplattenbatterien mit großer Kapazität werden als stationäre Stromquellen in Telefonzentralen, Energiespeichern usw. verwendet. Traktionsbatterien werden in verschiedenen Bereichen eingesetzt, z. B. für Flurförderfahrzeuge, Gabelstapler, Golfwagen usw.
