Batteria a piastra tubolare
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Piastre tubolari: batteria tubolare alta vs batteria a piastra piatta

1. Cos'è la batteria a piastre tubolari

Introduzione alle batterie

Esistono diversi tipi di fonti di energia elettrochimiche (conosciute anche come celle galvaniche, celle voltaiche o batterie). Una batteria è definita come un dispositivo elettrochimico che converte l’energia chimica in energia elettrica e viceversa. Il tema della batteria rientra nell’elettrochimica, che è semplicemente definita come la materia che si occupa dell’interconversione dell’energia chimica e dell’energia elettrica. In questo articolo parleremo più in dettaglio delle piastre tubolari e della piastra semi tubolare.

Queste celle producono energia elettrica attraverso reazioni spontanee di ossidoriduzione (reazioni redox) che coinvolgono le sostanze chimiche negli elettrodi positivi e negativi e l’elettrolita, che si verificano in ogni elettrodo, chiamato una mezza cella. L’energia chimica dei materiali attivi convertita in energia elettrica. Gli elettroni prodotti nella reazione di riduzione passano attraverso il circuito esterno che collega le due semicelle, producendo così una corrente elettrica. La reazione di ossidazione avviene rilasciando gli elettroni dal materiale anodico (soprattutto metalli) e la reazione di riduzione avviene quando gli elettroni raggiungono il catodo (soprattutto ossidi, cloruri, ossigeno ecc.) attraverso il circuito esterno. Il circuito si completa attraverso l’elettrolita.

Sistema di batterie al piombo:

Quando il circuito esterno è chiuso, gli elettroni cominciano a viaggiare dal polo negativo come risultato della reazione che converte (ossida elettrochimicamente) il piombo (Pb) in ioni di piombo divalenti (Pb2+). (Questi ultimi ioni reagiscono con le molecole di solfato per formare solfato di piombo (PbSO4) all’interno della cella). Questi elettroni viaggiano attraverso il circuito esterno e raggiungono la piastra positiva dove convertono il biossido di piombo in solfato di piombo, cioè il biossido di piombo è ridotto elettrochimicamente a solfato di piombo come risultato della conversione degli ioni Pb4+ in ioni Pb2+ in PbSO4.

Tecnologia delle batterie a piastra tubolare

La reazione complessiva della cella si scrive come:

PbO2 + Pb + 2PbSO4 Carica ↔ Scarica 2PbSO4 + 2H2O

Possiamo vedere che la valenza del piombo (Pb°) aumenta a Pb

2+

,
rilasciando 2 elettroni durante la scarica. Questo aumento di valenza è chiamato ossidazione nella terminologia elettrochimica.

Nell’altra direzione, la valenza del piombo nel biossido di piombo (il Pb ha 4 valenze nel biossido di piombo) si riduce a 2+

assorbendo i due elettroni provenienti dalla reazione di ossidazione. Questa diminuzione di valenza è chiamata riduzione in termini elettrochimici.

Questi termini possono anche essere descritti dai cambiamenti nei potenziali dei singoli elettrodi della cella durante la scarica. Il potenziale (tensione) dell’elettrodo di piombo (anodo durante la scarica) aumenta passando a valori più positivi durante una scarica. Questo aumento del valore potenziale è chiamato ossidazione. Così il potenziale negativo di piastra del piombo nella cella piombo-acido passa da circa -0,35 a circa -0,20 volt. Questo è un aumento del potenziale. Perciò questa reazione è definita di natura anodica.

Al contrario, il potenziale dell’elettrodo di biossido di piombo (catodo durante la scarica) diminuisce spostandosi verso il lato negativo, cioè il valore diventa sempre più basso man mano che la scarica procede. Il potenziale positivo di piastra del biossido di piombo nella cella piombo-acido passa da circa 1,69 a circa 1,5 volt. Questa è una diminuzione del potenziale. Perciò questa reazione è definita di natura catodica e si dice che la riduzione avviene su una piastra positiva durante la scarica.

Queste riduzioni delle tensioni di lavoro durante la scarica sono dovute a ciò che si chiama polarizzazione, causata da una combinazione di sovratensione, η, e resistenza interna, che si verifica su entrambi gli elettrodi. Detto semplicemente, la sovratensione è la differenza tra l’OCV e le tensioni di funzionamento.

Così, durante la scarica, Edisch = EOCV – ηPOS – ηNEG – IR.

Ma, per la reazione di caricaECh = EOCV + ηPOS + ηNEG + IR.

IR si riferisce alla resistenza interna offerta dai materiali all’interno della cella come l’elettrolita, il materiale attivo ecc. L’IR dipende dal design della cella, cioè il separatore usato, il passo tra le piastre, i parametri interni del materiale attivo (dimensione delle particelle, area superficiale, porosità, ecc.), la temperatura e la quantità di PbSO4 nel materiale attivo. Può essere presentato come la somma di diverse resistenze offerte dal piombo superiore, la massa attiva e lo strato di corrosione, l’elettrolita, il separatore e la polarizzazione dei materiali attivi.

I primi tre fattori sono influenzati dal design della cella. Non si può fare un’affermazione generale sui valori di polarizzazione, ma di solito è dello stesso ordine di grandezza della resistenza iniziale offerta dal cavo superiore. Le piastre più lunghe hanno più IR. Può essere determinato dalla pendenza della parte iniziale della curva di scarico. Per lo stesso design, una cella di capacità superiore avrà una resistenza interna inferiore. La resistenza interna di una VRLAB 12V/28Ah è di 6 mΩ, mentre quella di una batteria di capacità inferiore (12V/ 7Ah) è da 20 a 23 mΩ.

A valori di η molto bassi, la relazione tra η e la corrente, I, prende la forma della legge di Ohm e le equazioni di cui sopra si semplificano come

Edisch = EOCV – IR.
ECh = EOCV + IR.

La discussione precedente riguarda la reazione di scarica di una cella al piombo-acido.
I fenomeni opposti si verificano durante la reazione di carica della cella al piombo.

Nel caso delle batterie primarie, l’elettrodo positivo è di solito chiamato catodo mentre l’elettrodo negativo è chiamato anodo, e questo è inequivocabile poiché si verifica solo la scarica.

Così l’elettrodo di piombo che fungeva da anodo si comporta da catodo durante la reazione di carica e l’elettrodo di biossido di piombo che fungeva da catodo si comporta ora da anodo. Per evitare ambiguità, usiamo semplicemente elettrodi o piastre positive e negative nelle celle secondarie.
Per illustrare come funziona in pratica, la figura seguente mostra alcune curve ipotetiche per la scarica e la carica di una batteria al piombo-acido.

Si vede chiaramente che la tensione di scarica pratica si trova al di sotto della tensione di circuito aperto di 2,05V, e la tensione di carica pratica si trova al di sopra di questo valore. La deviazione da η è una misura dell’influenza combinata della resistenza interna della cella e delle perdite di polarizzazione. Ogni volta che la corrente di scarica o di carica viene aumentata, il valore di η diventa maggiore, in accordo con le equazioni date sopra.

Fig 1 & 2 Piastra tubolare
Fig 1 Cambiamenti nella tensione di un LAB e reazioni Redox della piastra pos e negativa
Fig 2 Cambiamenti nella tensione delle piastre e della cella durante la scarica di carica L'esempio preso è una cella al piombo

Per riassumere le reazioni:
Piombo, il materiale attivo negativo:
Durante la scarica: Pb → Pb2+ + 2e-
Durante la carica: Pb2+ → Pb (cioè, PbSO4 → Pb)

Biossido di piombo, il materiale attivo positivo:
Durante la scarica: Pb4+ → Pb2+ (PbO2 → PbSO4)
Durante la carica: Pb2+ → PbO2 (cioè, PbSO4 → PbO2)

Poiché entrambi i materiali dell’elettrodo sono convertiti in solfato di piombo, a questa reazione è stato dato il nome di “teoria del doppio solfato” da Gladstone e Tribe nel 1882.

Classificazione delle batterie

A seconda della natura delle reazioni elettrochimiche che avvengono in queste cellule, esse possono essere classificate in

  • Batterie primarie
  • Secondario (o batteria o accumulatore)
  • Celle a combustibile

All’inizio, è meglio capire le differenze tra questi tipi. Nella batteria primaria, la reazione elettrochimica è irreversibile, mentre le celle secondarie sono note per la loro reversibilità di reazione. La cella a combustibile è anche una cella primaria, ma la differenza tra la cella a combustibile e una cella primaria è che i reagenti sono tenuti fuori dal contenitore della cella, mentre in una cella primaria i reagenti sono all’interno della cella.

  • Le celle primarie (per esempio, le celle argento-ossido-zinco usate negli orologi da polso, le celle MnO2- Zn usate per le torce e i telecomandi per le unità AC, TV, ecc.) rientrano in questa categoria. In queste celle, le reazioni possono procedere solo in una direzione e non possiamo invertire la reazione facendo passare l’elettricità nella direzione opposta.
  • Al contrario, i richiami secondari sono noti per la loro reversibilità delle reazioni che producono energia. Dopo la scarica, se passiamo la corrente continua in direzione opposta, i reagenti originali si rigenerano dai prodotti di reazione. Esempi di questo tipo di batteria sono la batteria al piombo-acido, la batteria Li-ion, la batteria Ni-Cd (in realtà NiOOH-Cd), la batteria Ni-Fe, la batteria Ni-MH, per citare le batterie secondarie più comuni.
  • Per elaborare il concetto di reversibilità, il biossido di piombo (PbO2) nell’elettrodo positivo (comunemente chiamato “piastre”) e il piombo (Pb) nella piastra negativa di una cella piombo-acido, sono entrambi convertiti in solfato di piombo (PbSO4) quando entrambi i materiali reagiscono con l’elettrolita, acido solforico diluito, durante la reazione di produzione di energia. Questo è rappresentato dagli elettrochimici come segue:
  • PbO2 + Pb + 2PbSO4 Carica ↔ Scarica 2PbSO4 + 2H2O
  • Una cella a combustibile è anche una cella primaria, ma i suoi reagenti sono alimentati dall’esterno. Gli elettrodi della cella a combustibile sono inerti, nel senso che non vengono consumati durante la reazione della cella, ma semplicemente aiutano nella conduzione elettronica e hanno effetti elettrocatalitici. Queste ultime proprietà permettono l’elettro-riduzione o l’elettro-ossidazione dei reagenti (i materiali attivi).
  • I materiali anodici attivi usati nelle celle a combustibile sono di solito combustibili gassosi o liquidi come l’idrogeno, il metanolo, gli idrocarburi, il gas naturale (i materiali ricchi di idrogeno sono chiamati combustibili) che vengono immessi nel lato anodico della cella a combustibile. Poiché questi materiali sono come i combustibili convenzionali usati nei motori termici, il termine “cella a combustibile” si è affermato per descrivere questo tipo di celle. L’ossigeno, spesso aria, è l’ossidante predominante e viene alimentato nel catodo.

Celle a combustibile

  • In teoria, una singola cella a combustibile H2/O2 potrebbe produrre 1,23 V a condizioni ambientali.

    La reazione è: H2 + ½ O2 → H2O o 2H2 + O2 → 2H2O E° = 1,23 V

    In pratica, tuttavia, le celle a combustibile producono tensioni utili che sono molto lontane dalla tensione teorica di 1,23 V e, di conseguenza, le celle a combustibile generalmente operano tra 0,5 e 0,9 V. Le perdite o le riduzioni di tensione dal valore teorico sono indicate come ”polarizzazione”, termine e fenomeno che è applicabile a tutte le batterie in misura diversa.

Batteria al piombo

Nella produzione di batterie al piombo-acido, viene impiegata una varietà di elettrodi positivi (o come comunemente chiamato, “piastre”):
Essi sono:

a. Piastra piatta o piastra a griglia o piastra incollata o piastra a reticolo o piastra Fauré (spessore da 1,3 a 4,0 mm)
b. Piastre tubolari (diametro interno ~ 4,9 a 7,5 mm)
c. Piastre Planté (da 6 a 10 mm)
d. Piastre coniche
e. Piastre di gelatina (da 0,6 a 0,9 mm)
f. Piastre bipolari

  • Di questi, il primo tipo a piastra piatta è il più usato; anche se può fornire forti correnti per una breve durata (per esempio, l’avvio di un’automobile o di un gruppo DG), ha una vita più breve. Qui, un collettore di corrente rettangolare di tipo reticolare è riempito con una pasta fatta da una miscela di ossido di piombo, acqua e acido solforico, accuratamente asciugata e formata. Sia le lastre positive che quelle negative sono fatte nello stesso modo, tranne che per la differenza di additivi. Essendo sottili, le batterie fatte con queste piastre possono fornire correnti molto alte necessarie per l’avviamento di un’automobile. L’aspettativa di vita è di 4 o 5 anni in una tale applicazione. Prima dell’avvento della disposizione alternatore-raddrizzatore, la vita era più breve.
  • Piastre tubolari: Il prossimo tipo di piastra molto usato è la piastra tubolare che ha una durata maggiore, ma non può fornire un’esplosione di corrente come nel tipo di piastra piatta delle batterie. Discutiamo le piastre tubolari in dettaglio qui di seguito.
  • Per una lunga durata con i requisiti di affidabilità più severi in luoghi come le centrali elettriche e le centrali telefoniche, il tipo di cella al piombo preferito è il tipo Planté. Il materiale di partenza per la piastra tubolare è una fusione di circa 6-10 mm di spessore di lastre di piombo ad alta purezza con numerose laminazioni verticali sottili. La superficie di base della piastra tubolare è notevolmente aumentata dalla costruzione lamellare, che si traduce in una superficie effettiva che è 12 volte quella della sua area geometrica.
  • La piastra conica è un reticolo di griglie di piombo puro di forma circolare (a coppa con un angolo di 10°), piastre impilate orizzontalmente una sopra l’altra e fatte di piombo puro. Questo è stato sviluppato dai Bell Telephone Laboratories, USA.
  • Le piastre Jelly roll sono sottili piastre a griglia continua fatte di una lega di stagno a basso contenuto di piombo di spessore da 0,6 a 0,9 mm che facilita le alte velocità. Le piastre sono incollate con ossidi di piombo, separate da un tappetino di vetro assorbente, e avvolte a spirale per formare l’elemento base della cella.
  • Piastre bipolari: Queste piastre hanno una lastra centrale conduttrice fatta di metallo o di polimero conduttore e hanno materiale attivo positivo su un lato e negativo sull’altro. Tali piastre sono impilate in modo tale che i materiali attivi di polarità opposta si fronteggiano con un separatore tra di loro, per ottenere la tensione richiesta.
  • Qui viene eliminato il collegamento separato tra le celle, riducendo così la resistenza interna. Si può notare che le piastre estreme in una batteria bipolare sono sempre di tipo mono-polare, sia positivo che negativo

2. Differenze - Batteria tubolare contro batteria a piatto piatto

Lebatterie a piastre piatte sono destinate a scariche ad alta corrente e di breve durata, come nelle batterie di avviamento delle automobili e dei gruppi elettrogeni. Di solito hanno una vita di 4 o 5 anni e la fine della vita è dovuta principalmente alla corrosione delle griglie positive, con la conseguente perdita di contatto tra la griglia e i materiali attivi e il conseguente shedding.

Qual è meglio la batteria tubolare o piatta?

Lepiastre tubolari sono robuste e quindi hanno una vita di circa 10-15 anni nel funzionamento del galleggiante. Sono anche adatti per il servizio ciclico e offrono la massima durata del ciclo. Il materiale attivo è contenuto nello spazio anulare tra la spina dorsale e il supporto di ossido. Questo limita lo stress dovuto ai cambiamenti di volume che si verificano quando le cellule vengono ciclate.

La fine della vita è di nuovo dovuta alla corrosione delle spine e alla perdita di contatto tra le spine e il materiale attivo. Tuttavia, l’area di contatto tra la spina dorsale e la massa attiva è ridotta in una tale costruzione e quindi sotto forti scarichi di corrente, la densità di corrente più alta provoca un riscaldamento locale che porta alla rottura dei tubi e alla rottura dello strato di corrosione.

Lecelle a piastra Planté hanno la durata di vita più lunga, ma la capacità è scarsa rispetto ad altri tipi. Ma queste celle offrono la massima affidabilità e la più lunga durata del galleggiante. Il loro costo è anche più alto, ma se viene stimato sulla durata di vita è in realtà inferiore rispetto ad altre celle di tipo stazionario. La ragione per una maggiore durata è che la superficie della piastra positiva è continuamente rigenerata con una perdita di capacità praticamente nulla nel corso della sua vita.
Le celle a piastra conica sono appositamente progettate da Lucent Technologies (ex AT&T Bell Laboratories) per una vita molto lunga di più di 30 anni. Recenti dati sulla corrosione di 23 anni proiettano una vita da 68 a 69 anni per tali batterie.

Il design del jelly roll si presta alla produzione di massa grazie alle eccellenti caratteristiche meccaniche ed elettriche. La costruzione Jelly-roll (elettrodi avvolti a spirale) in un contenitore cilindrico può mantenere pressioni interne più elevate senza deformazioni e può essere progettata per avere una maggiore pressione di rilascio
rispetto alle celle prismatiche. Ciò è dovuto a un contenitore metallico esterno utilizzato per prevenire la deformazione delle casse di plastica a temperature più elevate e alle pressioni interne della cella. La gamma di pressioni di sfiato può essere alta come 170 kPa a 275 kPa (25 a 40 psi ” 1,7 a 2,75 bar) per un metallo rivestito, cella avvolto a spirale a di 7 kPa a 14 kPa (1 a 2 psi ” 0,07 a 0,14 bar ) per una grande batteria prismatica.

Batterie a piastra bipolare
Nella progettazione di una piastra bipolare, c’è un materiale centrale elettronicamente conduttore (sia un foglio di metallo o un foglio di polimero conduttore) su un lato del quale è materiale attivo positivo e l’altro, un materiale attivo negativo. Qui viene eliminato il collegamento separato tra le celle, riducendo così la resistenza interna. È da notare che le piastre estreme in una cella terminale bipolare sono sempre di tipo monopolare, sia positive che negative.

Queste batterie hanno

  1. Maggiore energia specifica e maggiore densità di energia (cioè, 40% in meno di volume o 60% delle dimensioni di una normale batteria al piombo, 30% in meno di peso o 70% della massa delle normali batterie al piombo.
  2. Raddoppia la durata del ciclo
  3. È necessaria la metà del piombo e anche gli altri materiali sono ridotti.

3. Perché la batteria tubolare?

Le batterie a piastre tubolari sono utilizzate principalmente dove c’è un requisito di lunga durata con una capacità maggiore. Sono usati principalmente in applicazioni di standby nelle centrali telefoniche e nelle grandi fabbriche per i camion per la movimentazione dei materiali, i trattori, i veicoli da miniera e, in una certa misura, i carrelli da golf.

Al giorno d’oggi, queste batterie sono onnipresenti in ogni casa per applicazioni inverter-UPS.

Piastre di tipo extra alto (fino a 1 metro e più) sono impiegate nelle batterie dei sottomarini per fornire energia quando il sottomarino è sommerso. Fornisce una potenza silenziosa. Le capacità variano da 5.000 a 22.000 Ah. Le celle sottomarine hanno delle pompe ad aria inserite al loro interno per annullare la stratificazione acida dell’elettrolito per le celle alte da 1 a 1,4 m.

Le batterie al piombo-acido regolate a valvole con elettrolita gelificato sono ampiamente utilizzate nei sistemi di energia non rinnovabile come le applicazioni solari.

Le batterie EV a piastra tubolare sottile per furgoni e autobus trovano applicazioni nel campo EV e sono in grado di fornire da 800 a 1500 cicli a seconda dello spessore della colonna e dell’energia specifica.

La seguente tabella illustra la relazione tra lo spessore della spina dorsale, il passo della piastra, la densità dell’elettrolito, l’energia specifica e il numero di cicli di vita.

Diametro del tubo mm --> 7.5 6.1 4.9
Densità dell'elettrolito (Kg/litro) 1.280 1.300 1.320
Numero di spine 19 24 30
Passo della piastra tubolare 15.9 13.5 11.4
Spessore della colonna vertebrale 3.2 2.3 1.85
Energia specifica (Wh per kg) a 5 ore 28 36 40
Durata del ciclo 1500 1000 800

Riferimento: K. D. Merz, J. Power Sources, 73 (1998) 146-151.

4. Come fare la piastra della batteria tubolare?

Borse tubolari

La prima piastra tubolare è stata costruita con anelli individuali da Phillipart e con borse tubolari da Woodward sono stati riportati nel 1890-1900 e l’uso di tubi di gomma scanalati (Exide Ironclad) è stato sviluppato da Smith nel 1910.

L’assemblaggio di tubi individuali sulle spine era praticato in precedenza e questa era un’operazione più lenta rispetto all’inserimento di una griglia completa in un design a più tubi. Inoltre, il legame fisico tra i singoli tubi del multi-tubo dà una maggiore rigidità durante l’operazione unitaria di riempimento. La flessione delle spine dorsali dovuta al movimento laterale viene eliminata. Queste sono le ragioni per cui i produttori di batterie preferiscono utilizzare i guanti PT Bags multi-tubo.

Preparazione del tubo. Al giorno d’oggi, i multi-tubi o PT Bags (guanti) sono prodotti da fibre di vetro o organiche chimicamente resistenti (poliestere, polipropilene, copolimeri di acrilonitrile, ecc.) con metodi di tessitura, intrecciatura o feltratura.

Nei primi tempi dei multi-tubi, si usava una tela tessuta orizzontalmente in un filato del copolimero di cloruro di vinile e acetato di vinile. Due strati del tessuto sono stati passati su entrambi i lati di una fila di formatori cilindrici (mandrino) e la cucitura tra i formatori adiacenti è stata saldata a caldo.

Ma l’acetato di vinile degenerava per rilasciare acido acetico che, a sua volta, portava alla corrosione della colonna vertebrale e al fallimento prematuro della batteria. Inoltre, la saldatura a caldo doveva essere controllata e dimensionata. Se la pressione di tenuta superava un limite, le cuciture erano deboli e presto gli strati si separavano in servizio. Al contrario, se la pressione di sigillatura era troppo forte, la sigillatura era buona ma la cucitura effettiva era sottile e si staccava presto in servizio.

Anche se questo non ha causato un problema serio in servizio, c’era la tendenza della cucitura a separarsi durante le operazioni iniziali di manipolazione e riempimento e il centro della piastra tubolare tendeva a piegarsi, il che creava problemi nelle operazioni successive dell’unità, ad esempio, a volte c’era difficoltà a inserire la piastra nel contenitore della cella a causa delle piastre sovradimensionate.

Sono stati provati vari metodi per sostituire la saldatura a caldo, come la tecnica di tessitura composita in cui i tubi sono stati tessuti in un’unica operazione con i filamenti che si incrociano tra i tubi per formare una cucitura integrale. I multi-tubi moderni usano la termosaldatura o la cucitura con filamenti di poliestere tessuti in tele o tessuti non tessuti di poliestere.

L’attrazione dei tessuti non tessuti sta nel fatto che il costo di produzione è più basso a causa del minor costo del materiale di base attraverso l’eliminazione del processo di tessitura. Tuttavia, per raggiungere lo stesso ordine di resistenza allo scoppio, il tubo non tessuto deve essere più spesso della sua controparte tessuta. Questo riduce sia il volume di lavoro dell’elettrolita (a causa del maggiore volume del materiale del tubo non tessuto). Anche il volume del materiale attivo all’interno del tubo è ridotto, il che, a sua volta, riduce marginalmente la capacità della cella.

Le eccellenti piastre tubolari possono essere realizzate sia con tubi singoli che con più tubi forniti
il filato utilizzato nella fabbricazione dei tubi è uno che non si denatura facilmente in servizio. Sia i filamenti di vetro che quelli di poliestere appositamente formulati soddisfano questo requisito.

Le batterie a piastre tubolari si trovano in applicazioni fisse o in materiale rotabile, di solito caricate a galleggiante a una tensione da 2,2 a 2,30 volt per cella, a seconda del peso specifico dell’elettrolita. Esempi sono le comuni batterie per inverter/UPS, le batterie telefoniche e le celle per l’illuminazione e l’aria condizionata dei treni (celle TL & AC).

Riempitrice di piastre tubolari

In una piastra tubolare, una serie di spine di spessore adeguato fuse in una lega di piombo è collegata a una sbarra superiore, manualmente o con una macchina di pressofusione. Le spine sono inserite in sacchetti tubolari e lo spazio tra le spine e il sacchetto PT (chiamato anche porta-ossido) è riempito con ossido secco o pasta tissotropica umida. Le spine sono tenute in posizione centrale da una sporgenza a forma di stella fornita nelle spine. Le borse PT sono fatte invariabilmente con fibre di poliestere tessute o infeltrite. Le piastre tubolari così preparate sono successivamente decapate, curate/asciugate e formate in vasca o in barattolo con un’adeguata densità elettrolitica.

L’ossido di riempimento può avere qualsiasi composizione: solo ossido grigio, ossido grigio e piombo rosso (chiamato anche “minium”) in proporzioni variabili.

Il vantaggio di avere il piombo rosso nella miscela positiva è che il tempo di formazione si riduce proporzionalmente alla percentuale di piombo rosso che contiene. Questo perché il piombo rosso contiene già circa un terzo di biossido di piombo, mentre il resto è monossido di piombo. Cioè, il piombo rosso Pb3O4 = 2PbO + PbO2.

In alternativa, le piastre tubolari riempite possono essere assemblate direttamente, dopo aver rimosso le particelle di ossido sciolte che aderiscono ai tubi all’esterno, in celle e batterie e formate in barattolo.

La lastra negativa è fatta come al solito seguendo la pratica di fabbricazione delle lastre piane. Gli espansori sono gli stessi, ma la quantità di “blanc fixe” è maggiore rispetto ad una pasta per automobili. Le piastre tubolari sono polimerizzate in forni di polimerizzazione per circa 2 o 3 giorni, dopo essere passate attraverso un tunnel di asciugatura riscaldato da elettricità o gas per rimuovere l’umidità superficiale, in modo che le piastre non si attacchino tra loro durante i successivi processi di manipolazione.

La differenza nel peso specifico di riempimento iniziale dell’acido per le pile decapate e non decapate deriva dal fatto che la prima contiene più acido e quindi si sceglie un peso specifico più basso per le pile a piastre tubolari decapate, di solito circa 20 punti più basso. Il peso specifico finale dell’elettrolita è di 1,240 ± 0,010 a 27°C.
Più alto è il peso specifico dell’elettrolita, maggiore sarà la capacità ottenibile da queste batterie, ma la vita sarà influenzata negativamente.
Oppure, le piastre tubolari possono essere formate in vasca, asciugate e assemblate e caricate come al solito.

5. Diversi tipi di piastra tubolare

Fig 3 & 4 Piastre tubolari
Fig 3 I tubi possono essere rotondi, ovali, piatti, quadrati o rettangolari Fig 4 Diagramma di flusso che rappresenta le operazioni dell'unità

La maggior parte dei produttori di batterie impiegano tubi cilindrici per fare piastre tubolari e batterie. Anche in questo il diametro dei tubi e, di conseguenza, quello delle spine può variare da circa 8 mm a 4,5 mm.

Tuttavia, i tubi possono anche essere di tipo ovale o piatto o quadrato o rettangolare. La struttura di base è la stessa delle antesignane piastre tubolari cilindriche (come mostrato sopra).

7. Vantaggi dell'uso delle piastre tubolari

Le piastre tubolari sono molto note per la loro lunga durata a causa dell’assenza di spargimento di materiale attivo. Il materiale attivo è trattenuto dal sacchetto tubolare e quindi è possibile utilizzare una densità di imballaggio inferiore per massimizzare il coefficiente di utilizzo. La maggiore porosità che ne risulta può anche aiutare a utilizzare più materiale attivo nel processo di produzione di energia. Più spessa è la spina dorsale, più saranno i cicli di vita che si possono ottenere da tali piastre tubolari.

Il numero di cicli di vita è compreso tra 1000 e 2000 cicli a seconda dello spessore delle piastre. Più spessa è la piastra tubolare, più sarà il numero di cicli che danno. Si dice che le piastre tubolari possono offrire un numero doppio di cicli di vita rispetto a una piastra piatta dello stesso spessore.

8. Come viene migliorata la durata della batteria utilizzando le piastre tubolari?

Come discusso in precedenza, la durata di una batteria a piastre tubolari è superiore a quella delle batterie a piastre piatte. Le seguenti frasi descrivono le ragioni della maggiore durata delle batterie a piastre tubolari. La cosa più importante è che il materiale attivo è tenuto rigidamente dai tubi porta ossido, impedendo così lo spargimento del materiale, che è la ragione principale del fallimento delle batterie. Inoltre, nel corso del tempo, le spine ottengono una copertura protettiva di biossido di piombo che aiuta a ridurre il tasso di corrosione delle spine. La corrosione è semplicemente la conversione della spina dorsale della lega di piombo in diossido di piombo.

Termodinamicamente il piombo e le leghe di piombo sono instabili sotto un alto potenziale anodico di più di 1,7 a 2,0 volt e sotto l’atmosfera corrosiva dell’acido solforico tende ad essere corroso e convertito in PbO2.

Ogni volta che la cella è in carica a tensioni molto lontane dalla tensione di circuito aperto (OCV) sul lato superiore, l’ossigeno si evolve come risultato della dissociazione elettrolitica dell’acqua e l’ossigeno si evolve sulla superficie delle piastre tubolari positive e deve diffondersi alla spina dorsale per corroderla. Poiché c’è uno spesso strato di materiale attivo positivo (PAM) che circonda le spine, l’ossigeno deve viaggiare dalla superficie per una lunga distanza e quindi il tasso di corrosione tende ad essere ridotto. Questo aiuta a prolungare la vita delle cellule della piastra tubolare.

9. Quali applicazioni di batterie dovrebbero idealmente utilizzare piastre per batterie tubolari?

Le piastre tubolari sono impiegate principalmente per batterie ad alta capacità e lunga durata del ciclo, come nei veicoli industriali di trasporto interno (carrelli elevatori, auto elettriche, ecc.). È anche usato nella batteria OPzS per applicazioni di immagazzinamento dell’energia come Battery Energy Storage System (BESS), dove la capacità delle celle può essere alta come 11000 Ah e da 200 a 500 kWh e fino a 20 MWh.

Le applicazioni tipiche per i BESS sono per il Peak shaving, il controllo della frequenza, la riserva di rotazione, il livellamento del carico, il potere di emergenza, ecc.

Al giorno d’oggi, ogni famiglia in alcuni paesi ha almeno una batteria a piastre tubolari per applicazioni inverter-UPS. Per non parlare di alcuni stabilimenti commerciali, per esempio i centri di navigazione, dove è necessaria una fornitura continua di energia.

Recentemente, le batterie al piombo-acido regolate da valvole a piastra tubolare gelificata sono ampiamente utilizzate nei sistemi di energia non rinnovabile come le applicazioni solari. Qui il tipo gelificato è il più adatto.

I veicoli elettrici che richiedono 800 cicli con 40 Wh/kg di energia specifica possono utilizzare al meglio le batterie EV tubolari sottili. La gamma di capacità disponibile è da 200Ah a 1000Ah a 5 h.

10. Caratteristiche tecniche importanti di una batteria a piastre tubolari

La caratteristica tecnica più importante della batteria a piastre tubolari è la sua capacità di trattenere il materiale attivo durante tutta la sua aspettativa di vita senza che il processo di spargimento avvenga nel corso normale e ponendo così le basi per una lunga durata.

Le batterie che impiegano tali piastre hanno una lunga durata di 15-20 anni in applicazioni stazionarie in condizioni di carica fluttuante, come le centrali telefoniche, lo stoccaggio di energia. Per le operazioni cicliche (come le batterie da trazione), le batterie possono fornire ovunque da 800 a 1500 cicli, a seconda della produzione di energia per ciclo. Più bassa è la produzione di energia per ciclo, più alta sarà la durata di vita.

Le piastre tubolari sono più adatte per le applicazioni solari in versione regolata a valvola con elettrolita gelificato, senza problemi di stratificazione nell’elettrolita. Dal momento che non richiede un rabbocco periodico con acqua approvata e dal momento che queste celle non emettono gas nocivi, sono eminentemente adatte alle applicazioni solari.

11. Conclusione

Tra le fonti di energia elettrochimica utilizzate al giorno d’oggi, la batteria al piombo supera tutti gli altri sistemi considerati singolarmente. Nella batteria al piombo-acido, le batterie automobilistiche onnipresenti guidano la squadra. Poi viene la batteria industriale a piastre tubolari. Le batterie automobilistiche hanno capacità nella gamma di 33 Ah a 180 Ah, tutti in contenitori monoblocco, ma l’altro tipo ha una capacità di 45 Ah a migliaia di Ah.

Le batterie a piastre tubolari di piccola capacità (fino a 200 Ah) sono assemblate in monoblocchi e le celle da 2v di grande capacità in contenitori singoli e collegate in serie e in parallelo. Le batterie a piastre tubolari di grande capacità sono utilizzate come fonti di energia stazionarie nelle centrali telefoniche, negli stabilimenti di stoccaggio dell’energia, ecc. Le batterie di trazione hanno diverse applicazioni come carrelli per la movimentazione dei materiali, carrelli elevatori, carrelli da golf, ecc.

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