Revista >> Noiembrie - Decembrie 2015 [Nr. 180] >> Cercetare & Invatamant superior

A doua tinerețe a acumulatoarelor plumb-acid

INCDTIM

25 Noiembrie 2015

Bateria plumb-acid este una dintre cele mai vechi metode de stocare a energiei, invenția fizicianului francez Gaston Planté împlinind recent 150 de ani. Cu toate acestea, cercetări fundamentale pentru elucidarea detaliilor de funcționare ale acumulatoarelor plumb-acid au fost publicate abia după 2010, când a fost pus în evidență atât mecanismul conducției electrice în dioxidul de plumb, cât și conexiunea directă între teoria relativității și valoarea ridicată a tensiunii electromotoare produsă de baterie. În starea încarcată, bateria constă dintr-un electrod negativ de plumb poros, unul pozitiv, având ca masă activă dioxidul de plumb și un electrolit format din acid sulfuric cu concentrație slabă. Din punct de vedere tehnologic, funcționarea bateriei este asigurată prin aderența dioxidului de plumb, respectiv a plumbului poros la grile metalice de plumb care constituie “scheletul” electrozilor. La închiderea circuitului exterior, aceste grile conduc electronii formați prin reacții redox în masele active ale celor doi electrozi spre circuitul exterior, asigurând o tensiune electromotoare de aproximativ 2,14 V.

Tehnologia acumulatorelor plumb-acid
Bateriile moderne pe bază de plumb-acid sunt produse într-o largă varietate de mărimi, forme și modele, asigurând un spectru larg de utilizare. Deși bateriile pe bază de plumb-acid au o energie specifică relativ joasă comparativ cu alte dispozitive electrochimice de stocare a energiei, ele constituie la ora actuală cea mai importantă sursă de energie reîncărcabilă. La o privire mai atentă, acest fapt poate fi explicat prin faptul că în analiza avantajelor economice pe care le prezintă un model oarecare de baterie trebuie să se țină cont atât de energia specifică (i.e. cantitatea de energie care poate fi stocată la o masă activă dată), cât și de durata de viață sau de costurile de producţie, acestea din urmă dovedindu-se de multe ori decisive în alegerea unui model de baterie pentru uz industrial. Luând în calcul toți acești factori, se poate afirma că acumulatorii pe bază de plumb-acid constituie un compromis viabil pentru tehnologia actuală, fiind de așteptat să rămână cel mai important sistem de stocare a energiei pentru o perioadă lungă de timp.

Multă vreme bateriile de tip flooded (i.e. cu electrolit lichid) au fost practic singurele folosite pe plan industrial (în principal pentru industrira auto). A doua jumătate a secololui trecut a marcat apariția pe piață a bateriilor cu valve de regularizare și suport de fibră de sticlă și/sau gel (baterii AGM/VRLA). Acest design a devenit tot mai popular, cu precădere pentru bateriile staționare de putere, dar și în cazul anumitor aplicații auto sau de tracțiune. În anii 90, unii experți preziceau înlocuirea bateriilor cu electrolit lichid de către cele cu valve de regularizare. Totuși, în prezent, bateriile de tip flooded continuă să fie cele mai folosite baterii de pe piață, iar înlocuirea acestora cu baterii cu valve pare a fi tot mai îndepărtată.

Principalul argument în “supraviețuirea” bateriilor clasice de tip flooded este de ordin tehnic si comercial, prețul de producţie ridicat pentru bateriile cu valve nefiind justificat de durata de viață relativ scurtă (în special pentru temperaturi de operare ridicate, sau în prezența unor presiuni mecanice cum ar fi cele cauzate de vibrații puternice).

Principalul beneficiar al tehnologiei plumb-acid este industria auto, acumulatoarele fiind elementul-cheie în procesul de demaraj al motorului, cu rol tot mai mare și în ceea ce privește asigurarea energiei electrice necesară pentru funcționarea sistemului electric al maşinii în cazul sistemelor start-and-stop. Iată de ce performanța ridicată în procesul de pornire la rece este un argument esenţial în favoarea acumulatoarelor plumb-acid. Devine tot mai importantă îmbunătățirea performanței ca funcţie de numărul de cicluri de încărcare datorită dotării autovehiculelor cu tot mai multe dispozitive care folosesc curent în interiorul maşinii.

Dacă supraviețuirea tehnologiei plumb-acid este cerută de criterii economice, ea a devenit posibilă printr-o intensificare corespunzătoare a activităților de cercetare în acest domeniu. Astfel, tehnologia de producere a aliajelor de plumb a suferit îmbunătățiri care să poată satisface noile tendințe impuse de piață. Dezvoltarea unor aliaje avansate de plumb trebuie să țină cont de specificațiile tehnice ale grilelor, structurilor ștanțate sau ale conectorilor externi pentru a îmbunătăți calitățile acestora în procesul de producție. Pe de altă parte, au fost testați o serie întreagă de aditivi pentru îmbunătățirea funcționării electrozilor, care au în vedere creşterea capacității de ciclare a bateriei și controlul proceselor redox care au loc la interfața electrod-electrolit. În sfârşit, a treia cale pentru optimizarea funcționării acumlatoarelor plumb acid este optimizarea designului acestora, începând cu forma și structura geometrică a electrozilor și continuând cu distanța dintre electrozi sau poziția colectorului de curent la nivelul electrodului.

Cercetări în cadrul INCDTIM
Cercetările în domeniul acumulatoarelor plumb-acid constituie o preocupare de dată recentă în Institutul Naţional de Cercetare Dezvoltare pentru Tehnologii Izotopice şi Moleculare INCDTIM Cluj-Napoca. Mai precis, primele investigații au fost demarate în urmă cu aproximativ doi ani și sunt axate pe îmbunătăţirea proprietăților fizice ale acumulatoarelor - cum ar fi optimizarea formei electrozilor sau îmbunătățirea aliajelor care stau la baza fabricării grilelor care susțin masa activă.

În urma analizei detaliate a distribuției de potențial în electrozi pe parcursul funcționării acestora în diverse regimuri de descărcare am propus noi strategii pentru proiectarea de modele de grilă. Acestea au în vedere atât optimizarea modului de colectare a curentului, cât și obținerea de structuri geometrice care să asigure o rată de coroziune uniformă la nivel local, ceea ce are ca efect reducerea stresului mecanic rezultat în urma modificărilor structurale ale masei active pe parcursul funcționării bateriei. Am dezvoltat o serie de produse software pentru urmărirea detaliilor proceselor menționate mai sus, rezultatele acestora fiind deja disponibile pentru analiză.