Wie das Design von Zellplatten zur Weiterentwicklung einer etablierten Batterietechnologie beiträgt
Es ist erstaunlich, dass die Geschichte der Deep-Cycle-Blei-Säure-Batterien (FLA) bereits 150 Jahre zurückreicht, doch diese Batterien sind nach wie vor die kostengünstigsten, zuverlässigsten und nachhaltigsten Formen der Batteriestromversorgung, die heute zum Einsatz kommen. Die Idee, Bleiplatten in einer Säureelektrolytlösung einzusetzen, mag einfach erscheinen, doch kleine Weiterentwicklungen im Design sorgen dafür, dass die FLA-Batterie in einer Vielzahl von Branchen nach wie vor eine beliebte Wahl ist.
Verbesserung von Rasterplatten
Die Grenzen einer jahrhundertealten Technologie zu erweitern, um mit den Anforderungen moderner Geräte Schritt zu halten, ist für Batteriehersteller wie U.S. Battery ein wichtiger Schritt. Da die Nachfrage nach längerer Laufzeit und kürzeren Ladezeiten steigt, müssen Hersteller weiterhin nach Möglichkeiten suchen, die Chemie von FLA-Batterien zu verbessern. U.S. Battery stellte fest, dass die Grenzen des Designs in der unvermeidlichen Korrosion zum Ausdruck kamen, die an den positiven Zellgitterplatten der Batterie auftrat.
Diese Gitterplatten wurden in der Regel aus einer recycelten Bleilegierung hergestellt, einem weichen Metall, das aus Blei und Antimon besteht – einer Mischung aus Blei und anderen Metallen, die zur Verbesserung der Festigkeit und der elektrischen Leitfähigkeit beigemischt wurden.
Im Rahmen von Tests stellte U.S. Battery fest, dass die Zugabe von Selen zur Blei-Antimon-Mischung zu einer Verfeinerung der Bleikörner auf mikroskopischer Ebene führte. Dadurch entstand eine feinere Bleilegierung, die im Vergleich zu herkömmlichen Blei-Antimon-Legierungen eine höhere Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufwies. Diese Verbesserungen an der Gitterlegierung führten dazu, dass die Korrosion des positiven Gitters als Hauptursache für den Ausfall von FLA-Batterien beseitigt wurde, und trugen zu einer verlängerten Zyklenlebensdauer der Batterie bei.
Züchtung von Bleisulfatkristallen
Der grundlegende Aufbau einer Batterie besteht aus positiven und negativen Platten, die, wenn sie in einen Elektrolyten eingetaucht werden, einen elektrischen Strom erzeugen. Die aktiven Materialien auf den positiven Platten wurden im Laufe der Jahrzehnte kontinuierlich verbessert. Die meisten bestehen heute aus einer Mischung aus Bleioxid, Schwefelsäure und verschiedenen Zusatzstoffen, die zu einer Paste verarbeitet wird, welche dann auf die Bleigitterlegierung aufgetragen und getrocknet wird, um eine Batteriezelle zu bilden.
Dieser Prozess wird als „Hydroset“ bezeichnet, ein Aushärtungs- und Trocknungsverfahren bei der Herstellung von Blei-Säure-Batterieplatten. In der Vergangenheit wurden positive Elektroden mit diesem Verfahren bearbeitet, das darauf ausgelegt ist, Kristalle aus vierbasischem Bleisulfat (TTBLS) auf den Platten wachsen zu lassen, um Festigkeit zu gewährleisten und der ständigen Ausdehnung und Kontraktion der aktiven Materialien während des normalen Lade- und Entladevorgangs (Zyklen) standzuhalten. Dieser Kristallzüchtungsprozess wies Einschränkungen hinsichtlich der Kontrolle des Größenbereichs der TTBLS-Kristalle auf, was dazu führte, dass einige Kristalle größer waren als andere. Das Kristallwachstum hing von vielen Faktoren wie Zeit, Temperatur, Luftfeuchtigkeit usw. ab, sodass die Größe der fertigen TTBLS-Kristalle stets unvorhersehbar war. Dies wurde als einschränkender Faktor für die Gesamtlaufzeit der Batterie mit einer einzigen Ladung, die zum Erreichen einer vollen Ladung benötigte Zeit sowie die Gesamtzykluslebensdauer der Batterie angesehen.
Die Ingenieure von U.S. Battery arbeiteten an Methoden zur Verbesserung des Hydroset-Verfahrens durch den Einsatz von Additiven zur Kristallkeimbildung. Dadurch wurde die große Bandbreite an Kristallgrößen verändert, was ein kontrollierteres Wachstum auf das gewünschte Niveau ermöglichte. Die Möglichkeit, die Größe der Kristalle in der TTBLS-Struktur einheitlich zu steuern, führte zu einer erhöhten Anfangskapazität, einem schnelleren Erreichen der Nennkapazität, einer höheren Spitzenkapazität und einer verbesserten Ladeperformance bei einer Vielzahl moderner Batterieladetechnologien. U.S. Battery nannte dieses Verfahren „Xtreme Capacity“ und integrierte es in sein gesamtes Sortiment an FLA-Deep-Cycle-Batterieprodukten.
Fortschrittliche organische Materialien
Weitere Verbesserungen ergaben sich durch die Zugabe organischer Materialien, wie beispielsweise Kohlenstoffzusätze in Form von hochentwickeltem Graphit, Graphen und Nanokohlenstoffen, eine verbesserte dynamische Ladungsaufnahme sowie eine kontrollierte Sulfatierung in den negativen Platten von FLA-Deep-Cycle-Batterien. Die Kohlenstoffzusätze verhinderten zudem die natürliche Neigung des negativen aktiven Materials, während des Lade- und Entladezyklus zu schrumpfen oder zu verklumpen, was die Kapazität und Lebensdauer der Batterie beeinträchtigte.
Die jüngsten Fortschritte bei diesen Kohlenstoffmaterialien haben neue Möglichkeiten eröffnet, um verschiedene Leistungsbeschränkungen von FLA-Blei-Säure-Batterien zu überwinden. Eine davon betrifft Anwendungen im Bereich der Energiespeicherung, wo die unvorhersehbare Einspeisung aus Solar-, Wind- und anderen erneuerbaren Energiequellen zu Verbesserungen hinsichtlich der Zuverlässigkeit und der Energiespeicherkapazität geführt hat.
Eine tragfähige Energiequelle
Die im Laufe der Jahrzehnte vorgenommenen Verbesserungen an FLA-Deep-Cycle-Batterien machen diese weiterhin zu einer praktikablen Energiequelle für viele Branchen. Bei ordnungsgemäßer Wartung und Pflege eignen sich FLA-Batterien für kostenbewusste Unternehmen und Privatpersonen und sind in Situationen nützlich, in denen das Gewicht keine Rolle spielt. In diesen Fällen weist die moderne FLA-Batterie geringere Anschaffungskosten auf, hat sich als zuverlässige Technologie bewährt, ist im Sinne von Umweltinitiativen zu fast 100 Prozent recycelbar und sehr robust.