Kurşun asit batarya ailesine dahil bataryaların farklılıkları, avantaj ve dezavantajları

1859 senesinde Fransız fizikçi Gaston Planté tarafından icad edilen kurşut asit bataryalar, ticari kullanıma sunulan ilk şarjlı bataryalar olmuştur. Çağı geçmiş olmasına rağmen kurşun, kimyada günümüzde de yaygın bir şekilde kullanılmaya devam etmektedir. Bu derecede popüler olmasının sebepleri vardır; kurşun-asit güvenilir bir yapıdadır, ve watt başına çok makul bir maliyet sunar. Kurşun asit kadar ucuz bir şekilde büyük güç verebilen pek az batarya çeşidi vardır ve bu sayede otomobil, golf arabaları, forklift, yat ve kesintisiz güç kaynakları (UPS) gibi bir çok kullanım alanında uygun maliyet sağlamaktadır.

Kurşun asit bataryaların ızgaralı yapısı kurşun alaşımdan imal edilmektedir. Saf haldeki kurşun çok yumuşak olduğundan tek başına kolay dağılır ve kullanım için elverişli değildir bu yüzden mekanik kuvvet elde etmek için diğer metallerden de küçük miktarlarda ilave edilerek elektriksel niteliklerinde de iyileştirme sağlanır. En yaygın olarak kullanılan ilaveler antimon, kalsiyum, kalay ve selenyumdur. Bu bataryalar sıkça “kurşun-antimon” ve “kurşun-kalsiyum” olarak da bilinirler.

Antimon ve kalay ilavesi derin döngü üzerinde iyileştirici etki yapar fakat bu durum su tüketimini arttırarak dengelemeye olan ihtiyacı daha da şiddetlendirir. Kalsiyum ise kendi kendine deşarj olmayı azaltıcı etki yapar fakat fazla şarj edildiği vakit, ızgara üzerinde oluşan oksitlenme nedeniyle pozitif kurşun-kalsiyum plaka aksi yönde bir yan etkiye sahiptir. Modern kurşun asit bataryaların üretiminde ayrıca selenyum, kadmiyum, kalay, ve arsenik gibi katkı maddelerinden istifade edilerek antimon ve kalsiyum muhteviyatının azaltılması amaçlanır.

Kurşun asit ağırdır ve nikel ve lityum bazlı sistemlere nispetle derin döngüde şarja karşı daha dayanıksızdır. Tamamen deşarj bataryada zorlanmalara yol açar ve her şarj/deşarj döngüsünde batarya kalıcı olarak kapasitesinden küçük bir miktar yitirir. Batarya iyi şartlarda çalıştırıldığında bu yitim küçük miktardadır fakat performans nominal kapasitenin yarısı seviyelerine düştüğünde, güçten düşme artar. Bu aşınma karakteristiği farklı derecelerde tüm batarya türleri için geçerlidir.

Deşarjın ne kadar derin gerçekleştiğine bağlı olarak, derin-döngü kullanılan alanlarda kurşun asit 200-300 şarj/deşarj döngüsü sağlar. Bu nispeten kısa ömür döngüsünün temel sebebi pozitif elektrot üzerinde ızgarada meydana gelen aşınma ve buna bağlı olarak etken maddenin eksilmesi ve pozitif plakaların genişlemesidir. Bu yıpranma hadisesi yüksek kullanım sıcaklıklarında ve yüksek akım çekildiğinde daha da hızlanır.

Kurşun asit tipte bir bataryayı şarj etmek kolaydır, fakat doğru voltaja dikkat etmek gerekir. Düşük bir voltaj sınırı seçildiğinde, pil daha korunaklı olur ama zayıf bir verim alınır ve negatif plaka üzerinde bir sülfat birikimi gözlenir. Yüksek voltaj sınırı seçildiğinde performans artar fakat bu sefer de pozitif plaka üzerinde bir aşınma teşekkül eder. Vaktinde yapılacak bakımla sülfatlaşma süreci tersine çevrilebilirken, aşınma ise kalıcı mahiyettedir.

Kurşun asit bataryalar hızlı şarj edilmeye pek elverişli değildir ve birçok türü için tam şarj yaklaşık 14-16 saat alır. Bataryayı daima tam şarjlı olarak muhafaza etmek gerekir. Düşük şarj sülfatlaşmaya yol açar ki bu bataryanın verimini aşındıran bir durumdur. Negatif elektrot üzerine karbon ilavesi yapılarak bu sorun azaltılabilir fakat bu da özgül enerji seviyesini azaltır.

Kurşun asit pillerin ömrü orta derecededir, ancak nikel bazlı sistemlerde olduğu gibi, hafıza etkisine tabi değildir ve tüm şarjlı piller arasında en iyi şarj tutma derecesine sahiptir. Nikel kadmiyum üç ay içinde içinde mufahaza ettiği enerjinin takriben yüzde 40’ını yitirirken, kurşun asit aynı derecede enerjiyi bir sene muhafaza edildiğinde kaybeder. Sıfırın altındaki sıcaklıklarda çalıştırıldığında, kurşun asit bataryalar lityum-iyonlara nazaran daha üstündür ve soğuk ortamlarda iyi çalışırlar.

Mühürlü kurşun asit bataryalar

İlk mühürlü, yada bakımsız, kurşun asit batarya 1970’li yılların ortalarında ortaya çıktı. O dönemde mühendisler kullanılan “mühürlü kurşun asit” ifadesinin yanlış bir isimlendirme olduğunu tartışıyorlardı, çünkü onlara göre hiçbir kurşun asit batarya tamamen mühürlenemezdi. Gerek batarya üzerinde baskı oluşturan şarj esnasında, gerekse de hızlı deşarj esnasında havalandırmayı kontrol etmek için valfler konulmuştur ki içerirde gaz birikirse bu tahliye edilebilsin. Plakaları bir sıvı içine batırmaktansa, elektrolit nemlendirilmiş bir ayraç içinde bırakılır, tıpkı nikel ve lityum bazlı sistemlere benzeyen bir tasarımdır. Bu işlem bataryanın herhangi bir fiziksel ortamda sızıntı olmaksızın çalışmasına olanak tanır.

Mühürlenmiş batarya sıvıyla kaplı tiplere nispeten daha az elektrolit içerir, böylece “asitsiz kalmış” terimi ortaya çıkar. Belki de mühürlü kurşun asit bataryaların en önemli avantajı, döngü esnasında kurumayı önleyip hidrojen ve oksijeni bir araya getirerek su açığa çıkarmaktır. Buradaki birleşme orta düzeyde 0,14 bar (2psi) bir basınç altında vuku bulur. Valf, gaz birikmesine karşı bir güvenlik sübabı görevi görür. Mükerrer hava almakdan kaçınmak gerekir, zira böyle bir durumda nihai olarak bir kuruma gerçekleşecektir.

Muhtelif çeşitte mühürlü kurşun asit bataryalar piyasaya sürülmüştür, ve bunların en yaygını jel olandır, aynı zamanda valf-ayarlı kurşun asit (VRLA) ve emici ayraç keçeli (AGM). olarak da bilinirler. Jel hücre elektroliti bir macun içinde askıda tutan silika tipte bir hücre barındırır. 30Ah kapasite değerine kadar olan daha küçük paketler daha çok SLA (mühürlü kurşun asit) olarak bilinirler. Plastik bir kap içine yerleştirilen bu bataryalar sıklıkla küçük UPS, acil durum lambaları ve tekerlekli sandalyeler için kullanılmaktadırlar. Düşük fiyatları, güvenilir oluşları ve az bakım gerektirmelerinden ötürü, SLA tip bataryalar hastanelerde sağlık bakım sektöründe ve yaşlı bakım evlerinde tercih edilmeye devam etmektedir. Daha büyük VRLA bataryalar ise mobil iletişim sinyal yineleyici kulelerde, internet ağ dağıtım merkezlerinde, bankalarda, hastanelerde, havalimanlarında ve daha birçok yerde güç yedekleme olarak kullanılmaktadır.

AGM,tipte bataryalarda elektrolit özel olarak tasarlanmış emici bir keçe içinde askıda durur. Bu tasarım kurşun asit sistemlerde, daha hızlı şarj olma ve istenildiğinde hemen yüksek akım yükleyebilme gibi bir çok avantajlar sunar. AGM, daha çok 30 dan 100Ah değere kadar olan aralıklarda orta-derecede bir batarya olarak en hizmet verir ve UPS gibi geniş sistemler için çok elverişli değildir. Tipik olarak motorsiklerlerin marş bataryaları, minik-hibrit otomobiller için motor start-stop fonksiyonunda ve bununla birlikte yatlarda ve pedal çevirmeyi gerektiren bir takım araçlarda kullanılmaktadır.

Şarj döngüsü içinde ve zamanla birlikte, AGM bataryaların kapasitesinde tedrici bir aşınma olur; diğer yandan jel bataryaların performansı kubbe eğrisi şeklindedir ve uzun bir süre yüksek performans sergiler fakat ömrünün sonuna doğru performansı ani bir düşüş gösterir. AGM tip bataryalar sıvı içinde yüzen tiptekilere nazaran daha pahalıdır, fakat jellere göre ise daha ucuz olurlar. (Jel bataryaları otomobil marş bataryalarında, motor start-stop’larda kullanımı çok pahalı olurdu.)

İçinde sıvı bulunan bataryaların aksine, mühürlü tip kurşun asit bataryalar, şarj esnasında bataryanın gaz üretecek potansiyele erişmesini engellemek için voltaj aşımı düşük seviyede olacak şekilde tasarlanmışlardır. Fazla şarj gaz üretir, sonrasında hava çıkışı, su azalması ve nihai olarak da kurumaya sebebiyet verir. Sonuçta, jel ve kısmen AGM tam kapasitesine kadar şarj edilemez ve şarj voltaj limitinin içinde sıvı bulunan bataryalarda olduğundan daha düşük olacak şekilde ayarlanması gerekir. Bu, ayrıca tam şarj olduktan sonra bataryanın bekleme halinde kapasitesinde oluşan eksilmeleri telafi etmek için yüzer şarj durumunda da geçerlidir. Şarj etmeye gelince, jel ve AGM tip bataryalar, içinde sıvı bulunan bataryalara direkt olarak bir alternatif teşkil etmez. AGM tip bataryalar için hususi olarak tasarlanmış düşük voltaj ayarlı bir şarj aleti bulunmuyorsa, 24 saat şarj ettikten sonra şarj aletinin fişini çekin. Bu sayede çok yükseğe ayarlı bir yüzer voltajın oluşturacağı gaz çıkışının önüne geçilmiş olur.

VRLA bataryalar için en uygun çalışma sıcaklığı 25°C dir; bu sıcaklık eşiğindeki her 8°C lik artış bataryanın ömrünü yarı yarıya azaltır. Kurşun asit bataryalar 5-saatlik (0.2C) ve 20-saatlik (0.05C) deşarj oranlarında ölçümlenir. Batarya performansının en iyi olduğu zaman deşarjın yavaş olduğu zamandır; kapasite ölçümleri deşarjın yavaş olduğu zamanlarda önemli ölçüde daha yüksek çıkar. Bununla birlikte, kurşun asit bataryalar, darbeli olarak şarj edildiğinde sadece bir kaç saniye için çeşitli C akımları verebilir. Bu özelliği, kurşun asit bataryaları marş bataryası olarak çok uygun bir aday yapar, hafif-ateşlemeli-marş bataryası (SLI) olarak da bilinir. Yüksek kurşun ve sülfürik asit içeriğinden ötürü kurşun asit bataryalar çevre ile pek dost sayılmazlar.

Kurşun asit bataryalar yaygın olarak üç alanda kullanılırlar: Otomobil (Marş bataryası veya SLI), hareket gücü (çekiş veya derin döngü) ve yerleşik (UPS) .