Le celle al piombo-acido ventilate dispongono di sistemi apribili per lo sfiato dei gas e la manutenzione dell'elettrolita, mentre le celle VRLA immobilizzano l'elettrolita e utilizzano valvole di sicurezza; la verifica della resistenza interna mostra quindi quanto efficacemente ciascun design eroghi corrente in condizioni controllate. Le celle ventilate consentono generalmente il reintegro dell'acqua e la fuoriuscita dei gas, mentre le celle VRLA trattengono i gas e ricombinano internamente gran parte dell'ossigeno prodotto. In entrambi i design, la resistenza interna influisce sulla caduta di tensione, sulla generazione di calore, sulla capacità di erogare potenza e sull'interpretazione dei risultati delle prove di laboratorio.
Concetto fondamentale: Il design strutturale determina il modo in cui una cella gestisce elettrolita, gas, pressione e contatto meccanico. La resistenza interna fornisce un indicatore pratico delle prestazioni, ma deve essere misurata a stato di carica, temperatura, corrente e frequenza di prova controllati, poiché varia sensibilmente in base alle condizioni operative.
Come differiscono le strutture delle due celle
Celle ventilate: elettrolita accessibile e rilascio dei gas
Le celle al piombo-acido ventilate, o allagate, contengono piastre immerse in elettrolita liquido in eccesso. Le aperture nel coperchio consentono la fuoriuscita dei gas e permettono il reintegro dell'elettrolita o dell'acqua, generalmente attraverso tappi di sfiato che limitano l'evaporazione non necessaria.
Questa struttura è relativamente semplice, ma espone la cella a perdita d'acqua, sviluppo di gas e stratificazione dell'acido. L'acido solforico a maggiore densità può depositarsi verso il fondo, producendo un'attività elettrochimica non uniforme e un utilizzo disomogeneo del materiale attivo.
Celle VRLA: elettrolita immobilizzato e pressione controllata
Le celle VRLA utilizzano separatori in fibra di vetro assorbente (AGM) oppure gel di silice per immobilizzare l'elettrolita. Il separatore o il gel mantiene l'acido in posizione, garantendo al contempo il contatto fisico e ionico necessario tra le piastre.
Invece di sfiati aperti, le celle VRLA utilizzano una valvola di sicurezza. La valvola impedisce l'ingresso dell'aria ambiente, ma si apre quando la pressione interna dei gas supera una soglia specifica.
Ricombinazione interna dell'ossigeno
La struttura VRLA supporta un ciclo interno di ricombinazione dell'ossigeno. L'ossigeno generato durante la carica può muoversi all'interno della cella e reagire con il piombo e l'acido solforico per formare solfato di piombo e acqua.
Ciò riduce la perdita d'acqua rispetto ai design ventilati, sebbene non elimini lo sviluppo di gas in condizioni di carica anomale o aggressive.
Differenze meccaniche e geometriche
Le celle VRLA possono utilizzare diverse configurazioni fisiche:
- Celle VRLA cilindriche utilizzano comunemente piastre avvolte a spirale. I loro contenitori circolari tollerano pressioni interne più elevate.
- Celle VRLA prismatiche utilizzano piastre piatte impilate in contenitori rettangolari. Le loro pareti generalmente tollerano una pressione inferiore prima di deformarsi.
Pertanto, la taratura della valvola e il design dell'involucro devono essere compatibili con la geometria della cella. Anche la pressione meccanica applicata al pacco di piastre è importante, poiché una pressione uniforme aiuta a mantenere il contatto tra le piastre e l'AGM o il gel senza collassare i pori o creare cortocircuiti elettrici.
Perché la resistenza interna è importante nella valutazione delle prestazioni
Determina la caduta di tensione sotto carico
Quando scorre corrente, la tensione ai terminali della cella diminuisce in parte a causa della resistenza interna:
[ V_{\text{caduta}} = I R_{\text{interna}} ]
Una cella con resistenza inferiore presenta una caduta di tensione minore alla stessa corrente. Ciò è particolarmente importante nelle applicazioni di emergenza, backup e alimentazione stazionaria, in cui la batteria può dover fornire una corrente elevata per un breve periodo.
Determina la generazione interna di calore
Il calore resistivo generato all'interno della cella è approssimativamente:
[ P_{\text{calore}} = I^2 R_{\text{interna}} ]
Poiché il riscaldamento aumenta con il quadrato della corrente, anche una differenza moderata nella resistenza può diventare significativa durante la scarica ad alta corrente o la carica rapida.
Una resistenza interna maggiore può quindi ridurre la potenza utilizzabile, aumentare lo stress termico e falsare i confronti tra i design delle celle se la temperatura non è controllata.
Influisce sull'efficienza energetica e sulla capacità utilizzabile
Una resistenza inferiore migliora la frazione di energia elettrochimica immagazzinata erogata al carico esterno. Aiuta inoltre la cella a mantenere la tensione ai terminali al di sopra del limite operativo minimo dell'apparecchiatura.
Tuttavia, la resistenza non equivale alla capacità. Una cella può conservare una capacità significativa in ampere-ora sviluppando al contempo una resistenza eccessiva e perdendo la capacità di erogare potenza a velocità elevate.
Fattori che determinano la resistenza interna delle celle al piombo-acido
Design degli elettrodi e delle piastre
La resistenza è fortemente influenzata dal design degli elettrodi, dallo spessore delle piastre, dalla geometria delle griglie e dalla distanza tra le piastre. Questi fattori influenzano sia il percorso elettronico attraverso le piastre sia il percorso ionico attraverso l'elettrolita e il separatore.
Per una cella al piombo-acido normalizzata da 100 Ah, i valori tipici della resistenza interna CC sono approssimativamente compresi tra 0,3 e 3,0 mΩ. Si tratta di un intervallo di riferimento ampio, non di una specifica universale.
Condizioni del separatore e dell'elettrolita
Il separatore contribuisce alla resistenza ionica. Nelle celle VRLA, una saturazione insufficiente o eccessiva dell'AGM può influire sulla distribuzione dell'elettrolita, sul trasporto dell'ossigeno e sul contatto elettrico.
Nelle celle ventilate, sono importanti anche la densità e la distribuzione dell'elettrolita. La stratificazione può creare differenze locali nella conduttività e nell'attività di reazione, rendendo la resistenza misurata dipendente da dove e come opera la cella.
Stato di carica
La resistenza interna generalmente aumenta man mano che la cella si scarica. Il riferimento supplementare indica un aumento di circa 40% tra la carica completa e la scarica completa.
Ciò avviene quando la densità dell'elettrolita diminuisce e il solfato di piombo si forma sul materiale attivo. Un valore di resistenza è quindi significativo solo quando lo stato di carica della cella è registrato e controllato.
Temperatura
La temperatura ha un effetto significativo sulla resistenza. Il riferimento indica che la riduzione della temperatura ambiente da 30°C a −18°C può aumentare la resistenza interna di circa il 50%.
I confronti di laboratorio eseguiti a temperature diverse possono quindi portare a conclusioni fuorvianti sul design delle piastre, sulle prestazioni del separatore o sull'invecchiamento.
Come valutare la resistenza in laboratorio
Utilizzare un metodo di misurazione definito
Un laboratorio dovrebbe distinguere tra resistenza CC, resistenza derivata da un impulso di corrente controllato e impedenza misurata utilizzando una tecnica a corrente alternata.
Le prove di scarica impulsiva possono stimare la resistenza effettiva riscontrata durante un evento di carico pratico. Le misurazioni dell'impedenza a bassa frequenza possono fornire ulteriori informazioni sui contributi elettrochimici e dei componenti, sebbene il risultato non sia necessariamente identico a un semplice valore di resistenza CC.
Controllare le condizioni di prova
Le misurazioni della resistenza dovrebbero documentare almeno:
- Temperatura della cella
- Stato di carica
- Periodo di riposo prima della prova
- Corrente di scarica o dell'impulso
- Durata dell'impulso
- Frequenza di misurazione, quando si utilizza l'impedenza
- Tensione iniziale e finale ai terminali
In assenza di queste condizioni, un valore di resistenza riportato non può essere confrontato in modo affidabile tra celle ventilate e VRLA o tra diversi prototipi.
Misurare la risposta di tensione, non solo un valore statico
Per una prova con impulso di corrente, il laboratorio può confrontare la variazione di corrente con la variazione immediata della tensione ai terminali:
[ R_{\text{effettiva}} \approx \frac{\Delta V}{\Delta I} ]
La misurazione dovrebbe separare la risposta ohmica immediata dagli effetti più lenti della polarizzazione elettrochimica, quando il metodo di prova lo consente. Un impulso più lungo può includere limitazioni di concentrazione e di reazione, quindi non dovrebbe essere automaticamente interpretato come resistenza interna pura.
Utilizzare gli andamenti della resistenza per la diagnosi
Misurazioni ripetute in funzione dello stato di carica, della temperatura e dell'invecchiamento possono rivelare se la perdita di prestazioni deriva da una crescita generalizzata della resistenza a livello di cella o da specifiche caratteristiche costruttive.
L'analisi di laboratorio può aiutare a esaminare i contributi del separatore, della conduttività dell'elettrolita, della geometria della griglia, del design delle piastre e della pressione del pacco. Ciò è più informativo rispetto all'utilizzo di un singolo valore di resistenza come criterio di accettazione o rifiuto.
Comprendere i compromessi
I design ventilati sono sottoponibili a manutenzione, ma meno autonomi
La possibilità di reintegrare l'acqua è utile per l'assistenza e la manutenzione. Tuttavia, le celle ventilate richiedono attenzione allo sviluppo di gas, alla ventilazione, alla perdita d'acqua e alla stratificazione dell'acido.
La loro struttura aperta implica inoltre che le condizioni ambientali e operative possano modificare nel tempo la distribuzione dell'elettrolita.
I design VRLA riducono la manutenzione, ma richiedono un controllo più rigoroso
Le celle VRLA riducono al minimo l'aggiunta periodica di acqua e limitano il rilascio di gas attraverso la ricombinazione. Di conseguenza sono più autonome e più adatte alle applicazioni in cui la manutenzione dell'elettrolita è indesiderata.
Sono tuttavia sensibili al sovraccarico, alle condizioni termiche, alla saturazione del separatore, alla pressione del pacco e al funzionamento della valvola. Una cella VRLA non deve essere considerata completamente sigillata o immune dalle emissioni di gas.
I confronti della resistenza possono essere fuorvianti
Confrontare una cella calda e completamente carica con una cella fredda e parzialmente scarica può far apparire quest'ultima intrinsecamente inferiore, quando la differenza è principalmente operativa.
Allo stesso modo, confrontare un valore CC derivato da un impulso con un valore di impedenza CA può confondere gli effetti del metodo di prova con differenze strutturali effettive.
La bassa resistenza non è l'unico obiettivo progettuale
La riduzione della resistenza può migliorare le prestazioni ad alta velocità, ma il design della cella deve anche preservare l'integrità meccanica, la capacità di gestione dei gas, la funzionalità del separatore, la resistenza alla corrosione e la durata ciclica.
Soprattutto per i prototipi VRLA, una compressione eccessiva o una distribuzione inadeguata dell'elettrolita possono danneggiare la struttura porosa anche se la resistenza iniziale appare favorevole.
Scegliere l'approccio giusto per il proprio obiettivo
Seleziona l'approccio di valutazione in base alla domanda sulle prestazioni a cui devi rispondere.
- Se l'obiettivo principale è l'erogazione di potenza ad alta corrente: Misura la resistenza utilizzando impulsi di corrente controllati alla temperatura e allo stato di carica previsti, quindi valuta la caduta di tensione e la generazione di calore.
- Se l'obiettivo principale è confrontare la struttura delle celle: Utilizza condizioni di stabilizzazione, temperatura, stato di carica, durata dell'impulso e apparecchiature di misurazione identiche per ogni campione ventilato e VRLA.
- Se l'obiettivo principale è lo sviluppo di prototipi VRLA: Controlla la distribuzione dell'AGM o del gel, la pressione del pacco, la geometria dell'involucro e il comportamento della valvola insieme alla resistenza elettrica.
- Se l'obiettivo principale è l'analisi dell'invecchiamento o dei guasti: Monitora gli andamenti della resistenza durante i cicli, al variare della temperatura e della profondità di scarica, invece di affidarti a una singola misurazione.
- Se l'obiettivo principale è la sicurezza in laboratorio: Considera il maggiore potenziale di sviluppo di gas delle celle ventilate e la possibilità di rilascio di gas dalle celle VRLA durante la carica anomala o rapida.
Una valutazione di laboratorio affidabile considera la resistenza interna come una misura diagnostica dipendente dalle condizioni, collegata al design strutturale della cella, allo stato operativo e al carico previsto.
Tabella riepilogativa:
| Caratteristica | Ventilata (allagata) | VRLA (AGM/Gel) |
|---|---|---|
| Elettrolita | Liquido libero in eccesso | Immobilizzato in AGM o gel |
| Gestione dei gas | Ventilazione nell'atmosfera | Ricombinazione interna, valvola di sicurezza |
| Manutenzione | Richiede l'aggiunta di acqua | Minima, sigillata |
| Resistenza interna | Generalmente inferiore, ma variabile | Varia in base alla saturazione del separatore e alla pressione del pacco |
| Sensibilità | Minore all'orientamento, maggiore alla stratificazione | Sensibile a sovraccarico, temperatura e compressione |
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