Cause di guasto delle batterie al piombo e relativi metodi di riparazione

Da quando lo scienziato francese Gaston Planté inventò la batteria al piombo nel 1859, questa è stata ampiamente utilizzata nei trasporti, nelle comunicazioni, nell'energia, nelle ferrovie, nell'industria mineraria, nei porti, nella difesa, nell'informatica e nella ricerca scientifica grazie alla sua elevata sicurezza, al basso costo e all'eccellente riciclabilità. Rimane il tipo di batteria più prodotto e versatile al mondo.

Batterie al piombo-acidoOffrono diversi vantaggi applicativi: prezzo contenuto, tecnologia avanzata, eccellenti prestazioni ad alta e bassa temperatura, stabilità, affidabilità, elevata sicurezza e buona riciclabilità delle risorse, che conferiscono loro un netto vantaggio sul mercato. Entro il 2020, il mercato cinese delle batterie al piombo-acido ha raggiunto i 165,9 miliardi di yuan, con una crescita del 4,65% su base annua.

Con l'aumento della quota di mercato, si sono intensificati problemi come l'elevato consumo energetico durante la produzione e il riciclo, oltre a miliardi di batterie scartate ogni anno che causano un grave inquinamento ambientale. La manutenzione e la riparazione delle batterie obsolete per aumentarne l'efficienza e la durata sono diventate una priorità globale.

Nei paesi occidentali sviluppati, decine di migliaia di persone lavorano nella manutenzione, riparazione e riciclaggio delle batterie al piombo, generando miliardi di fatturato annuo. Il Giappone impiega oltre 100.000 persone nel settore, con un fatturato annuo di miliardi.

In Cina, per promuovere il risparmio energetico e la tutela ambientale, è stata imposta un'imposta sui consumi del 4% sulle batterie al piombo a partire dal 1° gennaio 2016. La Politica tecnica sulla prevenzione dell'inquinamento da batterie esauste dell'Amministrazione statale per la protezione ambientale, NDRC, Ministero delle costruzioni, MOST e MOFCOM incoraggia la ricerca e sviluppo per un riciclaggio efficiente, aumentando i tassi di recupero delle risorse.

Gli esperti sottolineano che il degrado delle prestazioni e i guasti prematuri derivano principalmente dalla formazione di cristalli di solfato di piombo sulle piastre durante l'uso, che aumentano la resistenza interna e riducono la capacità, riducendone in definitiva la durata. Tecniche comprovate per la riparazione delle batterie al piombo-acido prolungano la durata, riducono i costi, riducono i rifiuti come piombo e acido solforico diluito, riducono le emissioni di CO2 e preservano le risorse, in linea con lo sviluppo sostenibile.

In un'epoca di crescente consumo di energia e inquinamento da batterie, risolvere il problema del riutilizzo dei rifiuti, prolungare la durata di vita tramite tecnologie di riparazione, ridurre gli scarti e promuovere percorsi sostenibili riveste un'importanza fondamentale. Le tecnologie di riparazione trasformano i rifiuti in risorse, si adattano alle politiche nazionali, stimolano l'economia, promuovendo al contempo il risparmio energetico e la riduzione delle emissioni, e contribuiscono alla tutela ambientale, e sono pronte per una più ampia adozione.

Per comprendere la riparazione delle batterie al piombo, è necessario innanzitutto comprendere le cause del guasto, per poi adottare di conseguenza i metodi di riparazione.

FallimentoMotivodi batterie al piombo-acido

A causa delle variazioni nei tipi di piastre, nella produzione e nell'utilizzo, le cause dei guasti differiscono. Comunemotivoincludono:

1. Corrosione e deformazione delle piastre positive

Le leghe attuali rientrano in tre categorie: piombo-antimonio tradizionale (4-7% di antimonio); antimonio a basso/ultra-basso contenuto (<2% o <1%, con stagno, rame, cadmio, zolfo); e piombo-calcio (0,06-0,1% di calcio, con stagno e alluminio). Durante la carica, queste leghe a griglia si ossidano a solfato di piombo e PbO2, perdendo il supporto per i materiali attivi e causando guasti. Gli strati di corrosione di PbO2 inducono stress, allargando le griglie; una deformazione superiore al 4% distrugge le piastre, allenta i materiali attivi o crea cortocircuiti nelle barre collettrici.

2. Dispersione e ammorbidimento dei materiali attivi delle piastre positive

Oltre all'espansione della griglia, i ripetuti cicli di carica-scarica allentano i legami delle particelle di PbO2, causandone l'ammorbidimento e il distacco. Questo fenomeno è influenzato dalla fabbricazione della griglia, dalla tenuta dell'assemblaggio e dalle condizioni di carica-scarica.

3. Solfatazione irreversibile

La scarica eccessiva e la conservazione prolungata in stato di scarica formano cristalli di solfato di piombo grossolani e difficili da caricare sulle piastre negative. I casi lievi si risolvono con metodi alternativi; quelli gravi rendono gli elettrodi inerti.

4. Perdita prematura di capacità

Con griglie a basso contenuto di antimonio o piombo-calcio, la capacità diminuisce drasticamente dopo circa 20 cicli, causando guasti precoci.

5. Grave accumulo di antimonio sui materiali attivi

L'antimonio migra dalle griglie positive alle superfici attive negative durante i cicli. Una sovratensione di riduzione di H+ inferiore (~200 mV) sull'antimonio aumenta la decomposizione dell'acqua, impedendo la carica normale e causando guasti. I test mostrano una concentrazione di antimonio dello 0,12-0,19% sulle superfici negative guaste a una tensione di carica di 2,30 V. Nelle batterie sottomarine, l'idrogeno in eccesso si lega allo 0,4% di antimonio medio.

6. Guasto termico

Per le batterie a bassa manutenzione, la tensione di carica non deve superare i 2,4 V/cella. Regolatori difettosi possono causare picchi di tensione, surriscaldare l'elettrolita, ridurre la resistenza e amplificare la corrente in un ciclo incontrollato, deformando o crepando la batteria. Sebbene raro, monitorare l'alta tensione e il calore.

7. Corrosione delle sbarre collettrici negative

Griglie e barre collettrici negative raramente si corrodono, ma nelle batterie sigillate regolate da valvole, i cicli di ossigeno riempiono lo spazio di testa; l'elettrolita si insinua nelle barre collettrici attraverso le linguette, ossidando le leghe in solfato di piombo. Saldature scadenti accelerano questo processo, staccando le linguette e danneggiando i negativi.

8. Cortocircuiti dovuti alla foratura del separatore

Alcuni separatori, come il PP, presentano pori di grandi dimensioni; i fusibili melt-through spostati creano grandi fori, consentendo ai materiali attivi di passare durante i cicli, causando microcortocircuiti e guasti.

Fattori che influenzano la durata delle batterie al piombo-acido

I guasti sono causati da fattori intrinseci (composizione del materiale attivo, tipo di cristallo, porosità, dimensioni della piastra, materiale/struttura della griglia) ed estrinseci (densità di scarica, concentrazione/temperatura dell'elettrolita, profondità di scarica, manutenzione, stoccaggio). Principali fattori esterni:

1. Profondità di scarica

Questa è la distanza percorsa dalla scarica prima di interrompersi (100% = piena capacità). La durata varia notevolmente; le batterie a ciclo profondo sono adatte a un utilizzo superficiale, ma quelle superficiali si guastano rapidamente nei cicli profondi. I legami PbO2 si indeboliscono a causa delle variazioni di volume: PbO2 a PbSO4 si espande del 95% del volume molare. Una scarica superficiale (ad esempio, 20%) riduce al minimo l'espansione/contrazione, rallentando la degradazione; una scarica più profonda accorcia i cicli.

2. Entità del sovrapprezzo

L'eccessivo sviluppo di gas ha un impatto sui materiali attivi positivi, favorendone la dispersione; le leghe della griglia si corrodono tramite ossidazione anodica, riducendone la durata.

3. Effetti della temperatura

La durata generalmente aumenta con la temperatura fino a 50 °C: +5-6 cicli per 1 °C da 10-35 °C; +25+ cicli per 1 °C da 35-45 °C. Oltre i 50 °C, la solfatazione negativa riduce la capacità. Temperature più elevate aumentano la capacità, riducendo la profondità effettiva per la scarica fissa, prolungando la durata.

4. Effetti della concentrazione di acido solforico

Una densità più elevata favorisce la capacità positiva, ma aumenta l'autoscarica, la corrosione della griglia e l'allentamento/rilascio di PbO2, riducendo i cicli.

5. Effetti della densità di corrente di scarica

Una densità più elevata riduce la durata accelerando l'allentamento del PbO2 in condizioni di corrente elevata/acidità.

La perdita d'acqua non è un fallimentomotivoper batterie ventilate (manutenzione normale) o sigillate (evitabile). Nelle batterie sigillate per e-bike, il problema deriva da una carica a tensione costante eccessiva.

Metodi di riparazione per la perdita prematura di capacità (PCL)

(A) Caratteristiche del PCL

Nelle batterie a griglia a basso contenuto di antimonio o piombo-calcio, la capacità diminuisce di circa il 5% per ciclo dopo circa 20 cicli, guastandosi precocemente. Le batterie al piombo-calcio spesso mostrano cali inspiegabili in alcune celle; i positivi non vengono attenuati, ma la capacità è bassa.

(B) Soluzioni per le cause

1. Ottimizzare il contenuto di stagno della piastra positiva (1,5-2% per il ciclo profondo).
2. Aumentare la pressione di montaggio.
3. Evitare un elevato contenuto di acidi elettrolitici.

(C) Precauzioni d'uso

1. Evitare correnti di carica iniziali basse e prolungate.
2. Ridurre al minimo le scariche profonde.
3. Limitare i sovrapprezzi.
4. Non aumentare la capacità tramite un elevato utilizzo di materiale attivo.

(D) Recupero per batterie interessate da PCL

Iniziare con una corrente di 0,3-0,5 °C, quindi caricare gradualmente fino alla carica completa. Conservare le batterie cariche a 40-60 °C; scaricare a <0,05 °C fino a 0 V (lentamente dopo metà della tensione nominale). Ripetere l'operazione per ripristinare la capacità.

(E) Note

Confermare il PCL nei primi 20 cicli; i cali successivi peggiorano con questo metodo, attenuando i valori positivi. Nelle batterie al piombo-calcio, lo squilibrio dovuto ai caricatori costanti a bassa tensione causa problemi: un'autoscarica non uniforme porta a una sottocarica cronica in alcune celle (solfatazione) e a una sovraccarica in altre. Utilizzare caricatori multistadio con corrente/tensione variabile, che terminano con una carica di bilanciamento ad alta tensione e bassa corrente.

Riparazione sovraccarico

La sovraccarica richiede corrente/tensione elevate, causando reazioni collaterali, danni positivi e perdita d'acqua. Un metodo efficace e non dannoso è la carica a impulsi: gli impulsi ad alta tensione/corrente superano il calo di accettazione senza reazioni prolungate, sfruttando la depolarizzazione (o AIDS) della batteria post-impulso. Ciò consente una sovraccarica sicura, con caricabatterie che hanno dimostrato nel corso degli anni di estendere notevolmente la durata del ciclo.