Loodaccu’s zijn uitgevonden door de Franse natuurkundige Gaston Planté in 1859. Deze vorm van oplaadbare galvanische cel is één van de oudste accutypes. Tegenwoordig is de loodaccu het meest gebruikte type oplaadbare accu.

Kenmerken

Typische kenmerken van loodaccu’s, vergeleken met andere typen accu’s, zijn:

• grote eenvoud: het elektrochemische systeem bestaat slechts uit water, zwavelzuur en lood,
• lage energiedichtheid per massa-eenheid, in de orde van 108 kJ/kg (30 Wh/kg),
• relatief hoog vermogen per massa-eenheid,
• relatief hoge energiedichtheid per volume-eenheid,
• relatief goedkoop,
• kunnen hoge elektrische stroom leveren, bijvoorbeeld voor startmotoren van auto's.
• gemakkelijk te recupereren. Er zijn geen ingewikkelde scheidingsprocessen voor nodig,
• de hoge spanning van ruim 2,0 volt per cel.

Bijna alle hedendaagse auto's gebruiken loodaccu's. Ook worden ze bijvoorbeeld gebruikt voor aandrijving in vorkheftrucks, waar het hoge gewicht (al gauw 1500 kg) ook nuttig gebruikt wordt als contragewicht.

12-volts accu's bestaan uit zes cellen in serie, met elk een nominale spanning van 2,1 volt. Zo'n samenstelsel van accu's noemt men als regel een accubatterij.

Elke cel heeft (in geladen toestand) een elektrode van lood (Pb) en een elektrode van lood(IV)oxide (PbO2), die zich bevinden in een elektrolyt van ongeveer 37 massaprocent zwavelzuur (H2SO4). Moderne ontwerpen hebben een gel-elektrolyt, in tegenstelling tot oudere natte accu's waarin de cellen een vloeistof bevatten. Natte accu's zijn herkenbaar aan de schroefdoppen aan de bovenzijde, waardoor de vloeistof kan worden gecontroleerd en nagevuld met gedemineraliseerd water.

In ontladen toestand bestaan beide elektroden uit lood(II)sulfaat. Het elektrolyt verandert dan in water, waardoor ontladen loodaccu’s kunnen bevriezen.

Typen loodaccu's

Er worden de volgende typen loodaccu's onderscheiden, afhankelijk van het beoogde gebruik en daarmee de bouw van de accu:

• startaccu's: deze kunnen korte tijd hoge stroom leveren. Autoaccu's zijn startaccu's. Aanbevolen wordt om een startaccu niet verder dan 20% te ontladen. In auto's met een verbrandingsmotor wordt daaraan voldaan: na de hoge stroom om de automotor te starten wordt de accu snel weer opgeladen. Startaccu's hebben relatief veel en dunne loden platen. De capaciteit van een startaccu gaat sterk achteruit door sterk ontladen en weer laden, ten gevolg van sulfatering. Bij sulfatering ontstaat een harde, onoplosbare laag op de elektroden, die niet elektrisch geleidend is. Dit type accu's is de goedkoopste soort.
• stationaire accu's of semi-tractie accu's: leveren een lagere stroom dan startaccu's, maar kunnen dieper ontladen worden, tot 50%. Deze accu's zijn beter tegen sulfatering bestand dan startaccu's.
• (vol-)tractie-accu's: kunnen tot 80% ontladen worden, en hebben een langere levensduur (uitgedrukt in ontlaad-laad-cycli) dan stationaire accu's. Echter, vol-tractie accu's zijn aanmerkelijk duurder dan stationaire accu's.

Naast de "gewone" natte-electrolyt accu's bestaan ook

• gel-accu's: deze bevatten een electroliet in gel-vorm, en zijn daarmee ook in gekantelde toestand bruikbaar. Deze kunnen langdurig diep ontladen worden, tot 80%, en weer snel geladen worden.

Algemene informatie

De capaciteit van de accu wordt uitgedrukt in ampère-uren (1 ampère-uur is gelijk aan 3600 Coulomb). Naarmate men echter de accu zwaarder belast en sneller oplaadt neemt deze capaciteit af. Als de accu lange tijd niet gebruikt wordt treedt er door zelfontlading verlies aan lading op. Bovendien wordt het loodsulfaat dan geleidelijk in een minder actieve vorm omgezet. Daarbij laat het ook los van de elektrodes en zakt naar beneden in de sedimentatieruimte onder de platen. Tijdens dit sedimentatieproces kan er kortsluiting ontstaan.

Tijdens het ontladen en de vorming van loodsulfaat aan de platen wordt er zwavelzuur onttrokken aan de elektrolyt. De zwavelzuurconcentratie en daarmee het soortelijk gewicht neemt dan af. Door het controleren van de zuurdichtheid heeft men controle op de ladingstoestand. Tijdens het gebruik is er alleen waterverlies. Door verdamping en door waterelektrolyse bij het laden en tijdens de langzame zelfontlading. Daarom mag de accu alleen met zuiver water worden bijgevuld. Onzuiver hard water kan leiden tot afzetting van gips en inwendige kortsluiting via migrerende ferro- en ferri-ionen (Fe2+ en Fe3+).

Capaciteit van accu's en kortsluitstromen

De capaciteit van een accu en de praktische toepassing hiervan, de accubatterij, geeft de hoeveelheid ampère-uren (Ah) aan, opgeslagen in een volledig geladen accubatterij. Dit houdt in, dat gedurende een aantal uren een bepaalde stroom uit de accubatterij kan worden betrokken. De capaciteit van een accubatterij is aanwezig bij een ontlaadtijd van 10 uur. Bij een andere ontlaadtijd dan deze 10 uur is de capaciteit anders.

In de volksmond zegt men vaak ampère (A) in plaats van ampère-uur (Ah). Dit is eigenlijk net zo fout als het aangeven van de snelheid van een auto in kilometers (km) in plaats van kilometers per uur (km/h).

In de afbeelding is de capaciteit van een stationaire loodaccubatterij van 250 Ah als functie van de tijd in een grafiek uitgezet. De stroom die tijdens de gedefinieerde 10 uur kan worden afgenomen, bedraagt 250 ÷ 10 = 25 A.

Gelaccu's

Voordelen van gelaccu's ten opzichte van natte accu's zijn:

• bruikbaar in elke oriëntatie
• bij het laden ontstaat minder gas, en het gas dat ontstaat wordt door het sponsachtige elektrolyt opgenomen, waarbij de zuurstof en waterstof bij ontladen weer water wordt. Dit gebeurt op dezelfde wijze als in een brandstofcel.
• gelaccu's zijn hierdoor onderhoudsvrij: er hoeft geen water toegevoegd te worden
• er treedt minder snel sulfatering op

Nadelen van gelaccu's ten opzichte van natte accu's zijn:

• kunnen minder stroom leveren bij gelijke afmetingen
• lagere capaciteit bij gelijke afmetingen
• er kan geen water bijgevuld worden als ten gevolg van overladen water verloren is gegaan in de vorm van gas
• hogere prijs

Enkele typische eigenschappen van loodaccu's:

• Open klemspanning bij volledig geladen: 12,6 V
• Einde van ontladen: 11,8 V
• Laden met: 13,2-14,4 V
• Spanning waarbij water ontleedt in waterstof en zuurstof: 14,4 V
• Bij continu laden: maximaal met 13,2 V
• Na volledig opgeladen te zijn zakt de klemspanning snel naar 13,2 V en dan langzaam naar 12,6 V.

Werking

De beide elektroden bestaan uit een harde loodlegering die niet aan de laad- en ontlaadreacties meedoet. In een volledig opgeladen accu zit er aan de positieve pool lood(IV)oxide gehecht en aan de negatieve pool fijn verdeeld zuiver lood. Deze twee zijn de elektrochemisch actieve materialen.

Tijdens de ontlading vormt zich een laag loodsulfaat op beide materialen. Tijdens het opladen wordt het loodsulfaat weer omgezet in lood en lood(IV)oxide.

De chemische reacties zijn (links geladen, rechts ontladen):

Anode (oxidatie):

Pb (s) + SO42- (aq) ↔ PbSO4 (s) + 2 e-

waarbij ε0 = −0,356 V

Kathode (reductie):

PbO2 (s) + SO42- (aq) + 4 H+ + 2 e- ↔ PbSO4 (s) + 2 H2O (l)

waarbij ε0 = 1,685 V

Omdat de cellen in de meeste accu's een vloeibaar elektrolyt hebben, ontstaat bij overladen knalgas, een explosief mengsel van zuurstof en waterstof. Een ander gevaar van accu's is de zeer corrosieve werking van zwavelzuur.

Toepassingen

Natte accu's die ontworpen zijn om ver ontladen te worden worden onder andere gebruikt in:

• golfkarretjes, vorkheftrucks en dergelijke,
• onderzeeboten
• back-up voedingen voor telefooncentrales, grote computercentra enzovoorts en
• accuboormachines, accuschroevendraaiers en dergelijke

Gelaccu's worden onder andere toegepast in

• noodstroomvoedingen voor kleine computersystemen,
• elektrische scooters,
• fietsen met elektrische hulpmotor, en
• maritieme toepassingen.