Olověné baterie: Stálice na poli akumulace již více než půldruhého století

Olověné baterie jsou nejstarším známým typem nabíjecí baterie. Vynalezl je Gaston Planté již v roce 1859 a stále se hojně používají. Tento článek pojednává o jejich vlastnostech, výhodách a nevýhodách. V poslední řadě jsou probírány oblasti použití.

Kladná elektroda se skládá z oxidu olovičitého, záporná elektroda z houbovitého olova a elektrolyt tvoří zhruba 40% roztok kyseliny sírové v nabitém stavu. Ve vybitém stavu jsou elektrody tvořeny síranem olovnatým, elektrolyt je tvořen značně zředěným roztokem kyseliny sírové.

Nominální napětí olověného článku je 2 volty. Nominální měrná kapacita závisí na režimu použití. Například autobaterie vykazuje vysokou měrnou energetickou kapacitu okolo 50-65 Wh/kg, ale pro cyklické nabíjení a vybíjení je nevhodná, životnost v tomto provozu dosahuje pouze několika desítek cyklů. Baterie pro trakční a staniční použití dosahují zhruba 40 Wh/kg. Baterie pro staniční použití jsou konstruovány tak, aby přežily neustálé nabíjení. Jejich životnost je zpravidla 5 až 10 let. Vyrábí se akumulátory s životností i 20 let, jedná se ale o speciální typy s pancéřovanou kladnou elektrodou. Akumulátory pro trakční použití, například ve vysokozdvižných vozících a hybridních vozidlech, mají životnost až 600 úplných cyklů se 100% hloubkou vybití.

Výhody

Největší výhoda je jednoznačně pořizovací cena a vysoká bezpečnost provozu. V posledních letech se cena olova na trhu zvyšuje, a s ní stoupá i cena olověných baterií. Bezpečnost provozu se odvíjí od schopnosti baterie tolerovat přebíjení. Olověné baterie jsou zpravidla otevřeny atmosféře, nebo řízeny ventilem. Tím odpadá riziko exploze baterie, pokud neuvažujeme možnost vznícení plynů vznikajících při nabíjení, které lze eliminovat vhodnou instalací.

Významná je také možnost recyklace. Staré baterie jsou v mlýnu namlety na malé kousky, které jsou rozděleny na plast, olovo a materiál elektrod. Tyto olověné materiály jsou roztaveny a nality do formy ingotu, kde olovo ztuhne a v tomto stavu je dodáno jako vstupní materiál výrobcům olověných baterií.

Olověné baterie jsou spolehlivé, bezpečné a nabízí relativně vysoký měrný výkon, proto jsou dobrou volbou jako autobaterie. Jejich výroba je také velmi nenáročná v porovnání s výrobou například lithiových baterií. Dokážou také dodat požadovaný výkon za nízkých, ale i vysokých teplot.

Nevýhody

Nevýhod je hned několik, mezí hlavní patří nutnost udržovat baterii neustále v nabitém stavu, aby nedocházelo k sulfataci elektrod. Další nevýhoda je, že se zvyšujícími proudy tekoucími baterií se významně snižuje účinnost nabíjení/vybíjení. Pro aplikace vyžadující trvale vyšší než pětihodinový proud (0,2C) se nehodí.

Kvůli silné expanzi aktivních elektrodových materiálů jim také vadí velká hloubka vybíjení. Olověné baterie jsou také náchylné na teplotu, protože chemické reakce se zrychlují zhruba o polovinu s každými 10 °C navíc. Výrobcem udávaná životnost je zpravidla vztažena k teplotě  20-25 °C, při vyšších teplotách se životnost zkracuje.

Stratifikace elektrolytu zase může způsobovat nadměrné opotřebení elektrod. Na vrchu baterie jsou elektrody vystaveny sulfataci a ve spodu korozi z důvodu vysoké koncentrace kyseliny sírové v elektrolytu. Olověné baterie vyžadují pravidelnou údržbu a kontrolu, pokud se nejedná o bezúdržbový typ.

Doba nabíjení je v porovnání s Li-Ion a Ni-Cd akumulátory dlouhá. Rychlé nabíjení pouze snižuje životnost a v praxi se moc nevyužívá. Díky obsahu elektrolytu obsahujícímu kyselinu sírovou jsou omezené možnosti transportu olověných baterií. Ve vybitém stavu jsou náchylné k zamrznutí z důvodu nízké koncentrace kyseliny v elektrolytu.

Oblasti použití olověných baterií

• Zabezpečovací systémy (EZS)
• Nepřerušitelné zdroje napájení (UPS)
• Hybridní vozidla (HEV)
• Dříve pro pohon elektrických vozidel (Trabant, Škoda Eltra, GM EV1, VW CityStormer)
• Stacionární bateriová úložiště

Závěr

Olověné baterie hrají, i přes tvrdou konkurencí z řad lithiových baterií, stále hlavní roli na poli stacionárních bateriových aplikací. Pro aplikace, kde je potřeba mít výkon a energii v zásobě pro případ výpadku, který může, ale také nemusí přijít, je olověná technologie prozatím nejlepším řešením.

Pro cyklické aplikace se již více vyplatí Li-Ion s LFP katodou. Provozní napětí jsou totiž prakticky stejná jako u olověných systémů. Právě u tohoto typu Li-Ion baterií klesá významně cena a na trhu se již objevují náhrady olověných baterií, které stačí pouze "vyměnit" za vysloužilou olověnou baterii. Samozřejmě kompatibilita není zaručena a pro každou aplikaci je individuální posouzení nutným základem k zajištění stejné bezpečnosti provozu LFP baterií, jakou nabízí baterie olověné.