W systemie zasilania gwarantowanym napięciem stałym lub przemiennym stacjonarna bateria akumulatorów jest sercem układu. Jest także magazynem, który zabezpiecza dostęp do energii w przypadku zaniku zasilania sieci podstawowej. Nawet najlepszy system, z najlepszymi parametrami prądu i napięcia wyjściowego, ale z wadliwą baterią, która nie jest w stanie zapewnić wymaganego czasu podtrzymania, nie spełni swojego zadania. Kondycja baterii i dbałość o jej parametry jest bardzo ważnym elementem, niezbędnym dla prawidłowego funkcjonowania układu zasilania napięciem gwarantowanym.

Kondycję baterii można porównać do zdrowia człowieka – nie tylko dlatego, że w baterii oraz w organizmie ludzkim zachodzą procesy elektrochemiczne. Przy tym porównaniu chodzi przede wszystkim
o podejście mentalne. Jeżeli człowiek nie odczuwa poważnych, negatywnych sygnałów o zdrowiu, zwykle się nim nie interesuje i nie stosuje profilaktyki. Podobnie jest z baterią. Jeśli przechodzi ona testy pojemności z odpowiednim rezultatem, to nie próbujemy jej regenerować i poprawiać jej parametrów. Dopiero jeśli utraci pojemność w takim stopniu, że nie nadaje się do eksploatacji, najczęściej zostaje podjęta decyzja o pracach serwisowych. W takim momencie może być już za późno na skuteczne czynności naprawcze. Jeżeli sygnały o złej kondycji baterii przyjdą zbyt późno i system zasilania nie będzie działał poprawnie, to koszty takiej diagnostyki są zwykle bardzo wysokie. W dalszej części artykułu zostaną omówione sposoby zapobiegania awariom baterii i sposoby efektywnego poprawiania jej pojemności.

W artykule [1] opisano, jaką praktyczną żywotność osiągają kwasowo ołowiowe akumulatory VRLA na stacjach energetyki zawodowej w Polsce. Z doświadczeń eksploatacyjnych wynika, że jest to zaledwie 50-60% żywotności katalogowej. Z tego powodu zastosowanie właściwych metod regeneracyjnych jest niezbędne dla uzyskania akceptowalnej przez użytkowników żywotności baterii kwasowo-ołowiowych.
Dotyczy to szczególnie baterii z rekombinacją gazów z zaworami bezpieczeństwa (typu VRLA). Dodatkowo metody regeneracji muszą być dostosowane do realiów eksploatacyjnych, czyli muszą być efektywne, przy minimalnym dodatkowym serwisowaniu.

Uszkodzenia baterii kwasowych

Uszkodzenie baterii w końcu zawsze (najczęściej z jakimś interwałem czasowym) skutkuje obniżeniem się pojemności i skróceniem czasu przydatności akumulatora do pracy w systemie. Procesy starzeniowe baterii akumulatorów są nieuniknione i zachodzą w sposób naturalny. Te zmiany są uwzględnione w deklarowanej
przez producenta żywotności katalogowej.

Na skrócenie żywotności mają też wpływ inne czynniki, wynikające z niewłaściwej eksploatacji baterii akumulatorów. Są to m.in.: termiczne warunki pracy baterii (szczególnie zbyt wysokie temperatury pracy), charakter pracy (np. szkodliwe są częste cykle ładowania i rozładowania), wysokie tętnienia prądów ładowania, płytkie rozładowania itp. Często uszkodzenia baterii wynikają ze złych parametrów
ładowania. Klasyfikacja uszkodzeń, ze względu na miejsce ich powstania, została przedstawiona na rysunku 1. Ze względu na rodzaje uszkodzeń w akumulatorze, można je podzielić na:
 mechaniczne, czyli wszystkie ilościowe ubytki elementów akumulatora, takich jak elementy wsporcze, połączenia, sworznie, ubytki materiału aktywnego na płytach, parowanie elektrolitu,
 morfologiczne płyt – związane z powstawaniem miejscowej mikroformy krystalicznej siarczanów ołowiu, która powoduje nieodwracalne zasiarczenie płyt,
 chemiczne – związane ze zmianą rozkładu gęstości elektrolitu.

Uszkodzenia mechaniczne można zrekompensować tylko przez wymianę zniszczonych elementów. W obecnie produkowanych akumulatorach klasycznych jest to praktycznie niemożliwe. W przypadku ubytków mechanicznych można uzupełnić poziom elektrolitu, ale też nie zawsze, gdyż nie dotyczy to akumulatorów VRLA z rekombinacją gazów, (w których ich szczelna konstrukcja oraz uwięzienie elektrolitu w matach szklanych lub w żelu takie czynności wyklucza).

Niekiedy można wymienić zewnętrzne elementy akumulatora, np. złączki międzyogniwowe lub sworznie. Inne elementy mechaniczne są nie do naprawienia. W akumulatorach produkowanych do końca lat 80. w słojach szklanych można było wykonywać bardziej skomplikowane naprawy mechaniczne [2], jednak
takich prac serwisowych już się nie wykonuje.

Regeneracja może natomiast wpływać na poprawę parametrów morfologicznych płyt i chemicznych elektrolitu. Można to uzyskać przez zwiększenie efektywności odsiarczania materiału aktywnego
płyt. Efekt utraty części materiału aktywnego – PCL (permanent capacity lost) został opisany w [1]. W czasie normalnej eksploatacji baterii PCL jest niemożliwy do zlikwidowania. Jeżeli zachodzące w akumulatorze zmiany chemiczne nie będą szybko korygowane, to w konsekwencji staną się przyczyną mechanicznych uszkodzeń akumulatora.

Zmiany parametrów morfologicznych i chemicznych w akumulatorze

W akumulatorze może wystąpić zmiana parametrów chemicznych elektrolitu oraz materiału aktywnego płyt. Powoduje to obniżenie pojemności dyspozycyjnej akumulatora. Mechanizm powstawania oraz przebieg tych procesów można wyjaśnić na podstawie [3] i [4].

Zmiany zachodzące w elektrolicie

W trakcie pracy akumulatorów klasycznych z elektrolitem ciekłym w trybie buforowym oraz ładowania i rozładowania baterii, elektrolit ma tendencję do miejscowej zmiany gęstości, czyli do rozwarstwiania się (stratyfikacji). Zjawisko to nie występuje w akumulatorach z elektrolitem uwięzionym VRLA.

Uformowany fabrycznie akumulator zwykle ma stały rozkład gęstości, natomiast podczas eksploatacji stan ten zostaje zakłócony. W trakcie pracy buforowej zjawisko stratyfikacji jest konsekwencją opadania cięższych cząstek kwasu (zgodnie z prawem ciążenia). Podczas ładowania akumulatora i po rozładowaniu gęstość w obszarze między płytami zwiększa się, natomiast powyżej i poniżej (czyli poza obrysem płyt) gęstość będzie taka, jak przed ładowaniem. W wyniku tych procesów podczas eksploatacji baterii następuje rozwarstwienie się gęstości kwasu – od najniższej na górze, do bardzo wysokiej na dole akumulatora. Taki stan jest niebezpieczny, ponieważ w miejscach o zwiększonej gęstości elementy akumulatora są bardziej podatne na korozję i uszkodzenia mechaniczne. Ponadto akumulator, w którym występuje zjawisko stratyfikacji elektrolitu, ma niższą pojemność, niższą siłę elektromotoryczną i nierównomierny (związany z rozkładem gęstości kwasu) rozkład prądów międzyelektrodowych. Bateria wykazuje także większą podatność do samorozładowania. Osiągnięcie jednorodnej gęstości kwasu jest łatwe – można ją uzyskać przez mechaniczne lub elektryczne wymieszanie elektrolitu. Mieszanie mechaniczne (przez pompy powietrzne) nie jest stosowane przy akumulatorach stacjonarnych. Dla tego typu ogniw wystarczy wykonywać mieszanie elektryczne, czyli doprowadzenie akumulatorów do gazowania przez podniesienie napięcia ładowania do 2,30/2,40 V na ogniwo. Jest to zabieg prosty, wręcz obowiązkowy, po teście pojemności. Często jednak nie jest on przeprowadzany i stosuje się standardowe ładowanie IU, tj. prądem stałym co do wartości (ograniczonym do prądu dziesięciogodzinnego baterii) oraz stałym napięciem buforowym. Po wymieszaniu elektrolitu przez gazowanie należy pamiętać o sprawdzeniu poziomu elektrolitu i w razie konieczności dolaniu wody destylowanej.

Zmiany zachodzące w materiale aktywnym płyt

W trakcie rozładowania następuje zamiana energii chemicznej na elektryczną oraz (w konsekwencji tego) przemiana materiału aktywnego płyt na siarczan ołowiu (PbSO4). Kryształy siarczanów – przy pełnym rozładowaniu – pokrywają całą powierzchnię elektrod. W wyniku ładowania elektrycznego akumulatora
kwasowego i procesów chemicznych siarczany zmieniają się na materiał aktywny elektrod. Siarczany ołowiu powstałe w wyniku rozładowania są małe, ale pozostawione przez dłuższy czas na płytach mają tendencję do wzajemnego łączenia się, tworząc duże kryształy.

Zjawisko krystalizacji i powstawania dużych kryształów na płytach może być konsekwencją pozostawienia baterii rozładowanej po jej pracy autonomicznej. Takie kryształy mogą tworzyć się także w trakcie długiego rozładowania, np. prądem 8-10-godzinnym lub mniejszym (siarczany, które powstały w pierwszej fazie rozładowania, długo pozostają na płytach). Powstawanie takich kryształów w ogniwach starszych technologii z kratkami płyt wysokoantymonowych, występowało w dużo mniejszym stopniu i nie było aż tak groźne. Wprowadzenie innych dodatków w miejsce antymonu do stopów kratek płyt, takich jak wapń i selen, ograniczyło gazowanie akumulatorów, ale wpłynęło negatywnie na procesy morfologiczne związane z powstawaniem dużych kryształów. Dodatkowo w typach ogniw wysoko antymonowych duży prąd ładowania buforowanego rozpuszczał takie kryształy i powodował rekrystalizację.

We współczesnych technologiach akumulatorów kwasowych z kratkami elektrod ze stopów niskoantymonowych oraz bezantymonowych zjawisko powstawania dużych kryształów jest bardzo groźne. W końcowej części ładowania dla charakterystyki stałonapięciowej prąd jest bardzo mały. Z tego powodu część dużych kryształów siarczanu zostaje nierozpuszczona na płytach i jest powodem permanentnej utraty pojemności ogniw, gdyż takie kryształy siarczanu ograniczają powierzchnię czynną płyt. Duże kryształy są
termodynamicznie stabilniejsze (trudno je zlikwidować), zaś kinetycznie mają gorszą proporcję owierzchni do masy, a więc trudniej ulegają procesom elektrochemicznym. Przy rekrystalizacji współczynnik rozpuszczania jest związany ze stężeniem jonów. Taki widok – tylko częściowo odsiarczonej elektrody dodatniej – przedstawiono na rysunku 3 (na elektrodzie obok PbO2 widać duże kryształy PbSO4).

Likwidację dużych kryształów można wykonać przez zastosowanie specjalnej strategii ładowania lub przez dodanie specjalnych związków do elektrolitu. Ta druga metoda ma zastosowanie tylko dla ogniw z elektrolitem ciekłym.

Metody regeneracji akumulatorów kwasowo-ołowiowych

Regeneracji podlegają tylko zmiany chemiczne i morfologiczne akumulatora. Zlikwidowanie rozwarstwienia elektrolitu jest dość proste – jak wspomniano, wystarczy zapewnić elektryczne mieszanie
elektrolitu. Można to uzyskać przez zastosowanie ładowania wyrównawczego (ładowania stałonapięciowego – wyższym napięciem niż buforowe lub ładowania stałoprądowego).

Dużo trudniejsza jest rekrystalizacja, czyli zlikwidowanie dużych kryształów siarczanu ołowiu PbSO4 występujących na elektrodach baterii. Rozpuszczenie tych kryształów nie jest możliwe za pomocą klasycznych metod ładowania, stosowanych dla baterii stacjonarnych. Można to uzyskać przez następujące czynności:
– dolanie do elektrolitu specjalnych związków przyśpieszających rozpuszczenie dużych kryształów siarczanów ołowiu,
– zastosowanie specjalnej strategii ładowania odsiarczającego, przyśpieszającego rozpuszczenie dużych kryształów siarczanów ołowiu.

Pierwsza metoda polega na wprowadzeniu do elektrolitu związków chemicznych przyśpieszających rozpuszczenie kryształów. Są to związki zawierające silne utleniacze, najczęściej perhydrol (czyli 30-procentowy roztwór nadtlenku wodoru H2O2). Firmy świadczące takie usługi mają pełną certyfikację bezpieczeństwa, zapewniającą że w trakcie zabiegów nie zostaną uszkodzone inne elementy akumulatora. Skład takich mieszanek jak np. PowerBatt jest ścisłą tajemnicą handlową przedsiębiorstw, natomiast skuteczność tej metody została wielokrotnie potwierdzona w praktyce. Metody tej nie można zastosować do akumulatorów z elektrolitem uwięzionym VRLA i AGM, gdyż elektrolit jest uwięziony i zamknięty wewnątrz ogniwa. W przypadku ogniw stacjonarnych jest to duża uciążliwość, ponieważ większość niedomagań i uszkodzeń dotyczy właśnie ogniw VRLA z elektrolitem uwięzionym.

Druga metoda polega na zastosowaniu w ostatniej fazie ładowania baterii charakterystyki stałoprądowej, dla której prąd jest ograniczony do 10-20% prądu 10-godzinnego. Ładowanie prądowe w fazie, kiedy akumulator ma już wysoką gęstość elektrolitu, skutecznie rozpuści duże kryształy i zregeneruje materiał aktywny na płytach. Ograniczenie prądu ładowania do zaledwie 10-20% prądu 10-godzinnego daje możliwość zastosowania tej metody dla ogniw z zaworami typu VRLA (dla tak małej wartości prądu system wewnętrznej rekombinacji powinien sobie poradzić z cyklem reprodukcji wody i zawory bezpieczeństwa nie powinny się otworzyć, a ogniwa nie powinny ulec wysuszeniu). Rozpuszczając kryształy przy użyciu tej metody w akumulatorach klasycznych, można podnieść wartość prądu ładowania.