De werking van een autobatterij

De batterij in een auto is een lood-accu. Deze batterij is nodig om de wagen te starten en om alles wat elektrische energie vraagt te doen werken zoals de radio, de lichten, ... Een auto-batterij is een oplaadbare batterij. De oplading gebeurt door de elektrische energie die tijdens het rijden wordt geproduceerd door de alternator van de auto.

• Ontladen van de batterij
• Opladen van de batterij
• Geleverde spanning door een autobatterij

Een lood-accu bevat een geconcentreerde zwavelzuur(H₂SO₄)-oplossing (38 m%) waarin Pb-platen en PbO₂-platen zijn opgehangen. Eén Pb-plaat en één PbO₂-plaat vormen samen 1 cel binnen de batterij.

Ontladen van de batterij

Tijdens de stroomlevering zal de batterij ontladen. Door het elektrisch contact tussen een Pb- en een PbO₂-plaat zullen twee redox-halfreacties spontaan opgaan. Zowel Pb als PbO₂ worden hierbij omgezet in Pb²⁺.

• Oxidatiereactie: Pb → Pb²⁺ + 2e^- (De Pb-plaat is dus de anode van een cel)
• Reductiereactie: PbO₂ + 2e^- +4H⁺ → Pb²⁺ + 2 H₂O (De PbO₂-plaat vormt dus de kathode van een cel)

De elektronen die vrijkomen in de oxidatiereactie worden gebruikt in de reductiereactie.Dat deze halfreacties spontaan opgaan, kan verklaard worden op basis van de normpotentialen (E°) van de betrokken redoxkoppels.

• E°(Pb²⁺/Pb) = -0.126V
• E°(PbO₂/Pb²⁺) = 1.455V

De waarden van de normpotentialen zijn sterk verschillend. De lage normpotentiaal van het eerste koppel wijst op het sterk reducerend vermogen van Pb. Pb wordt dus heel makkelijk geoxideerd tot Pb²⁺. De hoge normpotentiaal van het tweede koppel wijst op het sterk oxiderend vermogen van PbO₂. PbO₂ wordt dus gemakkelijk gereduceerd tot Pb²⁺.

Zowel aan de kathode als aan de anode zullen de gevormde Pb²⁺-ionen een neerslag vormen met sulfaat(SO₄^2-)-ionen afkomstig van het zwavelzuur. De gevormde neerslag zal zich hechten aan de elektroden.

Pb²⁺ + SO₄^2- → PbSO₄

Tijdens de stroomlevering zal er dus H₂SO₄ uit de oplossing verdwijnen. De dichtheid van de oplossing in de batterij zal hierdoor merkbaar afnemen. Met behulp van een dichtheidsmeting kan dus de graad van ontlading van de batterij worden gemeten.

Opladen van de batterij

Om de batterij opnieuw op te laden moeten de omgekeerde halfreacties doorgaan.

• Pb²⁺ + 2e^- → Pb (De Pb-plaat zal hier dus de kathode van de cel zijn)
• Pb²⁺ → PbO₂ + 2e^- (De PbO₂-plaat zal dus moeten fungeren als de anode van de cel)

Deze halfreacties zullen nooit spontaan opgaan. Hiervoor moet externe elektrische energie worden toegevoerd. Dit gebeurt tijdens het rijden, door middel van de alternator die door de motor wordt aangedreven. Door een negatieve spanning aan te leggen op de Pb-plaat en een positieve spanning aan te leggen op de PbO₂-plaat, zullen de platen terug naar hun oorspronkelijke toestand gaan. De PbSO₄-neerslag aan de Pb-plaat wordt weer omgezet in Pb-metaal en SO₄^2-. De PbSO₄-neerslag aan de PbO₂ wordt weer omgezet in PbO₂ en SO₄^2-. Er ontstaat hierbij dus opnieuw H₂SO₄ waardoor de dichtheid van de batterijvloeistof weer zal toenemen.

Geleverde spanning door een autobatterij

Eén zo’n cel kan een spanning leveren van 2V. Door 6 cellen in serie te schakelen, kan echter een spanning van 12V worden verkregen. In serie schakelen, betekent dat de anoden en de kathoden van een reeks opeenvolgende cellen met elkaar worden verbonden.