Handbook of Photovoltaic Science and Engineering

18.4.7.2 Lead acid batteries – technology, fundamentals, concepts
and applications
All the different types of lead acid batteries discussed in the following text are based on the
reaction equation presented above. Whereas Figure 18.11 shows a complete battery system
in an autonomous power supply system, Figure 18.12 shows the schematic construction
of the electrochemical Pb/H
2
SO
4
/PbO
2
cell.
Solid lead grids, rods or plates serve to conduct the current (grid) and to mechan-
ically stabilise the porous active mass in both electrodes. Depending on the battery type,
different lead alloys for the grid are used to increase the stability, improve the tooling
properties and to reduce corrosion. The porous active material is attached to the grid

---

830
ELECTROCHEMICAL STORAGE FOR PHOTOVOLTAICS
Figure 18.11
A battery in a photovoltaic system with a rated capacity of
C
10
=
37
.
5 Ah and a
rated voltage of 168 V (flat-plate technology, 28 blocks of 6 V connected in series, Picture courtesy
Fraunhofer ISE)
+
−
Porous PbO
2
active mass
Hard lead
Grid
Porous
separator
Electrolyte
(diluted
sulphuric acid)
Porous
Lead sponge
Figure 18.12
Schematic construction of a Pb/H
2
SO
4
/PbO
2
cell
PbO
2
(lead dioxide) for the positive electrode and to the Pb sponge for the negative elec-
trode. Figure 18.13 shows a more detailed view of the structure of the active material.
The active material has an internal surface area of approximately 0.5 to 5 m
2
/g for the
negative and the positive electrode in the fully charged state. The reaction speed and thus
the charging and discharging properties are determined by the internal surface. Both elec-
trodes are completely immersed in diluted sulphuric acid (H
2
SO
4
). As described earlier,
the sulphuric acid plays a double role as the ion conductor between the electrodes and a
reagent in the charge and discharge reactions. While the battery discharges, the PbO
2
and
Pb are converted to PbSO
4
(lead sulphate). The sulphate ions (SO
4
2
−
) are drawn from
the electrolyte, causing the electrolyte concentration to fall.
It is worth mentioning that the ratio of the specific volumes of PbSO
4
and Pb is 2.4
and the ratio between PbSO
4
and PbO
2
is 1.96. This means that the solid-phase volume of
the active materials increases during discharge. This reduces the free electrolyte volume
in the pores and causes mechanical stress on the active material.

---

SECONDARY ELECTROCHEMICAL ACCUMULATORS
831
r
1
r
n
−
1
r
n
r
2
i
n
i
2
i
1
H
2
SO
4
H
2
SO
4
U
batt
I
batt
Lead sulfate
Free
electrolyte
Electrolyte in pore volume
Charged active mass
(lead dioxide) 
Electrolyte
Shedded corrosion layer
Dense corrosion layer
Lead grid
Lead grid
Positi
ve acti
ve mass (lead dioxide)
Lead grid
Ne
gati
v
e acti
v
e mass (sponge lead)