Handbook of Photovoltaic Science and Engineering

Figure 18.16
Voltage during constant discharge as a function of the discharged capacity at dif-
ferent discharge currents (tubular-plate lead acid battery,
C
10
capacity defined at
I
10
and 1.8 V),
data from Berndt D,
Blei-Akkumulatoren (Varta)
, VDI-Verlag, 11. Auflage, D¨usseldorf (1986) [18]

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SECONDARY ELECTROCHEMICAL ACCUMULATORS
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processes and the reaction at the electrochemical double layer. Therefore, the capacity of
lead acid batteries depends strongly on the temperature. The capacity increases almost
linearly by approximately 0.6%/K with an increase in temperature. The capacity decreases
in the same way with decreasing temperatures. Depending on the battery technology, the
temperature coefficient can be as high as 1.0%/K.
18.4.7.4 Ageing processes and their influence on the battery properties
A comparison with other battery systems, for example, NiCd batteries, reveals that the
relatively short lifetime of lead acid batteries is a significant disadvantage. However,
the operating behaviour of the batteries is already affected during the lifetime by the
processes responsible for ageing. Thus, it is helpful to be aware of the most important
ageing processes and to avoid the conditions that accelerate them.
18.4.7.4.1 Acid stratification
Acid stratification is not an ageing process but affects the operating behaviour of the
battery. On one hand it reduces the available capacity and changes the current/voltage
characteristics. On the other hand it leads to inhomogeneous current distribution at the
electrodes. The latter effect accelerates sulphation (Section 18.4.7.4.2), which is a major
ageing effect. Therefore, acid stratification is a reason for ageing and not an ageing effect
by itself. Acid stratification in flooded batteries can be removed immediately by stirring
the electrolyte.
Because the electrolyte functions as an active component of the electrode reaction,
local variations in the density can arise, with the result that the acid density decreases
in the upper part of the cell and increases in the lower part. The potential difference
associated with the concentration difference leads to discharging of the lower section of
the electrodes, which can result in irreversible ageing effects (e.g. sulphation).
In batteries with liquid electrolytes, the acid stratification can be eliminated by
deliberate overcharging, associated with gas production. The same mixing effect can be
achieved by active circulation of the electrolyte. Such electrolyte stirring systems are
made from an air bubbling system (Figure 18.22).
Electrolyte stratification can also occur in batteries with immobilised electrolytes. In
a gel battery, the effect is very small and therefore is of little relevance. In AGM batteries,
the strength of acid stratification depends very much on the quality of the glass mat. Large
battery cells from AGM technology are mounted vertically to avoid any acid stratification.
While purchasing the batteries, it is important to check the manufacturer’s specifications
regarding vertical installation of the battery. The problem with VRLA batteries is that an
existing acid stratification cannot be removed.
From theoretical consideration [19, 20], it is obvious that small currents in con-
junction with acid stratification lead to a significant undercharging of the lower part of the
electrodes. This effect is getting more and more pronounced with smaller battery currents.
When an acid stratification occurs, the upper part of the electrodes is charge preferential
and the lower part is discharge preferential. This results in differences in the local state of
charge between the upper and the lower part of up to 30%. During the limited charging

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ELECTROCHEMICAL STORAGE FOR PHOTOVOLTAICS
times, the upper part can reach a very high state of charge while the lower part is by
far not completely charged. This means, that the lower part of the electrode is cycled in
lower states of charge than from the average state of charge of the electrode. Further, the
lower part is cycled without a full charge for extended periods.
These findings are confirmed twofold by experimental results. On one hand, it was
possible to show experimentally the effect of inhomogeneous current distribution and the
state of charge within the electrode as a function of the charge/discharge currents [20].
On the other hand, almost all physicochemical analysis of lead acid batteries from PV
systems at the end of their lifetime shows a high degree of sulphation in the lower part
of the electrodes [21, 22].
Another problem related to acid stratification in batteries with liquid electrolytes
is that a measurement of the acid density, made at the only accessible position above the
electrodes, does not give any direct information on the battery’s state of charge.
As an example, Figure 18.17 shows the correlation between the acid density above
the electrodes in a flooded battery and the battery’s state of charge for a battery from a PV
system, with a large number of partial cycles.
12
Without acid stratification, a measured acid
density of, for example, 1.18 g/cm
3
corresponds to a real state of charge of approximately
Self-sufficient solar house
200 Ah rated capacity
January
−
May
Acid density above the electrodes
[g/cm
3
]
1.14
1.16
1.18
1.20
1.22
1.24
1.26
State of char
ge (SOC)
[%]
0
20
40
60
80
100