Akumulator kwasowo-ołowiowy

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania

Akumulator kwasowo-ołowiowy – rodzaj akumulatora elektrycznego, opartego na ogniwach galwanicznych zbudowanych z elektrody ołowiowej, elektrody z tlenku ołowiu(IV) (PbO2) oraz ok. 37% roztworu wodnego kwasu siarkowego, spełniającego funkcję elektrolitu.

Akumulator ołowiowy został wynaleziony przez francuskiego fizyka Gastona Planté w 1859 r. Mimo wielu jego wad jest to wciąż najbardziej popularny rodzaj akumulatorów elektrycznych. Występuje w niemal wszystkich samochodach, a także wielu innych pojazdach (np. Melex). Oprócz tego stanowi często jeden z elementów awaryjnego zasilania budynków, zakładów przemysłowych, szpitali, central telefonicznych i polowych systemów oświetleniowych.

Konstrukcja i działanie[edytuj | edytuj kod]

Akumulator samochodowy 12V/40Ah

Typowy akumulator do samochodu osobowego jest zbudowany z 6 ogniw ołowiowo-kwasowych połączonych szeregowo. Każde ogniwo generuje siłę elektromotoryczną (SEM) równą 2,1 V. Cały akumulator generuje zatem napięcie znamionowe równe 12,6 V. Rezystancja wewnętrzna akumulatora jest bardzo mała, umożliwiając przepływ bardzo dużych prądów. Z tego powodu znalazły zastosowanie jako akumulatory rozruchowe silników spalinowych. W samochodach ciężarowych stosowane są baterie akumulatorów złożone z 12 ogniw o nominalnym napięciu 24 V. Akumulatory 6 V były stosowane w motocyklach, a dawniej w także samochodach (np. trabant do roku 1983).

Każde ogniwo składa się z:

  • anody wykonanej z metalicznego ołowiu: (−) w trakcie poboru prądu i (+) w trakcie ładowania
  • katody wykonanej z PbO2: (+) w trakcie poboru prądu i (−) w trakcie ładowania
  • elektrolitu, którym jest ~37% wodny roztwór kwasu siarkowego z rozmaitymi dodatkami

Rozładowywanie[edytuj | edytuj kod]

W trakcie poboru prądu z akumulatora, na elektrodach zachodzą następujące reakcje chemiczne:

Pb0 + SO42− ⇌ PbIISO4 + 2e     ε0 = 0,356 V
PbIVO2 + SO42− + 4H+ + 2e ⇌ PbIISO4 + 2H2O     ε0 = 1,685 V

Na obu elektrodach w trakcie poboru prądu wydziela się siarczan ołowiu(II) (PbSO4). W trakcie ładowania zachodzą dokładnie takie same reakcje, tyle że w drugą stronę.

W naładowanym akumulatorze gęstość elektrolitu wynosi 1,26–1,28 g/cm3 (w akumulatorach stosowanych w klimacie tropikalnym 1,23 g/cm3). Proces rozładowywania powoduje zmniejszenie stężenia elektrolitu oraz gęstości. Kiedy w rozładowanym akumulatorze napięcie na biegunach spadnie do 1,8 V na ogniwo (10,8 V w akumulatorze samochodowym 12V), a gęstość elektrolitu do 1,18 g/cm3, akumulator należy niezwłocznie naładować. Stan naładowania można zmierzyć areometrem.

Stan całkowitego rozładowania akumulatora polega na całkowitym przekształceniu obu elektrod w stały siarczan ołowiu i jest nieodwracalny. Siarczan ołowiu po pewnym czasie przechodzi w stan krystaliczny, będący elektrycznym izolatorem i trudno reagującym, powodującym spadek pojemności akumulatora. W praktyce zapobiega się tzw. zasiarczeniu elektrod stosując specjalną ich konstrukcję, która utrudnia osadzanie się na ich powierzchni nieprzenikalnej warstwy kryształów siarczanu ołowiu. Akumulatory samochodowe nie są jednak generalnie zaprojektowane do częstego całkowitego rozładowania, lecz raczej do funkcjonowania w stanie całkowitego naładowania.

Ładowanie[edytuj | edytuj kod]

Proces ładowania polega na podłączeniu akumulatora do odpowiednich biegunów źródła prądu stałego (np. zasilacza lub prostownika) i trwa on około 10 godzin (akumulatory samochodowe ładowane są sukcesywnie podczas pracy silnika, np. za pomocą alternatora). Prąd ładowania powinien wynosić 10% pojemności akumulatora (dla akumulatora 40 Ah prąd ładowania wynosi 4 A). Możliwe jest ładowanie przyśpieszone (1 godzina) według zaleceń producenta. Podczas ładowania napięcie ogniwa wzrasta powoli od ok. 2 V do 2,35 V, potem szybciej. Gęstość elektrolitu rośnie. Po przekroczeniu napięcia 2,4 V zaczyna się rozkład wody na tlen i wodór (tzw. gazowanie akumulatora). Po osiągnięciu napięcia 2,5 V należy przerwać ładowanie, w przeciwnym razie dochodzi do przeładowania akumulatora. Skutkuje to wydzieleniem dużych ilości wodoru (tzw. „zagotowanie”). Wodór w połączeniu z powietrzem tworzy mieszankę wybuchową, która może eksplodować pod wpływem iskry elektrycznej. Stąd ładowanie akumulatorów należy przeprowadzać w dobrze wentylowanych wnętrzach lub na otwartym terenie i unikać iskrzenia przy odłączaniu zacisków prostownika (w pierwszej kolejności odłączyć prostownik z sieci). W czasie ładowania w elektrolicie wydziela się ciepło, które przy temperaturze powyżej 40 °C działa szkodliwie na płyty akumulatora. Nie powinno się użytkować akumulatorów sprzedawanych w Polsce w temperaturze otoczenia powyżej 40 °C (w krajach o klimacie tropikalnym).

Nieużywany akumulator trzeba okresowo doładowywać aby nie dopuścić do zasiarczenia spowodowanego samorozładowywaniem się akumulatora.

Pojemność[edytuj | edytuj kod]

Pojemność akumulatorów ołowiowych podaje się w amperogodzinach (Ah). Pojemność zależy od sposobu rozładowywania, dlatego wprowadzono pojęcie pojemności 10-godzinnej. Dla przykładu, aby rozładować w ciągu 10 godzin akumulator 40 Ah, należy czerpać z niego prąd o natężeniu 4 A. Niektórzy producenci stosują inne pojęcia pojemności akumulatora, np. pojemność 5-godzinną (5HR) lub 20-godzinną (20HR).

W ujemnych temperaturach pojemność maleje, co może powodować trudności z uruchomieniem pojazdów. Przy dużych mrozach w rozładowanym akumulatorze może dojść do zamarznięcia elektrolitu, doprowadzając do jego uszkodzenia. Dawniej zalecane było wyjmowanie akumulatora z samochodu, przechowywanie w ciepłym miejscu i zamontowanie przed uruchomieniem silnika.

Akumulatory tzw. "bezobsługowe" i "żelowe"[edytuj | edytuj kod]

Wadą akumulatorów ołowiowych jest ryzyko wycieku z nich kwasu siarkowego oraz parowanie wody powodujące zbyt duże jego stężenie w elektrolicie i konieczność okresowego uzupełniania. Oba problemy rozwiązuje się stosując albo bardzo szczelne, nierozbieralne obudowy lub stosując elektrolity żelowe. Elektrolity żelowe są nadal wodnymi roztworami kwasu siarkowego, jednak dodaje się do nich środka żelującego (np: żywice silikonowe), który jednocześnie zapobiega parowaniu wody i wyciekom. Oba typy akumulatorów - uszczelnione i żelowe nazywa się "bezobsługowymi" - gdyż w zasadzie nie wymagają one kontrolowania składu i ilości elektrolitu.

Information icon.svg Osobny artykuł: akumulator żelowy.

Żadna forma elektrolitu nie zapobiega jednak problemom wynikającym z częstego rozładowywania akumulatora. Ładowanie akumulatorów "bezobsługowych" jest przeprowadzane w ten sam sposób jak "obsługowych", nie należy tylko dokonywać w nich samodzielnego uzupełniania elektrolitu.

Obudowy akumulatorów nie są nigdy absolutnie szczelne, bo powodowałoby to niebezpieczeństwo wybuchu na skutek dużego wzrostu ciśnienia we wnętrzu w efekcie wydzielania wodoru, w trakcie jego przeładowywania.

Akumulator w liczbach[edytuj | edytuj kod]

Typowy akumulator samochodowy, złożony z 6 ogniw posiada[potrzebne źródło]:

  • Siłę elektromotoryczną około = 12,6 V
  • Napięcie znamionowe pojedynczego ogniwa 2,105 V
  • Minimalne napięcie (wskazujące na stan głębokiego rozładowania) - 10,8 V
  • Prawidłowe napięcie ładowania - minimalne: 13,9 V - maksymalne 14,5 V
  • Po pełnym naładowaniu napięcie szybko spada do 13,2 V a później powoli do 12,6 V
  • Napięcie akumulatora powinno być mierzone 12 godzin po ładowaniu aby zapewnić dokładny pomiar
  • Napięcie przeładowania - występujące w trakcie wydzielania wodoru > 14,4 V
  • W przypadku rozładowania akumulatora celowe jest ładowanie go niskim stałym prądem do napięcia nawet 16,5 V
  • Typowy prąd ładowania = 1/10 pojemności akumulatora
  • Współczynnik samorozładowania 3–20%/miesiąc
  • Wytrzymałość 500–800 cykli

Przykładowe parametry[edytuj | edytuj kod]

Dane szacunkowe na podstawie akumulatora Centra 45 Ah[potrzebne źródło]:

Typ akumulatora Liczba cykli dm³/kWh kg/kWh $/kWh
Pb 1500 12 24 80

Bibliografia[edytuj | edytuj kod]

Wikimedia Commons
Wikimedia Commons