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]

Bleiakku Vorgänge.png

Każde ogniwo składa się z:

  • anody wykonanej z metalicznego ołowiu: (−) w trakcie poboru prądu i (+) w trakcie ładowania
  • separatora izolującego elektrody między sobą
  • 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.

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). Inne metody ładowania, np. większym prądem lub stałym napięciem powinno być przeprowadzane zgodnie z zaleceniami 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.

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).

Obsługa[edytuj | edytuj kod]

Utrzymanie klasycznych akumulatorów w nienagannym stanie wymaga stałej okresowej obsługi. W intensywnie użytkowanych akumulatorach należy uzupełniać poziom elektrolitu wodą destylowaną. Obniżanie się poziomu elektrolitu i jednoczesne zwiększanie jego gęstości wpływa negatywnie na jego trwałość. Nieużywane akumulatory należy doładowywać co miesiąc aby nie uległy zasiarczeniu.

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 specjalną konstrukcję uwięzienia elektrolitu w zamkniętej obudowie. Rozróżnia się trzy technologie: MF (z ang. Maintenance Free - bezobsługowe klasyczne akumulatory z płynnym elektrolitem o zamkniętej konstrukcji i ograniczonej możliwości otwarcia obudowy, AGM (z ang. absorbtive glass mat) z płynnym elektrolitem zabsorbowanym w separatorze wykonanym z maty szklanej, oraz "żelowe" (z ang. GEL) z elektrolitem żelowym. 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 - AGM 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 podobnie jak klasycznych, lecz należy użyć automatycznego prostownika chroniącego akumulator przed przeładowaniem.

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.

Rodzaje akumulatorów i zastosowanie[edytuj | edytuj kod]

Akumulator rozruchowy[edytuj | edytuj kod]

Akumulator samochodowy 12V/40Ah

Akumulatory rozruchowe silników spalinowych stanowią największą grupę produkowanych na świecie akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Obecnym standardem są baterie akumulatorów o napięciu nominalnym 12V, zbudowane z sześciu ogniw połączonych szeregowo. W samochodach ciężarowych stosowane są baterie akumulatorów o nominalnym napięciu 24V. Dawniej były stosowane także baterie akumulatorów o napięciu nominalnym 6V, używane w motocyklach oraz samochodach (np. trabant do roku 1983).

Akumulatory rozruchowe charakteryzują się bardzo małą rezystancją wewnętrzną, umożliwiając przepływ bardzo dużych prądów. W ujemnych temperaturach pojemność maleje, co może powodować trudności z uruchomieniem pojazdów. Przy dużych mrozach w rozładowanym akumulatorze o małej gęstości elektrolitu może dojść do zamarznięcia elektrolitu, doprowadzając do jego uszkodzenia. Dawniej praktykowane było wyjmowanie akumulatora z samochodu, przechowywanie w ciepłym miejscu i zamontowanie przed uruchomieniem silnika. Wysoka temperatura ma także negatywny wpływ na trwałość akumulatora. Nie powinno się użytkować akumulatorów sprzedawanych w Polsce w temperaturze otoczenia powyżej 40 °C (w krajach o klimacie tropikalnym). Akumulatory rozruchowe nie są jednak generalnie zaprojektowane do częstego całkowitego rozładowania, lecz raczej do funkcjonowania w stanie całkowitego naładowania.

Akumulator do głębokich rozładowań[edytuj | edytuj kod]

Akumulatory do głębokich rozładowań są przeznaczone głównie do pracy cyklicznej. Znajdują one zastosowanie w przemyśle, energetyce, odnawialnych źródłach energii. Największą grupę stanowią akumulatory trakcyjne służące do napędu wózków widłowych, Melexów oraz samochodów elektrycznych. Akumulatory tego typu są zbudowane w oparciu o tzw. pancerną płytę dodatnią. Uzyskuje się dzięki temu znacznie większą żywotność na poziomie 1200-1500 cykli rozładowań i ładowań, gdzie standardowe akumulatory z płytą pastowaną osiągają żywotność około 500 cykli.

Baterie stacjonarne[edytuj | edytuj kod]

Bateria UPS centrum danych

Baterie stacjonarne, składające się z pojedynczych ogniw akumulatorów głębokiego rozładowania o napięciu 2V, stosuje się m.in. w rozwiązaniach buforowego zasilania bezprzerwowego w instalacjach przemysłowych. Z zasad bezpieczeństwa są one montowane w wydzielonych pomieszczeniach z wymuszoną wentylacją, zwanych Akumulatorownią.

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