Akumulator kwasowo-ołowiowy

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj

Akumulator kwasowo-ołowiowy – rodzaj akumulatora elektrycznego, opartego na ogniwach galwanicznych zbudowanych z elektrody ołowiowej, elektrody z ditlenku ołowiu (PbO
2
) oraz ok. 37% roztworu wodnego kwasu siarkowego, spełniającego funkcję elektrolitu.

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

Konstrukcja i działanie[edytuj]

Schemat działania akumulatora kwasowo-ołowiowego w czasie ładowania i rozładowywania

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 PbO
    2
    : (+) w trakcie poboru prądu i (−) w trakcie ładowania
  • elektrolitu, którym jest ok. 37% wodny roztwór kwasu siarkowego z rozmaitymi dodatkami

Rozładowywanie[edytuj]

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

  • anoda – utlenianie:
    Pb0
    + SO2−
    4
    ⇄ PbII
    SO
    4
    + 2e
    (E° = 0,356 V)
  • katoda – redukcja:
    PbIV
    O
    2
    + SO2−
    4
    + 4H+
    + 2e
    ⇄ PbII
    SO
    4
    + 2H
    2
    O
    (E° = 1,685 V)

Na obu elektrodach w trakcie poboru prądu wydziela się siarczan ołowiu(II) (PbSO
4
). 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 jego gęstości. Kiedy w rozładowanym akumulatorze napięcie na biegunach spadnie do 1,8 V na ogniwo (10,8 V w 12-woltowym akumulatorze samochodowym), 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 odwracalny. Siarczan ołowiu jednak po pewnym czasie przechodzi w stan krystaliczny (elektryczny izolator), powodując tym samym spadek pojemności akumulatora. W takiej sytuacji niemożliwe staje się naładowanie akumulatora, gdyż skrystalizowany siarczan ołowiu nie bierze udziału w procesach chemicznych. 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]

Charakterystyka ładowania akumulatora kwasowo-ołowiowego. Na osi poziomej zaznaczono czas ładowania. Na osiach pionowych kolejno: napięcie (pojedynczego ogniwa i baterii 12 V), natężenie prądu (jako ułamek pojemności oraz w amperach; tutaj dla akumulatora o pojemności 40 Ah), stan naładowania (w procentach)

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 liczbowo 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 należy 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 procesem samorozładowania.

Pojemność[edytuj]

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]

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

Akumulatory bezobsługowe i żelowe[edytuj]

 Osobny artykuł: akumulator żelowy.

Wadą akumulatorów ołowiowych jest ryzyko wycieku z nich kwasu siarkowego oraz parowanie wody powodujące zbyt duże stężenie elektrolitu, co wymaga okresowego jej uzupełniania. Oba problemy rozwiązuje się stosując specjalną konstrukcję uwięzienia elektrolitu w zamkniętej obudowie. Rozróżnia się trzy technologie:

  • MF (ang. maintenance free) – bezobsługowe klasyczne akumulatory z płynnym elektrolitem o zamkniętej konstrukcji i ograniczonej możliwości otwarcia obudowy;
  • AGM (ang. absorbtive glass mat) – akumulatory z płynnym elektrolitem zabsorbowanym w separatorze wykonanym z maty szklanej;
  • żelowe (ang. gel) – akumulatory 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.

Akumulatory AGM i żelowe także nazywa się bezobsługowymi, gdyż w zasadzie nie wymagają one kontrolowania składu i ilości elektrolitu.

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. Kontrola naładowania w tym wypadku polega na obserwowaniu napięcia na zaciskach akumulatora.

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

Rodzaje akumulatorów i zastosowanie[edytuj]

Akumulator rozruchowy[edytuj]

Akumulator samochodowy 12 V/40 Ah

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

Akumulatory rozruchowe charakteryzują się bardzo małą rezystancją wewnętrzną, umożliwiając przepływ bardzo dużych prądów. W ujemnych temperaturach maksymalny prąd uzyskiwany z akumulatora jest mniejszy, co może powodować trudności z uruchomieniem pojazdów. Jest to spowodowane tym, że w niższych temperaturach procesy chemiczne zachodzą wolniej. 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 generalnie zaprojektowane do częstego całkowitego rozładowania, lecz raczej do funkcjonowania w stanie całkowitego naładowania.

Akumulator do głębokich rozładowań[edytuj]

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, podczas gdy standardowe akumulatory z płytą pastowaną osiągają żywotność około 500 cykli.

Baterie stacjonarne[edytuj]

Bateria UPS centrum danych

Baterie stacjonarne, składające się z pojedynczych ogniw akumulatorów głębokiego rozładowania o napięciu 2 V, stosuje się m.in. w rozwiązaniach buforowego zasilania bezprzerwowego w instalacjach przemysłowych. Zgodnie z zasadami bezpieczeństwa są one montowane w wydzielonym pomieszczeniu z wymuszoną wentylacją, zwanym akumulatorownią.

Akumulator w liczbach[edytuj]

Parametry typowego akumulatora samochodowego, złożonego z 6 ogniw[1]:

  • siła elektromotoryczna: ok. 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
  • wydzielanie wodoru następuje po przekroczeniu napięcia 14,4 V
  • w przypadku głębokiego rozładowania akumulatora celowe jest ładowanie go niskim stałym prądem do napięcia nawet 16,5 V
  • typowy prąd ładowania to liczbowo 1/10 pojemności akumulatora
  • współczynnik samorozładowania: około 3–20% miesięcznie
  • wytrzymałość: średnio 500–800 cykli

Przykładowe parametry[edytuj]

Specyfikacja akumulatora marki Ultracell o pojemności 9 Ah[2]
Parametr Jednostka Wartość
Napięcie znamionowe V 12
Pojemność 20HR (1,8 V na ogniwo) Ah 9,00 (prąd rozładowania 0,425 A)
Pojemność 10HR (1,8 V na ogniwo) Ah 8,37 (prąd rozładowania 0,791 A)
Pojemność 5HR (1,75 V na ogniwo) Ah 7,22 (prąd rozładowania 1,45 A)
Pojemność 1HR (1,60 V na ogniwo) Ah 5,34 (prąd rozładowania 5,34 A)
Maksymalny prąd rozładowania A 127,5 (5 sekund)
Rezystancja wewnętrzna 18
Napięcie ładowania (praca cykliczna) V 14,4–15,0 (natężenie prądu nie większe niż 2,55 A)
Napięcie ładowania (praca buforowa) V 13,5–13,8 (brak limitu natężenia prądu)


Przypisy

  1. Akumulatory kwasowo-ołowiowe – Elektronika Praktyczna, „Elektronika Praktyczna” [dostęp 2016-10-13].
  2. Ultracell, UL9-12, 8 października 2014.