Akumulator kwasowo-ołowiowy - Polski Serwis Naukowy

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, centrali telefonicznych i polowych systemów oświetleniowych.

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(VI), spełniającego rolę elektrolitu.
Siła elektromotoryczna (SEM) – czynnik powodujący przepływ prądu w obwodzie elektrycznym równy energii elektrycznej uzyskanej przez jednostkowy ładunek przemieszczany w urządzeniu (źródle) prądu elektrycznego w przeciwnym kierunku do sił pola elektrycznego oddziałującego na ten ładunek.

Konstrukcja i działanie

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. Baterie 6V były stosowane w motocyklach, a dawniej w także samochodach (np. Trabant do roku 1983).

Napięcie znamionowe jest to maksymalne napięcie prądu elektrycznego jakie może być podane w sposób trwały na element lub urządzenie elektrotechniczne, np. rezystor czy transformator. W transformatorach rozróżnia się napięcie znamionowe uzwojenia pierwotnego i wtórnego. Po przekroczeniu napięcia znamionowego element może ulec zniszczeniu na skutek przebicia elektrycznego izolacji lub pracować z bardzo dużymi stratami.
Reakcja chemiczna – każdy proces, w wyniku którego pierwotna substancja zwana substratem przemienia się w inną substancję zwaną produktem. Aby cząsteczka substratu zamieniła się w cząsteczkę produktu konieczne jest rozerwanie przynajmniej jednego z obecnych w niej wiązań chemicznych pomiędzy atomami, bądź też utworzenie się przynajmniej jednego nowego wiązania. Reakcje chemiczne przebiegają z reguły z wydzieleniem lub pochłonięciem energii cieplnej, promienistej (alfa lub beta) lub elektrycznej.

Pojedyncze 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

W ogniwie tym, w trakcie poboru prądu zachodzą następujące reakcje chemiczne na elektrodach:

Wodór (H, łac. hydrogenium) – pierwiastek chemiczny, niemetal z bloku s układu okresowego. Jest to najprostszy możliwy pierwiastek o liczbie atomowej 1, składający się z jednego protonu i jednego elektronu.
Silnik spalinowy — silnik wykorzystujący sprężanie i rozprężanie czynnika termodynamicznego (gazu) do wytworzenia momentu obrotowego lub siły. Sprężany jest gaz "zimny", a rozprężany — "gorący". Do sprężenia gazu zimnego zużywana jest mniejsza ilość energii mechanicznej niż uzyskuje się z rozprężania. Z tego powodu energia uzyskana z rozprężania zużywana jest do sprężania gazu i do napędu dowolnej maszyny. Gorący gaz uzyskuje się w wyniku spalenia paliwa, stąd nazwa: silnik spalinowy.

anoda – utlenianie:

Pb + SO4 ⇌ PbSO4 + 2e ε = 0,356 V

katoda – redukcja:

PbO2 + SO4 + 4H + 2e ⇌ PbSO4 + 2H2O ε = 1,685 V

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

Połączenie szeregowe (obwód szeregowy) jest to taki rodzaj połączenia elementów elektrycznych, w którym koniec jednego elementu łączy się z początkiem następnego. Połączenie takie tworzy szereg (łańcuch) elementów, w którym prąd elektryczny musi przepływać kolejno przez wszystkie elementy (natężenie prądu ma więc taką samą wartość dla wszystkich elementów w połączeniu szeregowym).
Melex – niewielki pojazd napędzany silnikiem elektrycznym, produkowany przez firmę o tej samej nazwie od 1971 roku w Mielcu. Na początku produkowany był jedynie w wersji wózek golfowy, dziś istnieje w kilku odmianach o różnym przeznaczeniu użytkowym.

W naładowanym akumulatorze gęstość elektrolitu wynosi 1,26–1,28 g/cm (w akumulatorach stosowanych w klimacie tropikalnym 1,23 g/cm). 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/cm, akumulator należy niezwłocznie naładować. Stan naładowania można zmierzyć areometrem.

Tlenek ołowiu(IV), ditlenek ołowiu, PbO2 - brunatne ciało stałe, nierozpuszczalne w wodzie, silny utleniacz. Ogrzewany (290 °C) rozkłada się, wydzielając tlen. Jest amfoteryczny. PbO2 można otrzymać w wyniku utleniania soli ołowiu(II).
Akumulator żelowy to rodzaj akumulatora kwasowo-ołowiowego, z żelowym elektrolitem. Kwas siarkowy po wymieszaniu z krzemionką tworzy masę o konsystencji żelu.

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, 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.

Trabant – samochód produkowany w latach 1957-1991 w fabryce VEB Sachsenring Automobilwerke w Zwickau (założonej w 1902 r. przez Augusta Horcha) w Niemieckiej Republice Demokratycznej.
Samochód – pojazd mechaniczny z własnym napędem (silnik) i źródłem energii, którym jest paliwo (gaz, ropa, benzyna, wodór), jak również bateria. Dwu lub trzyśladowy, na trzech (np. cyklonetka), lub więcej kołach (najczęściej czterech), przeznaczony do przewozu osób, ładunków itp.

Ładowanie

Proces ładowania polega na podłączeniu akumulatora do źródła prądu (np. zasilacza lub prostownika) i trwa on około 10 godzin. Prąd ładowania wynosi 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. zagotowaniem). 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 wydziela się w elektrolicie 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).

Żywice silikonowe to rodzaj materiału silikonowego, który zawiera oligosiloksany o ogólnym wzorze: RnSiXmOy, gdzie R to grupa alkilowa, zwykle metylowa lub fenylowa. Natomiast X to grupa funkcyjna, zwykle H, OH, Cl lub OR. Grupy te mogą ulegać dalszej kondensacji aby w rezultacie utworzyć gęsto usieciowane, nierozpuszczalne sieci polisiloksanowe.
Katoda (gr. kata - "w dół", hodós - "ścieżka") - elektroda, z której do układu dostaje się ładunek ujemny lub jest absorbowany ładunek dodatni. W zależności od charakteru układu lub urządzenia elektrycznego (kierunku przepływającego przez nie prądu elektrycznego), katoda może być elektrodą dodatnią lub ujemną. Katoda występuje zawsze w parze z elektrodą jej przeciwną pod względem znaku, czyli anodą.

Nieużywany akumulator trzeba okresowo (co miesiąc) doładowywać aby nie dopuścić do zasiarczenia spowodowanego samorozładowywaniem się akumulatora.

Pojemność

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).

Anoda (gr. ana - "w górę", hodós - "ścieżka") - rodzaj elektrody, przez którą ładunek ujemny opuszcza dany układ elektryczny lub do układu jest dostarczany ładunek dodatni. W zależności od charakteru układu (kierunku przepływającego przez niego prądu elektrycznego), anoda może być elektrodą dodatnią lub ujemną i występuje zawsze w parze z elektrodą jej przeciwną pod względem znaku, czyli katodą.
Rezystancja (opór, opór czynny, oporność, oporność czynna) – wielkość charakteryzująca relacje między napięciem a natężeniem prądu elektrycznego w obwodach prądu stałego. W obwodach prądu przemiennego rezystancją nazywa się część rzeczywistą zespolonej impedancji.

W ujemnych temperaturach pojemność maleje powodując trudności z uruchomieniem pojazdów w zimie. 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. Obecnie prace przy akumulatorach w nowoczesnych samochodach są często zabronione z powodu możliwości uszkodzenia elektroniki oraz skasowania pamięci sterowników.

Kwas siarkowy(VI) (zwycz. kwas siarkowy), H2SO4 - nieorganiczny związek chemiczny, jeden z najmocniejszych kwasów - wszystkie układy o mocy większej od kwasu siarkowego 100% nazywa się superkwasami. Bywa zwany krwią przemysłu chemicznego, ze względu na to, że używa się go w bardzo wielu kluczowych syntezach. Sole kwasu siarkowego(VI) to siarczany(VI).
Pojazd – urządzenie do transportu ludzi lub towarów, w różnych środowiskach: na kołach, gąsienicach, płozach, w przestrzeni kosmicznej (wynoszony rakietą nośną), w głębinach morskich. Pojazd może być napędzany własnym źródłem napędu (zasilanym z własnego lub zewnętrznego źródła energii), ciągnięty lub pchany.

czytaj dalej: [2], [3]

w oparciu o Wikipedię (licencja GFDL, CC-BY-SA 3.0, autorzy, historia, edycja)