Téměř každé přenosné a kapesní zařízení se skládá z baterie. Akumulátor je paměťové zařízení, v němž je uložena energie, která poskytuje energii, kdykoli je potřeba. V tomto moderním světě elektroniky jsou k dispozici různé typy baterií, mezi nimiž se olověný akumulátor běžně používá pro napájení vysokým výkonem. Obvykle jsou olověné baterie větších rozměrů s pevnou a těžkou konstrukcí, mohou uchovávat velké množství energie a obvykle se používají v automobilech a měničích.

I poté, co se dostaly do konkurence s Li-ion bateriemi, poptávka po olověných bateriích den ode dne roste, protože jsou ve srovnání s Li-ion bateriemi levnější a snadno se s nimi manipuluje. Podle některých průzkumů trhu se předpokládá, že indický trh s olověnými bateriemi poroste v letech 2018-24 tempem vyšším než 9 %. Proto je po nich na trhu obrovská poptávka v oblasti automatizace, automobilového průmyslu a spotřební elektroniky. Přestože většina elektrických vozidel je dodávána s lithium-iontovými bateriemi, stále existuje mnoho elektrických dvoukolových vozidel, která k pohonu vozidla používají olověné baterie.

V předchozím kurzu jsme se dozvěděli o lithium-iontových bateriích, zde pochopíme fungování, konstrukci a použití olověných baterií. Seznámíme se také s hodnotami nabíjení/vybíjení, požadavky a bezpečností olověných akumulátorů.

Konstrukce olověného akumulátoru

Co je to olověný akumulátor? Rozložíme-li název olověný akumulátor, dostaneme olovo, kyselina a baterie. Olovo je chemický prvek (symbol je Pb a atomové číslo je 82). Je to měkký a kujný prvek. Víme, co je to kyselina; při reakci může darovat proton nebo přijmout elektronový pár. Takže baterie, která se skládá z olova a bezvodé kyseliny olovnaté (někdy nesprávně nazývané peroxid olova), se nazývá olověná baterie.

Jaká je tedy její vnitřní konstrukce?

Olověný akumulátor se skládá z následujících věcí, můžeme jej vidět na následujícím obrázku:

Olověný akumulátor se skládá z desek, separátoru a elektrolytu, tvrdého plastu s pouzdrem z tvrdé pryže.

V akumulátorech jsou desky dvou typů, kladné a záporné. Kladná se skládá z oxidu olovnatého a záporná z olověné houby. Tyto dvě desky jsou odděleny pomocí separátoru, což je izolační materiál. Tato celková konstrukce je uložena v pevném plastovém pouzdře s elektrolytem. Elektrolytem je voda a kyselina sírová.

Pouzdro z tvrdého plastu je jeden článek. Jeden článek uchovává obvykle 2,1 V. Z tohoto důvodu se 12V olověný akumulátor skládá ze 6 článků a poskytuje typicky 6 x 2,1V/článek = 12,6V.

Jaká je nyní kapacita pro ukládání náboje?

Velmi záleží na aktivním materiálu (množství elektrolytu) a velikosti desky. Možná jste se setkali s tím, že kapacita lithiových akumulátorů se popisuje v mAh neboli miliampérhodinách, ale v případě olověných akumulátorů se jedná o ampérhodiny. To si popíšeme v pozdější části.

Fungování olověného akumulátoru

Fungování olověného akumulátoru je celé o chemii a je velmi zajímavé se o ní dozvědět. Na stavu nabíjení a vybíjení olověného akumulátoru se podílí obrovské množství chemických procesů. Molekuly zředěné kyseliny sírové H2SO4 se při rozpouštění kyseliny rozpadají na dvě části. Vzniknou kladné ionty 2H+ a záporné ionty SO4-. Jak jsme si již řekli, dvě elektrody jsou spojeny jako desky, anoda a katoda. Anoda zachycuje záporné ionty a katoda přitahuje kladné ionty. Tato vazba v Anodě a SO4- a Katodě s 2H+ si vyměňují elektrony a ty dále reagují s H2O nebo s vodou (Zředěná kyselina sírová, Kyselina sírová + voda).

Baterie má dva stavy chemické reakce, Nabíjení a Vybíjení.

Nabíjení baterie s kyselinou olovnatou

Jak víme, k nabíjení baterie musíme dodat napětí větší než svorkové napětí. Takže k nabití baterie s napětím 12,6 V můžeme použít napětí 13 V.

Ale co se vlastně děje, když nabíjíme olověný akumulátor?

No, stejné chemické reakce, které jsme si popsali dříve. Konkrétně při připojení baterie k nabíječce se molekuly kyseliny sírové rozpadají na dva ionty, kladné ionty 2H+ a záporné ionty SO4-. Vodík si vymění elektrony s katodou a stane se vodíkem, tento vodík reaguje s PbSO4 v katodě a vytvoří kyselinu sírovou (H2SO4) a olovo (Pb). Na druhé straně si SO4- vyměňuje elektrony s anodou a stává se radikálem SO4. Tento SO4 reaguje s PbSO4 na anodě a vytváří peroxid olova PbO2 a kyselinu sírovou (H2SO4). Energie se ukládá zvýšením hmotnosti kyseliny sírové a zvýšením napětí potenciálu článku.

Jak bylo vysvětleno výše, během nabíjení probíhají na anodě a katodě následující chemické reakce.

Na katodě

PbSO4 + 2e- => Pb + SO42-

Na anodě

PbSO4 + 2H2O => PbO2 + SO42- + 4H- + 2e-

Kombinace výše uvedených dvou rovnic, celková chemická reakce bude

2PbSO4 + 2H2O => PbO2 + Pb + 2H2SO4 

Existují různé metody použitelné pro nabíjení olověného akumulátoru. Každou metodu lze použít pro konkrétní olověný akumulátor pro konkrétní aplikace. Některé aplikace používají metodu nabíjení konstantním napětím, některé aplikace používají metodu konstantního proudu, zatímco v některých případech je užitečné také lechtavé nabíjení. Výrobce baterií obvykle poskytuje správnou metodu nabíjení konkrétních olověných baterií. Nabíjení konstantním proudem se při nabíjení olověných akumulátorů obvykle nepoužívá.

Nejčastěji používanou metodou nabíjení olověných akumulátorů je metoda nabíjení konstantním napětím, což je efektivní proces z hlediska doby nabíjení. Při plném nabíjecím cyklu zůstává nabíjecí napětí konstantní a proud se postupně snižuje s rostoucí úrovní nabití akumulátoru.

Vybíjení olověného akumulátoru

Vybíjení olověného akumulátoru je opět spojeno s chemickými reakcemi. Kyselina sírová je ve zředěné formě s poměrem obvykle 3:1 s vodou a kyselinou sírovou. Při připojení zátěže přes desky se kyselina sírová opět rozpadá na kladné ionty 2H+ a záporné ionty SO4. Vodíkové ionty reagují s PbO2 a vytvářejí PbO a voda H2O. PbO začne reagovat s H2SO4 a vytvoří PbSO4 a H2O.

Na druhé straně si ionty SO4- vymění elektrony z Pb a vytvoří radikál SO4, který dále vytvoří PbSO4 reagující s Pb.

Jak bylo vysvětleno výše, během vybíjení probíhají na anodě a katodě následující chemické reakce. Tyto reakce jsou přesně opačné než nabíjecí reakce:

Na katodě

Pb + SO42- => PbSO4 + 2e-

Na anodě:

PbO2 + SO42- + 4H- + 2e- => PbSO4 + 2H2O

Složením výše uvedených dvou rovnic vznikne celková chemická reakce

PbO2 + Pb + 2H2SO4 => 2PbSO4 + 2H2O

V důsledku výměny elektronů na anodě a katodě je ovlivněna elektronová rovnováha na deskách. Elektrony pak proudí přes zátěž a baterie se vybíjí.

Během tohoto vybíjení klesá hmotnost zředěné kyseliny sírové. Současně se také snižuje rozdíl potenciálů článku.

Rizikový faktor a elektrické parametry

Olověný akumulátor je škodlivý, pokud není bezpečně udržován. Protože při chemickém procesu v baterii vzniká plynný vodík, je velmi nebezpečná, pokud se nepoužívá ve větraném prostoru. Také nepřesné nabíjení baterii vážně poškozuje.

Jaké jsou standardní jmenovité hodnoty olověné baterie?

Každá olověná baterie je opatřena datovým listem pro standardní nabíjecí a vybíjecí proud. Obvykle se 12V olověný akumulátor, který je použitelný pro automobilové aplikace, může pohybovat v rozmezí od 100 Ah do 350 Ah. Tato hodnota je definována jako vybíjecí hodnota s časovým rozsahem 8 hodin.

Například 160Ah baterie by mohla poskytovat 20A napájecí proud do zátěže po dobu 8 hodin rozpětí. Můžeme odebírat větší proud, ale nedoporučuje se to. Odběrem většího proudu než je maximální vybíjecí proud s ohledem na 8 hodin dojde k poškození účinnosti baterie a také by se mohl změnit vnitřní odpor baterie, což dále zvýší teplotu baterie.

Na druhou stranu bychom si ve fázi nabíjení měli dát pozor na polaritu nabíječky, měla by být správně propojena s polaritou baterie. Opačná polarita je pro nabíjení olověného akumulátoru nebezpečná. Hotová nabíječka se dodává s měřičem nabíjecího napětí a nabíjecího proudu s možností regulace. Pro nabíjení akumulátoru bychom měli zajistit větší napětí, než je napětí akumulátoru. Maximální nabíjecí proud by měl být stejný jako maximální napájecí proud při rychlosti vybíjení 8 hodin. Vezmeme-li stejný příklad 12V 160Ah, pak maximální napájecí proud je 20 A, takže maximální bezpečný nabíjecí proud je oněch 20 A.

Neměli bychom zvyšovat nebo poskytovat velký nabíjecí proud, protože to bude mít za následek zahřívání a zvýšenou tvorbu plynů.

Pravidla údržby olověných akumulátorů

1. Zavlažování je nejvíce zanedbávaným prvkem údržby zaplavených olověných akumulátorů. Protože při přebíjení ubývá vody, musíme ji často kontrolovat. Méně vody způsobuje oxidaci v deskách a snižuje životnost akumulátoru. V případě potřeby přidejte destilovanou nebo ionizovanou vodu.
2. Zkontrolujte průduchy, je třeba je zdokonalit gumovými krytkami, často gumové krytky přiléhají k otvorům příliš těsně.
3. Olověné akumulátory po každém použití znovu nabijte. Dlouhá doba bez dobíjení zajišťuje sulfataci v deskách.
4. Akumulátor nezmrazujte ani nenabíjejte na více než 49 stupňů Celsia. V chladném prostředí je třeba baterie plně nabít, protože plně nabité baterie jsou z hlediska zamrznutí bezpečnější než prázdné baterie.
5. Neprovádějte hluboké vybíjení baterie pod 1,7 V na článek.
6. Chcete-li olověnou baterii skladovat, je třeba ji zcela nabít a poté z ní vypustit elektrolyt. Pak bude akumulátor suchý a může být skladován po dlouhou dobu.

.