Lähes kaikki kannettavat ja kannettavat laitteet koostuvat akusta. Akku on varastointilaite, johon varastoidaan energiaa, joka antaa virtaa aina tarvittaessa. Nykyaikaisessa elektroniikkamaailmassa on saatavilla erityyppisiä akkuja, joista lyijyhappoakkuja käytetään yleisesti suuritehoiseen virransyöttöön. Yleensä lyijyhappoakut ovat kooltaan suurempia ja rakenteeltaan kovia ja raskaita, ne voivat varastoida suuren määrän energiaa, ja niitä käytetään yleensä autoissa ja inverttereissä.

Lyijyhappoakkujen kysyntä kasvaa päivä päivältä sen jälkeen, kun ne ovat saaneet kilpailua Li-ion-akkujen kanssa, koska ne ovat halvempia ja helppokäyttöisempiä kuin Li-ion-akut. Joidenkin markkinatutkimusten mukaan Intian lyijyhappoakkujen markkinoiden ennustetaan kasvavan yli 9 prosentin CAGR:llä vuosina 2018-24. Markkinoilla on siis valtava kysyntä automaatiossa, autoteollisuudessa ja kulutuselektroniikassa. Vaikka useimmissa sähköajoneuvoissa on litiumioniakkuja, mutta silti on monia sähköisiä kaksipyöräisiä, jotka käyttävät lyijyhappoakkuja ajoneuvon voimanlähteenä.

Edellisessä opetusohjelmassa opimme litiumioniakuista, täällä ymmärrämme lyijyhappoakkujen työskentelyä, rakentamista ja sovelluksia. Opimme myös lyijyhappoakkujen lataus-/purkausarvoista, vaatimuksista ja turvallisuudesta.

Lyijyhappoakun rakenne

Mikä on lyijyhappoakku? Jos hajotamme nimen Lyijyhappoakku, saamme tuloksiksi Lyijy, Happo ja Akku. Lyijy on kemiallinen alkuaine (symboli on Pb ja järjestysluku on 82). Se on pehmeä ja muovautuva alkuaine. Tiedämme, mitä happo on; se voi luovuttaa protonin tai vastaanottaa elektroniparin reagoidessaan. Niinpä akkua, joka koostuu lyijystä ja vedettömästä lyijyhaposta (jota joskus kutsutaan virheellisesti lyijyperoksidiksi), kutsutaan lyijyhappoakuksi.

Nyt, mikä on sen sisäinen rakenne?

Lyijyakku koostuu seuraavista asioista, näemme sen alla olevasta kuvasta:

Lyijyakku koostuu levyistä, erottimesta ja elektrolyytistä, kovamuovista, jossa on kovakuminen kotelo.

Lyijyakuissa levyjä on kahta tyyppiä, positiivisia ja negatiivisia. Positiivinen koostuu lyijydioksidista ja negatiivinen sienijohdosta. Nämä kaksi levyä on erotettu toisistaan erottajan avulla, joka on eristävää materiaalia. Tämä kokonaisrakenne säilytetään kovassa muovikotelossa, jossa on elektrolyytti. Elektrolyytti on vettä ja rikkihappoa.

Kova muovikotelo on yksi kenno. Yksi kenno varastoi tyypillisesti 2,1V. Tästä syystä 12 V:n lyijyhappoakku koostuu 6 kennosta ja tuottaa 6 x 2,1 V/kenno = 12,6 V tyypillisesti.

Mikä on varauksen varastointikapasiteetti?

Se riippuu suuresti aktiivisesta materiaalista (elektrolyytin määrästä) ja levyn koosta. Olet ehkä nähnyt, että litiumakun varastointikapasiteettia kuvataan mAh- eli milliampeerituntiluokituksella, mutta lyijyakun tapauksessa se on ampeeritunti. Kuvaamme tämän myöhemmässä osiossa.

Lyijyakun toiminta

Lyijyakun toiminnassa on kyse kemiasta, ja on erittäin mielenkiintoista tietää siitä. Lyijyhappoakun lataus- ja purkautumisolosuhteisiin liittyy valtavia kemiallisia prosesseja. Laimennetun rikkihapon H2SO4-molekyylit hajoavat kahteen osaan, kun happo liukenee. Se muodostaa positiivisia ioneja 2H+ ja negatiivisia ioneja SO4-. Kuten aiemmin kerrottiin, kaksi elektrodia on kytketty levyiksi, anodiksi ja katodiksi. Anodi vangitsee negatiiviset ionit ja katodi vetää puoleensa positiiviset ionit. Tämä sidos anodissa ja SO4- ja katodissa 2H+:n kanssa vaihtaa elektroneja, jotka edelleen reagoivat H2O:n tai veden kanssa (laimennettu rikkihappo, rikkihappo + vesi).

Paristolla on kaksi kemiallista reaktiotilaa, latautuminen ja purkautuminen.

Lyijyakkupariston latautuminen

Tietääksemme tiedämme, että ladataksemme akkua, meidän on syötettävä akkuun päätepisteen jännitettä suurempi jännite. Joten 12,6 V:n akun lataamiseksi voidaan syöttää 13 V.

Mutta mitä oikeastaan tapahtuu, kun lataamme lyijyakkua?

Noh, samat kemialliset reaktiot, jotka kuvasimme aiemmin. Tarkemmin sanottuna, kun akku kytketään laturiin, rikkihappomolekyylit hajoavat kahdeksi ioniksi, positiivisiksi ioneiksi 2H+ ja negatiivisiksi ioneiksi SO4-. Vety vaihtaa elektroneja katodin kanssa ja muuttuu vedyksi, tämä vety reagoi katodissa olevan PbSO4:n kanssa ja muodostaa rikkihappoa (H2SO4) ja lyijyä (Pb). Toisaalta SO4- vaihtaa elektroneja anodin kanssa ja muuttuu radikaaliksi SO4:ksi. Tämä SO4 reagoi anodin PbSO4:n kanssa ja muodostaa lyijyperoksidia PbO2 ja rikkihappoa (H2SO4). Energia varastoituu lisäämällä rikkihapon painovoimaa ja lisäämällä kennon potentiaalijännitettä.

Kuten edellä on selitetty, seuraavat kemialliset reaktiot tapahtuvat anodilla ja katodilla latausprosessin aikana.

Katodilla

PbSO4 + 2e- => Pb + SO42-

Anodilla

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

Yhdistämällä kaksi edellä mainittua yhtälöä saadaan kemialliseksi kokonaisreaktioksi

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

Lyijyakkujen lataaminen

Lyijyakkujen lataamiseen

Lyijyakkujen lataamiseen voidaan käyttää erilaisia menetelmiä. Kutakin menetelmää voidaan käyttää tiettyyn lyijyhappoakkuun tiettyihin sovelluksiin. Joissakin sovelluksissa käytetään vakiojännitteen latausmenetelmää, joissakin sovelluksissa käytetään vakiovirtamenetelmää, kun taas kutkutuslataus on myös hyödyllinen joissakin tapauksissa. Yleensä akun valmistaja tarjoaa asianmukaisen menetelmän tiettyjen lyijyakkujen lataamiseen. Vakiovirtalatausta ei tyypillisesti käytetä lyijyakkujen latauksessa.

Yleisin lyijyakkujen latausmenetelmä on vakiojännitelatausmenetelmä, joka on tehokas prosessi latausajan suhteen. Täydessä lataussyklissä latausjännite pysyy vakiona ja virta vähenee asteittain akun varaustason kasvaessa.

Leijyhappoakun purku

Leijyhappoakun purkuun liittyy jälleen kemiallisia reaktioita. Rikkihappo on laimennetussa muodossa tyypillisesti 3:1 veden ja rikkihapon suhteessa. Kun kuormat kytketään levyjen yli, rikkihappo hajoaa jälleen positiivisiksi ioneiksi 2H+ ja negatiivisiksi ioneiksi SO4. Vetyionit reagoivat PbO2:n kanssa ja muodostavat PbO:ta ja vettä H2O:ta. PbO alkaa reagoida H2SO4:n kanssa ja muodostaa PbSO4:ää ja H2O:ta.

Toisella puolella SO4-ionit vaihtavat elektroneja Pb:stä muodostaen radikaalia SO4:ää, joka edelleen muodostaa PbSO4:ää reagoimalla Pb:n kanssa.

Kuten edellä on selitetty, seuraavat kemialliset reaktiot tapahtuvat anodilla ja katodilla purkautumisprosessin aikana. Nämä reaktiot ovat täsmälleen päinvastaisia kuin latausreaktiot:

Katodilla

Pb + SO42- => PbSO4 + 2e-

Anodilla:

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

Yhdistämällä kaksi edellä mainittua yhtälöä saadaan kemialliseksi kokonaisreaktioksi

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

Johtuen anodin ja katodin välisestä elektroninvaihdosta levyjen väliseen elektronitasapainoon vaikuttaa. Tämän jälkeen elektronit virtaavat kuorman läpi ja akku purkautuu.

Tämän purkauksen aikana laimennetun rikkihapon painovoima laskee. Samalla myös kennon potentiaaliero pienenee.

Riskikerroin ja sähköiset luokitukset

Lyijyakku on haitallinen, jos sitä ei huolleta turvallisesti. Koska akku tuottaa kemiallisen prosessin aikana vetykaasua, se on erittäin vaarallinen, jos sitä ei käytetä tuuletetussa tilassa. Myös epätarkka lataus vahingoittaa akkua vakavasti.

Mitkä ovat lyijyakun vakioluokitukset?

Jokainen lyijyakku toimitetaan vakiolatausvirran ja -purkausvirran tietolomakkeella. Tyypillisesti 12 V:n lyijyhappoakku, joka soveltuu autosovelluksiin, voi olla 100-Ah:sta 350-Ah:iin. Tämä nimellisarvo määritellään purkausnimellisarvona 8 tunnin aikajaksolla.

Esimerkiksi 160Ah:n akku voisi antaa 20A:n syöttövirran kuormalle 8 tunnin ajan. Voimme ottaa enemmän virtaa, mutta se ei ole suositeltavaa. Ottamalla enemmän virtaa kuin maksimipurkausvirta 8 tunnin osalta vahingoittaa akun hyötysuhdetta ja akun sisäinen vastus voisi myös muuttua, mikä lisää entisestään akun lämpötilaa.

Toisaalta latausvaiheen aikana meidän pitäisi olla varovaisia laturin napaisuudesta, se pitäisi kytkeä oikein akun napaisuuteen. Käänteinen napaisuus on vaarallista lyijyakun lataukselle. Valmiissa laturissa on latausjännite- ja latausvirtamittari, jossa on säätömahdollisuus. Meidän pitäisi antaa suurempi jännite kuin akun jännite akun lataamiseksi. Maksimilatausvirran tulisi olla sama kuin suurin syöttövirta 8 tunnin purkausnopeudella. Jos otamme saman 12V 160Ah esimerkin, niin suurin syöttövirta on 20A, joten suurin turvallinen latausvirta on 20A.

Meidän ei pitäisi lisätä tai tarjota suurta latausvirtaa, koska se johtaa lämpöön ja lisääntyneeseen kaasunmuodostukseen.

Lead-acid battery maintenance rules

1. Kasteluvirta on tulvimalla ladattujen lyijyakkujen laiminlyötyin huolto-ominaisuus. Koska ylilataus vähentää vettä, se on tarkistettava usein. Vähemmän vettä aiheuttaa hapettumista levyissä ja lyhentää akun käyttöikää. Lisää tislattua tai ionisoitua vettä tarvittaessa.
2. Tarkista tuuletusaukot, ne on viimeisteltävä kumitulpilla, usein kumitulpat tarttuvat reikiin liian tiukasti.
3. Lataa lyijyakut jokaisen käytön jälkeen. Pitkä aika ilman latausta aiheuttaa sulfatoitumista levyissä.
4. Älä jäädytä akkua äläkä lataa sitä yli 49 asteen lämpötilaan. Kylmässä ympäristössä akut on ladattava täyteen, koska täyteen ladatut akut ovat turvallisempia kuin tyhjät akut jäätymisen suhteen.
5. Ei akkua saa syväpurkaa alle 1,7 V kennoa kohti.
6. Varastoidaksesi lyijyakkua, se on ladattava täyteen, minkä jälkeen elektrolyytti on valutettava. Silloin akusta tulee kuiva ja sitä voidaan varastoida pitkään.