Majdnem minden hordozható és kézi eszköz tartalmaz akkumulátort. Az akkumulátor egy olyan tárolóeszköz, amelyben energiát tárolnak, hogy szükség esetén energiát szolgáltasson. Ebben a modern elektronikai világban különböző típusú akkumulátorok állnak rendelkezésre, amelyek közül az ólomsavas akkumulátort általában nagy teljesítményű energiaellátáshoz használják. Általában az ólomsavas akkumulátorok nagyobb méretűek, kemény és nehéz konstrukcióval rendelkeznek, nagy mennyiségű energiát képesek tárolni, és általában gépjárművekben és inverterekben használják őket.

Az ólomsavas akkumulátorok iránti kereslet a Li-ion akkumulátorokkal való verseny után is napról napra nő, mivel olcsóbbak és könnyen kezelhetőek a Li-ion akkumulátorokhoz képest. Egyes piackutatások szerint az indiai ólomsavas akkumulátorok piaca az előrejelzések szerint 2018-24-ben 9% feletti CAGR-rel fog növekedni. Tehát hatalmas piaci keresletet jelent az automatizálásban, az autóiparban és a szórakoztató elektronikában. Bár a legtöbb elektromos jármű lítiumion-ion akkumulátorokkal érkezik, de még mindig sok elektromos kétkerekű van, amelyek ólomsavas akkumulátorokat használnak a jármű működtetéséhez.

Az előző bemutatóban megismertük a lítium-ion akkumulátorokat, itt megértjük az ólomsavas akkumulátorok működését, felépítését és alkalmazásait. Megismerkedünk az ólomsavas akkumulátorok töltési/kisütési teljesítményével, követelményeivel és biztonságával is.

Az ólomsavas akkumulátor felépítése

Mi az ólomsavas akkumulátor? Ha az ólomsavas akkumulátor elnevezést összetörjük, akkor az alábbiakat kapjuk: Lead, Acid, és Battery. Az ólom egy kémiai elem (szimbóluma Pb, atomszáma pedig 82). Lágy és képlékeny elem. Tudjuk, hogy mi a sav; reakció közben képes protont leadni vagy elektronpárt felvenni. Tehát egy akkumulátort, amely ólomból és vízmentes plumbinsavból (néha tévesen ólomperoxidnak nevezik) áll, ólomsavas akkumulátornak nevezzük.

Most, mi a belső felépítése?

Az ólomsavas akkumulátor a következő dolgokból áll, ezt láthatjuk az alábbi képen:

Az ólomsavas akkumulátor lemezekből, elválasztóból és elektrolitból áll, kemény műanyag kemény gumiborítással.

Az akkumulátorokban a lemezek kétfélék, pozitív és negatív. A pozitív ólom-dioxidból, a negatív pedig szivacsos ólomból áll. Ezt a két lemezt elválasztja egymástól egy elválasztó, amely egy szigetelőanyag. Ezt a teljes szerkezetet egy kemény műanyag tokban tartják elektrolittal. Az elektrolit víz és kénsav.

A kemény műanyag tok egy cella. Egyetlen cella tárolja jellemzően 2,1V. Emiatt egy 12V-os ólomsavas akkumulátor 6 cellából áll, és 6 x 2,1V/cella = 12,6V-ot biztosít jellemzően.

Most, mi a töltéstároló kapacitás?

Ez nagyban függ az aktív anyagtól (elektrolit mennyisége) és a lemez méretétől. Talán látta, hogy a lítium akkumulátor tárolókapacitását mAh-ban vagy milliamperórás értékben írják le, de az ólomsavas akkumulátorok esetében ez amperóra. Ezt a későbbiekben ismertetjük.

Az ólomsavas akkumulátor működése

Az ólomsavas akkumulátor működése a kémiáról szól, és nagyon érdekes megismerni. Az ólomsavas akkumulátor töltési és kisütési állapotában hatalmas kémiai folyamatok játszanak szerepet. A hígított kénsav H2SO4 molekulák két részre bomlanak, amikor a sav feloldódik. Ez pozitív ionokat 2H+ és negatív ionokat SO4- hoz létre. Amint azt korábban elmondtuk, két elektróda van összekötve lemezként, az anód és a katód. Az anód felfogja a negatív ionokat, a katód pedig a pozitív ionokat vonzza. Ez a kötés az anódon és az SO4- és a katódon a 2H+ elektronokkal elektronokat cserél, amelyek tovább reagálnak a H2O-val vagy a vízzel (hígított kénsav, kénsav + víz).

Az akkumulátornak két kémiai reakcióállapota van, töltés és kisütés.

Ólomsavas akkumulátor töltése

Amint tudjuk, az akkumulátor töltéséhez a kapocsfeszültségnél nagyobb feszültséget kell biztosítani. Tehát egy 12,6V-os akkumulátor töltéséhez 13V-ot lehet alkalmazni.

De mi történik valójában, amikor egy ólomsavas akkumulátort töltünk?

Nos, ugyanazok a kémiai reakciók, amelyeket korábban már leírtunk. Pontosabban, amikor az akkumulátort a töltőhöz csatlakoztatjuk, a kénsav molekulák két ionra bomlanak, pozitív ionokra 2H+ és negatív ionokra SO4-. A hidrogén elektronokat cserél a katóddal és hidrogénné alakul, ez a hidrogén reagál a katódban lévő PbSO4-gyel és kénsavat (H2SO4) és ólmot (Pb) képez. Másrészt a SO4- elektronokat cserél az anóddal, és SO4-gyökké alakul. Ez az SO4 reakcióba lép az anód PbSO4-ével, és ólomperoxidot (PbO2) és kénsavat (H2SO4) hoz létre. Az energia a kénsav súlyának növelésével és a cellapotenciál feszültségének növelésével tárolódik.

A fentiek szerint a töltési folyamat során az anódon és a katódon a következő kémiai reakciók játszódnak le.

A katódon

PbSO4 + 2e- => Pb + SO42-

Az anódon

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

A fenti két egyenletet kombinálva a teljes kémiai reakció a következő lesz

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

Az ólomsavas akkumulátor töltésére különböző módszerek alkalmazhatók. Az egyes módszerek meghatározott ólom-sav akkumulátorok esetében, meghatározott alkalmazásokhoz használhatók. Néhány alkalmazás állandó feszültségű töltési módszert használ, néhány alkalmazás állandó áramú módszert használ, míg a csikktöltés bizonyos esetekben szintén hasznos. Általában az akkumulátor gyártója biztosítja az adott ólom-sav akkumulátorok töltésének megfelelő módszerét. Az állandó áramú töltés jellemzően nem használatos az ólomsavas akkumulátorok töltésénél.

Az ólomsavas akkumulátoroknál leggyakrabban használt töltési módszer az állandó feszültségű töltési módszer, amely a töltési idő szempontjából hatékony folyamat. A teljes töltési ciklusban a töltési feszültség állandó marad, és az áram fokozatosan csökken az akkumulátor töltöttségi szintjének növekedésével.

Ólomsavas akkumulátor kisütése

Az ólomsavas akkumulátor kisütése ismét kémiai reakciókkal jár. A kénsav hígított formában van, jellemzően 3:1 arányban vízzel és kénsavval. Amikor a terhelések a lemezeken keresztül csatlakoznak, a kénsav ismét pozitív ionokra 2H+ és negatív ionokra SO4 bomlik. A hidrogénionok reakcióba lépnek a PbO2-vel, és PbO-t és H2O vizet alkotnak. A PbO reakcióba lép a H2SO4-mal, és PbSO4 és H2O keletkezik.

A másik oldalon az SO4- ionok elektronokat cserélnek a Pb-ről, SO4 gyököt hozva létre, amely további PbSO4-et hoz létre a Pb-vel reagálva.

A fentiek szerint a következő kémiai reakciók zajlanak az anódon és a katódon a kisülési folyamat során. Ezek a reakciók pontosan ellentétesek a töltési reakciókkal:

A katódon

Pb + SO42- => PbSO4 + 2e-

Az anódon:

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

A fenti két egyenletet kombinálva a teljes kémiai reakció a következő lesz

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

Az anód és katód közötti elektroncsere miatt a lemezek közötti elektronegyensúly sérül. Az elektronok ezután átáramlanak a töltésen, és az akkumulátor kisül.

A kisülés során a hígított kénsav súlya csökken. Ezzel egyidejűleg a cella potenciálkülönbsége is csökken.

Kockázati tényező és elektromos névleges értékek

Az ólomsavas akkumulátor káros, ha nem tartják biztonságosan karban. Mivel az akkumulátor a kémiai folyamat során hidrogéngázt termel, rendkívül veszélyes, ha nem szellőztetett helyen használják. Emellett a pontatlan töltés súlyosan károsítja az akkumulátort.

Melyek az ólomsavas akkumulátor szabványos névleges teljesítményei?

Minden ólomsavas akkumulátorhoz adatlapot mellékelnek a szabványos töltési és kisütési áramra vonatkozóan. Jellemzően egy 12V-os ólom-sav akkumulátor, amely az autóipari alkalmazásokhoz alkalmazható, 100Ah-tól 350Ah-ig terjedhet. Ezt a névleges értéket a 8 órás időzítési periódusú kisütési névleges értékként határozzák meg.

Egy 160Ah-s akkumulátor például 8 órán keresztül 20A tápfeszültséget biztosíthat a terhelésnek. Több áramot is felvehetünk, de nem tanácsos ezt megtenni. A 8 óra tekintetében a maximális kisütési áramnál nagyobb áram felvétele károsítja az akkumulátor hatékonyságát, és az akkumulátor belső ellenállása is megváltozhat, ami tovább növeli az akkumulátor hőmérsékletét.

Másrészt a töltési fázis során ügyelnünk kell a töltő polaritására, megfelelően kell csatlakoztatni az akkumulátor polaritásával. A fordított polaritás veszélyes az ólom-sav akkumulátor töltésére. A kész töltő egy töltési feszültség és töltési áram mérővel van ellátva, vezérlési lehetőséggel. Az akkumulátor töltéséhez nagyobb feszültséget kell biztosítanunk, mint az akkumulátor feszültsége. A maximális töltési áramnak meg kell egyeznie a maximális tápfeszültségi árammal 8 órás kisütési sebességnél. Ha ugyanazt a 12V-os 160Ah-s példát vesszük, akkor a maximális tápáram 20A, tehát a maximális biztonságos töltőáram a 20A.

Nem szabad növelnünk vagy nagy töltőáramot biztosítanunk, mivel ez hőt és fokozott gázképződést eredményez.

Az ólom-sav akkumulátorok karbantartási szabályai

1. Az elárasztott ólom-sav akkumulátorok legelhanyagoltabb karbantartási jellemzője a vízellátás. Mivel a túltöltés csökkenti a vizet, ezért gyakran kell ellenőriznünk. A kevesebb víz oxidációt okoz a lemezekben, és csökkenti az akkumulátor élettartamát. Szükség esetén adjunk hozzá desztillált vagy ionizált vizet.
2. A szellőzőnyílások ellenőrzése, ezeket gumikupakokkal kell tökéletesíteni, gyakran a gumikupakok túl szorosan tapadnak a lyukakhoz.
3. Minden használat után töltsük fel az ólom-sav akkumulátorokat. Hosszú idő töltés nélkül szulfátosodást biztosít a lemezekben.
4. Ne fagyassza le az akkumulátort, és ne töltse 49 Celsius-foknál jobban. Hideg környezetben az akkumulátorokat teljesen fel kell tölteni, mivel a teljesen feltöltött akkumulátorok biztonságosabbak, mint az üres akkumulátorok a fagyás szempontjából.
5. Ne mélykisüljön le az akkumulátor cellánként 1,7V-nál kisebb feszültséggel.
6. Az ólomsavas akkumulátor tárolásához teljesen fel kell tölteni, majd az elektrolitot le kell üríteni. Ezután az akkumulátor száraz lesz, és hosszú ideig tárolható.