Prawie każde urządzenie przenośne i podręczne składa się z akumulatora. Akumulator jest urządzeniem magazynującym, w którym energia jest przechowywana, aby zapewnić zasilanie, gdy jest to potrzebne. Istnieją różne rodzaje baterii dostępnych w tym nowoczesnym świecie elektroniki, wśród nich bateria kwasowo-ołowiowa jest powszechnie używana do dostarczania dużej mocy. Zazwyczaj akumulatory kwasowo-ołowiowe są większe w rozmiarze z twardą i ciężką konstrukcją, mogą przechowywać dużą ilość energii i generalnie są używane w samochodach i falownikach.

Nawet po uzyskaniu konkurencji z akumulatorami Li-ion, zapotrzebowanie na akumulatory kwasowo-ołowiowe rośnie z dnia na dzień, ponieważ są one tańsze i łatwe w obsłudze w porównaniu z akumulatorami Li-ion. Jak na niektóre badania rynku, rynek baterii kwasowo-ołowiowych w Indiach ma rosnąć w tempie CAGR ponad 9% w latach 2018-24. Tak więc, ma ogromne zapotrzebowanie rynkowe w automatyce, motoryzacji i elektronice użytkowej. Chociaż większość pojazdów elektrycznych jest wyposażona w baterie litowo-jonowe, ale nadal istnieje wiele elektrycznych pojazdów dwukołowych, które używają baterii kwasowo-ołowiowych do zasilania pojazdu.

W poprzednim samouczku dowiedzieliśmy się o bateriach litowo-jonowych, tutaj zrozumiemy działanie, budowę i zastosowania baterii kwasowo-ołowiowych. Dowiemy się również o parametrach ładowania/rozładowywania, wymaganiach i bezpieczeństwie akumulatorów kwasowo-ołowiowych.

Konstrukcja akumulatora kwasowo-ołowiowego

Co to jest akumulator kwasowo-ołowiowy? Jeśli rozbijemy nazwę akumulator kwasowo-ołowiowy otrzymamy ołów, kwas i akumulator. Ołów jest pierwiastkiem chemicznym (symbol to Pb, a liczba atomowa to 82). Jest to pierwiastek miękki i plastyczny. Wiemy, co to jest kwas; może on oddać proton lub przyjąć parę elektronów podczas reakcji. Tak więc akumulator, który składa się z ołowiu i bezwodnego kwasu ołowiowego (czasami błędnie nazywanego nadtlenkiem ołowiu), jest nazywany akumulatorem kwasowo-ołowiowym.

A teraz, jaka jest jego budowa wewnętrzna?

Bateria kwasowo-ołowiowa składa się z następujących elementów, możemy je zobaczyć na poniższym obrazku:

Bateria kwasowo-ołowiowa składa się z płyt, separatora i elektrolitu, twardego plastiku z twardą gumową obudową.

W bateriach, płyty są dwóch typów, dodatnie i ujemne. Dodatnia składa się z dwutlenku ołowiu, a ujemna z ołowiu gąbczastego. Te dwie płyty są oddzielone za pomocą separatora, który jest materiałem izolacyjnym. Ta całkowita konstrukcja jest przechowywana w twardej plastikowej obudowie z elektrolitem. Elektrolitem jest woda i kwas siarkowy.

Twarda plastikowa obudowa jest jednym ogniwem. Pojedyncze ogniwo przechowuje typowo 2,1V. Z tego powodu, 12V akumulator kwasowo-ołowiowy składa się z 6 ogniw i dostarcza 6 x 2.1V/Cell = 12.6V typowo.

Teraz, jaka jest pojemność przechowywania ładunku?

Jest ona wysoce zależna od materiału aktywnego (ilość elektrolitu) i wielkości płyty. Być może zauważyłeś, że pojemność akumulatora litowego jest opisana w mAh lub miliamperogodzinach, ale w przypadku akumulatora kwasowo-ołowiowego jest to amperogodzina. Opiszemy to w dalszej części rozdziału.

Praca akumulatora kwasowo-ołowiowego

Praca akumulatora kwasowo-ołowiowego opiera się na chemii i jest bardzo interesująca. W procesie ładowania i rozładowywania akumulatora kwasowo-ołowiowego zachodzi wiele procesów chemicznych. Cząsteczki rozcieńczonego kwasu siarkowego H2SO4 rozpadają się na dwie części, kiedy kwas się rozpuszcza. Powstają jony dodatnie 2H+ i jony ujemne SO4-. Jak powiedzieliśmy wcześniej, dwie elektrody są połączone jako płyty, Anoda i Katoda. Anoda wychwytuje jony ujemne, a katoda przyciąga jony dodatnie. To wiązanie w anodzie i SO4- i katodzie z 2H+ wymieniają elektrony i które dalej reagują z H2O lub z wodą (rozcieńczony kwas siarkowy, kwas siarkowy + woda).

Akumulator ma dwa stany reakcji chemicznej, ładowanie i rozładowanie.

Ładowanie akumulatora kwasowo-ołowiowego

Jak wiemy, aby naładować akumulator, musimy dostarczyć napięcie większe niż napięcie na zaciskach. Tak więc, aby naładować akumulator o napięciu 12,6V, można zastosować napięcie 13V.

Ale co się właściwie dzieje, gdy ładujemy akumulator kwasowo-ołowiowy?

Cóż, te same reakcje chemiczne, które opisaliśmy wcześniej. Konkretnie, kiedy akumulator jest podłączony do prostownika, cząsteczki kwasu siarkowego rozpadają się na dwa jony, jony dodatnie 2H+ i jony ujemne SO4-. Wodór wymienia elektrony z katodą i staje się wodorem, ten wodór reaguje z PbSO4 w katodzie i tworzy kwas siarkowy (H2SO4) i ołów (Pb). Z drugiej strony, SO4- wymienia elektrony z anodą i staje się rodnikiem SO4. Ten SO4 reaguje z PbSO4 z anody i tworzy nadtlenek ołowiu PbO2 i kwas siarkowy (H2SO4). Energia zostaje zmagazynowana poprzez zwiększenie ciężkości kwasu siarkowego i zwiększenie napięcia potencjału ogniwa.

Jak wyjaśniono powyżej, następujące reakcje chemiczne zachodzą na anodzie i katodzie podczas procesu ładowania.

Przy katodzie

PbSO4 + 2e- => Pb + SO42-

Przy anodzie

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

Połączenie powyższych dwóch równań, całkowita reakcja chemiczna wyniesie

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

Istnieją różne metody ładowania akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Każda z metod może być zastosowana dla konkretnego akumulatora kwasowo-ołowiowego do konkretnych zastosowań. W niektórych zastosowaniach stosuje się metodę ładowania stałym napięciem, w innych stałym prądem, a w niektórych przypadkach również ładowanie kleszczowe. Zazwyczaj producent akumulatorów podaje właściwą metodę ładowania dla konkretnych akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Ładowanie prądem stałym nie jest zazwyczaj stosowane w ładowaniu akumulatorów kwasowo-ołowiowych.

Najczęściej stosowaną metodą ładowania akumulatorów kwasowo-ołowiowych jest metoda ładowania stałym napięciem, która jest procesem efektywnym pod względem czasu ładowania. W pełnym cyklu ładowania napięcie ładowania pozostaje stałe, a natężenie prądu stopniowo maleje wraz ze wzrostem poziomu naładowania akumulatora.

Rozładowanie akumulatora kwasowo-ołowiowego

Rozładowanie akumulatora kwasowo-ołowiowego jest ponownie związane z reakcjami chemicznymi. Kwas siarkowy jest w formie rozcieńczonej, zazwyczaj w stosunku 3:1 z wodą i kwasem siarkowym. Kiedy ładunki są podłączone do płyt, kwas siarkowy ponownie rozpada się na jony dodatnie 2H+ i jony ujemne SO4. Jony wodorowe reagują z PbO2 i tworzą PbO i wodę H2O. PbO zaczyna reagować z H2SO4 i tworzy PbSO4 i H2O.

Po drugiej stronie jony SO4- wymieniają elektrony z Pb, tworząc rodnik SO4, który dalej tworzy PbSO4 reagujący z Pb.

Jak wyjaśniono powyżej, następujące reakcje chemiczne zachodzą na anodzie i katodzie podczas procesu rozładowywania. Reakcje te są dokładnie odwrotne do reakcji ładowania:

Przy katodzie

Pb + SO42- => PbSO4 + 2e-

Przy anodzie:

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

Połączenie powyższych dwóch równań daje całkowitą reakcję chemiczną

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

W wyniku wymiany elektronów pomiędzy anodą i katodą, równowaga elektronowa pomiędzy płytami zostaje naruszona. Elektrony następnie przepływają przez ładunek i akumulator zostaje rozładowany.

Podczas tego rozładowania, ciężar rozcieńczonego kwasu siarkowego zmniejsza się. Również, w tym samym czasie, różnica potencjałów ogniwa zmniejsza się.

Współczynnik ryzyka i wskaźniki elektryczne

Akumulator kwasowo-ołowiowy jest szkodliwy, jeśli nie jest bezpiecznie utrzymywany. Ponieważ akumulator generuje wodór podczas procesu chemicznego, jest on bardzo niebezpieczny, jeśli nie jest używany w wentylowanym pomieszczeniu. Ponadto, niedokładne ładowanie poważnie uszkadza akumulator.

Jakie są standardowe wartości znamionowe akumulatora kwasowo-ołowiowego?

Każdy akumulator kwasowo-ołowiowy posiada arkusz danych dla standardowego prądu ładowania i prądu rozładowania. Typowy 12V akumulator ołowiowo-kwasowy, który ma zastosowanie w motoryzacji może mieć pojemność od 100Ah do 350Ah. Ta wartość znamionowa jest określona jako wartość znamionowa rozładowania przy 8 godzinnym okresie czasu.

Na przykład, akumulator 160Ah może dostarczyć 20A prądu zasilania do obciążenia przez 8 godzin zakresu. Możemy pobierać większy prąd, ale nie jest to wskazane. Pobierając większy prąd niż maksymalny prąd rozładowania w odniesieniu do 8 godzin spowoduje uszkodzenie sprawności akumulatora, a także może ulec zmianie rezystancja wewnętrzna akumulatora, co dodatkowo podniesie temperaturę akumulatora.

Z drugiej strony, w fazie ładowania powinniśmy uważać na biegunowość prostownika, powinien on być prawidłowo połączony z biegunowością akumulatora. Odwrotna polaryzacja jest niebezpieczna dla ładowania akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Do gotowego prostownika dołączony jest miernik napięcia i prądu ładowania z możliwością kontroli. Do ładowania akumulatora należy podawać napięcie większe niż napięcie akumulatora. Maksymalny prąd ładowania powinien być taki sam jak maksymalny prąd zasilania przy 8 godzinnym rozładowaniu. Jeśli weźmiemy ten sam przykład 12V 160Ah, to maksymalny prąd zasilania wynosi 20A, więc maksymalny bezpieczny prąd ładowania wynosi 20A.

Nie powinniśmy zwiększać lub dostarczać dużego prądu ładowania, ponieważ spowoduje to nagrzewanie się i zwiększone wytwarzanie gazów.

Zasady konserwacji akumulatorów kwasowo-ołowiowych

1. Wadowanie jest najbardziej zaniedbywaną cechą konserwacji zalanych akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Ponieważ w wyniku przeładowania ubywa wody, musimy ją często sprawdzać. Mniejsza ilość wody powoduje utlenianie się płyt i zmniejsza żywotność akumulatora. W razie potrzeby należy dodać wody destylowanej lub jonizowanej.
2. Sprawdź otwory wentylacyjne, należy je udoskonalić za pomocą gumowych nakładek, często gumowe nakładki przylegają do otworów zbyt mocno.
3. Naładuj akumulatory kwasowo-ołowiowe po każdym użyciu. Długi okres bez ładowania zapewnia zasiarczenie płyt.
4. Nie należy zamrażać akumulatora ani ładować go powyżej 49 stopni Celsjusza. W zimnym otoczeniu akumulatory muszą być w pełni naładowane, ponieważ w pełni naładowane akumulatory są bezpieczniejsze niż puste pod względem zamarzania.
5. Nie należy głęboko rozładowywać akumulatora poniżej 1,7V na ogniwo.
6. Aby przechowywać akumulator kwasowo-ołowiowy, należy go całkowicie naładować, a następnie spuścić elektrolit. Wtedy akumulator stanie się suchy i może być przechowywany przez długi okres czasu.

.