Wprowadzenie
Ogólnie rzecz biorąc, istnieją dwa rodzaje akumulatorów kwasowo-ołowiowych, w zależności od metody ich konstrukcji. Akumulatory te są klasyfikowane jako zalewane (wentylowane) lub szczelne. Zalewane i szczelne akumulatory różnią się również w działaniu. Wszystkie akumulatory kwasowo-ołowiowe wytwarzają wodór i tlen (gazowanie) na elektrodach podczas ładowania w procesie zwanym elektrolizą. Gazy te mogą uciekać z zalewanej celi, jednak szczelna cela jest skonstruowana tak, aby gazy były zatrzymywane i ponownie łączone. Należy zauważyć, że wodór jest wybuchowy w powietrzu już przy 4% objętości. Zalewane i szczelne akumulatory kwasowo-ołowiowe są omówione w kolejnych akapitach.
Zalewane akumulatory kwasowo-ołowiowe
Zalewane cele to takie, w których elektrody/płyty są zanurzone w elektrolitach. Ponieważ gazy wytwarzane podczas ładowania są odprowadzane do atmosfery, woda destylowana musi być dodawana okresowo, aby przywrócić elektrolit do wymaganego poziomu. Najbardziej znanym przykładem zalewanej celi kwasowo-ołowiowej jest 12-woltowy akumulator samochodowy.
Zalewany akumulator kwasowo-ołowiowy w samochodzie
Szczelne akumulatory kwasowo-ołowiowe
Te typy akumulatorów zatrzymują elektrolit, ale mają wentyl lub zawór, aby umożliwić gazom ucieczkę, jeśli wewnętrzne ciśnienie przekroczy określony próg. Podczas ładowania akumulator kwasowo-ołowiowy generuje tlen na dodatniej elektrodzie.
Szczelne akumulatory kwasowo-ołowiowe są zaprojektowane tak, aby tlen wytwarzany podczas ładowania był wychwytywany i ponownie łączony w akumulatorze. To nazywa się cyklem rekombinacji tlenu i działa dobrze, o ile szybkość ładowania nie jest zbyt wysoka. Zbyt wysoka szybkość ładowania może prowadzić do pęknięcia obudowy, ucieczki termicznej lub wewnętrznych uszkodzeń mechanicznych.
Najczęstszym typem szczelnego akumulatora jest akumulator z zaworem regulowanym. Został opracowany do zastosowań stacjonarnych i telekomunikacyjnych. Te typy szczelnych akumulatorów mają zawór kontrolowany sprężyną, który odprowadza gazy przy określonym ciśnieniu. Typowe progi ciśnienia wynoszą od 2 do 5 psig, w zależności od konstrukcji akumulatora. Chociaż termin "zawór regulowany" jest często używany jako synonim do opisu szczelnych akumulatorów kwasowo-ołowiowych, nie wszystkie szczelne akumulatory są regulowane zaworami. Niektóre konstrukcje akumulatorów wykorzystują wymienne korki wentylacyjne lub inne mechanizmy do odprowadzania nadmiaru ciśnienia. Szczelne akumulatory zostały opracowane w celu zmniejszenia wymagań konserwacyjnych dla akumulatorów w aktywnej eksploatacji. Ponieważ poziomy elektrolitu są zachowywane przez zatrzymywanie i ponowne łączenie gazów, nie powinno być potrzeby dodawania wody destylowanej przez cały okres eksploatacji akumulatora. Te akumulatory są często błędnie nazywane "bezobsługowymi”. W rzeczywistości wszystkie praktyki konserwacyjne stosowane do akumulatorów nieszczelnych mają zastosowanie do akumulatorów szczelnych. Jedynym wyjątkiem jest to, że poziomy elektrolitu nie mogą i nie powinny być utrzymywane.
Szczelne akumulatory są często unikane w zastosowaniach jako źródła zasilania awaryjnego z kilku powodów. Jednym z powodów jest to, że stan naładowania szczelnych akumulatorów nie może być określony za pomocą zwykłego pomiaru gęstości względnej. Trwają prace nad niezawodnymi alternatywnymi metodami pomiaru stanu naładowania dla szczelnych akumulatorów. Drugim powodem jest ich wrażliwość na wysokie temperatury.
Komponenty i działanie akumulatora
Ogniwa a akumulatory
Akumulator to urządzenie, które przekształca energię chemiczną zawartą w swoich aktywnych materiałach w energię elektryczną za pomocą reakcji elektrochemicznej. Chociaż często używa się terminu "akumulator", podstawowym elementem elektrochemicznym, do którego się odnosi, jest ogniwo. Akumulator składa się z dwóch lub więcej ogniw połączonych elektrycznie szeregowo, tworząc jednostkę. W powszechnym użyciu terminy "akumulator" i "ogniwo" są używane zamiennie.
Ogniwa i akumulatory pierwotne i wtórne
Akumulatory są albo pierwotne, albo wtórne. Akumulatory pierwotne mogą być używane tylko raz, ponieważ reakcje chemiczne dostarczające prąd elektryczny są nieodwracalne. Akumulatory wtórne (lub magazynujące) mogą być używane, ładowane i ponownie używane. W tych akumulatorach reakcje chemiczne dostarczające prąd elektryczny są łatwo odwracalne, dzięki czemu akumulator jest ładowany.
Akumulatory pierwotne są powszechne, ponieważ są tanie i łatwe w użyciu. Znane zastosowania akumulatorów pierwotnych to latarki, zegarki, zabawki i radia. Najczęstszym zastosowaniem akumulatorów wtórnych (magazynujących) jest rozruch, oświetlenie i zapłon (SLI) w samochodach i zestawach generatorów silnikowych. Inne zastosowania obejmują zasilacze awaryjne (UPS) do zasilania awaryjnego i rezerwowego, pojazdy elektryczne (trakcja), telekomunikację i narzędzia przenośne. Reszta tego artykułu będzie dotyczyć tylko akumulatorów magazynujących, z wyjątkiem przypadków, gdy omawiane są ogólne cechy działania akumulatorów.
Komponenty akumulatora
Ogniwo ma pięć głównych komponentów, jak pokazano na poniższym obrazku.
Główne komponenty ogniwa
Elektroda ujemna dostarcza elektrony do zewnętrznego obwodu (lub obciążenia) podczas rozładowania. W pełni naładowany akumulator kwasowo-ołowiowy ma elektrodę ujemną złożoną z ołowiu gąbczastego (Pb).
Elektroda dodatnia przyjmuje elektrony z obciążenia podczas rozładowania. W pełni naładowany akumulator kwasowo-ołowiowy ma elektrodę dodatnią złożoną z dwutlenku ołowiu (PbO2). Należy zauważyć, że elektrody w akumulatorze muszą być z różnych materiałów, w przeciwnym razie ogniwo nie będzie w stanie wytworzyć potencjału elektrycznego i tym samym przewodzić prądu elektrycznego.
Elektrolit uzupełnia wewnętrzny obwód w akumulatorze, dostarczając jony do elektrod dodatnich i ujemnych. Rozcieńczony kwas siarkowy (H2SO4) jest elektrolitem w akumulatorach kwasowo-ołowiowych. W pełni naładowany akumulator kwasowo-ołowiowy ma elektrolit składający się w około 25% z kwasu siarkowego i 75% z wody.
Separator jest używany do elektrycznego izolowania elektrod dodatnich i ujemnych. Jeśli elektrody zostaną dopuszczone do kontaktu, ogniwo ulegnie zwarciu i stanie się bezużyteczne, ponieważ obie elektrody będą miały ten sam potencjał. Rodzaj separatora używanego waha się w zależności od typu ogniwa. Materiały używane jako separatory muszą umożliwiać transfer jonów między elektrolitem a elektrodami. Wiele separatorów jest wykonanych z porowatego plastiku lub materiału z włókna szklanego.
Powyższe komponenty są umieszczone w pojemniku, powszechnie nazywanym słoikiem lub pojemnikiem.
Napięcie ogniwa i akumulatora
Aby ogniwo lub akumulator mogły dostarczać prąd elektryczny do zewnętrznego obwodu, musi istnieć różnica potencjałów między elektrodami dodatnimi i ujemnymi. Różnica potencjałów (zwykle mierzona w woltach) jest powszechnie określana jako napięcie ogniwa lub akumulatora. Pojedyncze ogniwo kwasowo-ołowiowe może wytworzyć maksymalną różnicę potencjałów około 2 V pod obciążeniem. Całkowicie rozładowane ogniwo kwasowo-ołowiowe ma różnicę potencjałów około 1,75 V, w zależności od szybkości rozładowania.
Pojemność i oceny akumulatora
Ogólnie rzecz biorąc, pojemność ogniwa/akumulatora to ilość dostępnego ładunku wyrażona w amperogodzinach (Ah). Amper jest jednostką miary używaną do pomiaru prądu elektrycznego i jest definiowany jako kulomb ładunku przechodzący przez przewodnik elektryczny w ciągu jednej sekundy. Pojemność ogniwa lub akumulatora jest związana z ilością aktywnych materiałów w nim, ilością elektrolitu i powierzchnią płyt. Pojemność akumulatora/ogniwa jest mierzona przez rozładowanie przy stałym prądzie, aż osiągnie napięcie końcowe (zwykle około 1,75 V). Zwykle odbywa się to w stałej temperaturze, w standardowych warunkach 25°C (77°F). Pojemność oblicza się, mnożąc wartość prądu rozładowania przez czas potrzebny do osiągnięcia napięcia końcowego.
Najczęściej używanym terminem do opisania zdolności akumulatora do dostarczania prądu jest jego pojemność znamionowa. Producenci często określają pojemność znamionową swoich akumulatorów w amperogodzinach przy określonej szybkości rozładowania. Na przykład oznacza to, że akumulator kwasowo-ołowiowy o pojemności 200 Ah (dla 10-godzinnej szybkości) dostarczy 20 amperów prądu przez 10 godzin w standardowych warunkach temperaturowych (25°C lub 77°F). Alternatywnie, szybkość rozładowania może być określona przez jego szybkość ładowania lub C-rate, która jest wyrażona jako wielokrotność pojemności znamionowej ogniwa lub akumulatora. Na przykład akumulator może mieć ocenę 200 Ah przy szybkości rozładowania C/10. Szybkość rozładowania jest określana przez poniższe równanie:
Szybkość C/10 (ampery)= 200 Ah/10 h = 20 amperów
Pojemność akumulatora zmienia się w zależności od szybkości rozładowania. Im wyższa szybkość rozładowania, tym niższa pojemność ogniwa. Niższe szybkości rozładowania skutkują wyższą pojemnością. Literatura producentów na temat akumulatorów zazwyczaj określa kilka szybkości rozładowania (w amperach) wraz z odpowiadającym im czasem rozładowania (w godzinach). Pojemność akumulatora dla każdej z tych różnych szybkości rozładowania można obliczyć, jak omówiono powyżej.
Pojemność znamionowa dla akumulatorów kwasowo-ołowiowych jest zwykle określana przy szybkościach 8-, 10- lub 20-godzinnych (C/8, C /10, C /20). Akumulatory UPS są oceniane przy pojemności 8-godzinnej, a akumulatory telekomunikacyjne przy pojemności 10-godzinnej.
Połączenia szeregowe i równoległe
Ogniwa i akumulatory mogą być połączone w szereg, równolegle lub kombinacje obu. Ogniwa lub akumulatory połączone szeregowo mają dodatni zacisk jednego ogniwa lub akumulatora połączony z ujemnym zaciskiem innego ogniwa lub akumulatora. Ma to efekt zwiększenia całkowitego napięcia, ale całkowita pojemność pozostaje taka sama. Na przykład 12-woltowy akumulator kwasowo-ołowiowy zawiera 6 ogniw połączonych szeregowo, z których każde ma różnicę potencjałów około 2 V. Inny przykład ogniw lub akumulatorów połączonych szeregowo pokazano na poniższym obrazku.
Ogniwa lub akumulatory połączone równolegle mają swoje podobne zaciski połączone razem. Całkowite napięcie pozostaje takie samo, ale pojemność jest zwiększona. Na przykład, jeśli dwa 12-woltowe akumulatory samochodowe byłyby połączone równolegle, całkowite napięcie akumulatorów nadal wynosiłoby 12 V. Jednak połączone akumulatory miałyby dwukrotnie większą pojemność niż pojedynczy 12-woltowy akumulator. Inny przykład ogniw lub akumulatorów połączonych równolegle pokazano na poniższym obrazku.
Ogniwa połączone szeregowo
Ogniwa połączone równolegle
Akumulatory mogą być również połączone w kombinacji szeregowo-równoległej. Akumulatory są dodawane szeregowo, aż do osiągnięcia pożądanego napięcia, i równolegle, aż bank akumulatorów spełni wymagania dotyczące pojemności. Tylko podobne ogniwa lub akumulatory powinny być połączone razem. Łączenie ogniw lub akumulatorów o różnych parametrach lub od różnych producentów może prowadzić do niepożądanych lub nawet niebezpiecznych skutków.
Jak działają akumulatory kwasowo-ołowiowe
Dodatkowe zasoby
https://electrical4u.com/zinc-carbon-battery
https://britannica.com/technology/battery-electronics/Lithium-batteries
https://batteryuniversity.com/learn/article/lead_based_batteries