Wstęp
Akumulatory elektrochemiczne są urządzeniami magazynującymi energię elektryczną w postaci energii reakcji chemicznych zachodzących w elektrolicie, oraz na granicy elektrolit – elektroda. W przeciwieństwie do ogniw elektrycznych, akumulatory umożliwiają wielokrotne ładowanie i rozładowywanie energii w postaci odwracalnych cykli. Wyróżnia sie przy tym dwa cykle pracy:
– ładowania, podczas którego akumulator gromadzi energię, przetwarzając ją na energię chemiczną
– pracy, podczas którego akumulator uwalnia energię elektryczną ulegając przy tym stopniowemu rozładowaniu.
Podstawowe parametry pracy akumulatora to:
– pojemność, podawana zwykle w Ah (amperogodzinach), 1 Ah = 3600C, 36 Ah oznacza, że akumulator może podawać prąd o natężeniu 1A przez okres 36 godzin
– napięcie pracy, zwykle 12V lub 24V
Akumulatory ze względu na budowę i zasadę działania można dalej dzielić na:
– kwasowo-ołowiowe
– niklowo-kadmowe NiCd
– niklowo-metalowo-wodorkowe NiMH
– litowo-jonowe Li-jon
– litowo-polimerowe
Akumulator kwasowo-ołowiowy
Najpopularniejszy typ akumulatora stosowany już od ponad 100 lat. Składa się z ogniw wykonanych z ołowiu, przy czym jedną elektrodę ujemną (anodę) stanowi gąbczasty ołów, a elektrodę dodatnią (katodę) tlenek ołowiu PbO2. Elektrody zanurzone są w roztworze kwasy siarkowego H2SO4 o stężeniu >30%. Na elektrodach w czasie rozładowywania akumulatora zachodzą reakcje utleniania i redukcji zgodnie z równaniami:
W wyniku reakcji pomiędzy elektrodami pojawia się różnica potencjałów o wartości około 2V (1,685-(-0,356)) =2,041V. Aby uzyskać większe napięcie wyjściowe ogniwa łączy się szeregowo. Akumulator 12V posiada więc 6 ogniw, a 24V – 12 ogniw. Proces rozładowania wytwarza na obu elektrodach siarczan ołowiu PbSO4. Proces wytwarzania siarczanu jest odwracalny pod warunkiem przestrzegania zasad rozładowania akumulatora (nieprzekraczania minimalnej wartości napięcia miedzy elektrodami rzędu 1,7 V, tzw. „granicy rozładowania”). Poniżej tego napięcia zachodzi zasiarczenie elektrod, często nieodwracalne.
Rys. Budowa akumulatora kwasowo-ołowiowego. 1-obudowa z tworzywa sztucznego, 2-masa uszczelniająca, 3-otwór wlewowy, 4-końcówka biegunowa, 5-korek otworu wlewowego, 6-łącznik międzyogniwowy, 7- końcówka bieguna ujemnego, 8-siatka ochronna, 9-końcówka bieguna dodatniego, 10-płyta dodatnia,11-separator, 12-płyta ujemna
Po rozładowaniu akumulator należy ponownie naładować, prądem stałym o odpowiednim napięciu i natężeniu. W czasie ładowaniu na elektrodach zachodzą odwrotne reakcje chemiczne. ładowanie typowego akumulatora kwasowo-ołowiowego trwa około 10 godzin. Prąd ładowania stanowi co najmniej 0,1C, czyli minimum 0,1 pojemności akumulatora. Akumulator o pojemności 100 Ah powinien być więc ładowany prostownikiem, prądem o natężeniu co najmniej 10A. Górna granica natężenia prądu ładowania określona jest przez producenta akumulatora i wynosi zwykle 0,3-0,35C. Ładownie kończy się w momencie, gdy napięcie na ogniwie wzrośnie do 2,35-2,4V ( w akumulatorze 12V napięcie maksymalne wynosi 14,4V) Dalsze ładowanie grozi wydzielaniem wodoru i w konsekwencji wybuchem.
Rys. Produkcja ogniw akumulatora.
Stan naładowania akumulatora można sprawdzić przez pomiar gęstości elektrolitu. W naładowanym sprawnym akumulatorze gęstość kwasu siarkowego wynosi w temp. 25C około 1,28 g/cm3. Przy gęstości:
1,285-1,3 – akumulator jest przeładowany, należy elektrolit rozcieńczyć wodą destylowaną
1,2-1,24 – akumulator należy doładować
1,15-1,2 – akumulator wymaga natychmiastowego ładowania
<1,15 akumulator jest uszkodzony
Rys. Charakterystyka pracy typowego akumulatora.
Akumulatory żelowe
To odmiana akumulatora kwasowo-ołowiowego w którym kwas siarkowy nie jest płynny, tylko ma postać galaretowatego żelu. Żel uzyskuje się najczęściej przez dodanie do kwasu krzemionki. Akumulator żelowy jest całkowicie zamknięty, w przeciwieństwie do ciekłego elektrolitu żel nie odparowuje, dlatego nie należy go okresowo uzupełniać, czy badać wartości gęstości. Akumulatory żelowe nie muszą być montowane w pozycji pionowej, nie ulegają korozji (nie ma w nich wycieku elektrolitu), są bardziej odporne na uderzenia i wibracje. Brak konieczności okresowego uzupełniania elektrolitu czyni je w praktyce bezobsługowymi, stąd inna nazwa „akumulatory bezobsługowe”.
Oprócz technologii żelowania elektrolitu stosowana jest też metoda AGM (z ang. absorptive glass mat), gdzie kwas siarkowy zamknięty jest w macie wykonanej z włókna szklanego, co czyni je wyjątkowo odpornymi na uszkodzenia.
Akumulatory żelowe dostępne są w wersji 6, 12 V o pojemnościach od ułamka Ah do 240 Ah.
Fot. Akumulatory żelowe 200 Ah.