Akumulator elektryczny

Akumulator elektryczny, znany również jako ogniwo wtórne, to typ ogniwa galwanicznego, który może być wielokrotnie ładowany i używany, w przeciwieństwie do ogniw pierwotnych, które nie mogą być ładowane. Akumulatory gromadzą energię elektryczną i uwalniają ją dzięki odwracalnym reakcjom chemicznym, które zachodzą w elektrolicie oraz na granicy elektrolitu i elektrod.

Cykle pracy akumulatora

Akumulatory funkcjonują w dwóch podstawowych cyklach:

Ładowanie – w tym procesie akumulator działa jako odbiornik energii elektrycznej, przetwarzając energię elektryczną na energię chemiczną.
Pobór energii – w trakcie pracy akumulator staje się źródłem prądu elektrycznego, co prowadzi do przemiany energii chemicznej na energię elektryczną, a efekt końcowy to stopniowe rozładowywanie akumulatora.

Jednym z kluczowych parametrów akumulatora jest jego pojemność, która określa zdolność ogniwa do przechowywania ładunku elektrycznego. Pojemność ta zazwyczaj wyrażana jest w amperogodzinach [Ah] oraz ich jednostkach wielokrotnych (w układzie SI jednostką ładunku jest kulomb, przy czym 1 Ah = 3600 C). Typowy akumulator samochodowy ma pojemność około 50 Ah, co oznacza, że może dostarczać prąd o natężeniu 1 A przez 50 godzin. Z kolei standardowe akumulatorki miniaturowe rozmiaru R6 (AA) mają pojemność w zakresie 500–3000 mAh, co pozwala na dostarczanie prądu 100 mA przez 5–30 godzin.

Podczas ładowania prąd płynie w przeciwnym kierunku niż w trakcie pracy akumulatora. Odwracalne reakcje chemiczne, które umożliwiają ładowanie i działanie akumulatora, są w zasadzie takie same, tylko zachodzą w odwrotnej kolejności. W praktycznie każdym akumulatorze, oprócz pożądanych reakcji odwracalnych, występują także nieodwracalne reakcje uboczne, co prowadzi do stopniowej utraty właściwości akumulatora.

Rodzaje akumulatorów

W zależności od składu elektrolitu i konstrukcji elektrod wyróżniamy następujące rodzaje akumulatorów:

Akumulator kwasowo-ołowiowy (akumulator Plantego) – jako elektrolit stosuje się roztwór kwasu siarkowego, elektroda (-) wykonana jest z ołowiu (z dodatkami) w formie siatki, natomiast elektroda (+) z tlenku ołowiu(IV) PbO2 umieszczonego na ramce ołowianej. Ten typ akumulatorów jest powszechnie stosowany w samochodach. Zaletą akumulatora ołowiowego jest możliwość rozładowania dużym prądem przez krótki czas, prostota układu ładowania oraz niska cena w stosunku do pojemności. Wadą jest duża masa przypadająca na jednostkę pojemności.
Akumulator litowo-jonowy (Li-ion) – jedna z elektrod jest zbudowana z porowatego węgla, a druga z tlenków metali. Elektrolitem są kompleksowe sole litowe rozpuszczone w mieszance rozpuszczalników organicznych.
Akumulator litowo-polimerowy (Li-Po) – wersja akumulatorów Li-ion, w której ciekły elektrolit zastąpiono stałym elektrolitem polimerowym, wykonanym z materiałów takich jak gąbki poliakrylonitrylowe.
Akumulator niklowo-kadmowy (Ni-Cd) – elektrody wykonane są z wodorotlenku niklu i wodorotlenku kadmu, a elektrolitem są półpłynne lub stałe substancje o składzie chemicznym różniącym się w zależności od producenta, ale zawsze o silnie zasadowym (alkalicznym) odczynie.
Akumulator niklowo-metalowo-wodorkowy (NiMH) – ulepszona wersja akumulatorów NiCd, w której jedna z elektrod jest z niklu, a druga z metali ziem rzadkich w atmosferze wodoru. Elektrolit to gąbczasta struktura nasączona substancjami alkalicznymi oraz złożonym chemicznie katalizatorem. System elektrochemiczny absorbuje gazy wydzielające się podczas ładowania, zwłaszcza wodór. Akumulator charakteryzuje się całkowitą szczelnością i długą trwałością.
Akumulator niklowo-cynkowy (Ni-Zn) – ulepszona wersja akumulatorów Ni-Cd, w której katoda jest wykonana z niklu, a anoda z cynku.

Efektywność akumulatora, definiowana jako stosunek energii oddanej podczas pracy do energii włożonej w procesie ładowania, jest zawsze mniejsza od 1. Dla większości akumulatorów sprawność wynosi około 60%. Akumulatory NiMH osiągają sprawność na poziomie 85%, natomiast akumulatory Li-ion mogą osiągnąć sprawność 94%.

Akumulator w transporcie

Jednym z pomysłów na rozwiązanie problemu niedoboru paliw ropopochodnych (produkcja z ropy naftowej) jest produkcja samochodów elektrycznych. Takie pojazdy byłyby ładowane okresowo z sieci elektroenergetycznej, a energia chemiczna zgromadzona w akumulatorze napędzałaby silnik elektryczny. W przyszłości pozostaje jeszcze do rozwiązania kwestia znalezienia odnawialnego źródła energii elektrycznej.

Stan prawny w Polsce

12 czerwca 2009 roku weszła w życie ustawa o bateriach i akumulatorach z dnia 24 kwietnia 2009 roku, która nakłada obowiązek zbierania zużytych baterii i akumulatorów w celu ich recyklingu.

Uwagi

Przypisy

Bibliografia

Andrzej A. Czerwiński, Współczesne chemiczne źródła prądu [online], Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne [dostęp 2010-11-07] [zarchiwizowane z adresu 2013-01-13].