Akumulator kwasowo-ołowiowy

Akumulator kwasowo-ołowiowy to typ akumulatora elektrycznego, który oparty jest na ogniwach galwanicznych składających się z elektrody ołowiowej, elektrody z ditlenku ołowiu (PbO2) oraz około 37% roztworu wodnego kwasu siarkowego, pełniącego rolę elektrolitu.

W 1850 roku niemiecki fizyk Wilhelm Josef Sinsteden skonstruował pierwszy akumulator kwasowo-ołowiowy. Ulepszenia w tej technologii pojawiły się, gdy gospodarka zaczęła kłaść nacisk na efektywne magazynowanie energii. W 1887 roku przedsiębiorca Adolph Müller uruchomił pierwszą niemiecką fabrykę akumulatorów. Wkrótce po tym inne niemieckie firmy zaczęły produkować akumulatory ołowiowe na dużą skalę. Wkrótce akumulatory te zaczęły być stosowane w pojazdach zasilanych akumulatorowo. Pomimo licznych wad, akumulatory kwasowo-ołowiowe pozostają najpopularniejszym rodzajem akumulatorów elektrycznych, występując w niemal wszystkich samochodach oraz wielu innych pojazdach, takich jak wolnobieżne pojazdy elektryczne typu Melex. Dodatkowo, akumulatory te często służą jako element awaryjnego zasilania budynków, zakładów przemysłowych, szpitali, central telefonicznych oraz polowych systemów oświetleniowych.

Konstrukcja i działanie

Każde ogniwo akumulatora składa się z:

anody wykonanej z metalicznego ołowiu: (-) podczas poboru prądu i (+) w czasie ładowania,
separatora izolującego elektrody,
katody z PbO2: (+) podczas poboru prądu i (−) podczas ładowania,
elektrolitu, którym jest ok. 37% wodny roztwór kwasu siarkowego z różnymi dodatkami.

Rozładowywanie

Podczas poboru prądu z akumulatora na elektrodach zachodzą następujące reakcje chemiczne:

Na elektroda ujemnej – utlenianie:

Pb0 + SO4²− ⇄ PbIISO4 + 2e− (E° = – 0,356 V)

Na elektroda dodatniej – redukcja:

PbIVO2 + SO4²− + 4H+ + 2e− ⇄ PbIISO4 + 2H2O (E° = 1,685 V)

Na obu elektrodach podczas poboru prądu wydziela się siarczan ołowiu(II) (PbSO4). W trakcie ładowania zachodzą te same reakcje, tylko w odwrotnym kierunku.

W pełni naładowany akumulator ma gęstość elektrolitu wynoszącą 1,26–1,28 g/cm³ (w akumulatorach używanych w klimacie tropikalnym gęstość ta wynosi 1,23 g/cm³). Proces rozładowywania prowadzi do zmniejszenia stężenia, gęstości oraz poziomu elektrolitu. Gdy napięcie na biegunach rozładowanego akumulatora spadnie do 1,8 V na ogniwo (10,8 V w 12-woltowym akumulatorze samochodowym) oraz gęstość elektrolitu do 1,18 g/cm³, akumulator powinien zostać natychmiast naładowany. Stan naładowania można i należy mierzyć areometrem (a nie woltomierzem, szczególnie bez obciążenia), każdą celę osobno.

Pełne rozładowanie akumulatora polega na całkowitym przekształceniu obu elektrod w stały siarczan ołowiu, co jest procesem odwracalnym. Siarczan ołowiu po pewnym czasie przechodzi w stan krystaliczny (izolator elektryczny), co prowadzi do spadku pojemności akumulatora. W takim przypadku naładowanie akumulatora staje się niemożliwe, ponieważ skrystalizowany siarczan ołowiu nie uczestniczy w reakcjach chemicznych. W praktyce, aby zapobiec zjawisku zasiarczenia elektrod, stosuje się specjalną konstrukcję, która utrudnia osadzanie się na ich powierzchni nieprzenikalnej warstwy kryształów siarczanu ołowiu. Istnieje także procedura regeneracji (odsiarczania) akumulatorów.

Ładowanie

Ładowanie akumulatora polega na podłączeniu go do odpowiednich biegunów źródła prądu stałego (np. zasilacza lub prostownika) i trwa około 10 godzin (akumulatory samochodowe są ładowane stopniowo podczas pracy silnika, np. za pomocą alternatora – co nie jest optymalne, dlatego powinny być okresowo, szczególnie przed zimą, ładowane poza pojazdem). Prąd ładowania powinien wynosić 10% pojemności akumulatora (dla akumulatora 40 Ah prąd ładowania wynosi 4 A). Inne metody ładowania, np. większym prądem lub stałym napięciem, powinny być przeprowadzane zgodnie z zaleceniami producenta. Podczas ładowania, napięcie ogniwa powoli wzrasta od około 2 V do 2,35 V, a następnie szybciej. Gęstość oraz poziom elektrolitu rosną (dlatego decyzję o ewentualnym dolaniu wody podejmuje się po naładowaniu; w przeciwnym razie można przelać cele i niepotrzebnie rozrzedzić elektrolit – to najczęstszy błąd). Po przekroczeniu napięcia 2,4 V zaczyna się rozkład wody na tlen i wodór (tzw. gazowanie akumulatora). Ładowanie powinno zostać przerwane po osiągnięciu napięcia 2,5 V, aby uniknąć przeładowania akumulatora, co skutkuje wydzieleniem dużych ilości wodoru (tzw. „zagotowanie”). Wodór w połączeniu z powietrzem tworzy wybuchową mieszankę, która może eksplodować pod wpływem iskry elektrycznej. Dlatego ładowanie akumulatorów powinno odbywać się w dobrze wentylowanych pomieszczeniach lub na otwartym terenie, a także należy unikać iskrzenia podczas odłączania zacisków prostownika (najpierw odłączamy prostownik od sieci). W trakcie ładowania w elektrolicie wydziela się ciepło, które przy temperaturze powyżej 40 °C może negatywnie wpłynąć na płyty akumulatora. Dlatego np. alternatory samochodowe mają regulację napięcia uzależnioną od temperatury (latem celowo obniżają napięcie, aby uniknąć wygotowania elektrolitu, zimą zwiększają, aby przyspieszyć reakcje chemiczne).

Nieużywany akumulator powinien być okresowo doładowywany, aby zapobiec zasiarczeniu spowodowanemu procesem samorozładowania.

Pojemność

Pojemność akumulatorów ołowiowych wyraża się w amperogodzinach (Ah). Pojemność ta zależy od metody rozładowania, dlatego wprowadzono pojęcie pojemności 10-godzinnej. Na przykład, aby rozładować akumulator 40 Ah w ciągu 10 godzin, należy czerpać z niego prąd o natężeniu 4 A. Niektórzy producenci stosują inne definicje pojemności akumulatora, np. pojemność 5-godzinną (5HR) lub 20-godzinną (20HR).

Obsługa

Aby utrzymać klasyczne akumulatory w dobrym stanie, konieczna jest regularna obsługa. W intensywnie użytkowanych akumulatorach należy regularnie uzupełniać poziom elektrolitu wodą destylowaną (dotyczy to akumulatorów z płynnym elektrolitem), jednak decyzję o tym, co dolać (kwasu również może ubywać), należy podejmować wyłącznie po pomiarze gęstości elektrolitu w stanie naładowanym (najczęstszym błędem jest dolewanie wody do rozładowanego akumulatora – podczas ładowania może dojść do przelania nadmiaru). Obniżenie poziomu elektrolitu oraz jednoczesne zwiększenie jego gęstości negatywnie wpływa na trwałość (podobnie jak sukcesywne rozrzedzanie wodą). Nieużywane akumulatory powinny być okresowo doładowywane (i kontrolowane pod kątem gęstości elektrolitu), aby nie ulegały zasiarczeniu (proces ten jest w dużej mierze odwracalny). Zużyte akumulatory należy składować w odpowiednich miejscach, a ich przechowywanie w nieodpowiednich warunkach jest zabronione ze względu na wysokie ryzyko dla środowiska.

Akumulatory bezobsługowe i żelowe

Wadą akumulatorów ołowiowych jest ryzyko wycieku kwasu siarkowego oraz parowanie wody, co prowadzi do zbyt dużego stężenia elektrolitu, wymagającego jego okresowego uzupełniania. Problemy te można rozwiązać, stosując specjalną konstrukcję, która zatrzymuje elektrolit w zamkniętej obudowie. Wyróżnia się trzy technologie:

MF (ang. maintenance free) – bezobsługowe klasyczne akumulatory z płynnym elektrolitem w zamkniętej konstrukcji, z ograniczoną możliwością otwarcia obudowy;
AGM (ang. absorbtive glass mat) – akumulatory z płynnym elektrolitem wchłoniętym w separatorze wykonanym z maty szklanej;
żelowe (ang. gel) – akumulatory z elektrolitem żelowym. Elektrolity żelowe to nadal wodne roztwory kwasu siarkowego, ale dodaje się do nich substancję żelującą (np. żywice silikonowe), która zapobiega parowaniu wody i wyciekom.

Akumulatory AGM i żelowe również określa się jako bezobsługowe, ponieważ w zasadzie nie wymagają one monitorowania składu i ilości elektrolitu.

Jednak żadna forma elektrolitu nie zapobiega problemom wynikającym z częstego rozładowywania akumulatora. Ładowanie akumulatorów bezobsługowych przebiega podobnie jak w przypadku klasycznych, z tą różnicą, że należy użyć automatycznego prostownika, który chroni akumulator przed przeładowaniem. Kontrola naładowania polega w tym przypadku na obserwacji napięcia na zaciskach akumulatora.

Obudowy akumulatorów nigdy nie są całkowicie szczelne, ponieważ mogłoby to prowadzić do niebezpieczeństwa wybuchu na skutek wzrostu ciśnienia wewnątrz w wyniku wydzielania wodoru podczas przeładowania.

Rodzaje akumulatorów i zastosowanie

Akumulator rozruchowy

Akumulatory rozruchowe silników spalinowych stanowią największą grupę produkowanych na świecie akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Obecnie standardem są baterie akumulatorów o napięciu nominalnym 12 V, składające się z sześciu ogniw połączonych szeregowo. W samochodach ciężarowych stosowane są baterie akumulatorów o nominalnym napięciu 24 V. W przeszłości używano także baterii o napięciu nominalnym 6 V, wykorzystywanych w motocyklach oraz samochodach (np. Trabant do 1983 roku).

Akumulatory rozruchowe charakteryzują się bardzo niską rezystancją wewnętrzną, co umożliwia przepływ dużych prądów. W niskich temperaturach maksymalny prąd uzyskiwany z akumulatora jest mniejszy, co może sprawiać trudności z uruchomieniem pojazdów. Dzieje się tak, ponieważ w niższych temperaturach procesy chemiczne przebiegają wolniej. Przy dużych mrozach w rozładowanym akumulatorze o niskiej gęstości elektrolitu może dojść do zamarznięcia elektrolitu, co prowadzi do jego uszkodzenia (wcześniej praktykowało się wyjmowanie akumulatora z samochodu, przechowywanie w ciepłym miejscu i montowanie przed uruchomieniem silnika). Wysoka temperatura również ma negatywny wpływ na trwałość akumulatora. Należy unikać użytkowania akumulatorów sprzedawanych w Polsce w temperaturze powyżej 40 °C (w krajach o klimacie tropikalnym). Akumulatory rozruchowe nie są zaprojektowane do częstego całkowitego rozładowania, lecz są przeznaczone do pracy w stanie pełnego naładowania.

Akumulator do głębokich rozładowań

Akumulatory do głębokich rozładowań są przeznaczone głównie do pracy cyklicznej. Znajdują zastosowanie w przemyśle, energetyce oraz odnawialnych źródłach energii. Najwięcej z nich stanowią akumulatory trakcyjne, stosowane do napędu wózków widłowych, Melexów oraz samochodów elektrycznych. Akumulatory tego typu są budowane na bazie tzw. pancernych płyt dodatnich, co zapewnia im znacznie dłuższą żywotność od 1200 do 1500 cykli rozładowania i ładowania, w porównaniu do standardowych akumulatorów z płytą pastowaną, które osiągają żywotność około 500 cykli.

Baterie stacjonarne

Baterie stacjonarne, złożone z pojedynczych ogniw akumulatorów głębokiego rozładowania o napięciu 2 V, wykorzystywane są m.in. w systemach buforowego zasilania bezprzerwowego w instalacjach przemysłowych. Zgodnie z zasadami bezpieczeństwa są one instalowane w wydzielonych pomieszczeniach z wymuszoną wentylacją, nazywanych akumulatorowniami.

Akumulator w liczbach

Parametry typowego akumulatora samochodowego, złożonego z 6 ogniw:

siła elektromotoryczna: około 12,6 V,
napięcie znamionowe pojedynczego ogniwa: 2,1 V,
minimalne napięcie (wskazujące na stan głębokiego rozładowania): 10,5-10,8 V,
prawidłowe napięcie ładowania zależne od temperatury: 13,8-14,5 V,
po pełnym naładowaniu napięcie szybko spada do 13,2 V, a później powoli do 12,6-12,7 V,
napięcie akumulatora powinno być mierzone 12 godzin po ładowaniu, aby zapewnić dokładny pomiar,
wydzielanie wodoru następuje po przekroczeniu napięcia 14,4 V,
w przypadku głębokiego rozładowania akumulatora zaleca się jego ładowanie niskim stałym prądem do napięcia nawet 16,5 V,
typowy prąd ładowania wynosi 1/10 pojemności akumulatora,
współczynnik samorozładowania: około 3–20% miesięcznie,
wytrzymałość: średnio 500–800 cykli (po czym możliwa jest regeneracja).