Be akumuliatoriaus - nė iš vietos. Daugiausia automobilių pasaulyje naudojami švino rūgšties akumuliatoriai, kuriems reikia šiek tiek dėmesio ir priežiūros, jeigu norime, kad jie tarnautų ilgai. Vienas iš priežiūros reikalavimų - užtikrinti, kad jame būtų tinkamas skysčio lygis. Nors dabar skysčiu pildomi akumuliatoriai reti, kalbant apie juos reikėtų žinoti, kad išskiriami du skysčiai - elektrolito tirpalas ir distiliuotas vanduo. Šiame straipsnyje gilinsimės į švino rūgštinių akumuliatorių elektrolito ypatybes, priežiūrą ir naudojimą.
Kas yra švino rūgšties akumuliatorius?
Rūgštinis akumuliatorius, arba švino akumuliatorius, yra antrinis elektros elementas, kurį galima įkrauti prijungus prie kito elektros šaltinio. Švino rūgšties akumuliatoriai yra plačiai naudojami įvairiose srityse, nuo automobilių iki rezervinių maitinimo šaltinių, valčių, atsarginių maitinimo sistemų ir saulės energijos sistemų, neprijungtų prie tinklo.
Švino rūgšties akumuliatoriaus struktūra ir funkcija: jį sudaro į elektrolito tirpalą panardintos plokštelės, pagamintos iš švino ir švino dioksido. Tipišką 12 voltų švino rūgšties akumuliatoriaus bateriją sudaro šeši švino rūgšties galvaniniai elementai, sujungti nuosekliai ir laikomi akumuliatoriaus korpuse. Kiekvienoje ląstelėje yra dviejų tipų elektrodai, po vieną kiekvienai švino rūgšties redokso reakcijos pusei - neigiamas švino (Pb) anodas ir teigiamas švino dioksido (PbO2) katodas.
Kaip veikia švino rūgšties akumuliatorius?
Baterija yra elektrocheminio energijos kaupimo įtaisas, kuris naudoja chemiją, kad elektronų pavidalu laikytų potencialią energiją (įtampą). Kai akumuliatoriaus teigiamas ir neigiamas gnybtas yra įjungiamas varžine apkrova, grandinė užbaigiama, o iš akumuliatoriaus galima išgauti energiją darbui atlikti (pvz., įjungti automobilio variklį).
Švino rūgšties baterijose tai dažniausiai atliekama redukcijos reakcija sieros rūgšties (H₂SO₄) tirpale: Pb + PbO₂ + 4H⁺ + 2SO₄²⁻ → 2PbSO₄ + 2H₂O. Ši reakcija gali būti suskaidyta į šias pusės reakcijas:
- Oksidacija ant anodo: Pb → Pb²⁺; Pb + SO₄²⁻ → PbSO₄ + 2e⁻
- Redukcija ant katodo: PbO₂ → Pb²⁺; PbO₂ + SO₄²⁻ + 4H⁺ + 2e⁻ → PbSO₄ + 2H₂O
Didelė dalis elektrocheminių energijos kaupimo yra apie tai, kad atskiriamos dvi redukcijos reakcijos pusės reakcijos - švino rūgšties atveju - neigiamo įkrovos anodo koncentracija iš teigiamų jonų katodo. Priklausomai nuo ląstelių konstrukcijos, vienoje ląstelėje gali būti daugiau nei viena pora elektrodų. Elektroniniai anodai traukia teigiamą katodą, bet yra atskirti mikroporingu separatoriumi. Kai į ląsteles pridedama praskiestos sieros rūgšties elektrolito, akumuliatorius įjungiamas, o jonai gali išsidėstyti išilgai teigiamų ir neigiamų ląstelių sričių. Laidinio kelio tarp katodo ir anodo formavimas leidžia elektronams eiti į katodą ir iškrauti akumuliatorių. Reakcija yra grįžtama, leidžianti įkrauti švino rūgšties akumuliatorius su išoriniu maitinimo šaltiniu, grąžinančiu anodus ir katodus į pradinę būseną.
Kai švino rūgšties akumuliatorius yra visiškai įkrautas, teigiamo elektrodo plokštelėje medžiaga yra švino dioksidas (PbO₂), neigiamos plokštės medžiaga yra pūkuotas švinas (Pb), o elektrolito sieros rūgšties (H₂SO₄) tankis yra apie 1,33 g/cm³ (nurodo elektrinių transporto priemonių švino-rūgšties akumuliatorius; kitoms reikmėms švino-rūgštinių akumuliatorių tankis yra šiek tiek mažesnis).
Elektrolito sudėtis ir funkcija švino rūgšties akumuliatoriuose
Švino rūgšties akumuliatoriaus elektrolitas paprastai yra sieros rūgšties (H₂SO₄) ir vandens (H₂O) tirpalas (mišinys). Pagrindinė elektrolito funkcija - būti terpe, kuri leidžia jonams judėti tarp švino ir švino dioksido plokštelių ciklų metu. Pagrindinė rūgštinio akumuliatoriaus sudedamoji dalis - sieros rūgštis (25-30 %). Koncentracija skiriasi pagal dizainą, bet paprastai yra mažesnė arba lygi 40% masės H₂SO₄. Tirpale rūgštis egzistuoja kaip neigiamai įkrauti sulfato jonai (SO₄²⁻) ir teigiamai įkrauti vandenilio jonai (H⁺), kurie yra pagrindiniai ingredientai redokso reakcijose.
Iškrovimo ir įkrovimo procesai
Iškrovimo proceso metu elektronai yra gaunami švino dioksido dėka ant teigiamo iškrovos kontūro elektrodo, o švinas ant neigiamo elektrodo plokštelės praranda elektronus, atitinkamai gamindamas dvivalentį šviną (Pb²⁺) ir reaguodamas su elektrolite esančia sieros rūgštimi, kad nusėstų atitinkamos plokštės ir sudarytų švino sulfatą (PbSO₄), o deguonies jonai ir vandenilio jonizacija reaguoja ir sudaro vandenį. Progresuojant iškrovai, elektrolitų koncentracija mažėja, o švino sulfatas teigiamose ir neigiamose plokštelėse palaipsniui kaupiasi. Kai šis procesas vystosi tam tikru mastu, iškrovos poliarizacijos reiškinys tampa vis rimtesnis, teigiamo elektrodo plokštės potencialas yra vis labiau neigiamas, neigiamos elektrodo plokštės potencialas yra labiau teigiamas, o sieros rūgšties kiekis elektrolite tampa mažesnis ir mažesnis. Akumuliatoriaus įtampa yra žema iki galinės įtampos, o iškrovimas bus nutrauktas.
Įkrovimo metu tirpale esantys dvivalenčiai švino jonai perduoda elektronus į išorinę grandinę oksidacijai į teigiamą tetravalentinį šviną (Pb⁴⁺), o deguonies jonai elektrolito vandenyje (HO₂) ir teigiamas tetravalentinis švinas patenka į teigiamo elektrodo plokštelės tinklelį. Kadangi tirpalo dvivalentis švinas sunaudojamas, teigiamo elektrodo plokštelėje esantis švino sulfatas nuolat tirpsta, o švino dioksidas formuojasi nuolat; švino sulfatas neigiamo elektrodo plokštelėje pirmiausia ištirpinamas į dvivalentį šviną ir sulfatą (SO₄), o dvivalentis švinas įkraunamas. Elektronai iš kilpos sumažinami, kad jie leistų į neigiamą plokštę. Tuo pačiu metu elektrolite likęs vandenilis ir sulfatas sintezuoja sieros rūgštį. Įkrovimo metu švino sulfatas ant elektrodo plokštės palaipsniui ištirpsta, o elektrolito koncentracija nuolat didėja. Kai šis procesas vykdomas tam tikru mastu, įkrovimo poliarizacijos reiškinys tampa vis rimtesnis, o teigiamos ir neigiamos plokštės iš eilės atskiria atitinkamai deguonį ir vandenilį, o įkrovimo srovė vis labiau hidrolizuojasi, o sieros tankis rūgštis elektrolite tampa vis aukštesnė ir didesnė, teigiamo elektrodo plokštelė. Potencialas linkęs būti pats teigiamas, neigiamos plokštės potencialas yra pats neigiamas, akumuliatoriaus įtampa ir toliau kyla, o galiausiai vėl grįžtama į aukščiau pateiktą įkrauta būseną.
Elektrodai ir separatoriai
Tipiškas akumuliatoriaus elektrodas susideda iš aktyviosios medžiagos, naudojamos redokso reakcijoje, ir kieto laidžiojo metalo tinklelio, kuris naudojamas kaip srovės kolektorius ir užtikrina mechaninę pagalbą. Kadangi grynas švinas yra minkštas, priedai, pavyzdžiui, kalcio arba stibio, yra naudojami lydinių, kurie stiprina ląstelės mechaninį stiprumą ir elektros savybes, gamybai. Tinklelis ir aktyvioji medžiaga kartu sudaro elektrodą, kuris taip pat vadinamas plokštele. Švino rūgšties konstrukcijoje teigiama plokštelė yra švino dioksido katodas, o neigiama plokštė yra švino anodas.
- Švino anodas: taip pat žinomas kaip neigiamas elektrodas švino rūgšties ląstelėje. Jo aktyvi medžiaga yra kempinė švino, kuri padidina esamą paviršiaus plotą, reaguojant su sieros rūgšties elektrolitu.
- Švino dioksido katodas: katodas taip pat žinomas kaip teigiamas elektrodas švino rūgšties kameroje. Katodo aktyvi medžiaga yra švino dioksidas, kuris yra elektrolitinis iš švino oksido miltelių, kurie turi būti įklijuoti į tinklelį.
Pagrindinė separatoriaus funkcija yra atskirti teigiamus ir neigiamus elektrodus per akytą membraną, kuri apsaugo dendritus ir išblukusią aktyvią medžiagą nuo trumpojo jungimo. Švino rūgšties konstrukcijose yra dviejų pagrindinių tipų - mikroporinės membranos ir absorbuotos stiklo kilimėliai (AGM).
Švino rūgšties akumuliatorių tipai
Švino rūgšties akumuliatoriai, naudoti daugiau nei 150 metų, patyrė daug patobulinimų ir evoliucijos. Štai keletas pagrindinių tipų:
Užtvindytos švino rūgšties baterijos
Tai paprasto tipo švino rūgšties akumuliatorius, kuriame naudojamas skystas sieros rūgšties elektrolitas. Jie pasižymi mažiausia amperų valanda iš visų švino rūgšties akumuliatorių tipų. Šios ląstelės taip pat reikalauja didžiausios techninės priežiūros, įskaitant laistymą, įkrovimo išlyginimą ir valymą.
Vožtuvu reguliuojami švino rūgšties (VRLA) akumuliatoriai
VRLA arba uždaromos švino rūgšties (SLA) baterijos yra uždaromos ląstelės su reguliavimo vožtuvu. Kai ląstelė įkrauta, švino sulfatas ir vanduo pakeičiami į švino ir sieros rūgštį. VRLA neleidžia išgaruoti dujų, todėl akumuliatoriaus veikimo metu ląstelėms nereikia papildomo elektrolito ar vandens papildyti. Štai kodėl VRLA dažnai vadinama nemokama priežiūra ir kodėl šiuolaikiniuose automobiliuose nebūtina palaikyti jų baterijų vandens lygio. VRLA akumuliatoriuose naudojama deguonies rekombinacija, kuri sumažina vandens praradimą, tačiau šis procesas išskiria šilumą.
AGM akumuliatoriai (Absorbent Glass Mat)
AGM akumuliatoriai yra užtvindytų baterijų patobulinimas. Juose elektrolitas absorbuotas stiklo pluošto separatoriuje arba yra įmirkytas stiklo laminato mikropluošteliuose, kurie yra atskiriamųjų elementų tarp atskirų švino plokštelių dalis. Tai pašalina išsiliejimo riziką ir leidžia montuoti bet kokia kryptimi. Dėl šios konstrukcijos rūgšties išsiliejimas nebekelia pavojaus, todėl akumuliatoriai yra labai saugūs naudoti.
Gelio akumuliatoriai
Gelio baterijos yra panašios į AGM baterijas, nes jose naudojamas separatorius elektrolitui imobilizuoti. Tačiau elektrolitas yra gelio pavidalo, o tai dar labiau sumažina nutekėjimo riziką. Kai kuriuose projektuose silicio dioksido dulkės arba kiti želatininiai agentai į elektrolitą pridedami, kad būtų paversti į storą gelį. Gelio ląstelių konstrukcijos privalumas yra tai, kad jis gali būti montuojamas bet kokia kryptimi ir nereikalingas tradicinių dizainų palaikymas, kai akumuliatoriaus viršuje turi būti įpilta vandens.
Švino-stibio ir švino-kalcio akumuliatoriai
- Švino-stibio baterijos: švino-stibio lydinio elektrodai yra mechaniškai stipresni ir pigesni nei gryno švino. Stibio buvimas taip pat pagerina gilų važiavimą dviračiu - tai menas visiškai iškrauti akumuliatoriaus talpą prieš įkraunant. Tačiau, kadangi švino ir stibio lydiniai yra linkę sulfatuoti, akumuliatoriaus ilgą laiką neturėtų likti giliai išsikrovusioje būsenoje. Švinas su stibiu taip pat padidina vandenilio išsiskyrimą (dujų susidarymą), o tai gali sukelti vandens praradimą ląstelėje ir vandenilio kaupimąsi uždarose erdvėse.
- Švino-kalcio baterijos: kaip ir stibis, pridėjus kalcio, taip pat padidėja elektrodo stiprumas, tačiau jis taip pat turi papildomo pranašumo - mažinti dujų kiekį ir savaiminio išsivalymo greitį. Kalcis savaime nepadeda apriboti švino rūgšties konstrukcijos gebėjimo išgaruoti. Todėl kalcio ir stibio derinys gali būti naudojamas norint gauti stibio naudą, tuo pačiu sumažinant dujų susidarymą.
Automobilių užvedimo ir gilaus ciklo akumuliatoriai
- Automobilių užvedimo akumuliatoriai: skirti automobiliams užvesti, turi daug plonų plokštelių, kurių didelis paviršiaus plotas gali trumpą laiką teikti didelę srovę. Tačiau tokia baterija neskirta nuolat ir pakartotinai ją visiškai iškrauti (plokštelės gali būti pažeidžiamos).
- Giluminio ciklo švininės baterijos: suprojektuotos giliai važiuojantiems dviračiais, šios ląstelės turi būti iškraunamos iki 50% jų galingumo ar daugiau prieš įkraunant. Tai visiškai prieštarauja automobilio starterio akumuliatoriui, kuris yra skirtas trumpam, dideliam srovės sprogimui pasiekti. Plokštės yra storesnės, todėl baterijos ilgą laiką gali užtikrinti pastovią srovę. Švino stibio baterijos yra giluminio ciklo švino rūgšties akumuliatoriaus tipas. Dažniausiai naudojamos elektrinės golfo vežimėliai, grindų valytuvai, šakių keltuvai ir senesni elektriniai automobiliai.
Akumuliatorių priežiūra ir eksploatavimas
Skysčio lygio palaikymas
Vienas iš priežiūros reikalavimų - užtikrinti, kad akumuliatoriuje būtų tinkamas skysčio lygis. Laikui bėgant, dėl naudojimo (įkrovimo - iškrovimo) ciklų, elektrolitas gali nykti, todėl jame sumažėja vandens kiekis. Distiliuotas vanduo - vanduo, iš kurio distiliavimo būdu pašalintos bet kokios priemaišos. Pagrindinis distiliuoto vandens vaidmuo šioje srityje - papildyti prarastą vandens kiekį elektrolito tirpale. Į akumuliatorių būtina pilti ne paprastą, o distiliuotą vandenį, nes tik taip įmanoma užtikrinti, jog į akumuliatorių nepatektų jokių teršalų.
Hermetiškų švino rūgšties akumuliatorių atnaujinimas / Kaip papildyti švino rūgšties akumuliatorių
Įkrovimas ir saugumas
Prieš pirmąjį naudojimą akumuliatorių reikia įkrauti. Jei akumuliatorius įdedamas į įrenginį, kuris negali nustatyti jo įkrovos būsenos, akumuliatorius gali visiškai išsikrauti, todėl gali būti negrįžtamai sugadintas. Akumuliatorių reikia įkrauti naudojant tinkamą maitinimo šaltinį arba įkroviklį, palaikantį AGM technologiją, kurio įkrovimo įtampa yra 14,4 V 12 V akumuliatoriams ir 7,2 V 6 V akumuliatoriams. Jei įkroviklis arba maitinimo šaltinis neturi šių parametrų, akumuliatorius bus įkraunamas ne iki galo, greitai suvartos energiją, o kraštutiniu atveju - sunaikins.
Švino rūgšties akumuliatoriaus elektrolitas yra sieros rūgšties ir vandens tirpalas. Šis elektrolitas yra labai svarbus akumuliatoriaus veikimui, nes jis leidžia jonams tekėti tarp teigiamų ir neigiamų akumuliatoriaus plokščių. Sieros rūgštis yra labai ėsdinanti ir, patekusi ant odos ar į akis, gali smarkiai nudeginti. Akumuliatoriaus apsauginiai vožtuvai apsaugo jį nuo sprogimo, jei jis apsinuodija dujomis.
Talpa ir iškrovimo režimai
Švino-rūgštinių akumuliatorių talpa beveik visada deklaruojama pagal C20 iškrovimo režimą, t. y., kai akumuliatorius iškraunamas per 20 valandų. Tačiau realiose sistemose akumuliatoriai dažnai iškraunami ženkliai didesnėmis srovėmis, artimomis C10, C5 ar net C3 režimams. Todėl vertinant akumuliatorių talpą negalima remtis vien tik gamintojo nurodyta Ah verte - būtina atsižvelgti į realų iškrovimo režimą.
Rūgštinio akumuliatoriaus talpa nėra pastovi ir priklauso nuo to, kaip greitai jis įkraunamas ar iškraunamas (lėtai įkraunant bei iškraunant talpa didesnė). Labai greitai iškrauta (tarkim, nesėkmingai bandant užvesti variklį) baterija per kurį laiką gali pati atsistatyti, įgalindama pabandyti dar kartą.
Akumuliatorių įkrovimo lygio priklausomybė nuo įtampos
Žemiau pateikta lentelė parodo švino-rūgštinių akumuliatorių apytikslę įkrovimo lygio priklausomybę nuo atviros grandinės įtampos.
| Įtampa (V) | Įkrovimo lygis (%) |
|---|---|
| ~12.6 | 100% |
| ~12.4 | 75% |
| ~12.2 | 50% |
| ~12.0 | 25% |
| ~11.8 | 0% |
tags: #rugstiniu #akumuliatoriu #elektrolitas