Akumulator kwasowo-ołowiowy

Akumulator kwasowo-ołowiowy – rodzaj akumulatora elektrycznego, opartego na ogniwach galwanicznych zbudowanych z elektrody ołowiowej, elektrody z tlenku ołowiu(IV) (PbO2) oraz ok. 37% roztworu wodnego kwasu siarkowego, spełniającego rolę elektrolitu.

Akumulator ołowiowy został wynaleziony przez francuskiego fizyka Gastona Planté w 1859 r. Mimo wielu jego wad jest to wciąż najbardziej popularny rodzaj akumulatorów elektrycznych. Występuje w niemal wszystkich samochodach, a także wielu innych pojazdach (np. Melex). Oprócz tego stanowi często jeden z elementów awaryjnego zasilania budynków, zakładów przemysłowych, szpitali, centrali telefonicznych i polowych systemów oświetleniowych.

Konstrukcja i działanie 

Akumulator samochodowy 12V/40Ah

Typowy akumulator samochodowy jest zbudowany z 6 ogniw ołowiowo-kwasowych połączonych szeregowo. Każde ogniwo generuje siłę elektromotoryczną (SEM) równą 2,1 V. Cały akumulator generuje zatem napięcie znamionowe równe 12,6 V. Rezystancja wewnętrzna akumulatora jest bardzo mała, umożliwiając przepływ bardzo dużych prądów. Z tego powodu znalazły zastosowanie jako akumulatory rozruchowe silników spalinowych.

Pojedyncze ogniwo składa się z:

• anody wykonanej z metalicznego ołowiu - (-) - w trakcie poboru prądu i (+) w trakcie ładowania 
• katody wykonanej z PbO2 - (+) - w trakcie poboru prądu i (-) w trakcie ładowania 
• elektrolitu - którym jest wodny, ok. 37% roztwór kwasu siarkowego z rozmaitymi dodatkami

Rozładowywanie

W ogniwie tym, w trakcie poboru prądu zachodzą następujące reakcje chemiczne na elektrodach:

anoda - utlenianie

katoda - redukcja

Jak widać na obu elektrodach w trakcie poboru prądu wydziela się siarczan(VI) ołowiu(II) (PbSO4). W trakcie ładowania zachodzą dokładnie takie same reakcje, tyle że w drugą stronę.

W naładowanym akumulatorze gęstość elektrolitu wynosi 1,26 - 1,28 g/cm3 (w akumulatorach stosowanych w klimacie tropikalnym 1,23 g/cm3). Proces rozładowywania powoduje zmniejszenie stężenia elektrolitu oraz gęstości. Kiedy w rozładowanym akumulatorze napięcie na biegunach spadnie do 1,8V a gęstość elektrolitu do 1,18 g/cm3, akumulator należy niezwłocznie naładować. Stan naładowania można można zmierzyć areometrem.

Stan całkowitego rozładowania akumulatora polega na całkowitym przekształceniu obu elektrod w stały siarczan ołowiu i jest nieodwracalny. Siarczan ołowiu po pewnym czasie przechodzi w stan krystaliczny, będący elektrycznym izolatorem, trudno reagującym, powodującym spadek pojemności akumulatora. W praktyce zapobiega się tzw. zasiarczeniu elektrod stosując specjalną ich konstrukcję, która utrudnia osadzanie się na ich powierzchni nieprzenikalnej warstwy kryształów siarczanu ołowiu. Akumulatory samochodowe nie są jednak generalnie zaprojektowane do częstego całkowitego rozładowania, lecz raczej do funkcjonowania w stanie całkowitego naładowania.

Ładowanie

Proces ładowania polega na podłączeniu akumulatora do źródła prądu (np. zasilacza lub prostownika) i trwa on około 10 godzin. Prąd ładowania wynosi 10% pojemności akumulatora (dla akumulatora 40 Ah prąd ładowania wynosi 4 A). Możliwe jest ładowanie przyśpieszone (1 godzina) według zaleceń producenta. Podczas ładowania napięcie ogniwa wzrasta powoli od ok. 2 V do 2,35 V, potem szybciej. Gęstość elektrolitu rośnie. Po przekroczeniu napięcia 2,4 V zaczyna się rozkład wody na tlen i wodór (tzw. gazowanie akumulatora). Po osiągnięciu napięcia 2,5 V należy przerwać ładowanie, w przeciwnym razie dochodzi do przeładowania akumulatora. Skutkuje to wydzieleniem dużych ilości wodoru (tzw. zagotowaniem). Wodór w połączeniu z powietrzem tworzy mieszankę wybuchową, która może eksplodować pod wpływem iskry elektrycznej. Stąd ładowanie akumulatorów należy przeprowadzać w dobrze wentylowanych wnętrzach lub na otwartym terenie i unikać iskrzenia przy odłączaniu zacisków prostownika (odłączyć prostownik ze sieci). W czasie ładowania wydziela się w elektrolicie ciepło, które przy temperaturze powyżej 40°C działa szkodliwie na płyty akumulatora. Nie powinno się użytkować akumulatorów sprzedawanych w Polsce w temperaturze otoczenia powyżej 40°C.

Nieużywany akumulator trzeba okresowo (co miesiąc) doładowywać aby nie dopuścić do zasiarczenia spowodowanego samorozładowywaniem się akumulatora.

Pojemność

Pojemność akumulatorów ołowiowych podaje się w amperogodzinach (Ah). Pojemność zależy od sposobu rozładowywania, dlatego wprowadzono pojęcie pojemności 10-godzinnej. Dla przykładu aby rozładować w ciągu 10 godzin akumulator 40 Ah, należy czerpać z niego prąd o natężeniu 4 A.
W ujemnych temperaturach pojemość maleje powodując trudności z uruchomieniem pojazdów w zimie. Przy dużych mrozach w rozładowanym akumulatorze może dojść do zamarznięcia elektrolitu, doprowadzając do jego uszkodzenia. W dawnych czasach zalecane było wyjmowanie akumulatora z samochodu, przechowywanie w ciepłym miejscu i zamontowanie przed uruchomieniem silnika. Obecnie prace przy akumulatorach w nowoczesnych samochodach są często zabronione z powodu możliwości uszkodzenia elektroniki oraz skasowania pamięci sterowników.

Akumulatory tzw. "bezobsługowe" i "żelowe"

Wadą akumulatorów ołowiowych jest ryzyko wycieku z nich kwasu siarkowego oraz parowanie wody powodujące zbyt duże jego stężenie w elektrolicie i konieczność okresowego uzupełniania. Oba problemy rozwiązuje się stosując albo bardzo szczelne, nierozbieralne obudowy lub stosując elektrolity żelowe. Elektrolity żelowe są nadal wodnymi roztworami kwasu siarkowego, jednak dodaje się do nich środka żelującego (np: żywice silikonowe), który jednocześnie zapobiega parowaniu wody i wyciekom. Oba typy akumulatorów - uszczelnione i żelowe nazywa się "bezobsługowymi" - gdyż w zasadzie nie wymagają one kontrolowania składu i ilości elektrolitu.

Żadna forma elektrolitu nie zapobiega jednak problemom wynikającym z częstego rozładowywania akumulatora. Ładowanie akumulatorów "bezobsługowych" jest przeprowadzane w ten sam sposób jak "obsługowych", nie należy tylko dokonywać w nich samodzielnego uzupełniania elektrolitu.

Obudowy akumulatorów nie są nigdy absolutnie szczelne, bo powodowałoby to niebezpieczeństwo wybuchu na skutek dużego wzrostu ciśnienia we wnętrzu w efekcie wydzielania wodoru, w trakcie jego przeładowywania.

Akumulator w liczbach

Typowy akumulator samochodowy (akumulator startowy - przyp. red.), złożony z 6 ogniw posiada:

• siłę elektromotoryczną = 12,6 V 
• Minimalne napięcie (wskazujące na stan głębokiego rozładowania) - 11,8 V 
• Prawidłowe napięcie ładowania - minimalne: 13,9 V - maksymalne 14,5 V 
• Napięcie przeładowania - występujące w trakcie wydzielania wodoru > 14,7 V 
• W przypadku rozładowania akumulatora celowe jest ładowanie go niskim stałym prądem do napięcia nawet 16,5 V

Przykładowe parametry

Typ akumulatora	Ilość cykli	Objętość (1 kWh)	Masa (1 kWh)	Cena (1 kWh)
Pb*	1 500	12 dm³	24 kg	80 $

* - Dane szacunkowe na podstawie akumulatora Centra 45 Ah


Artykuł zaczerpnięty z Wikipedii:
http://pl.wikipedia.org/wiki/Akumulator_kwasowo-ołowiowy