Akumulator kwasowo-ołowiowy

Ten artykuł od 2015-12 zawiera treści, przy których brakuje odnośników do źródeł.

Należy dodać przypisy do treści niemających odnośników do źródeł. Dodanie listy źródeł bibliograficznych jest problematyczne, ponieważ nie wiadomo, które treści one uźródławiają.
Sprawdź w źródłach: Encyklopedia PWN • Google Books • Google Scholar • Federacja Bibliotek Cyfrowych • BazHum • BazTech • RCIN • Internet Archive (texts / inlibrary)
Dokładniejsze informacje o tym, co należy poprawić, być może znajdują się w dyskusji tego artykułu.
Po wyeliminowaniu niedoskonałości należy usunąć szablon {{Dopracować}} z tego artykułu.

Akumulator kwasowo-ołowiowy – rodzaj akumulatora elektrycznego, opartego na ogniwach galwanicznych zbudowanych z elektrody ołowiowej, elektrody z ditlenku ołowiu (PbO
2) oraz ok. 37% roztworu wodnego kwasu siarkowego, spełniającego funkcję elektrolitu.

W 1850 roku niemiecki fizyk Wilhelm Josef Sinsteden opracował pierwszy akumulator kwasowo-ołowiowy. Udoskonalenia nadeszły w czasie, gdy gospodarka była nastawiona na efektywne przechowywanie energii. W 1887 roku przedsiębiorca Adolph Müller założył pierwszą niemiecką fabrykę akumulatorów. Pozostałe niemieckie przedsiębiorstwa wkrótce produkowały seryjne akumulatory ołowiowe. Wkrótce produkowano pojazdy z zasilaniem akumulatorowym^[1]. Mimo wielu jego wad jest to wciąż najbardziej popularny rodzaj akumulatorów elektrycznych. Występuje w niemal wszystkich samochodach, a także wielu innych pojazdach (np. w wolnobieżnych pojazdach elektrycznych typu Melex). Oprócz tego stanowi często jeden z elementów awaryjnego zasilania budynków, zakładów przemysłowych, szpitali, central telefonicznych i polowych systemów oświetleniowych.

Każde ogniwo składa się z:

• anody wykonanej z metalicznego ołowiu: (−) w trakcie poboru prądu i (+) w trakcie ładowania
• separatora izolującego elektrody między sobą
• katody wykonanej z PbO
  2: (+) w trakcie poboru prądu i (−) w trakcie ładowania
• elektrolitu, którym jest ok. 37% wodny roztwór kwasu siarkowego z rozmaitymi dodatkami

W trakcie poboru prądu z akumulatora, na elektrodach zachodzą następujące reakcje chemiczne:

• elektroda ujemna – utlenianie:

  Pb0
  + SO2−
  4 ⇄ PbII
  SO
  4 + 2e−
  (E° = - 0,356 V)

• elektroda dodatnia – redukcja:

  PbIV
  O
  2 + SO2−
  4 + 4H+
  + 2e−
  ⇄ PbII
  SO
  4 + 2H
  2O (E° = 1,685 V)

Na obu elektrodach w trakcie poboru prądu wydziela się siarczan ołowiu(II) (PbSO
4). 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, jego gęstości i poziomu. Kiedy w rozładowanym akumulatorze napięcie na biegunach spadnie do 1,8 V na ogniwo (10,8 V w 12-woltowym akumulatorze samochodowym), a gęstość elektrolitu do 1,18 g/cm³, akumulator należy niezwłocznie naładować. Stan naładowania można i należy mierzyć areometrem (a nie woltomierzem, zwłaszcza bez obciążenia), każda cela osobno.

Stan całkowitego rozładowania akumulatora polega na całkowitym przekształceniu obu elektrod w stały siarczan ołowiu i jest odwracalny. Siarczan ołowiu jednak po pewnym czasie przechodzi w stan krystaliczny (elektryczny izolator), powodując tym samym spadek pojemności akumulatora. W takiej sytuacji niemożliwe staje się naładowanie akumulatora, gdyż skrystalizowany siarczan ołowiu nie bierze udziału w procesach chemicznych. W praktyce zapobiega się tzw. zasiarczeniu elektrod stosując specjalną ich konstrukcję, która utrudnia osadzanie się na ich powierzchni nieprzenikalnej warstwy kryształów siarczanu ołowiu. Istnieje też procedura regeneracji (odsiarczania) akumulatorów.

Proces ładowania polega na podłączeniu akumulatora do odpowiednich biegunów źródła prądu stałego (np. zasilacza lub prostownika) i trwa on około 10 godzin (akumulatory samochodowe ładowane są sukcesywnie podczas pracy silnika, np. za pomocą alternatora – co dla akumulatora nie jest jednak optymalne, powinien być okresowo, szczególnie przed zimą, ładowany poza pojazdem). Prąd ładowania powinien wynosić liczbowo 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 wzrasta powoli od ok. 2 V do 2,35 V, potem szybciej. Gęstość oraz poziom elektrolitu rośnie (stąd decyzję o ewentualnym dolaniu wody dokonuje się po naładowaniu, w przeciwnym razie można przelać cele i niepotrzebnie rozrzedzić elektrolit – najczęstszy błąd). 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. „zagotowanie”). 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 (w pierwszej kolejności należy odłączyć prostownik z sieci). W czasie ładowania w elektrolicie wydziela się ciepło, które przy temperaturze powyżej 40 °C działa szkodliwie na płyty akumulatora. Dlatego np. alternatory samochodowe mają regulację napięcia zależną od temperatury (w lecie celowo zaniżają napięcie, aby nie wygotować elektrolitu, w zimie zawyżają, by przyspieszyć reakcje chemiczne).

Nieużywany akumulator trzeba okresowo doładowywać aby nie dopuścić do zasiarczenia spowodowanego procesem samorozładowania.

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. Niektórzy producenci stosują inne pojęcia pojemności akumulatora, np. pojemność 5-godzinną (5HR) lub 20-godzinną (20HR).

Utrzymanie klasycznych akumulatorów w nienagannym stanie wymaga stałej okresowej obsługi. W intensywnie użytkowanych akumulatorach należy uzupełniać poziom elektrolitu wodą destylowaną (dotyczy akumulatorów z płynnym elektrolitem), jednak decyzję o tym czego dolać (kwasu też może ubywać), dokonujemy tylko i wyłącznie po pomiarze gęstości elektrolitu w stanie naładowanym (najpowszechniejszym błędem obsługi jest dolewanie wody do rozładowanego akumulatora – przy ładowaniu może dojść do przelania nadmiaru). Obniżanie się poziomu elektrolitu i jednoczesne zwiększanie jego gęstości wpływa negatywnie na jego trwałość (tak samo jak sukcesywne rozrzedzanie wodą). Nieużywane akumulatory należy okresowo doładowywać (i sprawdzać gęstość elektrolitu) aby nie uległy zasiarczeniu (proces w dużym stopniu odwracalny). Zużyte akumulatory należy składować w specjalnie przeznaczonych do tego miejscach. Przetrzymywanie ich na własną rękę jest zabronione z powodu wysokiego stopnia zagrożenia dla środowiska^[2].

 Osobny artykuł: akumulator żelowy.

Wadą akumulatorów ołowiowych jest ryzyko wycieku z nich kwasu siarkowego oraz parowanie wody powodujące zbyt duże stężenie elektrolitu, co wymaga okresowego jej uzupełniania. Oba problemy rozwiązuje się stosując specjalną konstrukcję uwięzienia elektrolitu w zamkniętej obudowie. Rozróżnia się trzy technologie:

• MF (ang. maintenance free) – bezobsługowe klasyczne akumulatory z płynnym elektrolitem o zamkniętej konstrukcji i ograniczonej możliwości otwarcia obudowy;
• AGM (ang. absorbtive glass mat) – akumulatory z płynnym elektrolitem zabsorbowanym w separatorze wykonanym z maty szklanej;
• żelowe (ang. gel) – akumulatory z elektrolitem żelowym. 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.

Akumulatory AGM i żelowe także 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 podobnie jak klasycznych, lecz należy użyć automatycznego prostownika chroniącego akumulator przed przeładowaniem. Kontrola naładowania w tym wypadku polega na obserwowaniu napięcia na zaciskach akumulatora.

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

Akumulatory rozruchowe silników spalinowych stanowią największą grupę produkowanych na świecie akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Obecnym standardem są baterie akumulatorów o napięciu nominalnym 12 V, zbudowane z sześciu ogniw połączonych szeregowo. W samochodach ciężarowych stosowane są baterie akumulatorów o nominalnym napięciu 24 V. Dawniej były stosowane także baterie akumulatorów o napięciu nominalnym 6 V, używane w motocyklach oraz samochodach (np. Trabant do 1983 roku).

Akumulatory rozruchowe charakteryzują się bardzo małą rezystancją wewnętrzną, umożliwiając przepływ bardzo dużych prądów. W ujemnych temperaturach maksymalny prąd uzyskiwany z akumulatora jest mniejszy, co może powodować trudności z uruchomieniem pojazdów. Jest to spowodowane tym, że w niższych temperaturach procesy chemiczne zachodzą wolniej. Przy dużych mrozach w rozładowanym akumulatorze o małej gęstości elektrolitu może dojść do zamarznięcia elektrolitu, doprowadzając do jego uszkodzenia (dawniej praktykowane było wyjmowanie akumulatora z samochodu, przechowywanie w ciepłym miejscu i zamontowanie przed uruchomieniem silnika). Wysoka temperatura ma także negatywny wpływ na trwałość akumulatora. Nie powinno się użytkować akumulatorów sprzedawanych w Polsce w temperaturze otoczenia powyżej 40 °C (w krajach o klimacie tropikalnym). Akumulatory rozruchowe nie są zaprojektowane do częstego całkowitego rozładowania, lecz raczej do funkcjonowania w stanie całkowitego naładowania.

Akumulatory do głębokich rozładowań są przeznaczone głównie do pracy cyklicznej. Znajdują one zastosowanie w przemyśle, energetyce, odnawialnych źródłach energii. Największą grupę stanowią akumulatory trakcyjne służące do napędu wózków widłowych, Melexów oraz samochodów elektrycznych. Akumulatory tego typu są zbudowane w oparciu o tzw. pancerną płytę dodatnią. Uzyskuje się dzięki temu znacznie większą żywotność na poziomie 1200–1500 cykli rozładowań i ładowań, podczas gdy standardowe akumulatory z płytą pastowaną osiągają żywotność około 500 cykli.

Baterie stacjonarne, składające się z pojedynczych ogniw akumulatorów głębokiego rozładowania o napięciu 2 V, stosuje się m.in. w rozwiązaniach buforowego zasilania bezprzerwowego w instalacjach przemysłowych. Zgodnie z zasadami bezpieczeństwa są one montowane w wydzielonym pomieszczeniu z wymuszoną wentylacją, zwanym akumulatorownią.

Parametry typowego akumulatora samochodowego, złożonego z 6 ogniw^[3]:

• siła elektromotoryczna: ok. 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 zależy 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 wskazane jest ładowanie go niskim stałym prądem do napięcia nawet 16,5 V
• typowy prąd ładowania to liczbowo 1/10 pojemności akumulatora
• współczynnik samorozładowania: około 3–20% miesięcznie
• wytrzymałość: średnio 500–800 cykli (po czym możliwa jest regeneracja)

Zobacz multimedia związane z tematem: Akumulator kwasowo-ołowiowy

Zobacz multimedia związane z tematem: Akumulatory samochodowe