Elektrody olověného akumulátoru: Složení, údržba a problematika sulfatace

Olověné akumulátory, vynalezené francouzským fyzikem Gastonem Planté v roce 1859, se dodnes používají jako spolehlivé a relativně levné zdroje elektrické energie. Tento článek se zaměřuje na složení elektrod olověných akumulátorů, princip fungování, typy akumulátorů, údržbu, problematiku sulfatace a zásady pro demontáž a montáž.

Funkce a složení olověných akumulátorů

Spouštěcí olověné akumulátory slouží primárně jako zásobníky elektrické energie pro startování pístových spalovacích motorů. První olověný akumulátor vyrobil Planté v roce 1859. Současné olověné akumulátory vycházejí z jeho principu.

Základní komponenty

Olověný akumulátor se skládá z několika klíčových komponent:

  • Kladné elektrody (+): Mřížky z olověné slitiny (Pb) potažené oxidem olovičičitým (PbO2).
  • Záporné elektrody (-): Mřížky z olověné slitiny (Pb) potažené houbovitým olovem (Pb).
  • Elektrolyt: Kyselina sírová (H2SO4) zředěná destilovanou vodou.
  • Separátory: Izolační vrstvy mezi elektrodami, které zabraňují zkratu.

Základ kladných a záporných desek tvoří mřížky, ve kterých je nalisována velmi porézní aktivní hmota. Tu tvoří v kladných (+) deskách oxid olovičitý (Pb O2) a v záporných (-) deskách houbovité olovo (Pb). Elektrolytem u klasického akumulátoru je kyselina sírová (H2SO4), zředěná destilovanou vodou na hustotu 1,285 g/cm3/25 °C.

Chemické procesy v akumulátoru

Zjednodušeně lze proces chemické akumulace elektrické energie v olověném akumulátoru popsat takto: nejdůležitějšími aktivními hmotami olověného akumulátoru je oxid olovičitý (Pb O2) na kladné desce a houbovité olovo (Pb) na desce záporné.

Čtěte také: Budoucnost řemesel v moderním světě

  • Vybíjení: Během vybíjení reaguje oxid olovičitý na kladné elektrodě a houbovité olovo na záporné elektrodě s kyselinou sírovou za vzniku síranu olovnatého (PbSO4) a vody. Tím se snižuje hustota elektrolytu a uvolňuje se elektrická energie.
    • Na olověné elektrodě probíhá při vybíjení akumulátoru oxidace olova: . Tato elektroda se tedy nabíjí záporně. Na elektrodě pokryté oxidem olovičitým nastává redukce olovičitých kationtů: a proto se deska nabíjí kladně.
  • Nabíjení: Při nabíjení se proces obrací. Síran olovnatý se přeměňuje zpět na oxid olovičitý, houbovité olovo a kyselinu sírovou. Hustota elektrolytu se zvyšuje.

Při následném nabíjení akumulátoru pomocí externího zdroje elektrického napětí se zvyšuje koncentrace kyseliny sírové tvořící elektrolyt rozpouštěním síranu olovnatého z elektrod a rozkladem molekul vody za vzniku kyseliny sírové. Během dobíjení akumulátoru může probíhat i elektrolýza vody, zejména po rozpuštění všeho síranu olovnatého z elektrod. Na kladné elektrodě se pak tedy vylučuje plynný kyslík, na záporné elektrodě se pak vylučuje plynný vodík. Oba plyny z akumulátoru unikají, a proto se snižuje množství vody v akumulátoru.

Typy olověných akumulátorů

Olověné akumulátory se dělí do několika typů, které se liší konstrukcí a vlastnostmi.

Klasické olověné akumulátory

  • Konstrukce: Desky zaplavené kapalným elektrolytem. Vyrábějí se s plochými deskami, v USA se spirálovými.
  • Údržba: Vyžadují pravidelnou kontrolu a doplňování elektrolytu destilovanou vodou. se obvykle udržuje 10 - 15 mm nad deskami.
  • Vlastnosti: Citlivé na otřesy a převrácení.
  • Nabíjení: Při nabíjení mimo vozidlo se u klasických akumulátorů dříve používalo nabíjecí napětí obvykle 2,75 V na článek, tj. 16,5 V u 12 V akumulátoru. Používaly se nabíječky bez elektronické regulace. Tyto nabíječky již nemůžeme používat, ani pro „bezúdržbové“ akumulátory s deskami zaplavenými elektrolytem!

Bezúdržbové akumulátory

Důležité upozornění: všechny akumulátory, které označují prodejci jako bezúdržbové, tj také AGM a Gelové, zcela bezúdržbové nejsou! Pouze u nich odpadá kontrola a doplňování elektrolytu. Vyrábějí se v současnosti již s omezenou údržbou, tj. je nutná kontrola a doplňování elektrolytu destilovanou vodou.

Tyto akumulátory se dále dělí na:

  • AGM (Absorbent Glass Mat): Elektrolyt je nasáknutý do skelné rohože.
    • Vlastnosti: Rychlejší nabíjení, vyšší startovací proud, odolnost vůči otřesům. Až třikrát delší cyklickou výdrž. Lepší starty motoru v zimním období.
    • Můžeme setkat s kombinovaným provedením AGM/VRLA. (Acid batteries).
  • Gelové: Elektrolyt je obsažen v tixotropním křemičitém gelu.
    • Vlastnosti: Vyšší cyklická životnost, odolnost vůči hlubokému vybití.
  • VRLA (Valve Regulated Lead Acid): Ventilem řízené olověné akumulátory, které umožňují regulaci tlaku plynů uvnitř akumulátoru (se při tlaku asi 10-40 kPa, podle typu akumulátoru).

„bezúdržbové“ (tj. uvedené v bodech 2,3,4) obvykle nemají funkční kontrolní zátky. hermeticky, tj. vzduchotěsně uzavřené. pro první naplnění elektrolytem (např.

Čtěte také: Interakce vnějších vrstev hvězd

Rozdíly mezi startovacími a trakčními akumulátory

  • Startovací akumulátory (SLI): Určeny pro krátkodobé poskytnutí vysokého proudu pro start motoru. Mají tenké elektrody pro dosažení nízkého vnitřního odporu.
  • Trakční akumulátory: Určeny pro dlouhodobé napájení elektrických vozidel a zařízení. Mají silné elektrody pro vyšší kapacitu a cyklickou životnost.

Startovací baterie má několik rovnoběžně orientovaných tenkých elektrod, aby bylo dosaženo nízkého odporu s velkou povrchovou plochou. Startovací baterie je navržena tak, aby vyvinula okamžitý vysoký výkon v délce přibližně vteřiny potřebný k nastartování motoru. Díky své velikosti je schopna poskytnout vysoký proud, ale nelze ji opakovaně úplně vybít. Startovací baterie jsou klasifikovány v Ah nebo pomocí tzv. rezervní kapacity RC, která udává schopnost uložit energii, nebo též pomocí startovacího proudu (CCA, tj. cold cranking amps), který je baterie schopna poskytnout při nízkých teplotách. Norma SAE J537 specifikuje vybití při teplotě -18°C během 30 vteřin při stanoveném startovacím proudu, aniž by napětí baterie kleslo pod 7,2 V. Hodnota RC vyjadřuje délku provozu v minutách při neměnném vybíjení proudem 25 A. Startovací baterie mají velmi nízký vnitřní odpor, a to z důvodu přidání dalších elektrod pro dosažení maximálního povrchu (Obrázek 1). Elektrody jsou tenké a olovo je aplikováno v houbovité formě, vypadá jako jemná pěna, která ještě zvětšuje povrchovou plochu.

Trakční baterie má silné elektrody, které zlepšují její schopnost opakovaného vybití a nabití. Trakční baterie jsou určeny pro souvislý pohon invalidních vozíků, golfových vozítek, vysokozdvižných vozíků apod. Tato baterie je stavěná na maximální kapacitu a rozumný počet vybíjecích a nabíjecích cyklů. To je dosaženo tím, že jsou olověné elektrody silné (Obrázek 2). Přestože je tato baterie určena pro opakované vybití a nabití, úplné vybití ji i tak příliš zatěžuje.

Údržba olověných akumulátorů

Správná údržba je klíčová pro prodloužení životnosti olověného akumulátoru.

Zásady údržby

  • Udržování v nabitém stavu: Pravidelné dobíjení akumulátoru, zejména při delších odstávkách vozidla. Orientačním signálem pro neprodlené nabíjení, např. při delší odstávce vozidla, je pokles napětí akumulátoru na 12,4 V. Měříme klidové napětí, tj. nejdříve po 4 h od skončení jízdy nebo nabíjení. Po skončení jízdy naměříme napětí vyšší! přístroje musíme mít kalibrované na přesnost min. typů.
  • Kontrola elektrolytu (u klasických akumulátorů): Pravidelná kontrola hladiny a hustoty elektrolytu.
  • Čištění kontaktů: Udržování kontaktů akumulátoru čisté a suché. kontaktů (např.
  • Používání správné nabíječky: Používání nabíječky s elektronickou regulací a stabilizovaným zdrojem. Pro nabíjení ve vozidle a mimo vozidlo používáme zásadně nabíječky a případně i konzervátory alespoň s elektronickou regulací a stabilizovaným zdrojem (kde max.
  • Ochrana před extrémními teplotami: Vyhýbání se extrémním teplotám, které snižují kapacitu akumulátoru.
  • Konzervační nabíjení: Udržování akumulátoru v nabitém stavu pomocí konzervační nabíječky, zejména při dlouhodobém odstavení vozidla. U vozidel se mohou konzervační nabíječe připojovat např. nebo měsíců) mimo provoz. (tj. asi 1/ 1000 kapacity po dobu až 15 dnů - 360 h) „oživit“ akumulátor, tj.

Nabíjení olověných akumulátorů

  • Nabíjecí napětí:
    • Klasické akumulátory s deskami zaplavenými elektrolytem: max. 2,4 V na článek (14,4 V u 12V akumulátoru).
    • Gelové a AGM akumulátory: max. 2,3 V na článek (13,8 V u 12V akumulátoru). U gelových a AGM akumulátorů nesmí napětí na článek v závěru nabíjení překročit 2,3V, tj. max.13,8V, u 12V akumulátoru, tj. musí být s dostatečnou rezervou pod bezpečnou hranicí „plynovacího“ napětí.
  • Nabíjecí proud: Obvykle 1/10 kapacity akumulátoru. se nabíjecí proud pro normální nabíjení nastavuje na 1/10 kapacity. pro akumulátor 55 Ah tj.
  • Doba nabíjení: Závisí na stavu vybití akumulátoru a nabíjecím proudu. Normální nabíjení potom z plného vybití (1,75 V na článek, 10,5 V na svorkách 12 V akumulátoru) do plného nabití trvá 10 až 13h.
  • Teplota elektrolytu: Nesmí překročit 40 °C. Teplota elektrolytu nesmí běžně překročit 40 °C - tj. nesmí být na dotek ruky horký.

Demontáž a montáž akumulátoru z vozidla

  1. Odpojení:
    • Nejprve odpojte záporný (ukostřený) pól, aby se zabránilo zkratu při náhodném kontaktu s karoserií. Jako první vždy odpojujeme ukostřený pól, aby nemohlo dojít při náhodném kontaktu montážního klíče ke zkratu.
    • Poté odpojte kladný pól.
  2. Montáž:
    • Nejprve připojte kladný pól.
    • Poté připojte záporný (ukostřený) pól. Ale při připojování ukostřený pól připojíme vždy až jako poslední!!! (Ze stejného důvodu jako při odpojování).
  3. Zajištění: Ujistěte se, že jsou svorky řádně utažené a nakonzervované mazacím tukem. řádně utažené a nakonzervované mazacím tukem.

Sulfatace olověných akumulátorů

Sulfatace je proces, při kterém se na elektrodách akumulátoru tvoří krystaly síranu olovnatého, což snižuje jeho kapacitu a životnost.

Příčiny sulfatace

  • Dlouhodobé skladování ve vybitém stavu. pokud se akumulátor nachází ve vybitém, nebo málo nabitém stavu, již při klidovém napětí pod 12,3V (2,05V/článek) se na houbovitém povrchu aktivní hmoty desek začnou shlukovat velmi drobné krystalky síranu olovnatého.
  • Časté hluboké vybíjení.
  • Nedostatečné dobíjení. Alternátor nestačí za mrazivých teplot při krátké době chodu motoru (< 20 minut) akumulátor nabít nad 12,3 V!
  • Vysoké teploty.

Možnosti odstranění sulfatace

  • Impulzní nabíjení: Použití speciálních nabíječek, které generují krátké impulsy proudu k rozbití krystalů síranu olovnatého.
  • Konzervační nabíjení: Dlouhodobé nabíjení malým proudem. do 13,8 V a má dávat 1/500 až 1/1000 kapacity; u starších akumulátorů, cca kolem 1/500, u nových k 1/1000 kapacity. Např. 55 mA, pro starší nebo i nový, ale zatížený velmi častými starty, 110 mA.

Prevence sulfatace

  • Udržování akumulátoru v nabitém stavu. Chceme-li zabránit těmto negativním vlivům, tak neustále dbáme na plné nabití akumulátoru. Jak to dělat, to už také bylo v předchozím textu podrobně popsáno.
  • Pravidelné dobíjení.
  • Vyhýbání se hlubokému vybíjení.

Bezpečnostní opatření

Při manipulaci s olověným akumulátorem je nutné dodržovat bezpečnostní opatření:

Čtěte také: Lidské výtvory: Organizace

  • Používejte ochranné brýle a rukavice. !!! !!! Proto při každé manipulaci s akumulátorem používáme vždy alespoň ochranné brýle a máme připravenou čistou vodu!!!
  • Zabraňte kontaktu elektrolytu s kůží a očima. V případě zasažení očí elektrolytem okamžitě oči intenzivně vyplachujeme vodou a co nejrychleji spěcháme k očnímu lékaři.
  • Zajistěte dostatečné větrání při nabíjení.
  • Nevystavujte akumulátor otevřenému ohni.

Alternativní akumulátory

V současnosti se zejména pro náhradní a klidové zabezpečení napájení elektronických řídicích systémů, hybridních a elektrických pohonných jednotek používají akumulátory Li-ion, popř. modernější Li-pol apod. S těmi se setkáváme především v mobilních telefonech, noteboocích, tabletech, fotoaparátech apod. Jsou malé, lehké a výkonné. Mají malé samovybíjení a jednoduše se nabíjejí. Je však třeba s nimi zacházet šetrněji než s akumulátory Pb, NiCd nebo NiMH. Hodí se především pro přístroje s malým a středním odběrem. Za nízkých teplot mají např. pro start motoru malou kapacitu. Proto je např. Porsche dodává jako letní akumulátor - úspora cca 10 kg hmotnosti. V zimním období používá Pb akumulátor.

tags: #elektrody #olověného #akumulátoru #složení

Oblíbené příspěvky: