Działanie i ładowanie akumulatorów ołowiowo-kwasowych

Powyższe diagramy przedstawiają działanie typowego akumulatora używanego w pojazdach elektrycznych (i spalinowych) na przykładzie akumulatora ołowiowo-kwasowego. Od czasów Volty, który wynalazł baterię w roku 1800, większość baterii i akumulatorów, w tym akumulatory używane w pojazdach, zbudowane są na podobnej zasadzie - jest w nich jedno lub wiele połączonych ogniw, z których każde składa się z dwóch metalowych elektrod wykonanych z różnych materiałów oddzielonych elektrolitem. W przypadku akumulatora kwasowo-ołowiowego, pozytywną elektrodę tworzy dwutlenek ołowiu, negatywną ołów, zaś elektrolit kwas siarkowy. Elektrody i cały akumulator są wykonane w taki sposób, aby zwiększyć pole powierzchni, na której mogą zachodzić dwie główne reakcje chemiczne, dzięki którym akumulator wytwarza energię elektryczną przy zamkniętym obwodzie, które pokazano na diagramie 4.20b. Jak widzimy z tego schematycznego obrazka i wzorów reakcji chemicznych, podczas przepływu prądu przez obwód (w postaci elektronów) w akumulatorze ubywa elektrolitu, w miejsce którego tworzy się woda oraz PbSO4. Skutkiem tego jest zmniejszanie się siły elektromotorycznej ogniw oraz spadek różnicy potencjałów na zakończeniach akumulatora. W przeciwieństwie jednak do baterii, w akumulatorach dzięki odpowiedniemu doborowi materiałów, elektrod i elektrolitu proces ten może być cofnięty. Następuje to gdy podłączymy odpowiednią ładowarkę lub prostownik, który dzięki wyższemu napięciu od tego na zakończeniach akumulatora wymusi w nim przebieg prądu w przyciwną stronę, co w naszym poglądowym akumulatorze wywoła dosłownie odwrotny przebieg opisanych reakcji chemicznych, gdyż PbSO4 zostanie z powrotem rozłożony na ołów i dwutlenek ołowiu. Nawiasem mówiąc, ilość energii potrzebna na naładowanie akumulatora jest nieco wyższa od tej, którą od niej zyskujemy głównie ze względu na straty cieplne na rezystancji wewnętrznej akumulatora podczas przepływu prądu przez niego.

Aspekty praktyczne: 

Pisząc teoretycznie o akumulatorach kwasowo-ołowiowych, chcemy przy okazji zwrócić uwagę na kilka ważnych aspektów praktycznych związanych z ich ładowaniem, w szczególności na ich zasiarczanie oraz przeładowywanie. Zanim jednak opiszemy na czym te zjawiska polegają, chcemy podkreślić, że istnieje prosty sposób, aby zapobiec zarówno zasiarczaniu jak i przeładowywaniu - wystarczy używać wyłącznika czasowego, dedykowanej ładowarki/prostownika i wyrobić sobie nawyk regularnego ładowania. W związku z tym trzeba wiedzieć, że akumulator kwasowo-ołowiowy powinno się ładować do pełna, nigdy nie dopuszczać do całkowitego rozładowania oraz ładować go zawsze po użyciu, a gdy stoi nieużywany, rozłączyć od obwodu pojazdu i ładować okresowo (np. programatorem czasowym). W codziennym używaniu taki nawyk wyrabia się automatycznie, gdy używa się prostych i naturalnych w użyciu wyłączników czasowych, o których pisaliśmy w innych wpisach na tym blogu (np. wyłącznik Ansmann AES1). Tego rodzaju wyłączniki czasowe nie tylko chronią akumulator przed rozładowaniem i przeładowaniem, ale również ułatwiają jego codzienne ładowanie w pojazdach elektrycznych - wystarczy podłączyć kabel ładowarki do pojazdu oraz nacisnąć guzik na wyłączniku czasowym. Zalecany przez nas wyłącznik automatyczny Ansmann AES1 jest dostępny w naszej ofercie: Link

Zasiarczanie:

Bardzo ważny aspekt praktyczny ładowania akumulatorów kwasowo-ołowiowych to niekorzystne zjawisko ich niezamierzonego zasiarczania. Otóż, jeśli akumulator tego rodzaju nie jest wystarczająco ładowany lub jest całkowicie rozładowywany bez natychmiastowego naładowania, tworzą się w nim w dużych ilościach kryształki siarczanów, które osadzają się na elektrodach oraz zmniejszają ilość dostępnego PbSO4 dla opisanych wyżej reakcji elektrochemicznych. Nieodwracalnymi skutkami tych procesów są m.in. wzrost wewnętrznej rezystancji, wydłużony czas ładowania i znacznie zmniejszony prąd rozładowania akumulatora (a więc i ilość pracy jaką możemy otrzymać od niego). 

Przeładowywanie:

Drugim, rzadszym, ale również ważnym problemem jaki może powstać podczas użytkowania akumulatorów kwasowo-ołowiowych jest ich przeładowywanie, gdy ładuje się je albo zbyt wysokim prądem albo bardzo długo. Powstaje wówczas zbyt dużo wolnego wodoru i tlenu, które ulatniają się z akumulatora lub pozostają w nim poza chemicznym obiegiem zwiększając wewnętrzne ciśnienie w akumulatorze. Może to zwiększać kwasowość i korozyjność elektrolitu oraz objawiać się zwiększonym napięciem na zakończeniach akumulatora. Choć akumulatory ołowiowo-kwasowe są bezpieczniejsze od litowych, to w skrajnych sytuacjach przeładowywania, akumulator kwasowo-ołowiowy może nabrzmieć od nadmiernego wewnętrznego ciśnienia, co wówczas powinno wbudzić szczególną ostrożność podczas jego demontażu, wymiany i utylizacji, gdyż nagromadzone gazy mogą wywołać pożar oraz eksplozję, podczas której fragmenty akumulatora oraz kwas siarkowy zostaną porozrzucane wokół. (w związku z tym zaleca się stosowanie odzieży ochronnej, rękawiczek oraz pełnej ochrony na twarz)

Na koniec dodamy, że istnieją różne technologie budowy akumulatorów kwasowo-ołowiowych, które zmniejszają skutki zasiarczania, przeładowywania oraz innych niekorzystnych zjawisk zależnie od zastosowań. Akumulatory sprzedawane przez GO ELECTRIC z motorowerami Błyskawica należą do najlepszych i najbezpieczniejszych technologii, zaś dołączane ładowarki są dla nich dedykowane. 

[Źródło ilustracji oraz powyższego opisu to m.in. poniższe pozycje, gdzie osoby zainteresowane mogą znaleźć więcej informacji: 

1) “Electricity and magnetism” by EDWARD M. PURCELL and DAVID J. MORIN (third edition), chapter 4.9 “Electromotive force and the voltaic cell”;

2) https://en.wikipedia.org/wiki/Lead%E2%80%93acid_battery

3) https://www.mpoweruk.com/chargers.htm ]