Fórum ElektroLab.eu

Ako funguje olovený akumulátor?

Ako funguje olovený akumulátor?
Elektrolab Pridal  Elektrolab
  1404 zobrazení
1
 0
Batérie a akumulátory

Aké sú druhy olovených akumulátorov? Aké majú výhody a nevýhody? V čom sa líšia štartovacie batérie od trakčných batérií? A ako hĺbka vybitia ovplyvňuje počet cyklov?

Olovená akumulátorová batéria, ktorú objavil francúzsky fyzik Gaston Planté v roku 1859, bola prvá nabíjací batérií pre komerčné využitie. Napriek svojej dlhej histórii sú chemické zlúčeniny na báze olova aj dnes hojne používané. Nájdeme hneď niekoľko dôvodov pre ich obľúbenosť; olovené akumulátory sú spoľahlivé a pomerne lacné z hľadiska ceny v prepočte na watt. Existuje len niekoľko ďalších batérií, ktoré dodajú veľké množstvo energie tak lacno ako olovené akumulátory, ktoré sú preto cenovo efektívne pre automobily, golfové vozítka, vysokozdvižné vozíky, lode a záložné zdroje (zdroje neprerušovaného napájania UPS).

Mriežková elektróda oloveného akumulátora je vyrobená z olovenej zliatiny. Čisté olovo je príliš mäkké a nedržalo by pokope, preto sa pridávajú malé množstvá iných kovov, aby materiál získal mechanickú pevnosť a mal lepšie elektrické vlastnosti. Najbežnejšími pomocnými látkami sú antimón, vápnik, cín a selén. Takéto batérie sú známe ako batéria s antimónovou (Pb / Sb) alebo s vápnikovou (Pb / Ca) koncepciou.

Pridanie antimónu a cínu zlepšuje správanie trakčných batérií cyklicky hlboko vybíjaných / nabíjaných, ale zvyšuje spotrebu vody a vyžaduje častejšie vyrovnávacie nabíjanie. Vápnik znižuje samovybíjanie, ale u kladných elektród na báze olova a vápnika dochádza k vedľajšiemu efektu, ktorým je ich zväčšovanie, a to vplyvom oxidácie olovenej mriežky pri prebíjaní. Moderné olovené akumulátory využívajú kvôli zníženiu obsahu antimónu a vápnika rôzne prídavné látky ako napr. Selén, kadmium, cín či arzén.

Systémy na báze olova majú vysokú hmotnosť a ich životnosť je pri opakovanom hlbokom vybíjaní / nabíjaní nižšia ako u systémov na báze niklu a lítia. Úplné vybitie systém preťažuje a každý vybíjací / nabíjací cyklus batérii trvalo uberie malé množstvo jej kapacity. K zníženiu kapacity dochádza v rôznej miere u všetkých batérií.

V závislosti na stupni vybitia poskytuje olovený akumulátor určený pre trakčné pohony 200 až 300 vybíjacích / nabíjacích cyklov. Hlavnými dôvodmi jeho relatívne krátkej životnosti je korózia mriežky na kladnej elektróde, stenčenie vrstvy aktívneho materiálu a zväčšenie doštičiek kladnej elektródy. Tento fenomén starnutia urýchľuje zvýšená prevádzková teplota a vybíjanie pod príliš veľkým prúdom.

Nabíjanie oloveného akumulátora je ľahké, ale je potrebné dodržiavať správne medzné hodnoty napätia. Nízky limit napätia chráni batériu, ale vedie k jej nízkej výkonnosti a k ​​sulfatácii na zápornej elektróde. Vysoký limit napätia zlepšuje výkonnosť, ale podporuje koróziu mriežky na doštičke kladnej elektródy. Kým sulfatáciu je možné pri včasnej údržbe odstrániť, korózia je trvalá.

Olovené akumulátory nie su vhodné k rýchlemu nabíjaniu a u väčšiny typov trvá úplné nabitie 14-16 hodín. Batériu je vždy nutné skladovať plne nabitú. Nízke nabitie spôsobuje sulfatáciu, ktorá znižuje výkonnosť batérie. Pridaním uhlíka na zápornú elektródu dôjde k zmierneniu tohto problému, ale zároveň sa znižuje merná hustota energie.

Olovené akumulátory majú priemernú životnosť, ale nepodliehajú pamäťovému efektu ako systémy na báze niklu. Ich výhodou je pomalé samovybíjanie oproti iným nabíjacím batériám. Kým NiCd batéria stratí približne 40% uloženej energie počas troch mesiacov, olovený akumulátor samovoľne stratí rovnaké množstvo energie počas jedného roka. Olovené akumulátory dobre pracujú pri chladných teplotách a pod bodom mrazu fungujú lepšie ako lítium - iónové batérie.

Bezúdržbový olovený akumulátor

Prvý zapečatený, zapuzdrený či bezúdržbový olovený akumulátor sa objavil v polovici 70. rokov. Inžinieri považovali termín "Zapečatený" za zavádzajúci, pretože žiadna olovená batéria nemôže byť úplne zapečatená. Akumulátor je doplnený o ventilačné otvory, ktoré zabezpečia uvoľnenie plynov, ak sa zvýši tlak pri namáhavom (napr. extrémne rýchlom) nabíjaní alebo pri rýchlom vybíjaní. Elektrolyt je napustený do separátora, čo je lepšie ako zaplavenie elektród kvapalinou, jedná sa o podobné riešenie ako pri systémoch na báze niklu a lítia. To umožňuje pracovať s batériou v akejkoľvek polohe, bez toho aby došlo k úniku jej obsahu.

Bezúdržbová, zapuzdrená batéria obsahuje menej elektrolytu než typ sa zaplavenými elektródami. Možno najvýznamnejšie výhodou bezúdržbových olovených akumulátorov je ich schopnosť nechať zreagovať kyslík a vodík za vzniku vody, čím sa zamedzí vysúšaniu v priebehu cyklu. K reakcii dochádza za mierneho tlaku 0,14 bar (2 psi). Ventil tak slúži ako poistka v prípade, že sa zvýši produkcia plynu. Opakovanému odvetrávaniu plynu by sa však malo zabrániť, pretože to by prípadne mohlo viesť k aj k vysušeniu.

Vyskytuje sa niekoľko typov bezúdržbových olovených akumulátorov no najbežnejšie sú gélové akumulátory, tiež známe ako ventilom riadené olovené akumulátory (VRLA), a akumulátory s viazaným elektrolytom - AGM (absorbent glass mat). Gélový článok obsahuje silikagél, ktorý z elektrolytu vytvára pastovitú suspenziu. Menšie batérie s kapacitou do 30 Ah sú zvyčajne nazývané označením SLA (sealed lead acid) - jedná sa o hermeticky uzavreté olovené akumulátory. Takéto batérie sú zabalené v plastovom obale a používajú sa pre malé záložné zdroje (UPS), núdzové osvetlenie a invalidné vozíky. Vďaka svojej nízkej cene, spoľahlivosti a malým nárokom na údržbu zostávajú batérie typu SLA najobľúbenejšou voľbou v oblasti zdravotníckej starostlivosti v nemocniciach a domovoch pre seniorov. Väčšie akumulátory typu VRLA sa používajú ako záložné zdroje pre telekomunikačné vysielače, internetové rozbočovače, banky, nemocnice, letiská a pod.

Pri type AGM je elektrolyt vsiaknutý do špeciálne navrhnutej sklenej rohože. Toto riešenie prináša niekoľko výhod olovených akumulátorov, akými sú rýchlejšie nabíjanie a okamžitá dostupnosť veľkého prúdu v prípade potreby nárazovo napríklad pri výpadkoch hlavného napájacieho napätia, pri prepnutí na záložný systém. Typ AGM funguje najlepšie ako batéria s kapacitou stredného rozsahu v rozmedzí 30-100 Ah a nie je príliš vhodná pre väčšie systémy ako napr. záložné zdroje UPS. Zvyčajne sa využívajú ako štartovacie batérie motocyklov, pre funkciu štart-stop u mikrohybridných áut a tiež pri lodiach alebo obytných áut, kde sú určené na cyklické použitie.

Cyklickým vybíjaním / nabíjaním a starnutím sa kapacita batérie typu AGM postupne znižuje; naopak gél si zachováva svoje vlastnosti dlho, až zrazu na konci životnosti dôjde k ich náhlej strate. Typ AGM je drahší ako typ so zaplavenými elektródami a lacnejší ako gélový typ. (Gélový typ by bol pre použitie v autách so systémom štart / stop príliš drahý.)

Bezúdržbový olovený akumulátor je, na rozdiel od typu so zaplavenými elektródami, navrhnutý tak, aby bolo len minimálne riziko vzniku prepätia a aby v batérii nedošlo k tvorbe plynov počas nabíjania. Nadmerné nabíjanie spôsobuje tvorbu plynov, dochádza k ich odvetrávaniu a následne vysychaniu vody. Následkom toho nemôže byť gélový typ a čiastočne ani typ AGM nabíjaný na plno, ale limit nabíjacieho napätia musí byť nižší ako u zaplaveného typu. To sa vzťahuje aj k plávajúcemu napätie u plného nabitia. Z hľadiska nabíjania nie je ani gélový ani AGM typ ekvivalentnou náhradou za typ sa zaplavenými elektródami. Ak nemáte k dispozícii nabíjačku určenú pre typ AGM s nastavením nižšieho napätia, odpojte nabíjačku po 24 hodinách. Tým zabránite tvorbe plynov kvôli plávajúcemu napätiu, ktoré je nastavené na príliš vysokú hodnotu.

Optimálna pracovná teplota pre batérie typu VRLA je 25 °C; každej prekročení tejto hodnoty o 8 °C skracuje životnosť batérie na polovicu. U olovených akumulátorov sa hodnotí ich vybíjací prúd1 za 5 hodín (C / 5) a za 20 hodín (C / 20). Batéria funguje najlepšie, keď sa vybíja pomaly; hodnoty kapacity sú podstatne vyššie pri pomalom vybíjaní než pri vybití za jednu hodinu (tj. 1C). Avšak vysokoprúdovými impulzmi v dĺžke iba niekoľkých sekúnd sa môžu olovené akumulátory vybiť v priebehu niekoľkých minút (vybíjacie prúdy dosahujú hodnoty rádovo niekoľko C). Z toho dôvodu sa olovené akumulátory veľmi dobre hodia ako štartovacie batérie, známej tiež ako SLI (starter - light - ignition). Kvôli vysokému obsahu olova a kyseline sírovej nie sú olovené akumulátory šetrné k životnému prostrediu.

Použitie olovených akumulátorov sa zvyčajne delí do troch skupín:

  1. štartovacie batérie (SLI) v automobilovom priemysle,
  2. trakčné batérie ako hnacia sila
  3. pohon pre stacionárne zariadenia (napr. Záložné zdroje - UPS).

Štartovacie a trakčné batérie

Štartovacia batéria je navrhnutá tak, aby vyvinula okamžitý vysoký výkon v dĺžke približne sekundy potrebný na naštartovanie motora. Vďaka svojej veľkosti je schopná poskytnúť vysoký prúd, ale nemožno ju opakovane úplne vybiť. Štartovacie batérie sú klasifikované v Ah alebo pomocou tzv. Rezervnej kapacity RC, ktorá udáva schopnosť uložiť energiu, alebo tiež pomocou štartovacieho prúdu (CCA, tj. Cold cranking amps), ktorý je batéria schopná poskytnúť pri nízkych teplotách. Norma SAE J537 špecifikuje vybitir pri teplote -18 ° C počas 30 sekúnd pri stanovenom štartovacím prúde, bez toho, aby napätie batérie kleslo pod 7,2 V. Hodnota RC vyjadruje dĺžku prevádzky v minútach pri nemennom vybíjaní prúdom 25 A. (Skratka SAE označuje Spolok automobilových inžinierov - Society of Automotive Engineers.)

Štartovacie batérie majú veľmi nízky vnútorný odpor, a to z dôvodu pridania ďalších elektród pre dosiahnutie maximálneho povrchu. Elektródy sú tenké a olovo je aplikované v hubovitej forme, ktorá vyzerá ako jemná pena, ktorá ešte zväčšuje povrchovú plochu. Hrúbka elektród, ktorá je dôležitá hlavne pre trakčné batérie, v tomto prípade až taký význam nemá, pretože vybíjanie je krátke a batéria sa počas jazdy dobije; dôraz sa kladie viac na výkon ako na kapacitu.

Trakčné batérie

Trakčné batérie sú určené pre súvislý pohon invalidných vozíkov, golfových vozidiel, vysokozdvižných vozíkov a pod. Táto batéria je stavaná na maximálnu kapacitu a rozumný počet vybíjacích a nabíjacích cyklov. To sa dosiahne tým, že olovené elektródy majú väčšiu hrúbku. Hoci je táto batéria určená pre opakované vybitia a nabitia, úplné vybitie ju aj tak príliš zaťažuje. Životnosť batérie, resp. počet nabíjacích cyklov závisí na jej stupni vybitia (DoD - depth-of-discharge). Kapacita sa obvykle udáva pre 5-hodinové alebo 20-hodinové vybitia.

Štartovaciu batériu nemožno nahradiť trakčnou a naopak. Niekto by mal možno chuť inštalovať do svojho vozíka štartovaciu batériu miesto drahšej trakčnej batérie, aby ušetril peniaze. Štartovacia batéria by ale takéto nasadenie dlho nevydržala, pretože tenké hubovité elektródy by sa opakovaným úplným vybitím a nabitím rýchlo rozpustili.

Existujú kombinované štartovacie / trakčné batérie, ktoré sa používajú pre nákladné autá, autobusy, vozidlá bezpečnostných zložiek, vojenské vozidlá, ale takéto zariadenia sú veľké a ťažké. Jednoduchým vodítkom môže byť informácia, že čím je batéria ťažšie, tým viac olova obsahuje a tým dlhšie vydrží. Tabuľka nižšie porovnáva obvyklú životnosť štartovacích a trakčných batérií v prípade hlbokého vybitia.

Úroveň vybitia Štartovacia batéria Trakčná batéria
100% 12–15 cyklov 150–200 cyklov
50% 100–120 cyklov 400–500 cyklov
30% 130–150 cyklov 1 000 a viac cyklov

 

Olovo je vysoko toxické a ochrancovia životného prostredia by ho radi nahradili nejakou inou látkou. V Európe sa podarilo odstrániť NiCd z väčšiny výrobkov a podobné snahy sa objavujú aj u štartovacích batérií. Ponúka sa NiMH alebo Li-ion, ale ich ceny sú príliš vysoké a výkonnosť pri nízkych teplotách biedna. Vďaka tomu, že 99% olovených akumulátorov sa recykluje, predstavujú olovené akumulátory relatívne malé riziko pre životné prostredie a pravdepodobne budú mať aj naďalej svoje miesto na trhu.

Tabuľka nižšie uvádza výhody a obmedzenia obvyklých olovených akumulátorov používaných v súčasnosti. Tabuľka neobsahuje nové systémy olovených akumulátorov.

Výhody Priaznivá cena, jednoduchá výroba; nízké náklady za watthodinu
Pomalé samovybíjanie
Vysoký merný výkon, schopnosť vysokých vybíjacích prúdov
Dobré vlastnosti pri nízkých i vysokých teplotách
Nevýhody Nízká merná hustota energie; vysoký pomer hmotnosti k energii
Pomalé nabíjaní; plné nabitie trvá 14-16 hodin
Musí byť uskladnený v nabitom stave, aby nedochádzlo k sulfatácii
Obmedzená životnosť; opakované hlboké vybitie skracuje životnosť batérie
Typ se zaplavenými elektródami vyžaduje dopĺňanie kvapaliny
Typ se zaplavenými elektrodami má obmedzené transportné možnosti
Nie je šetrný k životnému prostrediu

 

Zdroj:

Battery University: BU-201: How does the Lead Acid Battery Work? [online]. [cit. 2017-06-20].

Dostupné z: http://batteryuniversity.com/learn/article/lead_based_batteries

 



Páčil sa Vám článok? Pridajte k nemu hodnotenie
 

     

Komentáre k článku

Zatiaľ nebol pridaný žiadny komentár. Pridáte prvý? Za obsah komentárov je zodpovedný užívateľ, nie prevádzkovateľ týchto stránok.
Pre komentovanie sa musíte prihlásiť.

Vyhľadajte niečo na našom blogu

Webwiki ButtonSeo servis