Artykuły |
2006-05-23
Akumulator - "z czym to się je"
Niby wszyscy wiemy czym jest akumulator elektryczny. Ot, to taka większa bateria znajdująca się w samochodzie. Czy aby na pewno tylko bateria?
Akumulator elektryczny jest rodzajem ogniwa chemicznego, które może być wielokrotnie użytkowane i ładowane prądem elektrycznym. To właśnie ta właściwość powoduje, że w akumulatorach występują dwa cykle pracy:
ŁADOWANIE - w czasie którego akumulator jest odbiornikiem energii elektrycznej, wewnątrz akumulatora jest magazynowana energia elektryczna, która jest przetwarzana na energię chemiczną,
PRACA – akumulator jest źródłem prądu elektrycznego na skutek uwalniania zmagazynowanej wcześniej energii elektrycznej.
Wszystkie rodzaje akumulatorów elektrycznych gromadzą i później uwalniają energię elektryczną dzięki odwracalnym reakcjom chemicznym zachodzącym w elektrolicie oraz na styku elektrolitu i elektrod.
Elektrolit jako tajemnica działania akumulatora
Elektrolit spotykany jest najczęściej w akumulatorach w postaci cieczy. Na przestrzeni ostatnich kilku lat pojawiły się jednak tak zwane akumulatory żelowe, gdzie ciecz zastąpiono żelem. W przypadku akumulatorów elektrycznych elektrolitem nazywa się substancję, która stopiona lub rozpuszczona w rozpuszczalniku, rozpada się na swobodne jony (dysocjuje), na skutek czego może ona przewodzić prąd elektryczny.
Co ciekawe elektrolitem - z technicznego punktu widzenia - nazywa się też każde medium, zdolne do jonowego przewodzenia prądu - czyli innymi słowami, zdolne do przekazywania jonowo ładunku między elektrodami.
Przykładami elektrolitów w pierwszym znaczeniu są np: wodne roztwory soli, kwasów i zasad, oraz stopy tych związków. Elektrolity te dzieli się na mocne i słabe, w zależności od ich stopnia dysocjacji:
- elektrolity mocne: całkowicie zdysocjowane na jony: wodorotlenki litowców i berylowców, wyłączając beryl, kwasy, np. HCl, HI, HBr, H2SO4, HNO3, HClO4, oraz większość nieorganicznych soli rozpuszczalnych w wodzie (do wyjątków należą np. sole rtęci - Hg(CN)2, Hg2Cl2 - w których wiązanie metalu z anionem" jest w dużym stopniu kowalencyjne) - takie sole tworzą kryształy jonowe.
- elektrolity słabe: tylko częściowo zdysocjowane na jony - H2S, H2SO3, HNO2, CH3COOH.
Akumulator, a elektrolit
W zależności od składu elektrolitu i budowy elektrod rozróżnia się następujące rodzaje akumulatorów:
- Akumulator kwasowo-ołowiowy – w którym elektrolitem jest roztwór kwasu siarkowego, elektrody wykonane są z ołowiu (z dodatkami), w formie siatek – tego rodzaju akumulatory są masowo wykorzystywane w samochodach.
- Akumulator NiCd – zwany też wtórną baterią alkaliczną – w której elektrody są wykonane z wodorotlenku niklu i wodorotlenku kadmu, zaś elektrolitem są półpłynne lub stałe substancje o różnych składzie chemicznym u różnych producentów, ale zawsze posiadającym silnie zasadowy (inaczej alkaliczny) odczyn.
- Akumulator NiMH – ulepszona odmiana akumulatorów NiCd, w których jedna z elektrod jest wykonana z niklu, zaś druga elektroda ze spieku metali ziem rzadkich w atmosferze wodoru. Rolę separatora spełnia gąbczasta struktura nasączona substancjami alkalicznymi (jako elektrolitem) oraz złożonym chemicznie katalizatorem. System elektrochemiczny jest zdolny do absorpcji wydzielających się podczas ładowania gazów, szczególnie wodoru, dzięki czemu akumulator może być całkowicie szczelny, i charakteryzować się długą żywotnością.
- Akumulator Li-ion – w których jedna z elektrod jest wykonana z porowatego węgla a druga z tlenków metali, zaś rolę elektrolitu grają złożone chemicznie sole litowe rozpuszczone w mieszaninie organicznych rozpuszczalników.
- Akumulator litowo-polimerowy – odmiana akumulatorów Li-ion, w których ciekły elektrolit jest zastąpiony stałym elektrolitem polimerowych wykonanym z np. gąbek na bazie poliakrylonitrylu.
Do samochodu
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. Oprócz tego stanowi często jeden z elementów awaryjnego zasilania budynków, zakładów przemysłowych, szpitali, centrali telefonicznych i polowych systemów oświetleniowych.
Typowy akumulator samochodowy jest zbudowany z 6 ogniw ołowiowo-kwasowych połączonych szeregowo. Każde ogniwo generuje siłę elektromotoryczną równą 2,1 V. Cały akumulator generuje zatem napięcie znamionowe równe 12,6 V.
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.
Akumulatory samochodowe nie są jednak generalnie zaprojektowane do częstego całkowitego rozładowania, lecz raczej do funkcjonowania w stanie całkowitego naładowania. Każde rozładowanie akumulatora samochodowego skutkuje trwałym obniżeniem jego sprawności.
Z drugiej strony - przeładowanie akumulatora skutkuje 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.
Kolejną wadą akumulatorów ołowiowych jest ryzyko wycieku z nich kwasu siarkowego oraz parowanie wody powodujące zbyt duże jego stężenie w elektrolicie. Oba kłopoty rozwiązuje się stosując albo bardzo szczelne, nierozbieralne obudowy lub stosując elektrolity żelowe. Elektrolity żelowe są nadal wodnymi roztworami kwasu siarkowego, jednak dodaje się do niego środka żelującego (np: żywice silikonowe), który jednocześnie zapobiega parowaniu i ryzku wycieku. Akumulatory takie 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.
oprac. DW
Zobacz także »