Akumuliatorių ABC: Veikimo principas, konstrukcija ir technologijos
Akumuliatorius - tai įrenginys, skirtas energijai kaupti ir atiduoti. Šiame straipsnyje išsamiai aptariamas akumuliatorių veikimo principas, konstrukcija, technologijos ir svarbiausi parametrai, turintys įtakos jų ilgaamžiškumui ir efektyvumui.
Akumuliatoriaus konstrukcija
Principinė akumuliatoriaus konstrukcija - tai indas su švino katodu ir anodu, pripildytas skiestos sieros rūgšties. Įprastiniai 12V akumuliatoriai sudaryti iš 6 tokių dalių (sekcijų), sujungtų nuosekliai. Anodas - teigiamas akumuliatoriaus polius, jungiantis teigiamas akumuliatoriaus švino plokšteles, o katodas - neigiamas polius, prie kurio jungiamos neigiamos plokštelės. Teigiamos ir neigiamos švino plokštelės yra skirtingos. Švino plokštelės pagrindas yra švino grotelės. Akumuliatoriaus darbinės savybės ir ilgaamžiškumas labai priklauso nuo grotelių kokybės.
Švino grotelių lydiniai
Švinas yra minkštas ir trapus metalas, todėl jis grynas grotelių gamybai netinka, kadangi skystas švinas blogai pripildo liejinių formas. Grynas švinas taip pat yra neatsparus korozijai. Todėl šis metalas legiruojamas įvairiais priedais. Maždaug prieš 20 metų švino lydiniams buvo naudojamas stibis (Sb). Švinas buvo lydomas su 5-10% stibio. Naudojant stibį, lydinys tampa plastiškas ir tvirtas. Akumuliatorių, pagamintą naudojant stibį, buvo būtina nuolat papildyti vandeniu, o nenaudojamas akumuliatorius turėjo būti reguliariai tikrinamas ir įkraunamas.
Vėliau akumuliatoriai pradėti gaminti naudojant kalcį (Ca) švino grotelėms lieti. Į lydinį maišoma 0,5-1 % kalcio. Kalcis suteikia švinui tvirtumo ir plastiškumo. Akumuliatoriui dirbant vandens sunaudojama labai mažai. Nenaudojamo akumuliatoriaus savaiminė iškrova minimali. Tačiau kalcio lydinio akumuliatoriai turi vieną esminį trūkumą: juos sunku įkrauti. Tokį akumuliatorių labai iškrovus, dažnai atsitinka taip, kad vėl jį įkrauti būna gana sudėtinga. Todėl rekomenduojama tokio tipo akumuliatorių neiškrauti daugiau kaip 50% jų talpumo. Šiuo metu dauguma akumuliatorių gamintojų naudoja kalcio lydinius.
Kitas žingsnis - hibridinė technologija. Taikant hibridinę technologiją akumuliatoriaus teigiamų plokštelių grotelės liejamos su stibio priedais, o neigiamų su kalcio. Tokiu būdu pagamintas akumuliatorius perėmė visas teigiamas abiejų ankstesnių technologijų savybes: vandens sunaudoja tik šiek tiek daugiau nei kalcio lydinio akumuliatoriai, savaiminė iškrova maža, imlumas įkrovai geras. Pirmieji akumuliatoriai, pagaminti pagal hibridinę technologiją, pasirodė 1990 metais. Neigiamų plokštelių lydinyje yra 0,02% kalcio, o teigiamų - 0,04% sidabro. Akumuliatoriaus amžius pailgėja 20%, gerokai pagerėja eksploatacinės savybės.
Taip pat skaitykite: Kaip iškepti tobulą kepsnį
Švino ir sidabro lydinio grotelės
Sumažinus grotelių aukštį, padidėja elektrolito lygis virš plokštelės, o tai sumažina tiltelių tarp plokštelių grupių koroziją. Be to, taupomas švinas ir akumuliatorius yra lengvesnis. VARTA akumuliatoriuose teigiama plokštelė yra gerokai storesnė už neigiamą. Tokiu būdu padidinamas akumuliatoriaus ilgaamžiškumas. Seno, atidirbusio akumuliatoriaus neigiama plokštelė būna kaip nauja, o teigiama plokštelė būna gerokai pažeista korozijos. Kuo storesnė teigiama plokštelė, tuo ilgiau tarnaus akumuliatorius.
Aktyvioji medžiaga
Ant švino grotelių presuojama aktyvioji medžiaga, kuri tiesiogiai dalyvauja akumuliatoriaus elektrocheminiuose procesuose. Neigiamų plokštelių aktyvioji medžiaga yra švinas (Pb), o teigiamų - švino oksido pasta (PbO). Todėl teigiamos plokštelės yra rudos spalvos, o neigiamos - pilkos. Aktyviosios masės mikroporiškumas turi būti 30 -35%. Mažesnio tankio aktyvioji medžiaga anksti pradės byrėti, akumuliatorius greitai praras galią ir talpumą. Per didelio tankio - bus nepakankamai poringa, elektrolitas negalės laisvai pripildyti aktyviosios medžiagos tūrio ir akumuliatorius dirbs neefektyviai.
Vokai-separatoriai
Plokštelės dedamos į vokus-separatorius. Vokai sumažina aktyviosios masės eroziją ir neleidžia byrančioms dalelėms nusėsti ant akumuliatoriaus dugno. Vokai gali būti velkami ant teigiamų arba ant neigiamų plokštelių. Vokai gaminami iš plonos, skysčiui laidžios sintetinės medžiagos, kurios paviršius iš vienos pusės turi rantelius. Jei vokai skirti dėti ant teigiamos plokštelės, tai ranteliai bus voko viduje, jei ant neigiamos - iš išorės. Taip užtikrinamas geresnis elektrolito priėjimas prie teigiamų plokštelių, kadangi dirbant akumuliatoriui teigiamos plokštelės reikalauja 1,4 karto didesnės elektrolito cirkuliacijos. Anksčiau, nenaudojant vokų, akumuliatoriaus dugne turėjo būti 0,5 - 1,4 cm aukščio tilteliai, ant kurių buvo statomos plokštelės. Erdvė tarp plokštelės apačios ir akumuliatoriaus dugno leisdavo kauptis nuosėdoms, nesukeliant trumpo jungimo tarp plokštelių. Naudojant vokus, tilteliai nebereikalingi, todėl akumuliatorius gali būti žemesnis.
Akumuliatoriaus gamybos būdai
Tolimesnį akumuliatoriaus gamybos procesą galima išskirti į du būdus. Gaminant pirmu būdu - plokštelės surenkamos į grupes, dedamos į sekcijas, virinamos jungtys tarp grupių, dedamas akumuliatoriaus dangtis, užlydomi poliai. Gaminant antru būdu, plokštelės įkraunamos specialiose voniose, paskui plaunamos ir džiovinamos. Toliau visas akumuliatorius surenkamas kaip ir pirmu būdu. Taip pagamintas akumuliatorius vadinamas sausai įkrautu. Užtenka bet kada pripilti į jį elektrolito, ir po kelių minučių jį jau galima naudoti. Paprastai toks akumuliatorius, jį tik užpildžius elektrolitu, būna įkrautas apie 80%. Pirmu būdu pagamintų akumuliatorių elektrolite kartais galima pastebėti panašių į suodžius priemaišų, kadangi plokštelės nebuvo plaunamos. Tačiau tai įtakos akumuliatoriaus darbui neturės, kadangi šiuo būdu pagaminti akumuliatoriai būna suvokais - separatoriais.
Akumuliatoriaus dangtis
Dar viena labai svarbi akumuliatoriaus dalis - dangtis. Šiuolaikinio akumuliatoriaus dangčio konstrukcija turi užtikrinti minimalų vandens garavimą iš elektrolito, vandenilio dujų išsiskyrimą bei neleisti ugniai ar kibirkštims patekti į akumuliatoriaus vidų per vėdinimo kanalus. Labirintas, esantis dangčio viduje, veikia kaip vandens garų rinktuvas. Akumuliatoriaus vėdinimo sistemoje yra įrengti filtrai - ugnies gaudytuvai. Dangtis sudaro šiek tiek didesnį slėgį akumuliatoriaus viduje nei išorėje.
Taip pat skaitykite: Priežastys ir prevencija
Akumuliatoriaus veikimo principas
Akumuliatorius sudarytas iš 6 vienodų sekcijų. Sekcijos sujungtos nuosekliai. Kiekvienoje sekcijoje vykstant elektrocheminiams procesams sukuriama 2,12V įtampa. Visiškai įkrauto akumuliatoriaus įtampa yra 2,12 x 6 = 12,72V. Švino plokštelės užpiltos elektrolitu. Švinas (Pb) ir deguonis (O) gali jungtis į švino oksidą (PbO) arba į švino dioksidą (PbO2). Tai priklauso nuo laisvų elektronų skaičiaus išorinėse šių cheminių elementų orbitose. Naujo akumuliatoriaus teigiamos plokštelės padengtos švino oksidu, kuris vėliau virsta švino dioksidu.
Kas gi įvyksta pripylus elektrolito: PbO + H2SO4 => PbSO4 + H2O. Švino oksidas reaguoja su sieros rūgštimi ir akumuliatoriaus plokštelės apsitraukia susidariusiu netirpaus švino sulfato (PbSO4) sluoksniu. Iš cheminės reakcijos lygties matyti, kad sieros rūgštis virsta švino sulfatu, drauge susidarant vandeniui. Praktiškai dėl šios reakcijos sumažėja elektrolito tankis. Jeigu pamatuosite elektrolito tankį po keliolikos minučių, pamatysite, kad jis mažesnis nei 1,28.
Akumuliatoriaus įkrovimas
Akumuliatorius pripiltas elektrolito ir jį reikia įkrauti. Iškrauti akumuliatorių didelio mokslo nereikia, tačiau įkrovimo procesą reikia panagrinėti atskirai. Nuo įkrovimo įtampos labai priklauso, kaip ilgai tarnaus akumuliatorius. Jeigu akumuliatorius įkraunamas su 12-13V įtampa, tai niekada nebus pasiektas didesnis nei 50% įkrovimas. Kai įtampa 13,9 - 14,5V, įkrovimo lygis bus - 80%. Įkraunant akumuliatorių tokia įtampa, jo įkrovimo lygis bus 50 - 60%, priklausomai nuo įtampos. Pats įkrovimo procesas truks gerokai ilgiau. Kai įtampa mažesnė nei 12,5V, įkrovimo procesas apskritai nevyks ir akumuliatorius liks visai neįkrautas.
Starterinis akumuliatorius sukonstruotas taip, kad jis galėtų greitai atiduoti didelį kiekį energijos, reikalingos varikliui užvesti, o paskui kaip galima greičiau susigrąžinti atiduotą energiją iš generatoriaus gaunama srove. Su kiekvienu starterio pasukimu energijos atsargos mažės ir akumuliatorius bus priverstas dirbti maksimaliu likusiu pajėgumu. Taigi akumuliatorius ne tik nebus įkraunamas, bet netgi bus iškraunamas. Ir taip tęsis tol, kol vieną kartą nebeužteks galios starteriui pasukti. Taip eksploatuojamas, akumuliatorius labai dėvėsis. Išoriškai tai pasireiškia tuo, jog visose ar keliose sekcijose paruduoja elektrolitas, akumuliatorių įkrovus lieka didelis elektrolito tankių skirtumas tarp sekcijų. Liaudiškai tokie akumuliatoriai vadinami ‘papjautais’. Įkrovus akumuliatorių, jo įtampa būna gera, tačiau bandant patikrinti su apkrova paaiškėja, kad jis ‘nelaiko apkrovos’.
Pačiame akumuliatoriuje plokštelių paviršiuje formuojasi švino sulfato sluoksnis, kuriam storėjant uždengiama aktyvioji plokštelių medžiaga. Užvedant variklį akumuliatorius staiga turi atiduoti didelį kiekį energijos, ir akumuliatoriuje susikuriantys stiprūs elektrostatiniai krūviai ardo švino sulfato sluoksnį. Iš plokštelių išbyrantis švino sulfatas kaupiasi akumuliatoriaus dugne arba vokuose. Taip plokštelės praranda masę, mažėja akumuliatoriaus talpumas. Labiausiai tam tinka stacionarūs įkrovikliai, kadangi jais galima reguliuoti įkrovos intensyvumą. Pradėti įkrovimą reikia minimalia srove ir palaipsniui ją didinti. Tokio akumuliatoriaus elektrolite yra daug mikroskopinių švino sulfato dalelių. Pradėjus įkrovimą, dalelės, veikiamos elektros lauko, pradeda judėti. Jeigu intensyvus įkrovimas pradedamas staiga, šios dalelės staigiai judėdamos pridaro mikroskopinių skylučių akumuliatoriaus vokuose.
Taip pat skaitykite: Svajonės, galimybės ir realybė Pietų Korėjoje
Žemos įtampos korozija ir plokštelių sulfatacija
Kai akumuliatoriaus įtampa žemesnė negu 12,20V, prasideda labai sparti žemos įtampos korozija. Nepalikite visiškai iškrauto akumuliatoriaus ilgiau kaip 2 savaites. Per tokį laiką švinosulfato sluoksnis pasidaro tvirtas ir visiškai atskiria dar likusią aktyvią medžiagą nuo elektrolito. Šis reiškinys vadinamas plokštelių sulfatacija.
Per įkrova
Įkrovus akumuliatorių per 80%, elektrocheminė reakcija artėja į pabaigą ir elektrolite lieka mažai medžiagų, galinčių toliau dalyvauti reakcijoje. Beveik visas švino sulfatas virtęs į šviną ir švino dioksidą, elektrolito tankis artėja prie 1,28kg/l, tai reiškia, kad beveik visi sulfato jonai susijungę į sieros rūgšties molekules. Vadinasi, elektrolite nėra pakankamai laisvų jonų, galinčių pernešti elektros krūvį nuo vienos plokštelės iki kitos. Elektrolito varža padidėja ir drauge padidėja pasipriešinimas įkrovimui. Kai įtampa pasiekia normą, procesas sustoja ir akumuliatorius yra parengtas darbui. Tačiau tuo atveju, jeigu generatoriaus įtampa yra 15,5 - 16V, šios įtampos užtenka padidėjusiai elektrolito varžai įveikti ir įkrovimas tęsiasi toliau. Šį reiškinį galima būtų vadinti per įkrova.
Per įkrovos metu dėl padidėjusios varžos elektrolitas įkaista, prasideda intensyvus garavimas ir elektrolitas netenka vandens. Šiltu metų laiku per daug įkrovus akumuliatorių, šis netenka daug vandens, elektrolito kiekis mažėja, lieka neapsemta viršutinė plokštelių dalis. Išdžiūvus plokštelės aktyviajai medžiagai, ši po kiek laiko išbyra. Akumuliatorius netenka savo talpumo. Be to, esant aukštai temperatūrai padidėja plokštelių aktyviosios medžiagos erozija. Daugelyje automobilių akumuliatoriai montuojami po dangčiu šalia variklio, kur karščio ir taip pakanka. Tačiau, kai pats akumuliatorius dar kaista ir iš vidaus, žalingi procesai vystosi ypač greitai. Dėl aukštos temperatūros į aplinką išsiskiria elektrolite ištirpęs vandenilis. Elektrolite lieka laisvi sulfato jonai, kadangi nebelieka pakankamai vandenilio, su kuriuo jie galėtų jungtis į sieros rūgšties molekules. Tuomet likę sulfato jonai reaguoja su švinu ir švino dioksidu, ardydami plokšteles.
Esant aukštai temperatūrai ir įtampai, dujų išsiskyrimas gali būti labai intensyvus. Jeigu akumuliatoriaus ventiliacijos kanalų angos bus užkimštos, tai akumuliatorius gali pradėti pūstis kaip balionas arba sprogti. Jeigu akumuliatorius būna įkaitęs, elektrolitas patamsėja ir šalia akumuliatoriaus jaučiamas vandenilio (supuvusių kiaušinių) kvapas, vadinasi akumuliatorius per daug įkraunamas. Netgi ir normaliai įkraunant akumuliatorių išsiskiria vandenilio dujos. Vandenilis nuo ugnies ar kibirkšties gali sprogti, todėl įkrauti akumuliatorių reikia vėdinamose negyvenamose patalpose, toli nuo ugnies šaltinių. Ore esant 2,5 - 3% vandenilio jau gali įvykti sprogimas. Vandenilio molekulės yra tokios mažos, kad jos kiaurai pereina ne tik pro filtrus, bet ir pro paties akumuliatoriaus korpusą. ‘Varta Silver‘ serijos akumuliatoriuose yra ugnies gaudytuvai, neleidžiantys ugniai ar kibirkštims patekti į akumuliatoriaus vidų. Tačiau ir ugnies gaudytuvai sprogimo galimybę sumažina tik apie 10%.
Akumuliatoriaus charakteristikos
Talpumas
Akumuliatorių vertinimas pagal talpumą yra pats paprasčiausias ir skirtas apytikriai nustatyti jo tinkamumą konkrečiai paskirčiai. Rezervinis talpumas - tai laiko tarpas, per kurį akumuliatorius užtikrina 25A srovę esant +26,7°C temperatūrai iki akumuliatoriaus įtampa nukris iki 10,5V. Tai yra laikas, per kurį, neveikiant generatoriui, visiškai įkrautas akumuliatorius užtikrins visų būtinų automobilio įrengimų darbą važiuojant naktį blogomis oro sąlygomis. Ši akumuliatoriaus charakteristika yra tikslesnis talpumo apibūdinimas, tačiau plačiai nėra vartojama.
Startinė srovė
Tai maksimali pastovaus dydžio srovė, tenkinanti žemiau nurodytas sąlygas:
- Visiškai įkrautas akumuliatorius iškraunamas startine srove.
- SAE (Amerikos standartas) Temperatūra -18°C. Visiškai įkrautas akumuliatorius iškraunamas startine srove.
- Visiškai įkrautas akumuliatorius iškraunamas startine srove.
- EN (Europos standartas) Temperatūra -18°C. Visiškai įkrautas akumuliatorius iškraunamas startine srove. Po 10s įtampa turi būti ne mažesnė kaip 7,5V, po 90s - nemažesnė kaip 6V.
Taigi vieno ir to paties akumuliatoriaus startinė srovė, taikant skirtingus standartus, gali skirtis 30%. Perkant akumuliatorių, patartina pasižiūrėti, kokiu standartu žymima startinė srovė. Perkant akumuliatorių, būtina atsižvelgti į automobilio ar akumuliatoriaus gamintojo rekomendacijas. Tačiau akumuliatoriaus talpumas ir startinė srovė negali būti mažesni, nei rekomenduojami gamintojo konkrečiam automobiliui konkrečioms klimato sąlygoms. Esant šaltoms žiemoms, neapsiriksite pirkdami akumuliatorių su didesne nei rekomenduojama startine srove. Toks akumuliatorius lengviau pasuks sustingusį nuo šalčio variklį.
tags: #elektro #lygis #virš #plokštelės #principas