Jak funguje automobilová baterie a jaká je její konstrukce?

Tradiční funkce baterie v motorovém prostoru je dobře známa: Bez baterie nelze nastartovat vozidlo. Kromě startéru motoru potřebují elektrickou energii zapalovací svíčky, žhavicí svíčky, světla a všechna elektronická zařízení. Ale jak je baterie zkonstruována a jak funguje?

 

Olověné kyselinové baterie: součásti a konstrukce

 

Mnozí řidiči si uvědomí, jak jsou automobilové baterie těžké, a když si kupují novou. Mohou vážit přibližně od 10,5 kg do 30 kg. Důvodem jsou olověné desky bateriových článků.

 

Součásti a konstrukce článku baterie

 

Kladná elektroda:

• Kladná deska: V olověné kyselinové baterii je kladně nabitá deska (aktivní materiál) tvořena oxidem olovičitým (PbO₂) a je ponořená v elektrolytu.
• Kladná mřížka: Kladná mřížka je z olověné slitiny a slouží k udržení aktivní hmoty a jako sběrač proudu.

 

Záporná elektroda:

• Záporná deska: Záporně nabitá deska (aktivní materiál) je tvořena čistým olovem (Pb) a je také ponořená v elektrolytu.
• Záporná deska: Stejně jako kladná deska je tvořena olověnou slitinou a má stejný účel.

 

Elektrody s různými náboji jsou od sebe oddělené separátory.

 

Elektrolyt je směs kyseliny sírové (H₂SO₄) a destilované vody. Tento elektrolyt může být v kapalné formě (jako u běžných mokrých baterií nebo u rozšířené technologie EFB), ve formě gelu, nebo absorbovaný ve skelném flísu (jako u technologie AGM pro pokročilé aplikace start-stop).

 

Několik kladných elektrod tvoří sadu kladných desek a několik záporných elektrod tvoří sadu záporných desek. Sada záporných a kladných desek společně tvoří blok desek. Blok desek představuje článek baterie.

Konvenční startovací baterie se skládá ze 6 článků zapojených do série, každý o jmenovitém napětím 2,1 V, z čehož vyplývá přesně 12,6 V, když je baterie plně nabitá. Kapacita baterie a schopnost startů za studena je dána počtem desek v článku.

Jednoduché pravidlo: Čím více desek článek obsahuje, a tudíž tvoří větší povrch, tím větší je startovací výkon za studena (CCA), který může baterie poskytnout. Pokud však prostor v článku obsahuje menší počet desek, ale o větší tloušťce, zvyšuje se stabilita cyklu. To znamená, že baterie je navržena pro větší propustnost náboje (kontinuální proces nabíjení a vybíjení).

Články jsou umístěné v nádobě, která je vyrobená z umělé hmoty odolné vůči kyselině (polypropylen). U konvenční SLI baterie je nádoba uzavřená víkem s labyrintovým systémem, který zabraňuje úniku bateriové kapaliny a odděluje kapalinu od nahromaděných plynů.

Dřívější baterie měly šroubovací zátky, které umožňovaly jejich doplňování destilovanou vodou. Moderní baterie jsou zcela bezúdržbové. Vodu nelze doplňovat a při správném použití to ani není potřeba. Přestože baterie AGM ještě mají „jednorázové zátky“, nesmí se tyto zátky za žádných okolností otvírat.

 

Funkce autobaterie: chemická energie se transformuje na elektrickou energii

Autobaterie uchovává energii v chemické formě, kterou převádí na elektrickou energii. V tomto elektro-chemickém procesu reagují mezi sebou čtyři prvky.

 

– vodík (H)

– kyslík (O₂)

– olovo (Pb)

– síra (S)

 

Při připojení externího spotřebiče se v baterii spustí chemická reakce:

• Elektrolyt, směs kyseliny sírové (H₂SO₄) a destilované vody se rozkládá na kladně nabité ionty vodíku (H ⁺) a záporně nabité síranové ionty (SO₄^2-).

 

• Současně se elektrony (2e^–) pohybují od záporné ke kladné elektrodě přes externí spotřebič.

 

• Pro kompenzaci tohoto toku elektronů přechází síranové ionty z elektrolytu do záporné elektrody, kde reagují s olovem (Pb) za vzniku síranu olovnatého (PbSO₄).

 

• Síran olovnatý vzniká také v kladné elektrodě: Slučování kyslíku (O₂) na oxid olovnatý (PbO₂) brání transfer elektronů a kyslík tak přechází do elektrolytu. Zbývající olovo (Pb) se slučuje se síranem (SO₄) z elektrolytu.

 

• Zde se kyslík slučuje s vodíkem a vzniká voda (H₂O). Vzhledem k tomu, kyselina sírová se spotřebovává při vzniku síranu olovnatého, klesá koncentrace roztoku elektrolytu. Když koncentrace kyseliny sírové klesne pod určitou úroveň, baterie se musí znovu nabít.

 

• Během nabíjení probíhají chemické procesy v obráceném pořadí. Na konci opět nalezneme původní prvky: Kladná elektroda je tvořena síranem olovnatým (PbSO₄), záporná elektroda čistým olovem (Pb) a elektrolyt zředěnou kyselinou sírovou (H₂SO₄).
  Protože tento proces přeměny je spojen se ztrátami, baterie vydrží pouze omezený počet nabíjecích cyklů. Její životnost je proto omezená. 

Problémy u kyselinových olověných baterií: sulfatace a vrstvení kyseliny

 

Je-li baterie nabíjena napětím, které je příliš nízké, nebo když je dlouhodobě udržována s napětím, které je příliš nízké (pod 80 %) objevuje se vrstvení kyseliny, také označované jako stratifikace. Kyselina v elektrolytu stratifikuje kvůli špatnému míchání. Různé hustoty způsobují vrstvení kyseliny sírové ve spodní části a vody v horní části baterie. Z tohoto důvodu jen střední část elektrolytu, tedy jen třetina, může být použita pro proces vybíjení a nabíjení.

Možnou příčinou vrstvení kyseliny je jízda převážně na krátké vzdálenosti při současném používání velkého počtu elektrických spotřebičů. V tomto případě alternátor nemá dostatek času na dobití baterie.

Výsledkem vrstvení kyseliny je sulfatace. Pokud k tomu v baterii dochází, nebo není-li baterie neustále nabitá na odpovídající úroveň, síran olovnatý (PbSO₄) krystalizuje na elektrodách, kde v průběhu času vytváří strukturu s velkými krystaly. Tento proces se nazývá „sulfatace“. Krystalizace brání zpětné přeměně síranu olovnatého na původní složky olovo a oxid olovičitý, což vede k omezování příjmu náboje a snížení startovacího výkonu za studena.

Ostré krystaly také mohou poškodit separátory a způsobit zkrat v článcích.

 

Aby se tomuto efektu zabránilo a předešlo předčasnému selhání baterie, neměla by být baterie dlouhodobě udržována ve vybitém stavu. Za tímto účelem je vhodné baterii pravidelně měřit a v případě potřeby ji nabít do plných znaků.

 

Chcete vědět více to tomto tématu? Jak správně nabíjet baterii.

 

Nové bateriové technologie AGM a lithium-iontová

Až dosud měly vysoký podíl na trhu konvenční olověné kyselinové baterie. Avšak trh se rychle mění: Inovační bateriové technologie pro vozidla se systémem start-stop, jako např. AGM, používají kyselinu, která je absorbovaná ve skelném flísu, a poskytují větší stabilitu cyklu a zaručují spolehlivý výkon u vozidel se zvýšenými požadavky na energii. Další výhoda AGM: Vrstvení kyseliny již není možné díky absorbované kyselině.
Nová generace autobaterií pro mikro-hybridní vozidla pracuje se 48 V a používá články s lithium-iontovou technologií.