Jak działa akumulator samochodowy i jak jest zbudowany?

Tradycyjna funkcja akumulatora w pojeździe silnikowym jest powszechnie znana: bez akumulatora uruchomienie pojazdu jest niemożliwe. Poza rozrusznikiem, zasilania w energię elektryczną wymagają również świece zapłonowe, świece żarowe, oświetlenie oraz urządzenia elektroniczne. Jak skonstruowany jest akumulator i jak działa?

 

Akumulatory ołowiowo-kwasowe: podzespoły i budowa

 

Wielu kierowców dowiaduje się, ile waży akumulator dopiero przy jego zakupie. Akumulator samochodowy może ważyć od około 10,5 kg do 30 kg. Przyczyną tak dużej wagi są płyty ołowiowe w ogniwach akumulatora.

 

Elementy i budowa ogniwa akumulatora

 

Elektroda dodatnia:

• Płyta dodatnia: W akumulatorze ołowiowo-kwasowym płyta z ładunkiem dodatnim (materiał aktywny) składa się z tlenku ołowiu (PbO₂) zanurzonym w elektrolicie.
• Kratka dodatnia: Kratka dodatnia jest wykonana ze stopu ołowiu i służy do podtrzymywania materiału aktywnego oraz magazynowania prądu.

 

Elektroda ujemna:

• Płyta ujemna: Płyta z ładunkiem ujemnym (materiał aktywny) składa się z czystego ołowiu (Pb), który również jest zanurzony w elektrolicie.
• Kratka ujemna: Podobnie jak kratka dodatnia, również jest wykonana ze stopu ołowiu i służy do tego samego celu.

 

Elektrody z różnymi ładunkami są oddzielone separatorem.

Elektrolit to mieszanka kwasu siarkowego (H₂SO₄) i wody destylowanej. Elektrolit może mieć formę płynną (np. w tradycyjnych akumulatorach kwasowych (SLI) lub w akumulatorach z udoskonaloną technologią EFB), formę żelową lub może być zamknięty w szklanej macie (np. w technologii AGM, znajdującej zastosowanie w pojazdach z systemem start-stop).

Kilka elektrod dodatnich tworzy płytę dodatnią, a kilka elektrod ujemnych – ujemną. Płyta ujemna tworzy wraz z płytą dodatnią blok płytowy. Blok płytowy jest ogniwem akumulatora.

Tradycyjny akumulator rozruchowy składa się z 6 ogniw połączonych szeregowo, każdy o napięciu znamionowym 2,12 V, co daje w sumie napięcie 12,72 V przy pełnym naładowaniu akumulatora. Pojemność oraz moc rozruchu akumulatora zależy od liczby płyt w ogniwach.

Zasada: im więcej płyt w ogniwie, czyli im większą powierzchnię tworzą, tym większa moc rozruchu (CCA) zapewniana przez dany akumulator. Jeśli jednak dostępną przestrzeń w ogniwie zapełnimy mniejszą liczbą ale grubszych płyt, wówczas zwiększa się stabilność cyklu. To oznacza, że akumulator charakteryzuje się większą wydajnością cykliczną (proces ciągłego ładowania i rozładowywania).

Ogniwa są zamknięte w obudowie wykonanej z kwasoodpornego tworzywa sztucznego (polipropylenu). Tradycyjne akumulatory rozruchowe (SLI) są wyposażone w pokrywę z systemem labiryntu, który zapobiega wyciekaniu cieczy z akumulatora i oddziela ciecz od gazu.

Wcześniej w akumulatorach montowano odkręcane korki, dzięki którym można było dolewać do nich wody destylowanej. Nowoczesne akumulatory samochodowe są całkowicie bezobsługowe. Nie trzeba, a nawet nie można, dolewać do nich wody. Mimo że akumulatory AGM nadal mają „korki”, pod żadnym pozorem nie należy ich zdejmować.

 

Funkcje akumulatora samochodowego: energia chemiczna zostaje przekształcona w energię elektryczną

Akumulator samochodowy magazynuje energię w formie chemicznej i przekształca ją w energię elektryczną. W procesie elektrochemicznym cztery pierwiastki wchodzą ze sobą w reakcję:

• – Wodór (H)
• – Tlen (O₂)
• – Ołów (Pb)
• – Siarka (S)

Podłączenie zewnętrznego odbiornika energii inicjuje reakcję chemiczną wewnątrz akumulatora:

• elektrolit, czyli mieszanka kwasu siarkowego (H₂SO₄) i wody destylowanej, ulega rozpadowi na dodatnio naładowane jony wodoru (H⁺) i ujemnie naładowane jony siarczanowe (SO₄^2-).

 

• Jednocześnie elektrony (2e^–) przemieszczają się z elektrody ujemnej do elektrody dodatniej przez odbiornik zewnętrzny.

 

• Aby zrekompensować przepływ elektronów, jony siarczanowe przemieszczają się z elektrolitu do elektrody ujemnej, gdzie wchodzą w reakcję z ołowiem (Pb), w wyniku czego powstaje siarczan ołowiu (PbSO₄).

 

• Siarczan ołowiu jest produkowany również w elektrodzie dodatniej: wiązanie tlenu (O₂) w tlenku ołowiu (PbO₂) zostaje rozerwane w wyniku transferu elektronów i tlen przechodzi do elektrolitu. Wówczas ołów (Pb) łączy się z siarczanem (SO₄) z elektrolitu.

 

• Tam z kolei tlen łączy się z wodorem i powstaje woda (H₂O). Ponieważ kwas siarkowy zostaje zużyty do utworzenia siarczanu ołowiu, stężenie roztworu elektrolitu spada. Gdy stężenie kwasu siarkowego spadnie poniżej określonego poziomu, akumulator wymaga ponownego naładowania.

 

• W trakcie ładowania procesy chemiczne odbywają się w odwróconej kolejności. Po zakończeniu całego procesu skład chemiczny wraca do pierwotnego stanu: elektroda dodatnia składa się z siarczanu ołowiu (PbSO₄), elektroda ujemna z czystego ołowiu (Pb), a elektrolit z rozcieńczonego kwasu siarkowego (H₂SO₄). Ponieważ w wyniku tego odwróconego procesu generowane są straty, akumulator może obsłużyć ograniczoną liczbę cykli ładowania. Dlatego też jego żywotność jest ograniczona.

Problemy z akumulatorami ołowiowo-kwasowymi: zasiarczenie i rozwarstwienie elektrolitu

Jeśli akumulator zostanie naładowany prądem o zbyt niskim napięciu lub jeśli stale pracuje pod zbyt niskim napięciem (poniżej 80%), wówczas dochodzi do zjawiska nazywanego rozwarstwieniem kwasu, nazywanego też stratyfikacją. Kwas w elektrolicie ulega stratyfikacji ze względu na słabe wymieszanie. Różnice w gęstości powodują osiadanie kwasu siarkowego na dnie i wypychanie wody do górnej części akumulatora. Z tego powodu wyłącznie środkowa część elektrolitu, czyli tylko jedna trzecia, może zostać wykorzystana w procesie rozładowywania i ładowania.

Możliwą przyczyną takiego stanu rzeczy są głównie krótkie podróże przy korzystaniu z dużej liczby odbiorników elektrycznych w samochodzie. Wówczas alternator nie ma wystarczającej ilości czasu na doładowanie akumulatora.

Skutkiem rozwarstwienia kwasu w akumulatorze jest jego zasiarczenie. Jeśli to zjawisko wystąpi lub jeśli akumulator nie będzie stale ładowany do wystarczającego poziomu, wówczas siarczan ołowiu (PbSO₄) ulega krystalizacji na elektrodach, po pewnym czasie tworząc większe struktury kryształów. Ten proces nazywa się „zasiarczeniem”. Krystalizacja uniemożliwia ponowne przekształcenie siarczanu ołowiu w ołów czy tlenek ołowiu, co skutkuje brakiem możliwości przyjmowania ładunku i zmniejszeniem mocy zimnego rozruchu.

Ostre kryształy mogą ponadto uszkodzić separatory lub powodować zwarcia w ogniwach.

Aby przeciwdziałać temu zjawisku i zapobiegać przedwczesnemu zużyciu akumulatora, nie należy narażać go na niski poziom naładowania przez dłuższy czas. Dlatego zalecane jest regularne testowanie akumulatora i jego pełne ładowanie w razie potrzeby.

Czy chcesz dowiedzieć się więcej na ten temat? Jak prawidłowo ładować akumulator.

Nowe technologie akumulatorów: akumulatory AGM i litowo-jonowe

Do niedawna tradycyjne akumulatory kwasowo-ołowiowe miały spory udział w rynku. Jednakże rynek szybko się zmienia: W innowacyjnych technologiach akumulatorów do pojazdów z systemem start-stop, takich jak akumulatory AGM, wykorzystywane są nasączone kwasem maty, które zapewniają większą stabilność cyklu oraz gwarantują niezawodność w pojazdach o zwiększonym poborze energii. Kolejna zaleta technologii AGM: dzięki uwięzieniu elektrolitu w macie zjawisko rozwarstwiania kwasu nie występuje.
Nowa generacja akumulatorów samochodowych do mikro hybryd działa pod napięciem 48 V i wykorzystuje ogniwa wykonane w technologii litowo-jonowej.