Λειτουργία μπαταρίας αυτοκινήτου

Πώς λειτουργεί μια μπαταρία αυτοκινήτου και πώς είναι κατασκευασμένη;

Η παραδοσιακή λειτουργία της μπαταρίας στον χώρο του κινητήρα είναι γνωστή: Χωρίς την μπαταρία το όχημα δεν μπορεί να τεθεί σε λειτουργία. Εκτός από τον κινητήρα εκκίνησης, τους σπινθηριστές, τους αναφλεκτήρες, τα φώτα και οι ηλεκτρονικές εφαρμογές απαιτούν ηλεκτρική ενέργεια. Πώς είναι όμως κατασκευασμένη μια μπαταρία και πώς λειτουργεί;

Μπαταρίες μολύβδου-οξέος: Δομικά στοιχεία και δομή

Πολλοί οδηγοί συνειδητοποιούν το μεγάλο βάρος των μπαταριών αυτοκινήτων όταν αγοράζουν μια καινούργια. Τα βάρη από περίπου 10,5 κιλά έως και 30 κιλά είναι πιθανά. Ο λόγος γι' αυτό είναι οι πλάκες μολύβδου στα στοιχεία της μπαταρίας.

Δομικά στοιχεία και δομή μιας κυψέλης μπαταρίας

Θετικό ηλεκτρόδιο:

• Θετική πλάκα: Σε μια μπαταρία μολύβδου-οξέος, η θετικά φορτισμένη πλάκα (ενεργό υλικό) αποτελείται από οξείδιο του μολύβδου (PbO₂) το οποίο είναι βυθισμένο σε ηλεκτρολύτη.
• Θετικό πλέγμα: Το θετικό πλέγμα αποτελείται από κράμα μολύβδου και χρησιμοποιείται για τη συγκράτηση του ενεργού υλικού και ως συλλέκτης ρεύματος.

Αρνητικό ηλεκτρόδιο:

• Αρνητική πλάκα: Η αρνητικά φορτισμένη πλάκα (ενεργό υλικό) αποτελείται από καθαρό μόλυβδο (Pb), ο οποίος είναι επίσης βυθισμένος σε ηλεκτρολύτη.
• Αρνητική πλάκα: Όπως και η θετική πλάκα, αυτή αποτελείται επίσης από κράμα μολύβδου και εξυπηρετεί τον ίδιο σκοπό.
  

Τα ηλεκτρόδια με τα διαφορετικά φορτία διαχωρίζονται από έναν διαχωριστικό σάκο.

Ο ηλεκτρολύτης είναι ένα μείγμα θειικού οξέος (H₂SO₄) και αποσταγμένου νερού. Αυτός ο ηλεκτρολύτης μπορεί να είναι σε υγρή μορφή (όπως στις συμβατικές υγρές μπαταρίες ή στη βελτιωμένη τεχνολογία EFB), σε μορφή τζελ ή δεσμευμένος σε στρώμα γυαλιού (όπως στην τεχνολογία AGM για τις νεότερες εφαρμογές start-stop).

Πολλά θετικά ηλεκτρόδια σχηματίζουν ένα σύνολο θετικών πλακών και πολλά αρνητικά ηλεκτρόδια σχηματίζουν ένα σύνολο αρνητικών πλακών. Μαζί, ένα αρνητικό και ένα θετικό σύνολο πλακών σχηματίζουν ένα μπλοκ πλακών. Ένα μπλοκ πλακών αποτελεί ένα στοιχείο της μπαταρίας.

Μια συμβατική μπαταρία εκκίνησης αποτελείται από 6 στοιχεία συνδεδεμένα σε σειρά, το καθένα με ονομαστική τάση 2 V, η οποία οδηγεί σε τάση ακριβώς 12,72 V όταν η μπαταρία είναι πλήρως φορτισμένη. Η χωρητικότητα και η ικανότητα ψυχρής εκκίνησης της μπαταρίας προκύπτει από τον αριθμό των πλακών ανά στοιχείο.

Γενικός κανόνας: Όσο περισσότερες πλάκες περιέχει ένα στοιχείο, και επομένως σχηματίζουν μεγαλύτερη επιφάνεια, τόσο μεγαλύτερη είναι η ισχύς ψυχρής εκκίνησης (CCA) που μπορεί να αποδώσει η μπαταρία. Ωστόσο, εάν ο χώρος στο στοιχείο χρησιμοποιείται για λιγότερες, αλλά παχύτερες πλάκες, αυξάνεται η σταθερότητα του κύκλου. Αυτό σημαίνει ότι η μπαταρία είναι σχεδιασμένη για μεγαλύτερη απόδοση φόρτισης (συνεχής διαδικασία φόρτισης και εκφόρτισης).

Τα στοιχεία περιέχονται σε ένα περίβλημα το οποίο είναι κατασκευασμένο από πλαστικό ανθεκτικό στο οξύ (πολυπροπυλένιο). Σε μια συμβατική μπαταρία SLI, αυτό το περίβλημα κλείνει με ένα κάλυμμα με σύστημα λαβύρινθου που εμποδίζει τη διαφυγή του υγρού της μπαταρίας και διαχωρίζει το υγρό από το αέριο.

Οι παλαιότερες μπαταρίες είχαν κοχλιωτά πώματα που επέτρεπαν τη συμπλήρωσή τους με αποσταγμένο νερό. Οι σύγχρονες μπαταρίες δεν χρειάζονται καθόλου συντήρηση. Το νερό δεν χρειάζεται και δεν πρέπει να συμπληρώνεται. Αν και οι μπαταρίες AGM εξακολουθούν να έχουν “μονόδρομα πώματα”, αυτά δεν πρέπει να ανοίγουν σε καμία περίπτωση.

Λειτουργία της μπαταρίας αυτοκινήτου: Η χημική ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια

Μια μπαταρία αυτοκινήτου αποθηκεύει ενέργεια σε χημική μορφή και τη μετατρέπει σε ηλεκτρική ενέργεια. Σε αυτή την ηλεκτροχημική διαδικασία, τέσσερα υλικά αντιδρούν μεταξύ τους:

• Υδρογόνο (H)
• Οξυγόνο (O₂)
• Μόλυβδος (Pb)
• Θείο (S)

Η σύνδεση ενός εξωτερικού καταναλωτή εκκινεί τη χημική αντίδραση στη μπαταρία:

• Ο ηλεκτρολύτης ένα μείγμα θειικού οξέος (H₂SO₄) και αποσταγμένου νερού διασπάται σε θετικά φορτισμένα ιόντα υδρογόνου (H⁺) και αρνητικά φορτισμένα θειικά ιόντα (SO₄^2-).
• Ταυτόχρονα, ηλεκτρόνια (2e^–) κινούνται από το αρνητικό στο θετικό ηλεκτρόδιο μέσω του εξωτερικού καταναλωτή.
• Για να αντισταθμιστεί αυτή η ροή ηλεκτρονίων, τα θειικά ιόντα μετακινούνται από τον ηλεκτρολύτη στο αρνητικό ηλεκτρόδιο, όπου αντιδρούν με τον μόλυβδο (Pb) και παράγουν θειικό μόλυβδο (PbSO₄).
• Θειικός μόλυβδος παράγεται επίσης στο θετικό ηλεκτρόδιο: Ο δεσμός του οξυγόνου (O₂) στο οξείδιο του μολύβδου (PbO₂) διασπάται με τη μεταφορά ηλεκτρονίων και το οξυγόνο περνάει στον ηλεκτρολύτη. Ο υπόλοιπος μόλυβδος (Pb) συνδέεται με το θειικό άλας (SO₄) από τον ηλεκτρολύτη.
• Εκεί, το οξυγόνο συνδέεται με το υδρογόνο σχηματίζοντας νερό (H₂O). Καθώς το θειικό οξύ χρησιμοποιείται για τον σχηματισμό του θειικού μολύβδου, η συγκέντρωση του διαλύματος του ηλεκτρολύτη μειώνεται. Όταν η συγκέντρωση του θειικού οξέος πέσει κάτω από ένα συγκεκριμένο επίπεδο, η μπαταρία πρέπει να επαναφορτιστεί.
• Κατά τη διάρκεια της φόρτισης, οι χημικές διεργασίες πραγματοποιούνται με αντίστροφη σειρά. Στο τέλος, υπάρχουν τα αρχικά στοιχεία: Το θετικό ηλεκτρόδιο αποτελείται από θειικό μόλυβδο (PbSO₄), το αρνητικό ηλεκτρόδιο αποτελείται από καθαρό μόλυβδο (Pb) και ο ηλεκτρολύτης αποτελείται από αραιό θειικό οξύ (H₂SO₄). Καθώς αυτή η διαδικασία μετατροπής συνδέεται με απώλειες, μια μπαταρία μπορεί να αντέξει μόνο έναν περιορισμένο αριθμό κύκλων φόρτισης. Συνεπώς, η ωφέλιμη ζωή της είναι περιορισμένη. 

Προβλήματα με τις μπαταρίες μολύβδου-οξέος: Θειίκωση και στρώματα οξέος

Εάν μια μπαταρία φορτίζεται με πολύ χαμηλή τάση ή εάν λειτουργεί πάντα με πολύ χαμηλή τάση (κάτω από 80%), δημιουργούνται στρώματα οξέος, που αναφέρονται επίσης ως διαστρωμάτωση. Το οξύ στον ηλεκτρολύτη στρωματοποιείται λόγω κακής ανάμιξης. Οι διάφορες πυκνότητες προκαλούν τη στρωμάτωση του θειικού οξέος στο κάτω μέρος και του νερού στο επάνω μέρος της μπαταρίας. Εξαιτίας αυτού, μόνο το μεσαίο τμήμα του ηλεκτρολύτη, δηλαδή μόνο το ένα τρίτο, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διαδικασία εκφόρτισης και φόρτισης.

Μια πιθανή αιτία της στρωμάτωσης οξέος είναι κυρίως οι σύντομες διαδρομές με ταυτόχρονη χρήση πολλών ηλεκτρικών καταναλωτών. Σε αυτή την περίπτωση, ο εναλλάκτης δεν έχει αρκετό χρόνο να επαναφορτίσει την μπαταρία.

Αποτέλεσμα της διαστρωμάτωσης οξέος είναι η θείωση. Εάν αυτό συμβεί στην μπαταρία ή εάν δεν φορτίζεται συνεχώς σε επαρκές επίπεδο, ο θειικός μόλυβδος (PbSO₄) κρυσταλλώνεται στα ηλεκτρόδια, για να σχηματίσει μεγαλύτερες κρυσταλλικές δομές με την πάροδο του χρόνου. Η διαδικασία αυτή είναι γνωστή ως “θειίκωση”. Η κρυστάλλωση εμποδίζει την επαναμετατροπή του θειικού μολύβδου στα αρχικά συστατικά του μολύβδου ή του οξειδίου του μολύβδου, με αποτέλεσμα την παρεμπόδιση της αποδοχής φόρτισης και τη μείωση της ισχύος ψυχρής εκκίνησης.

Οι αιχμηροί κρύσταλλοι μπορεί επίσης να προκαλέσουν βλάβη στους διαχωριστές ή βραχυκυκλώματα στα στοιχεία.

Για να αντιμετωπιστεί αυτό το φαινόμενο και να αποφευχθεί η πρόωρη βλάβη της μπαταρίας, η μπαταρία δεν πρέπει ποτέ να υποβάλλεται σε χαμηλό επίπεδο φόρτισης για μεγάλο χρονικό διάστημα. Για τον λόγο αυτό, συνιστάται να ελέγχετε τακτικά τη μπαταρία και να τη φορτίζετε πλήρως, εάν είναι απαραίτητο.

Θα θέλατε να μάθετε περισσότερα για αυτό το θέμα; Πώς να φορτίζετε σωστά μια μπαταρία.

Νέες τεχνολογίες μπαταριών: AGM και ιόντων λιθίου

Μέχρι τώρα, οι συμβατικές μπαταρίες μολύβδου-οξέος κατείχαν μεγάλο μερίδιο της αγοράς. Ωστόσο, η αγορά αλλάζει ραγδαία: Οι καινοτόμες τεχνολογίες μπαταριών για οχήματα με συστήματα start-stop, όπως η;AGM χρησιμοποιούν οξύ το οποίο είναι δεσμευμένο σε στρώμα, ώστε να παρέχουν μεγαλύτερη σταθερότητα κύκλου και να εγγυώνται αξιόπιστη απόδοση σε οχήματα με αυξημένες ενεργειακές απαιτήσεις. Ένα ακόμη πλεονέκτημα της AGM: Η διαστρωμάτωση οξέος δεν είναι πλέον δυνατή λόγω του δεσμευμένου οξέος.
A Μια νέα γενιά μπαταριών αυτοκινήτων για μικρο-υβριδικά οχήματα λειτουργεί στα 48V και χρησιμοποιεί στοιχεία με τεχνολογία ιόντων λιθίου.