Funkcija akumulatora u automobilu

Kako radi akumulator i kako je konstruiran?

Tradicionalna funkcija baterije u motornom prostoru dobro je poznata: Bez baterije vozilo se ne može pokrenuti. Osim motora za pokretanje, svjećice, žarnice, svjetla i elektroničke primjene zahtijevaju električnu energiju. Ali kako je baterija konstruirana i kako radi?

Olovne baterije: Komponente i struktura

Mnogi vozači postaju svjesni velike težine automobilskih baterija kada kupe novu. Moguće su težine od oko 10,5 kg, do 30 kg. Razlog za to su olovne ploče u baterijskim ćelijama.

Komponente i struktura baterijske ćelije

Pozitivna elektroda:

• Pozitivna ploča: U olovno-kiselinskoj bateriji, pozitivno nabijena ploča (aktivni materijal) sastoji se od olovnog oksida (PbO₂) koji je uronjen u elektrolit.
• Pozitivna mreža: Pozitivna rešetka sastoji se od legure olova i koristi se za držanje aktivnog materijala i kao kolektor struje.

Negativna elektroda:

• Negativna ploča: Negativno nabijena ploča (aktivni materijal) sastoji se od čistog olova (Pb), koji je također uronjen u elektrolit.
• Negativna ploča: Kao i pozitivna ploča, ona se također sastoji od legure olova i služi istoj svrsi.
  

Elektrode s različitim nabojima odvojene su vrećicom za razdvajanje.

Elektrolit je smjesa sumporne kiseline (H₂SO₄) i destilirane vode. Ovaj elektrolit može biti u tekućem obliku (kao u konvencionalnim mokrim baterijama ili u poboljšanoj EFB tehnologiji), u obliku gela ili vezan u staklenoj podlozi (kao u AGM tehnologiji za novije primjene start-stop).

Nekoliko pozitivnih elektroda formira set pozitivnih ploča, a nekoliko negativnih elektroda formira set negativnih ploča. Zajedno, negativni i pozitivni set ploča tvore blok ploča. Blok ploče je baterijska ćelija.

Konvencionalna starter baterija sastoji se od 6 ćelija povezanih u seriju, svaka s nazivnim naponom od 2 V, što rezultira naponom od točno 12,72 V kada je baterija potpuno napunjena. Kapacitet i sposobnost hladnog pokretanja baterije proizlaze iz broja ploča po ćeliji.

 Pravilo: Što više ploča sadrži ćelija i stoga čini veću površinu, to je veća snaga hladnog pokretanja (cca) koju baterija može isporučiti. Međutim, ako se prostor u ćeliji koristi za manje, ali deblje ploče, povećava se stabilnost ciklusa. To znači da je baterija dizajnirana za veću propusnost punjenja (kontinuirano punjenje i pražnjenje).

Stanice se nalaze u kućištu koje je izrađeno od plastike otporne na kiseline (polipropilen). U konvencionalnoj SLI bateriji to se zatvara poklopcem s labirintnim sustavom koji sprječava istjecanje tekućine iz baterije i odvaja tekućinu od plina.

Rane baterije imale su vijke koji su im omogućili da se napune destiliranom vodom. Moderne baterije u potpunosti ne zahtijevaju održavanje. Voda ne mora biti i ne smije se dopunjavati. Iako AGM baterije još uvijek imaju "jednosmjerne utikače", oni se ni pod kojim okolnostima ne smiju otvarati. Funkcija akumulatora u

automobilu: Kemijska energija postaje električna energija

Automobilska baterija pohranjuje energiju u kemijskom obliku i pretvara je u električnu energiju. U ovom elektrokemijskom procesu četiri materijala međusobno reagiraju:

• Vodik (H)
• Kisik (O₂)
• Olovo (Pb)
• Sumpor (S)

Veza vanjskog potrošača započinje kemijsku reakciju u bateriji:

• Elektrolit, smjesa sumporne kiseline (H₂SO₄) i destilirane vode razgrađuje se u pozitivno nabijene vodikove ione (H⁺) i negativno nabijene sulfatne ione (SO₄^2-).
• Istodobno, elektroni (2e^–) putuju od negativne do pozitivne elektrode preko vanjskog potrošača.
• Kako bi kompenzirali ovaj protok elektrona, sulfatni ioni putuju iz elektrolita u negativnu elektrodu, gdje reagiraju s olovom (Pb) kako bi proizveli olovni sulfat (PbSO₄).
• Olovni sulfat također se proizvodi u pozitivnoj elektrodi: Vezivanje kisika (O₂) u olovnom oksidu (PbO₂) prekida se prijenosom elektrona i kisik prelazi u elektrolit. Preostali olovo (Pb) veže se sa sulfatom (SO₄) iz elektrolita.
• Tamo se kisik veže s vodikom kako bi se formirala voda (H₂O). Kako se sumporna kiselina troši stvaranjem olovnog sulfata, koncentracija otopine elektrolita se smanjuje. Kada koncentracija sumporne kiseline padne ispod određene razine, akumulator se mora napuniti.
• Tijekom punjenja, kemijski procesi odvijaju se obrnutim redoslijedom. Na kraju se mogu pronaći izvorni elementi: Pozitivna elektroda sastoji se od olovnog sulfata (_{PbSO 4}), negativna elektroda od čistog olova (Pb), a elektrolit od razrijeđene sumporne kiseline (H₂SO₄). Budući da je ovaj postupak pretvorbe povezan s gubicima, baterija može izdržati samo ograničen broj ciklusa punjenja. Stoga je njegov vijek trajanja ograničen. 

Problemi s olovno-kiselinskim baterijama: Sulfatiranje i kiseli sloj

Ako je baterija napunjena preniskim naponom ili ako uvijek radi s preniskim naponom (ispod 80%) kiseli sloj, koji se naziva i stratifikacija. Kiselina u elektrolitu stratificira se zbog slabog miješanja. Različite gustoće uzrokuju slojevitost sumporne kiseline na dnu i vode u gornjem dijelu baterije. Zbog toga se za proces pražnjenja i punjenja može koristiti samo srednji dio elektrolita, odnosno samo trećina.

Mogući uzrok kiselih slojeva su uglavnom kratka putovanja uz istovremenu uporabu velikog broja električnih potrošača. U tom slučaju alternator nema dovoljno vremena za punjenje baterije.

Rezultat kiselih slojeva je sulfatacija. Ako se to dogodi u bateriji ili ako se stalno ne puni na odgovarajuću razinu, olovni sulfat (PbSO ₄) kristalizira na elektrodama, stvarajući tijekom vremena veće kristalne strukture. Taj je proces poznat kao "sulfatizacija". Kristalizacija sprječava ponovnu pretvorbu olovnog sulfata u izvorne komponente olova ili olovnog oksida, što rezultira sprječavanjem prihvaćanja naboja i smanjenjem snage hladnog pokretanja.

Oštri kristali također mogu oštetiti separatore ili uzrokovati kratke spojeve u stanicama.

Kako bi se suzbio taj učinak i spriječio prerani kvar baterije, baterija nikada ne smije biti izložena niskoj razini napunjenosti tijekom duljeg razdoblja. Za to je preporučljivo redovito testirati bateriju i po potrebi je potpuno napuniti.

Želite li saznati više o ovoj temi? Kako pravilno napuniti bateriju.

Nove tehnologije baterija: AGM i litij-ionske

Do sada su konvencionalne olovno-kiselinske baterije imale visok udio na tržištu. Međutim, tržište se brzo mijenja: Inovativne tehnologije akumulatora za start-stop vozila kao što je AGM  upotreba kiseline koja je vezana u prostirku kako bi se osigurala veća stabilnost ciklusa i zajamčile pouzdane performanse u vozilima s povećanim energetskim potrebama. Dodatna prednostAGM: Slojevitost kiselinom više nije moguća zbog vezane kiseline.
Nova generacija automobilskih baterija za mikrohibridna vozila radi na 48V i koristi ćelije s litij-ionskom tehnologijom.