Akumulatory AGM »Wydajne akumulatory kwasowo-ołowiowe z inteligentną technologią AGM
Na długo przed pojawieniem się elektromobilności, każdy kierowca samochodu posiadał w swoim pojeździe akumulator rozruchowy. Był to akumulator kwasowo-ołowiowy, który ładował się przez alternator podczas jazdy.
Akumulatory kwasowo-ołowiowe były niedrogie i w razie potrzeby mogły zapewnić wymagany prąd dla rozrusznika elektrycznego. Tym niemniej istotną rolę w akumulatorach samochodowych odgrywał fakt, że były one ciężkie jak ołów. Zasadniczo akumulatory rozruchowe miały rozsądny stosunek ceny do wydajności i działały tak dobrze, że przez lata nie nastąpił ich znaczący rozwój.
Jedynym prawdziwym problemem z otwartymi bateriami było parowanie wody. Aby nie skracać ich żywotności, akumulatory musiały być od czasu do czasu uzupełniane niewielką ilością wody destylowanej. Zmieniło się to dopiero, gdy pierwsze modele akumulatorów z technologią AGM zostały zainstalowane w nowych pojazdach.
-
Jak działa akumulator AGM?
-
Co wpływa negatywnie na działanie akumulatora kwasowo-ołowiowego?
Aby sprawić, by akumulatory ołowiowe były bezobsługowe, a tym samym bardziej przyjazne dla użytkownika, zastosowano dwie różne metody. Po pierwsze, płynny rozcieńczony kwas siarkowy został zagęszczony dwutlenkiem krzemu i wprowadzony do akumulatora w postaci żelu.
Akumulatory ołowiowo-żelowe są wtedy hermetycznie zamknięte i mogą być używane w dowolnym miejscu. Należy jednak zachować ostrożność podczas ładowania, aby napięcie ładowania nie było zbyt wysokie i akumulator nie zaczął się gazować. Dlatego w sytuacjach awaryjnych dla każdego ogniwa dostępny jest zawór bezpieczeństwa, który uruchamia się, gdy ciśnienie wewnętrzne jest zbyt wysokie.
Innym rozwiązaniem była technologia włókninowa, w której rozcieńczony kwas siarkowy nadal jest płynny, ale zostaje wchłonięty przez specjalną włókninę. Nazwa akumulatora AGM (Absorbent Glass Mat) pochodzi od tej technologii.
Nasze polecane produkty do akumulatorów AGM
Akumulator Absorbent Glass Mat to w zasadzie zamknięty akumulator kwasowo-ołowiowy, w którym włóknina między płytami ołowianymi zatrzymuje jak gąbka elektrolit, tj. rozcieńczony kwas siarkowy.
Zasada budowy akumulatorów kwasowo-ołowiowych
W kwasoodpornym pojemniku znajdują się dwie elektrody ołowiane, które od wewnątrz tworzą siatkę (patrz ilustracja w górnej części).
Elektroda ujemna (1) jest pokryta porowatym ołowiem (Pb), znanym również jako gąbka ołowiana. Elektroda dodatnia (2) powleczona jest porowatym dwutlenkiem ołowiu (PbO2). Powłoki te są również określane jako masa aktywna, ponieważ biorą udział w reakcji chemicznej. Porowata struktura umożliwia zmaksymalizowanie powierzchni reakcji chemicznej podczas ładowania i rozładowywania.
Aby uzyskać większą wydajność pod względem pojemności i natężenia prądu wyjściowego, elektrody są skonstruowane jako zazębiające się bloki. Płyty dodatnie, podobnie jak ujemne, są ze sobą połączone elektrycznie.
Pomiędzy zazębiającymi się płytami każdej grupy znajduje się karbowany separator PVC (3), który zapobiega bezpośredniemu kontaktowi (zwarciu) między płytami. W akumulatorze AGM funkcję separatora przejmuje włóknina szklana.
Kwas siarkowy (H2SO4) rozcieńczony wodą służy jako elektrolit (4), który umożliwia wymianę ładunku między płytkami. Stosunek wody i kwasu siarkowego dobiera się w taki sposób, aby uzyskać idealną dysocjację, tj. rozkład związków chemicznych na cząsteczki, atomy lub jony. Pozwala to uzyskać optymalną przewodność jonową elektrolitu. Czysty kwas siarkowy lub zwykła woda nie sprawdziłyby się w tym przypadku.
Jeśli pojemnik z wymienionymi powyżej elektrodami zostanie napełniony rozcieńczonym kwasem siarkowym (1,28 kg/l), na elektrodzie ujemnej akumulatora wystąpi nadmiar elektronów, a na elektrodzie dodatniej - ich niedobór.
Różnica potencjałów między dwiema elektrodami wynosi około 2 V i może wahać się od 1,75 do 2,4 V w zależności od stanu naładowania. Powody tego stają się jasne, jeśli przyjrzymy się bliżej procesom chemicznym związanym z ładowaniem i rozładowywaniem. Dla lepszego przeglądu, na rysunkach w tej sekcji pokazaliśmy tylko jedną zwartą elektrodę.
Akumulator o napięciu znamionowym wynoszącym zaledwie 2 V nie nadaje się do eksploatacji w pojazdach, dlatego w pojeździe połączono szeregowo 6 ogniw. W rezultacie akumulator osiąga napięcie końcowe 12 V (6 x 2 V). Do eksploatacji w samochodzie ciężarowym, dwa akumulatory 12 V są połączone szeregowo, dzięki czemu pojazd może być zasilany napięciem 24 V. Oznacza to, że odbiorniki elektryczne są zasilane bez żadnych problemów, nawet gdy pojazd jest zaparkowany przez dłuższy czas, bez późniejszych problemów z rozruchem.
Proces rozładowania
Podczas rozładowywania w pełni naładowanego ogniwa akumulatora kwasowo-ołowiowego, następuje rozładowanie ogniwa poprzez obwód zewnętrzny (patrz lampka na rysunku). Elektrony (e-) przepływają przez obwód zewnętrzny z elektrody ujemnej (biegun ujemny akumulatora) do elektrody dodatniej (biegun dodatni).
Kwas siarkowy (H2SO4) znajduje się w stanie zdysocjowanym, a siarkowodór (HSO4-) utlenia się na elektrodzie ujemnej (Pb), tworząc porowaty siarczan ołowiu (PbSO4), uwalniając wodór (H+). W tym samym czasie na elektrodzie ujemnej wytwarzane są wolne elektrony (e-), które przepływają do zacisku dodatniego za pośrednictwem obwodu zewnętrznego.
Równanie chemiczne wygląda zatem następująco:
Pb + HSO4- → PbSO4 + H+ + 2e-
Na biegunie dodatnim akumulatora ołowiowego zachodzi redukcja. Poprzez absorpcję elektronów (e-), dwutlenek ołowiu (PbO2) elektrody zostaje zredukowany wraz z siarkowodorem (HSO4-) i wodorem (H+) do siarczanu ołowiu (PbSO4) i wody (H2O). t
W tym przypadku równanie jest następujące:
PbO2 + HSO4- + 3H+ + 2e- → PbSO4 + 2H2O
Patrząc na ogólną reakcję, ołów, dwutlenek ołowiu i kwas siarkowy wchodzą w reakcję, tworząc siarczan ołowiu i wodę.
Pb + PbO2 + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O
W rezultacie stężenie kwasu w elektrolicie zmniejsza się podczas rozładowywania.
Proces ładowania
Po przyłożeniu napięcia ładowania elektrony są dostarczane do elektrody ujemnej i usuwane z elektrody dodatniej. Reakcje chemiczne, które miały miejsce podczas rozładowywania, zachodzą teraz w odwrotnej kolejności.
Obecny siarczan ołowiu (PbS04) ulega redukcji do ołowiu (Pb) i siarkowodoru (HSO4-) poprzez absorpcję wodoru i elektronów. Równanie chemiczne jest teraz następujące:
PbSO4 + H+ + 2e- → Pb + HSO4-.
Utlenianie odbywa się teraz na biegunie dodatnim. Wraz z uwolnieniem elektronów, siarczan ołowiu (PbSO4) i woda (H2O) stają się ponownie dwutlenkiem ołowiu (PbO2), siarkowodorem (HSO4-) i wodorem (H+).
W tym przypadku równanie jest teraz odwrócone:
PbSO4 + 2H2O → PbO2 + HSO4- + 3H+ + 2e-
W rezultacie zawartość kwasu w elektrolicie wzrasta podczas procesu ładowania, co jest również widoczne w ogólnym równaniu:
2PbSO4 + 2H2O → Pb + PbO2 + 2H2SO4
Z tego też powodu można używać otwartych akumulatorów kwasowo-ołowiowych do sprawdzania aktualnego stanu naładowania akumulatora za pomocą testera kwasu akumulatorowego.
Główną zaletą akumulatorów AGM jest duża liczba cykli ładowania. Oznacza to, że oferują one znacznie dłuższą żywotność niż konwencjonalne akumulatory mokre. W przypadku zastosowania w pojazdach, niska rezystancja wewnętrzna umożliwia uzyskanie bardzo wysokich prądów rozruchowych, które są osiągalne również w zimie dzięki dużej stabilności w niskich temperaturach.
Właśnie dlatego technologia AGM jest wykorzystywana również w pojazdach z funkcją Start-Stop. Ponadto akumulatory te są praktycznie bezobsługowe i w razie potrzeby można je bardzo głęboko rozładować bez ryzyka uszkodzenia. Dzięki technologii Glass Mat elektrolit nie wycieka, nawet jeśli obudowa została uszkodzona mechanicznie.
W przeciwieństwie do konwencjonalnych akumulatorów kwasowo-ołowiowych, konstrukcja akumulatorów AGM zapewnia niższą rezystancję wewnętrzną. Umożliwia im to dostarczanie bardzo wysokich prądów. Nie dochodzi do rozwarstwienia kwasu ani utraty wody, dzięki czemu są bardzo trwałe i mają znacznie wyższą stabilność cyklu.
Akumulatory AGM są zatem idealne jako baterie rozruchowe do pojazdów z technologią start-stop lub z odzyskiem energii hamowania.
Akumulatory AGM są całkowicie szczelne, dzięki czemu mogą być również stosowane w samochodach kempingowych. Niemniej jednak stosuje się je również w systemach alarmowych, systemach solarnych, systemach UPS, a nawet w pojazdach elektrycznych (wózkach widłowych lub skuterach). Dzięki niskiemu poziomowi samorozładowania, mogą one bez problemu wytrzymać dłuższe okresy bezczynności.
Przedwczesna awaria akumulatorów kwasowo-ołowiowych może mieć różne przyczyny. Pokrótce podsumowaliśmy najważniejsze z nich:
Utrata wody
Jedną z głównych przyczyn krótkiej żywotności lub przedwczesnej awarii akumulatorów kwasowo-ołowiowych była utrata wody w wyniku parowania, a tym samym wysuszenie płyt ołowianych. W akumulatorach żelowych lub AGM parowaniu zapobiega lub minimalizuje je zamknięta obudowa.
Rozwarstwienie elektrolitu
Rozwarstwienie kwasu może stać się jednak problemem także w przypadku akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Podczas procesu rozładowywania gęstość kwasu w elektrolicie spada, co oznacza, że zawartość kwasu w przestrzeni szlamu pod płytami jest znacznie wyższa niż w górnym obszarze. W akumulatorze AGM włóknina zmniejsza rozwarstwienie kwasu.
Zasiarczenie
Kolejnym kryterium starzenia jest zasiarczenie, w którym porowata warstwa siarczanu ołowiu przybiera strukturę krystaliczną. W rezultacie przestaje ona aktywnie uczestniczyć w procesie ładowania i rozładowywania. Może to być spowodowane wspomnianym wcześniej rozwarstwieniem kwasu lub jeśli akumulator był częściowo lub nawet całkowicie rozładowany przez długi czas.
Erozja
Erozja powoduje odpadanie aktywnego materiału z ogranicznika (siatki). Dzieje się tak w wyniku naprężeń mechanicznych podczas procesów ładowania i rozładowywania, gazowania lub wysokich prądów. Konsekwencją tego są znaczne straty pojemności, skrócona żywotność, wyższa rezystancja wewnętrzna i zwarcia w ogniwach.
Korozja
Równie problematyczna jest korozja pomiędzy siatką a materiałem aktywnym na elektrodzie dodatniej. Oprócz rozwarstwienia elektrolitu i wysokich temperatur za korozję siatki odpowiedzialny jest również potencjał elektrod i jakość materiału. Aby poprawić właściwości mechaniczne i elektryczne, producenci częściowo dodają antymon, wapń lub srebro.
Nasza praktyczna wskazówka: aktywnie zapobiegaj zasiarczeniu
Jeśli to możliwe, akumulatory kwasowo-ołowiowe powinny być zawsze utrzymywane w stanie pełnego naładowania. Nawet podczas przechowywania. Aby uniknąć zasiarczenia, należy od czasu do czasu ładować je za pomocą odpowiedniej ładowarki, jeśli są one używane sporadycznie w pojazdach.
W przeciwnym razie zasiarczenie może doprowadzić do awarii akumulatora. Dlatego niektóre firmy oferują tak zwane odświeżacze lub pulsatory, dzięki którym można uniknąć krystalicznych struktur lub ponownie rozbić istniejące struktury.
Dlaczego akumulatorów AGM zwykle nie montuje się w komorze silnika?
Akumulatory AGM nie tolerują wysokich temperatur, dlatego nie są instalowane w bezpośrednim sąsiedztwie silnika spalinowego.
Czy akumulatory AGM można ładować za pomocą dowolnej ładowarki konwencjonalnej?
Nieregulowane ładowarki transformatorowe nie są odpowiednie. Idealnie, ładowarka powinna pracować według krzywej IUoU. Oznacza to, że początkowo stosowany jest ciągły prąd ładowania (I), aż do osiągnięcia maksymalnego napięcia ładowania. Następnie napięcie ładowania pozostaje na tym samym poziomie, a prąd ładowania zmniejsza się w czasie. Gdy prąd spadnie poniżej minimalnego prądu ładowania, system automatycznie przełączy się na ładowanie podtrzymujące.
Jaka konserwacja jest wymagana w przypadku akumulatorów AGM?
Akumulatory bezobsługowe wymagają jedynie regularnego ładowania. Jeśli nie odbywa się to automatycznie podczas normalnej pracy, należy okresowo podłączać ładowarkę, aby zapobiec nadmiernemu rozładowaniu. Terminale przyłączeniowe muszą być sprawdzane wizualnie, a wszelkie zabrudzenia usuwane. Dalsze czynności konserwacyjne nie są wymagane.
Co oznacza pojemność akumulatora?
Pojemność akumulatora wskazuje, ile prądu może on dostarczyć w określonym czasie. Dlatego też pojemność akumulatora jest określana w amperogodzinach (Ah). Na przykład akumulator o pojemności 18 Ah może dostarczać prąd o natężeniu 1,8 A przez 10 godzin. Jeśli natężenie prądu jest wyższe niż 1/10 wartości pojemności, rzeczywista pojemność użytkowa akumulatora określona przez producenta ulega zmniejszeniu.
Co oznacza akumulator o głębokim cyklu?
Akumulatory o głębokim cyklu mogą być rozładowywane bardzo głęboko bez utraty mocy lub uszkodzenia. Akumulatory rozruchowe z tradycyjną technologią (akumulatory kwasowo-ołowiowe) mogą szybko ulec zbyt głębokiemu rozładowaniu, zwłaszcza gdy pojazdy z systemem Start-Stop są używane tylko na krótkich trasach w zimie.