In secolul XIX, după descoperirea legilor electrolizei de către M. Faraday şi succesul spectaculos al lui H. Davy, care în mai puţin de doi ani a descoperit şi izolat șase elemente chimice folosind metoda electrolizei, lumea ştiinţei a început cercetări asidue în acest domeniu, cu electroliţi şi electrozi diferiţi, inerţi sau reactivi cu electroliţii. Astfel, în 1859 fizicianul francez Gaston Planté a încercat să electrolizeze apa folosind drept electrozi două plăci din plumb. Apa pură nefiind bună conducătoare de curent, a adăugat acid sulfuric în electrolit şi a observat mai multe fenomene interesante.
După un timp, culoarea plăcii pozitive (anodice) s-a schimbat din gri în castaniu, placa negativă (catodică) rămânând la culoarea iniţială. Dispozitivul, scos de sub tensiune, prezenta o tensiune electromotoare remanentă de 2,1 V şi putea debita curenţi importanţi sub tensiunea constantă de 2 V. După descărcarea completă, culoarea ambelor plăci devine albicioasă, datorită formării unei pelicule de sulfat de plumb amorf şi se schimbă iar în castaniu, respectiv gri, după o nouă electroliză (încărcare).
Planté a inventat astfel cel mai utilizat acumulator electric, folosit şi astăzi în foarte multe şi diverse domenii, cu mai multe tipuri de plăci pozitive şi negative de construcţii diferite. Pentru mărirea capacităţii se folosesc mai multe plăci montate alternativ, cele exterioare fiind întotdeauna negative. Între plăci se introduc separatoare izolante, deobicei făcute din placă subţire din PVC, ondulată pe direcţie verticală şi prevăzută cu găuri mici.
În scopul obţinerii unei tensiuni mai mari (de obicei 4; 6; 12 sau 24 V) se formează o baterie prin legarea numărului corespunzător de elemente în serie.
2. Construcţie
Alcatuirea acumulatorului cu plumb:
- o carcasa din polietilena (monobloc);
- placi interne pozitive si negative, realizate din plumb;
- separatori placi din material poros sintetic;
- electrolit, o solutie diluata din acid sulfuric si apa;
- borne din plumb, legatura dintre baterie si corpul ce are nevoie de energie.
Pentru amator fiind mai accesibile acumulatoarele de automobil şi cele cu electrolit gelificat, numite şi etanşe, sertizate etc., mă voi limita la descrierea acestora. Cutia acumulatorului, cu două, trei sau şase compartimente (pentru 4 ; 6 respectiv 12 V) este executată din material termoplastic (PVC sau PP) sau din ebonită, mai rar din sticlă, şi este prevăzută cu capace din acelaşi material, câte unul pentru fiecare element. Capacele sunt prevăzute cu buşoane de umplere şi/sau supape pentru ieşirea gazelor.
Din motive de capacitate şi economie, s-a renunţat la plăcile din plumb pur formate "natural" prin electroliză şi se folosesc plăci numite cu grătare pastate. O astfel de placă este formată dintr-un grătar din plumb aliat cu antimoniu (mai nou şi/sau cu calciu) pentru a nu participa la reacţiile chimice, în care se presează o pastă din dioxid de plumb, cu apă şi acid, la plăcile pozitive, şi pulbere de plumb la cele negative.
Pentru mărirea porozităţii se folosesc diverse adaosuri, ca negru de fum şi sulfat de bariu. Se obţin astfel plăci cu o suprafaţă activă de multe zeci de ori mai mare decât suprafaţa aparentă, ceea ce duce la capacităţi mari, volum redus şi curent debitat mare. Apoi plăcile sunt formate în fabrică, prin tratare cu acid sulfuric la temperatură ridicată.
Ca electrolit standard se foloseşte o soluţie de acid sulfuric foarte pur în apă distilată sau demineralizată, cu densitatea de 1,28 g/cm3 (740 cm3 apă şi 260 cm3 acid sulfuric 96% pentru un litru) pentru acumulatoarele funcţionând în climă temperată, sau 1,23 g/cm3 pentru climat tropical.
La prepararea electrolitului se va turna încet acidul în apă (niciodată invers), amestecând continuu cu o baghetă de sticlă, sau material plastic. Soluţia se încălzeşte destul de puternic şi se va aştepta răcirea ei înainte de turnarea în acumulator.
3. Funcţionare
La încărcare, curentul oxidează plumbul, descompune sulfatul în dioxid de plumb la plăcile pozitive şi reduce oxizii şi sulfatul la plumb metalic la plăcile negative. Reacţia chimică reversibilă este:
În plus, datorită electrolizei apei spre sfârşitul încărcării, la placa pozitivă se degajă oxigen, iar la cea negativă hidrogen. După cum se vede, electrolitul participă la reacţiile din acumulator, lucru a cărui importanţă va fi tratată mai jos. La descărcare, pe ambele plăci se formează o peliculă de sulfat de plumb amorf.
Un acumulator încărcat poate suporta temperaturi scăzute, electrolitul cu densitatea de 1,28 g/cm3 îngheţând la – 68oC, în timp ce electrolitul cu densitatea 1,12 g/cm3, corespunzătoare unui acumulator descărcat, îngheaţă la –11oC.
4. Caracteristici
După cum s-a arătat mai sus, un element dezvoltă o t.e.m. de 2,1 V şi o tensiune de 2 V în sarcină, tensiune constantă cu precizie de una sau două zecimi de volt pe tot parcursul descărcării normale, avantaj pe care îl mai are numai acumulatorul argint-zinc. Capacitatea electrică a acumulatorului este o mărime determinantă (independentă de tensiunea bateriei) şi se măsoară în amperi-oră.Pentru că această mărime depinde de valoarea curentului de descărcare, se indică şi timpul descărcării. De exemplu, un acumulator cu C20 = 60 Ah poate debita un curent de 3 A timp de 20 ore. Mărimea standard pentru care se stabileşte capacitatea este C20 (în trecut era C10).
Bineînţeles, acumulatorul (lead battery) poate furniza curenţi mai mari sau mai mici în funcţie de necesităţi, capacitatea şi tensiunea la sfârşitul descărcării scăzând la curenţi mari. De exemplu, la pornirea unui motor rece, într-o fracţiune de secundă la stabilirea contactului, un acumulator bun de 60 Ah poate debita un curent de peste 500 A; apoi, pe măsură ce turaţia demarorului creşte, curentul scade la 150…200A.
Randamentul, din punct de vedere al cantităţii de electricitate, este de minimum 0,84, iar cel al energiilor de minimum 0,65. La temperaturi scăzute, capacitatea este mai mică decât cea de la temperatura normală, dar se comportă mai bine decât alte tipuri de acumulatoare, dacă este bine încărcat.
Datorită variaţiei concentraţiei electrolitului cu gradul de încărcare, starea de încărcare se poate determina cu densimetrul, ceea ce, alături de variaţia mică şi precisă a tensiunii, este un mare avantaj. Densitatea normală este de 1,28 g/cm3 la un acumulator complet încărcat, ea scade la 1,24 la un acumulator încărcat 75%, 1.20 la 50% şi la 1,12 la unul descărcat complet.
În comerţ există densimetre pipetă, cu care se poate măsura comod şi precis densitatea electrolitului şi unele mai aproximative cu trei bile din plastic colorate diferit. Dacă bila verde pluteşte, indică încărcare completă, bila gri indicând jumătatea, iar cea albă descărcarea, sau nivelul scăzut al electrolitului.
Indicaţiile acestora sunt orientative şi dispozitivul este,(mai nou) încorporat în acumulatoarele auto (ochi magic). Electrolitul trebuie să acopere complet plăcile (nivelul electrolitului să fie cu 15...20 mm peste plăci); în caz contrar, partea descoperită se va sulfata rapid şi vor apărea diferenţe de potenţial şi curenţi de egalizare, care vor produce descărcarea accelerată, sulfatare puternică şi alte fenomene cu efecte negative.
Datorită impurităţilor din electrolit şi din materialul plăcilor, apar întotdeauna mici curenţi de egalizare şi orice acumulator neutilizat un timp pierde din cantitatea de electricitate acumulată, cu atât mai mult cu cât temperatura de depozitare este mai ridicată. Fenomenul este sensibil şi periculos la acumulatorii cu electrolit lichid, în schimb este aproape nul la cei cu electrolit gelificat.
5. Exploatare
In prezent acumulatoarele care fac obiectul acestui articol se livrează formate şi încărcate, astfel că pot fi puse imediat în funcţiune, fără alte precauţii. După ce am discutat caracteristicile generale ale ambelor tipuri, este cazul să tratăm acum separat cele două construcţii. Acumulatoarele cu electrolit lichid se fabrică în baterii cu tensiunea de 4 sau 6 V şi capacităţi de câţiva Ah pentru utilizări diverse şi vehicule cu două roţi, sau cu tensiunea de 12 sau 24V şi capacităţi de 45...240 Ah pentru autoturisme şi camioane.
Acumulatoarele instalate pe maşină funcţionează în tampon, asigurând alimentarea cu energie cu motorul oprit, sau când consumul depăşeşte capacitatea alternatorului,ca şi pornirea motorului şi sunt încărcate de către alternator în timpul funcţionării maşinii.
Pentru a asigura încărcarea completă, releul regulator al alternatorului (mecanic sau electronic) trebuie reglat astfel încât să livreze o tensiune de 13,8…14,4V, (mai mare cu câteva zecimi de volt în timpul iernii), pentru un acumulator de 12V. Dacă acumulatorul se descarcă şi roteşte greu motorul, el poate fi scos de pe maşină şi încărcat de la un redresor alimentat de la reţea, sau "ajutat" de alt acumulator bun.
Curentul de încărcare recomandat de către firmele constructoare este de 0,1 C, deci un acumulator de 60 Ah trebuie încărcat cu un curent de 6 A, timp de cca 12…14 ore. Unele firme recomandă încărcarea cu un curent de 0,05 C. La încărcarea cu curenți mari se va avea în vedere ca temperatura acumulatorului să nu depășească 45oC. Acest lucru este valabil pentru un acumulator relativ nou. De multe ori se observă că, reglând curentul la valoarea de mai sus, acumulatorul degajă gaze în cantitate mare la câteva minute de la conectarea la redresor(acumulatorul "fierbe"). În acest caz curentul trebuie micşorat astfel ca degajarea de gaze să fie redusă, în caz contrar curentul producând numai electroliza apei, fără a încărca acumulatorul. Explicaţia este următoarea: mai ales în timpul iernii dacă se circulă mai mult în oraş, cu farurile aprinse şi cu motorul la turaţie redusă, capacitatea alternatorului este depăşită, acumulatorul se descarcă lent şi plăcile se sulfatează.
Sulfatul de plumb care are un volum specific mai mare, acoperă complet plăcile şi rezistenţa interioară creşte, astfel că la curent relativ mare, căderea de tensiune între plăci şi electrolit creşte corespunzător. La o tensiune de 2,3...2,4 V/element începe electroliza apei şi nivelul electrolitului scade. În plus, sulfatul de plumb iniţial amorf se transformă în timp în sulfat cristalin, mult mai stabil şi mai bun izolant, ca atare mai greu de descompus de către curentul de încărcare. Electrolitul se va completa numai cu apă distilată, completarea cu acid fiind admisă dacă s-a vărsat o parte din electrolit, sau se înlocuieşte complet după încărcare.
Un alt fenomen care apare şi nu este indicat nici în prospecte nici în literatură este următorul: dacă se măsoară concentraţia electrolitului după câteva luni de exploatare pe maşină, sau după câteva cicluri de încărcare-descărcare la acumulatoarele staţionare, se va observa că la unele elemente densitatea electrolitului a crescut la 1,3...1,32 g/cm3 datorită eliberării acidului rămas în plăci la formarea iniţială în fabrică.
În acest caz se va scoate cu pipeta o cantitate de electrolit şi se va înlocui cu apă distilată, densitatea mai mare fiind complet inutilă şi periculoasă, scurtând viaţa acumulatorului. În timpul încărcării tensiunea se menţine mult timp la 2,1V/element, spre sfârşitul încărcării crescând la 2,4V/element, iar dacă curentul de încărcare este mare şi acumulatorul rece şi mai vechi, poate ajunge la 2,7V/element (caz foarte rar). După deconectarea de la redresor, tensiunea la borne scade repede la 2,1V/element. La sfârşitul încărcării, acumulatorul degajă hidrogen la plăcile negative şi oxigen la cele pozitive şi prezintă pericol de explozie, dacă apare o scânteie sau flacără deschisă. La acumulatoarele de automobil asemenea accidente sunt extrem de rare, dar mult mai frecvente la bărcile cu motor, la care bateria este plasată în locuri închise şi fără aerisire.
Pentru acumulatoarele utilizate ca sursă de rezervă se recomandă umplerea cu electrolit cu densitatea de 1,24 g/cm3, durata de viaţă a acumulatorului fiind mai mare. Tot în acest caz acumulatorul poate funcţiona sub încărcare permanentă, cu un curent de 0,05...0,15 A, asigurat de un mic redresor, care compensează autodescărcarea naturală. În caz că nivelul electrolitului scade în timp, curentul se va micşora puţin, iar dacă densitatea scade constant, curentul se va mări. Dacă un acumulator este lăsat descărcat câteva luni şi conectat apoi la redresor, se poate ca la începutul încărcării ampermetrul să nu indice niciun curent, iar tensiunea la borne să fie egală cu tensiunea în gol a redresorului (16...18 V.) După 10...15 minute, curentul începe să crească şi tensiunea scade spre valoarea normală, dacă acumulatorul mai este bun. Acest lucru indică o sulfatare foarte intensă şi impune o încărcare mai îndelungatăă cu curent mic, sub control atent, până când densitatea creşte la valoarea normală.
6. Uzura normală şi anormală
În funcţionare, la descărcare se formează sulfat de plumb pe ambele plăci, iar la încărcare acesta este descompus conform reacţiei arătate mai sus. Sulfatul având un volum specific mai mare decât dioxidul de la plăcile pozitive şi în porii plăcii apar la descărcare granule de sulfat bine "înţepenite" în materia activă şi care prezintă o suprafaţă redusă de contact cu acidul din electrolit. La încărcarea următoare, unele din ele nu sunt dizolvate complet (100% nu există), cu timpul sulfatul amorf cristalizează, devenind mai stabil şi aceste granule rămân în placă. Pe de altă parte, cristalele de dioxid de plumb formate la încărcare devin din ce în ce mai fine şi oxigenul degajat spre sfârşitul încărcării la plăcile pozitive smulge granule de dioxid şi sulfat, descoperind alte porţiuni de materie activă. Materia activă se compactează cu timpul şi capătă joc în fagurii grătarelor, iar rezistenţa internă creşte. Din cele două efecte antagonice rezultă la începutul duratei de viaţă o creştere a capacităţii acumulatorului, apoi o scădere datorată sulfatărilor permanente şi în final căderea unei cantităţi importante de materie activă şi ieşirea din uz. La plăcile negative, sulfatul rezultat la descărcare se reduce la plumb metalic. La încărcările următoare, plumbul tinde să se depună sub formă de peliculă continuă, ceea ce reduce în timp îndelungat suprafaţa activă a plăcilor, deci şi capacitatea lor. La exploatare dură, cu curenţi de încărcare şi descărcare prea mari şi la temperaturi ridicate, aceste fenomene capătă importanţă mult mai mare, grătarele se corodează sau crapă şi plăcile se distrug foarte repede, scoţând definitiv acumulatorul din uz. Montat pe maşină, un acumulator bun durează cel puţin cinci ani, iar utilizat ca sursă de rezervă poate dura cu 3..5 ani mai mult, nefiind supus la şocuri, încărcări şi descărcări violente, variaţii mari de temperatură şi impurificarea electrolitului.
7. Posibilităţi de regenerare
În epoca sinstrissimilor, când întunericul se propaga cu viteza luminii în casele noastre, aveam nevoie urgentă de o sursă de curent pentru iluminare şi dispuneam de un acumalator auto cu vreo trei ani vechime, care dădea semne evidente de oboseală. Ca atare, l-am încărcat timp de câteva zile cu curent mic (0,5 A), dar densitatea nu a mai crescut peste 1,24 g/cm3 şi capacitatea era mică.
Atunci am scos electrolitul, l-am spălat cu apă de reţea pentru a îndepărta materia activă căzută de pe plăci, l-am umplut cu apă distilată şi l-am pus din nou la încărcat, reglând curentul astfel ca degajarea de gaze să fie mică. Diferenţa de concentraţii între acidul şi sulfatul din plăci şi apa distilată fiind acum mult mai mare, difuziunea în porii plăcilor s-a intensificat, s-a produs o desulfatare intensă şi densitatea a crescut iar la 1,24, scoţând destul de complet sulfatul din plăci. Am lăsat electrolitul astfel format în acumulator, care s-a comportat bine, având o capacitate de cca 80% din cea iniţială şi a mai servit peste trei ani ca sursă auxiliară. Dacă aş fi înlocuit electrolitul cu altul proaspăt de aceeaşi densitate ar fi durat mai mult, pentru că impurităţile scoase din plăci în electrolit la încărcare ar fi fost înlăturate. Un acumulator auto mai vechi de patru ani nu prea mai poate fi regenerat, pentru că materia activă este prea compactată la plăcile pozitive, iar cele negative sunt plumbuite.
8. Acumulatorul cu electrolit gelificat
Realizarea unui acumulator care să nu pună probleme şi să funcţioneze în orice poziţie a fost o preocupare apărută odată cu acumulatorul cu electrolit lichid. După numeroase încercări, problema a fost rezolvată transformând lichidul într-un gel, prin adăugarea unei cantităţi de silicat de sodiu (sticlă solubilă) foarte pur. Acumulatorul astfel obţinut are câteva avantaje majore, care îl fac foarte apreciat. Poate funcţiona în orice poziţie şi nu necesită niciun fel de întreţinere. Are o autodescărcare deosebit de mică şi o durată de viaţă care poate ajunge la 15 ani, la un acumulator de calitate şi bine întreţinut. Dacă un acumulator cu electrolit lichid este lăsat nefolosit un an, el se autodescarcă aproape complet şi este total sulfatat, fiind aproape irecuperabil, în timp ce acumulatorul cu gel nu pierde decât 15..20% din capacitate, rămânând în stare de funcţionare. Un astfel de acumulator se încarcă cu un curent de 0,1 C timp de cca 14 ore până la o tensiune finală de 14,5 V, pentru tensiunea nominală de 12 V. Dezavantajele lui sunt capacitatea mai mică cu cca 25...30% la acelaşi volum, curentul maxim mai mic cam cu acelaşi procent şi comportarea mai slabă la temperaturi sub zero grade Celsius. Se produc atât acumulatoare mici de 3,5 ; 7 ; sau 14 Ah, cât şi acumulatoare mari de 45...80 Ah de formă identică cu acumulatoarele auto cu electrolit lichid. La ambele tipuri de acumulatoare, descărcarea trebuie oprită când tensiunea scade la 1,8...1,85 V/element, la curenţi relativ mici, sau 1,35 V la curenţi de şoc. În caz de neutilizare mai îndelungată, acumulatoarele se păstrează încărcate, cele cu electrolit lichid fiind verificate şi reîncărcate periodic (2...3 luni), controlând densitatea.
Pe piaţă mai există acumulatoare mici de 4 V pentru lanterne, la care electrolitul lichid este menţinut în nişte pături subţiri absorbante din materiale speciale care servesc şi ca separatoare dintre plăci, astfel că nu curge nici la răsturnarea acumulatorului şi care se defectează deobicei prin evaporarea şi electroliza apei, dacă sunt încărcate excesiv. După scoaterea dopuleţelor din plastic, se pot umple cu o pipetă mică cu apă distilată şi se pun la încărcat cu curent redus (0,1 C), putând fi regenerate dacă nu sunt prea vechi şi nu au stat prea mult timp descărcate. După încărcare, dopuleţele se montează la loc. Pentru instalaţiile energetice eoliene sau solare, acumulatoarele descrise mai sus nu dau cele mai bune rezultate, din punctul de vedere al durabilităţii.
Mai bune sunt acumulatoarele de tracţiune, cele mai potrivite fiind acumulatoarele staţionare, care au cea mai mare durată de viaţă, dar sunt şi cele mai scumpe. Alegerea este dictată de considerente economice şi de spaţiul disponibil.
9. Protecţia muncii
La sfârşitul încărcării apare electroliza apei, care degajă oxigen şi hidrogen, iar în prezenţa unei flăcări sau scântei se transformă iar în apă, având drept rezultat o explozie puternică şi stropirea cu acid, care poate avea consecinţe grave. Dacă apar stropiri cu acid ale corpului sau hainelor, se va spăla imediat cu multă apă.
În caz că picături de acid ajung în ochi, se vor face imediat spălături cu apă sau o soluţie salină (o linguriţă rasă de sare la un pahar cu apă) şi se va apela urgent la medic. Plumbul este toxic şi se acumulează în timp în organism, deci, după lucrul cu acumulatoarele, se vor spăla bine mâinile şi faţa cu apă şi săpun. În niciun caz nu se va turna apă în acid sulfuric concentrat, deoarece există pericol de explozie şi stropire cu acid.
Toata stima pentru articolul Dvs. !
RăspundețiȘtergereFoarte interesant.