Akumulátory

Olovněné akumulátory jsou nejrozšířenějším druhem akumulátorů, používaným zejména v motorových vozidlech, průmyslových aplikacích, a to pro svoji přijatelnou výrobní cenu a provozní vlastnosti.

Sestava startovacího olovněného akumulátoru
1 - mřížka kladné elektrody, 2 - kladná elektroda, 3 - kladná elektroda v obálkovém separátoru, 4 - mřížka záporné elektrody, 5 - sada kladných elektrod, 6 - sada záporných elektrod, 7 - článek akumulátoru, 8 - nádoba, 9 - upevňovací lišta, 10 - snímatelný ochranný kryt, 11 - držadlo, 12 - pól akumulátoru (záporný), 13 - víko akumulátoru, 14 - protipožární pojistka

Souhrnná elektrochemická reakce je zjednodušeně znázorněna v tabulce.

Konstrukce olověných akumulátorů

Elektrody
Elektrody jsou hlavní konstrukční částí akumulátorů. Závisí na nich elektrické, rozměrové a hmotnostní parametry i životnost akumulátorů. Vyrábějí se jako kladné (aktivním materiálem je v nabitém stavu PbO2 - oxid olovičitý, který se vybíjením redukuje na PbSO4 - síran olovnatý) a záporné(aktivním materiálem je v nabitém stavu velmi porézní olovo - Pb, které se vybíjením oxiduje rovněž na PbSO4 - síran olovnatý).

Z každé základní velikosti elektrod se paralelním spojováním kladných elektrod v kladné sady a záporných elektrod v záporné sady získávají po sestavě články.

Ampérhodinová kapacita každého článku je dána kapacitou kladné elektrody násobenou počtem kladných elektrod v sadě; jmenovité napětí článků 2V se nemění.

Kladné elektrody - mají kratší životnost než elektrody záporné, a proto limitují životnost olověných akumulátorů. Nejčastěji se používají mřížkové elektrody, které se zhotovují odléváním kolektorů (mřížek) z olova legovaného dříve antimonem (1,8 až 7%) později vápníkem (0,06 až 0,1%) a cínem (0,3 až 0,7%) pro dosažení lepších licích vlastností a pro zvýšení mechanické pevnosti elektrod. Zlepšuje se tím také odolnost elektrod v cyklech nabíjení - vybíjení.

Výhodou mřížkových elektrod je nižší hmotnost, objem a cena. Nevýhodou mřížkových elektrod je krátká životnost. V cyklech nabíjení - vybíjení dosahují startovací akumulátory zhruba 200 cyklů, trakční akumulátory 300 až 700 cyklů. Při trvalém dobíjení se životnost kladných mřížkových elektrod pohybuje od 3 do 6 let.

Tloušťka elektrod určuje oblast jejich použití. Mřížkové elektrody, tenčí než 2,5mm, se používají pro nízký vnitřní elektrický odpor hlavně ve startovacích akumulátorech zatěžovaných proudy až 10 Cn (A) i více. Tlustší elektrody se používají v trakčních akumulátorech, v omezeném rozsahu v akumulátorech staničních a v dalších konstrukcích akumulátorů, kde se nepožaduje vybíjení velkými proudy.

Záporné elektrody - pro startovací, trakční i staniční akumulátory se v současné době vyrábějí jako mřížkové. Mřížky mohou být odlévány ze slitin olova podobně jako mřížkové elektrody kladné. Záporné elektrody mají tmavě šedou barvu. Během provozu akumulátorů se záporné elektrody méně opotřebovávají, a proto přežívají elektrody kladné.

U akumulátorů, tzv. přednabitých, se elektrody po namazání pastou, vyzrání a vyformování, perou a suší za nepřístupu kyslíku v inertní, popř. redukční atmosféře. Někdy se opatřují i nástřikem vhodnou ochranou proti působení vzdušného kyslíku a pro zvýšení doby skladování před použitím ve vozidle.

Méně obvyklé konstrukce elektrod
Všechny dosud popsané konstrukce elektrod mají tvar desek obdélníkového tvaru a jsou nejrozšířenější. Kromě nich se vyrábějí i jiné konstrukce elektrod.

Spirálové elektrody - zhotovují se z tenkých kolektorů, zpravidla měděných poolovených (pro výrazné snížení vnitřního elektrického odporu), na kterých je nanesena aktivní hmota. Elektrody se ve formě pasů (po proložení separáty) stáčejí do spirály a ukládají do válcových článkových nádob. Akumulátory sestavené z těchto elektrod mají výrazně nižší vnitřní elektrický odpor a mohou se vybíjet mnohem vyššími proudy než klasické startovací akumulátory. Použité jsou v bateriích OPTlMA nebo EXIDE.

Trubkové elektrody (pancéřové) - sestavují se z olověného hřebene, jehož trny jsou zasunuty do kyselinovzdorných textilních trubic. Prostor kolem olověných trnů v trubicích je vyplněn aktivní hmotou. Protože trubice zabraňují uvolňování a odpadávání hmoty do kalového prostoru, závisí životnost elektrod na korozní odolnosti olověného nosného systému elektrod. Nízkou hmotností a objemem se trubkové elektrody blíží elektrodám mřížkovým. V bateriovém provozu trakčních akumulátorů dosahují trubkové elektrody kolem 1.500 cyklů nabití - vybití a v provozu trvalého dobíjení staničních akumulátorů je jejich životnost 15 až 20 let. Určitou nevýhodou trubkových elektrod je vyšší vnitřní elektrický odpor, a nejsou proto vhodné pro vybíjení velkými proudy.

Tyčové elektrody - mají kolektor podobný mřížkovým elektrodám, ale svislá žebra jsou zesílena do tvaru tyček. Aktivní hmota nanesená na kolektor je zpevněna uzavřením do tašky (obálky) plastového separátoru. Nedochází proto k uvolňování a odpadávání aktivní hmoty do kalového prostoru, podobně jako u trubkových elektrod. V porovnání s klasickými trubkovými elektrodami mají tyčové elektrody menší vnitřní elektrický odpor, a jsou tedy vhodné pro vybíjení vyššími proudy.

Diskové elektrody - mají kruhový tvar a jsou mírně vyduté do tvaru stříšky. Sestavují se do sloupců a s elektrolytem se ukládají do válcových článkových nádob. Podle urychlených zkoušek životnosti mají akumulátory s diskovými elektrodami v provozu trvalého dobíjení dosahovat životnosti 30 až 40 let.

Separátory (oddělovače elektrod)
Separátory mechanicky oddělují v článcích kladné elektrody od záporných. V současné době se používají plošné separátory, které překrývají celou plochu elektrod. Separátory mají klást v elektrolytu minimální elektrický odpor, mají umožňovat maximálně průchod iontů SO4 a současně zabraňovat průchodu kovových iontů z elektrod jedné polarity na elektrodu polarity druhé.

Plošné separátory se používají:

• Ve tvaru listů přesahujících rozměry elektrod, aby v případě posunutí nedocházelo ke zkratu. Každý list separátoru je z jedné strany opatřen svislými žebry, kterými se přikládá na kladnou elektrodu. Mezery mezi žebry umožňují klesání uvolněných částic aktivní hmoty do kalového prostoru článků.
• Ve tvaru obálek, do nichž se vkládají kladné elektrody. Protože uvolněné částice aktivní hmoty zůstávají v obálkách, nemůže docházet ke zkratům elektrod usazeným kalem. Kalový prostor v článcích může být proto zmenšený, popř. jej lze u malých článků úplně zrušit.

Z hlediska použitých materiálů mohou být vyráběny:

• Papírové separátory se zhotovují z dlouhovlákenné celulózy. Pro zvýšení odolnosti vůči elektrolytu a elektrooxidaci se impregnují např. fenolformaldehydovou pryskyřicí. Separátory jsou levné, v elektrolytu mají nízký elektrický odpor a při velikosti pórů 20 až 30µm umožňují dobrou průchodnost iontů S04. Jejich životnost zhruba odpovídá životnosti klasických startovacích akumulátorů.
• Mikroporézní separátory se zhotovují např. z PVC, pryže nebo vysokomolekulárního polyetylenu o tloušťkách od 1 do 0,1mm, s velikostí pórů 5 až0,03µm. Životnost těchto separátorů přesahuje životnost akumulátorů.
• Separátory ze skelných vláken někdy doplňují mikroporézní separátory v bateriích pro těžké provozy, kde se umísťují u kladných elektrod a příznivě ovlivňují životnost akumulátorů.

Akumulátorové nádoby a víka
Do kapacity zhruba 200Ah se akumulátorové nádoby zhotovují jako šesti nebo tříčlánkové bloky. Každý článek má v nejnižší části nádoby kalový prostor, který musí být tak velký, aby kal vznikající během činnosti akumulátorů nezkratoval elektrody. Nad kalovým prostorem je prostor elektrodový a nad ním bývá, zpravidla na nádobách, vyznačeno minimum a maximum plnicího prostoru pro elektrolyt. V nejvyšší části nádob je plynovací prostor pro plyny vznikající elektrolýzou vody obsažené v elektrolytu.

Z materiálů používaných pro výrobu akumulátorových nádob je na ústupu tvrzená pryž. Nahrazuje se plasty, které mají nižší hmotnost, lepší odolnost proti nárazu a umožňují kontrolovat hladinu elektrolytu přes průsvitné až průhledné stěny nádob. Z nejpoužívanějších materiálů lze uvést např. polypropylen (PP), kopolymer polypropylenu a polyetylénu (PPE), akrylostyrenovou pryskyřici (AS) a směs akrylové pryskyřice s butadienovou pryží (ABS).

Sestava 12V baterie
1 - hřeben s elektrodami, 2 - sestava článku, 3 - opěra elektrod článku, 4 - kalový prostor, 5 - nádoba baterie, 6 - kladný vývod článku, 7 - spojka vývodů článků, 8 - článková přepážka, 9 - víko baterie, 10 - těsnění vývodu článku, 11 - záporný vývod baterie, 12 - zátka nalévacího otvoru

Víka bateriových bloků a článků se zhotovují ze stejných materiálů jako nádoby. Oddělují vnitřní prostor článků od vnějšího prostředí a zamezují jednak znečišťování elektrolytu zvenčí, jednak omezují odpařování vody z elektrolytu a únik aerosolu elektrolytu do okolního prostředí.

U nádob z tvrzené pryže se víka utěsňují zalitím asfaltovou hmotou, u plastových nádob se zatavují nebo přilepují k nádobám. Pólové vývody se zatavují nebo se těsní speciálními průchodkami. Víka jsou opatřena různými konstrukcemi zátek, popř. pojistnými (přetlakovými) ventily, které umožňují únik vznikajících plynů z článků.

Ing. František Krejčí

Více informací k tématu naleznete zde ...