Ołów i kwas to dwie rzeczy, które większość ludzi zna wystarczająco dobrze, aby ich uniknąć. Ołów jest metalem ciężkim, który może powodować całą listę problemów zdrowotnych, a kwas jest kwaśny. Sama wzmianka o tym słowie wywołuje obrazy bulgoczących zielonych płynów i szalonych naukowców nastawionych na dominację nad światem.
Ale podobnie jak czekolada i masło orzechowe, ołów i kwas nie wydają się pasować do siebie, ale robią to. Bez ołowiu i kwasu nie mielibyśmy akumulatorów samochodowych, a bez akumulatorów samochodowych nie mielibyśmy żadnego z nowoczesnych akcesoriów - ani podstawowych potrzeb, takich jak reflektory - które wymagałyby układu elektrycznego. Jak dokładnie te dwie śmiercionośne substancje zjednoczyły się, aby stworzyć solidną podstawę elektroniki samochodowej? Odpowiedź, aby pożyczyć zwrot frazy, jest elementarna.
Nauka o magazynowaniu energii elektrycznej
Baterie elektryczne są po prostu zbiornikami magazynowymi, które są w stanie utrzymać ładunek elektryczny, a następnie rozładować go do ładunku. Niektóre baterie są w stanie wytworzyć prąd elektryczny ze swoich podstawowych elementów, gdy tylko zostaną zmontowane. Te baterie są wywoływane akumulatory podstawowe i są zwykle usuwane po wyczerpaniu ładunku. Akumulatory samochodowe pasują do innej kategorii baterii elektrycznej, która może być ładowana, rozładowywana i ponownie ładowana. Te akumulatory wtórne wykorzystują odwracalną reakcję chemiczną, która różni się od jednego rodzaju akumulatora do drugiego.
W kategoriach, które większość ludzi może łatwo zrozumieć, baterie AA lub AAA, które kupujesz w sklepie, trzymają w pilocie, a następnie wyrzucają, gdy umierają, są bateriami podstawowymi. Są one montowane, zazwyczaj z ogniw cynkowo-węglowych lub cynkowych i dwutlenku manganu, i są zdolne do dostarczania prądu bez naładowania. Kiedy umierają, wyrzucasz je - lub pozbywasz się ich prawidłowo, jeśli wolisz.
Oczywiście, możesz kupić te same baterie AA lub AAA w "ładowalnej" formie, która kosztuje więcej. Te akumulatory zwykle wykorzystują ogniwa niklowo-kadmowe lub wodorkowo-niklowe. W przeciwieństwie do tradycyjnych baterii "alkalicznych", akumulatory NiCd i NiMH nie są w stanie dostarczyć prądu do obciążenia podczas montażu. Zamiast tego do komórek doprowadza się prąd elektryczny, co powoduje reakcję chemiczną w akumulatorze. Następnie przyklejasz baterię do pilota, a kiedy umiera, umieszczasz ją w ładowarce, a zastosowanie prądu odwraca proces chemiczny, który wystąpił podczas rozładowywania.
Akumulatory samochodowe, które wykorzystują ołów i kwas siarkowy zamiast tlenowodorotlenku niklu i stopu pochłaniającego wodór, są podobne do akumulatorów NiMH w funkcji. Gdy do akumulatora zostanie doprowadzony prąd elektryczny, nastąpi reakcja chemiczna i zostanie zapisany ładunek elektryczny. Kiedy ładunek jest podłączony do akumulatora, reakcja ta ulega odwróceniu, a prąd zostaje dostarczony do obciążenia.
Przechowywanie energii za pomocą ołowiu i kwasu
Jeśli używasz ołowiu i kwasu do przechowywania ładunku elektrycznego, to brzmi to archaicznie. Pierwsza bateria ołowiowo-kwasowa została wynaleziona w latach 50. XIX wieku, a bateria w samochodzie używa tych samych podstawowych zasad. Projekty i materiały ewoluowały przez lata, ale ta sama podstawowa idea jest w grze.
Po rozładowaniu akumulatora kwasowo-ołowiowego elektrolit staje się bardzo rozcieńczonym roztworem kwasu siarkowego, co oznacza, że jest to w większości zwykły H20, w którym znajduje się trochę H2SO4. Płytki prowadzące, po zaabsorbowaniu kwasu siarkowego, stają się głównie siarczanem ołowiu. Gdy do akumulatora zostanie doprowadzony prąd elektryczny, proces ten zostanie odwrócony. Płytki siarczanu ołowiu obracają się (najczęściej) z powrotem do ołowiu, a rozcieńczony roztwór kwasu siarkowego staje się bardziej skoncentrowany.
Nie jest to bardzo skuteczny sposób magazynowania energii elektrycznej, pod względem tego, jak ciężkie i duże komórki są porównywane z ilością energii, którą przechowują, ale akumulatory kwasowo-ołowiowe są nadal w użyciu z dwóch powodów. Pierwszy to kwestia ekonomii; akumulatory ołowiowo-kwasowe są znacznie tańsze w produkcji niż jakakolwiek inna opcja. Innym powodem jest to, że akumulatory kwasowo-ołowiowe są w stanie zapewnić ogromne ilości prądu na żądanie jednocześnie, co czyni je wyjątkowo odpowiednimi do stosowania jako akumulatory rozruchowe.
Jak płytko jest Twój cykl?
Tradycyjne akumulatory samochodowe są czasami określane jako Baterie SLI , gdzie "SLI" oznacza start, oświetlenie i zapłon. Skrót ten dobrze ilustruje główne cele akumulatora samochodowego, ponieważ głównym zadaniem jakiejkolwiek baterii samochodu jest uruchomienie rozrusznika, świateł i zapłonu przed uruchomieniem silnika. Po uruchomieniu silnika alternator dostarcza całą niezbędną energię elektryczną, a akumulator jest doładowywany.
Ten typ użytkowania jest płytkim rodzajem cyklu pracy, ponieważ zapewnia krótki impuls dużej ilości prądu, i to właśnie są przeznaczone specjalnie do tego celu. Mając to na uwadze, nowoczesne akumulatory samochodowe zawierają bardzo cienkie płyty ołowiu, co pozwala na maksymalną ekspozycję na elektrolit i zapewnia możliwie największe natężenie prądu przez krótki czas. Ten projekt jest konieczny ze względu na ogromne wymagania prądowe silników rozruchowych.
W przeciwieństwie do akumulatorów rozruchowych, akumulatory o głębokim cyklu są innym rodzajem akumulatorów kwasowo-ołowiowych, zaprojektowanych do "głębszego" cyklu.Konfiguracja płyt jest inna, więc nie są one odpowiednie do dostarczania dużych ilości prądu na żądanie. Zamiast tego mają one zapewniać mniejszą moc przez dłuższy czas. Cykl jest "głębszy", ponieważ jest dłuższy, niż spowodowany większym rozładowaniem. W przeciwieństwie do akumulatorów rozruchowych, które są automatycznie ładowane po każdym użyciu, akumulatory z głębokim cyklem można powoli rozładowywać - do bezpiecznego poziomu - przed ponownym naładowaniem. Podobnie jak w przypadku akumulatorów rozruchowych, akumulatory kwasowo-ołowiowe nie powinny być rozładowywane poniżej zalecanego poziomu, aby uniknąć trwałego uszkodzenia.
Inny pakiet, ta sama technologia
Chociaż podstawowa technologia akumulatorów kwasowo-ołowiowych pozostaje mniej więcej taka sama, postępy w zakresie materiałów i technik doprowadziły do wielu odmian. Akumulatory głębinowe oczywiście używają innej konfiguracji płyt, aby umożliwić głębszy cykl pracy. Inne warianty idą jeszcze dalej.
Największym postępem w technologii akumulatorów kwasowo-ołowiowych są prawdopodobnie baterie ołowiowo-kwasowe o regulowanym zaworze (VRLA). Nadal używają ołowiu i kwasu siarkowego, ale nie mają "zalanych" mokrych komórek. Zamiast tego używają do elektrolitu albo komórek żelowych, albo pochłoniętej maty szklanej (AGM). Proces chemiczny jest taki sam na poziomie podstawowym, ale baterie te nie są poddawane odgazowaniu, jak baterie zalane ogniwami, ani nie są podatne na wycieki po przewróceniu.
Chociaż akumulatory VRLA mają wiele zalet, są one znacznie droższe w produkcji niż tradycyjne akumulatory zalewane ogniwami. Podczas gdy technologia wciąż maszeruje naprzód, istnieje duże prawdopodobieństwo, że jeszcze przez jakiś czas będziesz jeździć z nowatorską technologią z lat 1860-tych pod maską - chyba że pójdziesz na elektryczność. Ale to zupełnie inna sprawa pod względem baterii.
