Ładowanie akumulatora kwasowo ołowiowego

Gdy rozładowaną baterię podłączymy do źródła prądu stałego, w ten sposób, że elektrodę z dwutlenku ołowiu pokrytą na skutek rozładowania siarczkiem ołowiu (katoda) połączymy z biegunem dodatnim prostownika, a elektrodę ołowianą, pokrytą siarczkiem ołowiu (anoda) połączymy z biegunem ujemnym prostownika, zachodzą procesy:

• Jony wodoru H⁺ wciąż obecne w rozcieńczonym elektrolicie rozpoczynają wędrówkę do elektrody z potencjałem ujemnym. W tym przypadku jest to elektroda ołowiana pokryta siarczkiem ołowiu. W kontakcie z nią każdy kation wodoru H⁺ pobiera po jednym elektronie stając się atomem wodoru, a następnie reaguje z siarczkiem ołowiu tworząc cząsteczkę ołowiu i kwas siarkowy:

PbSO₄ + 2H → H₂SO₄ + Pb

• Jony siarczanowe SO₄^2- przemieszczają się w stronę potencjału dodatniego katody będącej z kolei dwutlenkiem ołowiu pokrytym siarczanem ołowiu. W kontakcie z tą elektrodą oddają nadmiarowe elektrony, a następnie wchodzą w reakcję z siarczanem ołowiu i tworzą dwutlenek ołowiu oraz kwas siarkowy:

PbSO₄ + 2H₂ + SO₄ → PbO₂ + 2H₂SO₄

Podczas ładowania baterii zauważyć można:

• postępujący wzrost napięcia na elektrodach
• wzrost stężenia elektrolitu
• stopniowe odsiarczanie elektrod
• wzrost temperatury baterii będący efektem ubocznym zachodzących reakcji
• pojawiające się pod koniec procesu ładowania baterii znaczne gazowanie baterii będące skutkiem elektrolizy wody zawartej w elektrolicie. Powstaje wówczas gazowy wodór i tlen.

Graficznie reakcje powyższe można by przedstawić następująco:

Utrata pojemności będąca następstwem starzenia się baterii związana jest przede wszystkim z następującymi zjawiskami:

• stopniowym kruszeniem się i w efekcie wypadanie masy czynnej (dwutlenku ołowiu oraz ołowiu gąbczastego) spowodowanym przyrostem ich objętości w trakcie wiązania atomów siarki z kwasu podczas rozładowywania a następnie ich kurczenia się podczas ładowania kiedy to „zwracają” siarkę do kwasu siarkowego zawartego w elektrolicie,
• postępującym zasiarczaniem elektrod występującym zwłaszcza w sytuacjach w których rozładowana bateria pozostaje dłuższy czas bez ładowania. Wówczas to siarczan ołowiu pokrywający elektrody zaczyna krystalizować zmieniając swe parametry fizyczne – staje się znacznie mniej rozpuszczalny i tym samym trudniejszy do usunięcia podczas kolejnych ładowań. Zasiarczenie akumulatora jest często możliwe do usunięcia. Proces taki, zwany regeneracją akumulatora, jest jednak czasochłonny i zawsze powinien być poprzedzony kompleksowym przeglądem akumulatora. W przeciwnym razie może okazać się że kilkadziesiąt godzin ładowania odsiarczającego nie przyniosło żadnych efektów gdyż problem leżał gdzie indziej.
• wzrostami temperatury baterii zarówno w trakcie ładowania jak i rozładowania które dodatkowo powodują powstawanie naprężeń w masie czynnej elektrod, przyspieszone odparowywanie wody z elektrolitu, nierównomierny rozkład napięć pomiędzy celami akumulatora i w efekcie tego tzw. prądy błądzące. Pojawiają się one po zakończonym procesie ładowania i trwają do momentu w którym cele nie osiągną podobnej temperatury i tym samym równych napięć:

Pomimo tego iż producenci podają żywotność baterii w granicach 1200 – 1500 cykli to należy mieć na uwadze że parametry te mogą być osiągnięte wyłącznie w warunkach laboratoryjnych. W praktyce na skutek wysokich wymagań stawianym urządzeniom zasilanym akumulatorami, szybkich ładowań wysokimi prądami, pracy w podwyższonej temperaturze elektrolitu przekraczającej w sezonie letnim niejednokrotnie 40ºC, wibracjom oraz pracy wielozmianowej żywotność akumulatorów okazuje się w sporej części przypadków znacznie krótsza.

W efekcie tego szczególnego znaczenia nabiera konieczność prawidłowej eksploatacji i obsługi baterii kwasowo ołowiowych oznaczająca między innymi:

• właściwy dobór prostownika,
• unikanie głębokich, powyżej 80% rozładowań (60% dla baterii żelowych),
• przestrzeganie czasów ładowań,
• utrzymywanie właściwego poziomu elektrolitu i jego gęstości,
• utrzymywanie baterii w stanie czystym
• pilnowanie stanu połączeń ogniw, wtyczek i kabli,
• przeprowadzanie ładowań odsiarczających
• innych, w zależności od zastosowanej technologii i producenta.

Podstawowe zasady dotyczące konserwacji i eksploatacji ołowiowo kwasowych baterii trakcyjnych

Podstawą naszej działalności jest fakt, że do tej pory niczego takiego nie wynaleziono.

Pomimo tego, iż od momentu, w którym francuski fizyk Gaston Planté, wynalazł pierwsze chemiczne ogniwo umożliwiające wielokrotne ładowanie i rozładowanie, minęło ponad 150 lat, pozostaje ono do dzisiaj najpopularniejszym typem akumulatora.

typ akumlatora	max. gęstość energii [Wh/kg]	max. gęstość mocy [W/kg]	zakres temperatur pracy [ºC]	max liczba cykli ładowania	Koszty [USD/kWh]
kwasowo ołowiowy	20 : 35	150	-40 :+60	800:1000	60
kwasowo ołowiowy udoskonalony	45	250	-40 :+60	1500	200
Ni-Cd niklowo kadmowy	30 : 50	125 : 200	-40 :+80	2500	300
Li-Ion litowo jonowy	100 : 180	200 : 300	-40 : +80	1000	300
litowo polimerowy	200	350	+ 80 : +120	1000	150