Akumulatory w automatyce

Akumulatory są ogniwami elektrochemicznymi prądu stałego działającymi na zasadzie reakcji odwracalnych, w związku z tym mogą być ładowane przy pomocy prądu. Najprostszy akumulator składa się z dwóch elektrod pogrążonych w elektrolicie, który może być kwasem lub zasadą, dlatego akumulatory dzielimy na kwasowe i zasadowe. W zależności od zastosowanego materiału na elektrody rozróżniamy akumulatory ołowiowe, żelazo niklowe, kadmowo niklowe, srebrno cynkowe, złoto cynkowe i gazowe.zzzz

Akumulator ołowiowy (opracowany przez Plante’go — 1859 r.) posiada elektrodę dodatnią w postaci kraty ołowiowej pokrytej warstwą dwutlenku ołowiu Pb02 oraz elektrodę ujemną w postaci kraty z metalicznego ołowiu (ołów gąbczasty). Elektrolitem jest 20… 30% roztwór kwasu siarkowego (H2S04).

W ten sposób kwas siarkowy reagując z ołowiem i dwutlenkiem ołowiu daje siarczan ołowiawy (PbS04) i wodę.

Obie reakcje elektrodowe dają reakcję wypadkową odwracalną która w czasie wyładowania przebiega od lewej strony do prawej. Siła elektromotoryczna akumulatora w stanie naładowanym ma wartość nieco wyższą od 2 V, jednakże podczas rozładowywania maleje ona wskutek zużywania aktywnych powierzchni ołowiu (na elektrodzie ujemnej) i dwutlenku ołowiu (na elektrodzie dodatniej) i pokrywania się elektrod warstwą siarczanu ołowiawego. Podczas rozładowywania zużywa się również kwas siarkowy: o ile w stanie naładowanym gęstość elektrolitu wynosi 1,24 (28° Be), to w stanie wyładowanym wynosi ona 1,19 (23° Be). Wpływa to również na zmniejszenie sem. Jeżeli sem zmaleje do około 1,85 V, akumulator należy uważać za wyładowany i dla zabezpieczenia jego trwałości należy go naładować ponownie.

Właściwości użytkowe akumulatorów ołowiowych są następujące: oporność wewnętrzna 0,001 … 0,02 Q, sprawność energetyczna 60 … 85%, sprawność pojemnościowa 80 … 95%, napięcie początkowe przy ładowaniu 2,1 V, końcowe 2,4 … 2,7 V, napięcie naładowanego ogniwa bez poboru prądu 2,05 V, napięcie początkowe przy wyładowywaniu 2,0 V, napięcie końcowe przy wyładowywaniu 1,85 V. Rozładowanie akumulatora do napięcia mniejszego od 1,8 V nie jest dopuszczalne, gdyż na jego elektrodach formuje się biały nalot soli ołowiu. Sól ta jest trudno rozpuszczalna. Powoduje ona wzrost oporności wewnętrznej akumulatora i zmniejszenie jego pojemności. Proces formowania się tej soli nazywa się zasiarczeniem. Jako znamionowy prąd ładowania i wyładowania przyjęto prąd na 10 godzin pracy akumulatora. Również pojemność znamionową określa się przy wyładowywaniu akumulatora prądem normalnym odpowiadającym 10 godzinom pracy. Samowyładowanie wynosi 1 … 2% dziennie. Pojemności akumulatorów są od około 12 do 10 000 Ah.

Akumulatory zasadowe (alkaliczne) zawierają elektrolit zasadowy. Najczęściej stosowane są akumulatory żelazo niklowe (Edisona, 1900 r.) lub kadmowo niklowe (Jungera). Akumulatory te są trwalsze od kwasowych, mało wrażliwe na niestaranną obsługę, podlegają znacznie mniejszemu samo rozładowaniu (15% rocznie) oraz mają mniejszą masę przypadającą na jednostkę pojemności, dlatego polecane są do polowych warunków pracy. Są one jednak droższe i mają gorszą sprawność (50 … 60%), a ich oporność podczas rozładowywania wzrasta kilkakrotnie. W akumulatorach żelazo niklowych elektrodę ujemną stanowi siatka żelazna z wprasowanym specjalnie produkowanym sproszkowanym żelazem. Elektrodą dodatnią jest siatka niklowa wypełniona masą złożoną z grafitu i M(OH)2 (w proporcji 1 : 4). Grafit dodany jest w celu podwyższenia przewodności masy i zmniejszenia oporności wewnętrznej akumulatora. Naczynie jest wykonane ze stali niklowej, a elektrolitem jest 20% ług potasowy (KOH) o ciężarze właściwym 1,21 (25° Be). Roztwór ten może służyć do 750 ładowań i wyładowań.

Średnie napięcie na ogniwie jest około 1,2 V; po naładowaniu sem ogniwa jest 1,48 V. Me należy rozładowywać ogniwa poniżej 0,5 V. Sprawność energetyczna takiego akumulatora jest 50 … 70%, sprawność zaś pojemnościowa 70 … 85% a więc pod tym względem akumulatory te ustępują ołowiowym.

W akumulatorach kadmowo-niklowych o nowoczesnym wykonaniu masa aktywna kadmu jest specjalnie starannie przygotowana w postaci proszku o średnicy rzędu mikrometrów. Proszek ten po odpowiedniej obróbce termicznej jest spiekany na stalowym karkasie, tworząc porowate płytki o b. dużej powierzchni czynnej z elektrolitem. Ujemne elektrody zawierają kadm i żelazo, dodatnie zaś zawierają wodorotlenek niklu Ni(OH)3 zmieszany z grafitem w celu podwyższenia przewodności elektrycznej. Elektrolitem jest wodorotlenek potasu KOH o gęstości 1,21.

Oporność wewnętrzna takiego akumulatora jest około 10 razy mniejsza od oporności akumulatora w zwykłym wykonaniu. Pozwala to na uzyskiwanie znacznych prądów przy krótkotrwałym obciążeniu. Podczas rozładowywania akumulatora następuje częściowe utlenianie kadmu i żelaza, zaś przy ładowaniu następuje proces odwrotny. Wodorotlenek potasu nie uczestniczy aktywnie w reakcjach chemicznych i dlatego koncentracja elektrolitu podczas pracy akumulatora prawie nie ulega zmianie. Sem tych akumulatorów po naładowaniu wynosi 1,65 V, a po 5 godzinach pracy przy prądzie normalnym maleje do 1,15 V.

Akumulatory kadmowo-niklowe są wykonywane również jako hermetyczne, gdyż podczas pracy wydzielają b. mało gazów, które mogą być zawarte w samym elektrolicie. Budowa hermetyczna pozwala na wykorzystywanie tych akumulatorów w każdym położeniu. Mogą być one montowane do układu jak elementy bierne, np. oporniki lub kondensatory, nie są wrażliwe na wstrząsy i mogą pracować w szerokim zakresie temperatur, a praca ich jest do 10 razy dłuższa niż zwykłych akumulatorów zasadowych. Napięcie nominalne ogniwa jest 1,25 V. W końcu pracy akumulator powinien mieć napięcie ogniwa nie mniejsze od 1,1 V. Przy dalszym rozładowywaniu istnieje zwiększona możliwość wypadania masy aktywnej. Akumulatory te są wykonywane o pojemnościach od 0,01 do 60 Ah. Bardzo dobrze nadają się one do zasilania obwodów żarzenia urządzeń pomiarowych elektronicznych przenośnych, do zasilania urządzeń półprzewodnikowych, aparatów dla słabo słyszących itp. Wymiary ogniwa do zasilania aparatów dla słabo słyszących (głucho słuch) o pojemności 60 mAh są rzędu monety 10 groszowej.

Więcej na temat  znajdziesz m.in. w serwisie:  http://www.centrologic.pl/produkcyjnie,i,przemyslowo/napedy,ppp,pl,s,9487/

Do akumulatorów zasadowych należą również akumulatory srebrowo-cynkowe. Są one bardzo kosztowne, jednakże mają szereg zalet użytkowych. Akumulator srebrowo-cynkowy umieszczany jest w naczyniu z materiału plastycznego. Jego elektrody wykonane są w postaci płyt: elektroda ujemna z tlenku cynku (nierozpuszczalnego w wodzie), umieszczonego w pakietach z masy plastycznej przepuszczających elektrolit, natomiast zatrzymujących jony metalu; elektroda ujemna jest wykonana z czystego srebra. Elektrolitem jest roztwór wodorotlenku potasu (KOH). W wyniku chemicznego działania tlenku cynku i wodorotlenku potasu wytwarza się sól K2Zn02, rozpuszczająca się w wodzie. Zawartość roztworu elektrolitu jest bardzo mała i akumulator można uważać jako półsuchy, można więc wykorzystać go w położeniu pionowym lub poziomym, a korek zamykający dostęp do naczynia może być podczas pracy ogniwa stale zamknięty, jedynie otwierany na czas ładowania. Napięcie na ogniwie jest rzędu 1,5 V, dopuszczalna gęstość prądu jest znaczna: 0,5 A na cm2 powierzchni czynnej elektrody, dlatego nawet mały akumulator jest o dużej wydajności prądowej. Np. akumulator o pojemności 100 Ah, o wymiarach 50 X 105 X 140 mm, o ciężarze 2 kG może być obciążony prądem przez 5 minut do 1200 A, a przy obciążeniu trwałym prądem do 350 A. Wymiary i ciężar przy tej samej pojemności są około 5 razy mniejsze od wymiarów i ciężaru odpowiednich akumulatorów ołowiowych. Akumulatory te nadają się specjalnie dobrze do pracy przy znacznych przeciążeniach. Ponieważ oporność wewnętrzna akumulatora jest b. mała, więc akumulator o pojemności 0,5 Ah może być obciążany prądem chwilowym do 600 A.