3

Akumulatory samochodowe

3.1. Wiadomości ogólne

Współczesne pojazdy samochodowe są wyposażone w dwa źródła energii elektrycznej: akumulator i prądnicę. Podstawowym zadaniem akumulatora, zwa­nego statycznym źródłem energii elektrycznej, jest zasilanie odbiorników elek­trycznych w przypadku, gdy silnik spalinowy jest unieruchomiony. Dotyczy to głównie rozrusznika i oświetlenia. Energia akumulatora, zużyta podczas postojów lub rozruchu, zostaje w czasie ruchu pojazdu uzupełniona z drugiego źródła energii — prądnicy samochodowej.

Akumulator jest ogniwem elektrochemicznym, w którym energia elektryczna zostaje zgromadzona (zakumulowana) na skutek przemian chemicznych. Energia elektryczna doprowadzona do akumulatora w czasie ładowania, zmagazynowana w postaci energii chemicznej, może być odzyskana z akumulatora przy wyładowa­niu. Procesy ładowania i wyładowania mogą być cyklicznie powtarzane.

W wyposażeniu elektrycznym pojazdów samochodowych stosuje się pow­szechnie akumulatory ołowiowe (kwasowe). Akumulatory samochodowe — rozruchowe, są przeznaczone do zasilania elektrycznych obwodów oświetlenia, zapłonu i rozruchu pojazdów samochodowych z silnikami spalinowymi wypo­sażonymi w rozruszniki.

Akumulatory ołowiowe można również używać do innych celów, np. akumu­latory rozruchowe jako trakcyjne, jednak w takim przypadku należy się liczyć z możliwością ograniczenia ich żywotności eksploatacyjnej.

3.2. Budowa i zasada działania akumulatora ołowiowego

Akumulator samochodowy ołowiowy składa się z kilku ogniw połączonych szeregowo, np. trzech — dla uzyskania napięcia 6 V (rys. 3.1) lub sześciu — dla uzyskania napięcia 12 V (rys. 3.2). Dla uzyskania napięcia 24 V łączy się szeregowo dwa akumulatory o napięciu 12 V każdy. Akumulator ołowiowy składa się z zes­tawu dwóch zespołów płyt (elektrod) z ołowiu oraz naczynia z elektrolitem — rozcieńczonym kwasem siarkowym. Płyta akumulatorowa wykonana z ołowiu w postaci kratki jest wypełniona tzw. masą czynną. W płytach, które mają stanowić biegun dodatni akumulatora (płyta dodatnia), głównym składnikiem masy czynnej

w postaci pasty jest dwutlenek ołowiu PbO₂, natomiast w płytach, które mają być biegunem ujemnym (płyta ujemna), ołów gąbczasty. Tak wykonane płyty ołowiane (elektrody) zanurzone w elektrolicie wykazują różne potencjały w stosunku do elektrolitu. Różnica potencjałów między elektrodami waha się w granicach 1,75 V w wyładowanym ogniwie oraz 2,4 V i więcej — w naładowanym.

Rys. 3.1. Akumulator samochodowy 6 V

Rys. 3.2. Akumulator samochodowy 12 V

Elektrolitem do akumulatorów ołowiowych jest roztwór kwasu siarkowego o gęstości ok. 1,265 g/cm³ w stanie naładowanym akumulatora. Płyty o tej samej biegunowości łączy się ze sobą w zespół płyt. Zespół składa się z płyt, których chorągiewki wspawano do ołowianego mostka biegunowego. Mostek łączy płyty w jedną całość. Z mostka wystaje końcówka ogniwa, zwana trzpieniem biegu­nowym, służąca do łączenia ogniw z obwodem zewnętrznym. Płyty dodatnie mają tendencję do wyboczania się przy obciążeniu jednostronnym, dlatego zespół płyt dodatnich zawiera o jedną płytę mniej niż odpowiadający mu zespół płyt ujemnych, przy czym płyty dodatnie są umieszczone między ujemnymi. Między płytami o przeciwnej biegunowości umieszcza się przekładki międzypłytowe zwa­ne separatorami, które są wykonane z materiału porowatego, mają właściwości izolacyjne i zapewniają swobodną wędrówkę i wymianę elektrolitu. Najczęściej spotyka się przekładki wykonane z polichlorku winylu, ponadto są używane sepa­ratory mikroporowate papierowe (nasycone żywicą syntetyczną). Naczyniem aku­mulatorowym nazywa się komorę, w której umieszcza się zestaw płyt i elektrolit.

Wielokomorowe naczynie nazywa się blokiem akumulatorowym. Do produkcji bloków stosuje się ebonity, masy asfaltowe, a także tworzywa sztuczne. Akumula­tory samochodowe powinny być niewylewne. Poszczególne naczynia akumulato­rowe lub komory bloku są zamykane szczelnie wieczkami, wykonanymi z tego samego materiału co naczynia. Wieczko ma specjalne otwory na końcówki ogniwa oraz otwór służący do napełniania ogniwa elektrolitem, zaopatrzony w gwint, dzięki czemu można ogniwo zamknąć wkręcanym korkiem.

3.3. Procesy chemiczne w akumulatorze ołowiowym

3.3.1. Ładowanie akumulatora

Akumulator może być ładowany tylko prądem stałym, z tym że zacisk oznaczony (+) źródła napięcia łączy się z zaciskiem (+) akumulatora, nato­miast zacisk (-) źródła napięcia z zaciskiem (-) akumulatora. Jony wodoru 2H⁺ zdążają ku katodzie i pobierają z niej brakujące elektrony, ulegając zobojętnieniu, następnie wchodzą w reakcję z białym siarczanem ołowiawym PbSO₄ tych płyt, co w wyniku powoduje powstanie ołowiu metalicznego o barwie szarostalowej oraz kwasu siarkowego

PbSO₄ + 2H⁺ + 2e-^Pb + H₂SO₄ (3.1)

Jony reszty kwasowej SO₄ , oddając nadmiar elektronów na anodzie ulegają elektrycznemu zobojętnieniu i wchodzą w reakcję z siarczanem ołowiawym tych płyt i wodą roztworu, wskutek czego powstaje dwutlenek ołowiu koloru ciemno­brunatnego oraz kwas siarkowy. Reakcja przebiega w dwóch etapach

PbSO₄ + SO₄ -> Pb(SO₄)₂ + 2 e (3.2)

Pb(SO₄)₂ + 2 H₂O -> PbO₂ + 2 H₂SO₄ (3.3)

Podczas ładowania zwiększa się gęstość elektrolitu, ponieważ wzrasta liczba cząsteczek kwasu siarkowego w elektrolicie. Siarczan ołowiawy zostaje zamienio­ny w obojętny ołów metaliczny na płycie ujemnej oraz dwutlenek ołowiu na płycie dodatniej. Między różnoimiennymi płytami powstaje, wzrastająca w miarę łado­wania siła elektromotoryczna, aż do osiągnięcia wartości ok. 2,7 V na ogniwo. W miejscach gdzie cały siarczan ołowiawy zostaje przetworzony na ołów lub dwutlenek ołowiu, reakcje te już nie zachodzą. Następuje rozkład wody zawartej w elektrolicie; na płycie ujemnej wydziela się wodór, a na dodatniej — tlen. Wówczas mówi się, że akumulator gazuje.

3.3.2. Wyładowanie akumulatora

Energia zgromadzona w akumulatorze może być z niego odzyskana w trakcie wyładowania. Zarówno na płytach ujemnych, jak i dodatnich odbywa się ruch jonów w kierunku przeciwnym niż w przypadku ładowania. Reakcje chemiczne

zachodzące na obu elektrodach są odwrotne niż w przypadku ładowania. Stężenie elektrolitu zatem maleje, gdyż kosztem cząstek kwasu powstaje woda. Jednocześ­nie na obydwóch płytach powstaje siarczan ołowiawy. Pontencjały elektrolityczne płyt w stosunku do roztworu zaczynają się wyrównywać, a wypadkowa siła elekt­romotoryczna akumulatora maleje. Procesu wyładowania nie należy zbyt długo przeciągać. Jeżeli napięcie na jednym ogniwie akumulatora obniża się do 1,75 V, akumulator traktuje się jako całkowicie wyładowany. Pobieranie prądu z ogniwa o napięciu niższym niż 1,75 V powoduje wytwarzanie się na płytach grubokrysta-licznego siarczanu ołowiawego, trudniejszego do rozłożenia w procesie ponowne­go ładowania. Ten proces, zwany zasiarczaniem płyt, powoduje zmniejszenie się czynnej powierzchni płyt i nieodwracalne zmniejszenie pojemności elektrycznej akumulatora.

3.4. Podstawowe wielkości

3.4.1. Siła elektromotoryczna

Siła elektromotoryczna akumulatora jest to różnica potencjałów jego za­cisków biegunowych przy otwartym obwodzie zewnętrznym. Siła elektromoto­ryczna jednego ogniwa akumulatora ołowiowego wynosi ok. 2 V i waha się w za­leżności od stanu akumulatora, gęstości elektrolitu i temperatury.

Siłę elektromotoryczną (napięcie w stanie jałowym) mierzy się na zaciskach

Rys. 3.3. Schemat układu do pomiaru siły elektromotorycznej i napięcia akumulatora

akumulatora nie obciążonego. Z rysunku 3.3 widać, że siłę elektromotoryczną mierzy się przy otwartym wyłączniku W. Siłę elektromotoryczną jednego ogniwa w temperaturze 20°C można z wystarczającą dokładnością wyznaczyć z następu­jącej zależności

E = 1,85 + 0,917(γ-1) (3.4)

lub

E = 0,84 + γ (3.5)

przy czym: γ— wielkość liczbowo równa gęstości elektrolitu w temperaturze 20°C , wyrażona w g/cm³.

3.4.2. Napięcie akumulatora

Rozróżnia się napięcie znamionowe, napięcie wyładowania oraz napięcie ładowania akumulatora. Za napięcie znamionowe przyjęto napięcie ogniwa równe 2,0 V, tzn. wartość średnią napięcia, jaką ma akumulator kwasowy w stanie jałowym. Tak więc bateria akumulatorów złożona z trzech ogniw ma napięcie znamionowe 6,0 V, a złożona z sześciu ogniw ma napięcie znamionowe 12,0 V.

Istnienie zmiennej rezystancji wewnętrznej akumulatora powoduje, że napięcie wyładowania U_w jest mniejsze od siły elektromotorycznej akumulatora o spadek napięcia na tej rezystancji, czyli

przy czym: E — silą elektromotoryczna, V; R_w — rezystancja wewnętrzna akumu­latora, Ώ; I_w—prąd wyładowania, A.

W czasie wyładowania masy czynne płyt akumulatora przechodzą stopniowo w siarczan ołowiawy, co uzewnętrznia się zmniejszeniem napięcia. Ponadto wy­dzielany na obu rodzajach płyt siarczan ołowiawy powoduje zmniejszenie porowa­tości powierzchni mas czynnych, co zmniejsza możliwość dyfuzji elektrolitu wewnętrznego z elektrolitem zewnętrznym. Do celów praktycznych służy charak­terystyka wyładowania, czyli zależność napięcia na zaciskach akumulatora od czasu trwania wyładowania (rys. 3.4). Krzywa pokazuje, że napięcie akumulatora maleje powoli — liniowo. Należy pamiętać, że nie wolno wyładować akumulatora poniżej ściśle określonego napięcia końcowego. Napięcie końcowe zależy od wartości prądu wyładowania i jest ok. 0,2 do 0,6 V niższe od napięcia początkowe­go wyładowania.

Na rysunku 3.5 przedstawiono charakterystyki wyładowania akumulatora prą­dem znamionowym (20-godzinnym) przy temperaturze elektrolitu: 25°C; 0°C; -18°C i -30°C. Jak widać, wartość napięcia końcowego zależy od temperatury elektrolitu. Rozcieńczony kwas siarkowy zamarza w bardzo niskich temperaturach. Temperatura krzepnięcia elektrolitu zależy od jego gęstości i czystości. Zamarzaniu można zapobiegać, utrzymując akumulator przez cały czas w stanie naładowania. Należy zwracać szczególną uwagę na zapobieganie zamarzaniu elektrolitu, gdyż może to spowodować niesprawność akumulatora, a nawet jego uszkodzenie. Na rysunku 3.6 przedstawiono wykres zależności temperatury krzepnięcia elektroli­tu T₀ w funkcji jego gęstości y w temperaturze 20°C.

Przy wyładowywaniu prądem znamionowym (20-godzinnym) napięcie końco­we nie może być mniejsze niż 1,75 V na ogniwo. Po przerwaniu wyładowania napięcie powinno się ustalić na poziomie 1,99 V na ogniwo.

Nieprzekraczanie ustalonego napięcia końcowego podczas wyładowywania, przy zachowaniu warunku, że gęstość elektrolitu nie będzie mniejsza niż l ,5 g/cm³ (w stanie wyładowania) i akumulator nie będzie przechowywany przez dłuższy czas w stanie wyładowanym, zapobiega zasiarczeniu akumulatora, które trudno usunąć w czasie normalnego ładowania.

Napięcie ładowania jest określone następująco:

Wartość maksymalna napięcia ładowania waha się w granicach od 2,4 do 2,75 V na ogniwo i zależy od wartości prądu ładowania oraz temperatury elektrolitu. Na rysunku 3.7 przedstawiono charakterystyki ładowania na przykładzie akumula­tora 6 V. Podczas ładowania siła elektromotoryczna wzrasta, iloczyn R_wI_ł zaś maleje (maleje rezystancja wewnętrzna R_w), więc napięcie akumulatora wzrasta. Podczas ładowania występuje gazowanie (przy średnim napięciu 2,4 V na ogniwo), którego intensywność zależy od wartości prądu ładowania. Akumulator nałado­wany powinien być odłączony od sieci zasilającej (prostownika) i po pewnym

czasie napięcie akumulatora powinno mieć ustaloną wartość 2,13 do 2,15 V na ogniwo. Przy intensywnym gazowaniu lub maksymalnym prądzie ładowania, bądź zbyt długim ładowaniu, w akumulatorze zachodzą procesy niszczące masę czynną płyt lub przekładki międzypłytowe. Zbyt intensywne ładowanie wywołuje wzrost temperatury elektrolitu (dopuszczalna temperatura 45° do 50°C) i możliwość usz­kodzenia akumulatora. Nie należy ładować akumulatora, jeżeli temperatura ele­ktrolitu jest mniejsza niż 5°C, gdyż napięcie ładowania szybko wzrasta i ładowa­nie takie nie jest efektywne.

Charakterystyka ładowania przedstawiona na rysunku 3.6 jest ściśle związana z metodą ładowania (jednostopniowe lub dwustopniowe). Ładowanie jednostop-niowe przeprowadza się prądem o wartości I_ł = 0,1 Q₂₀, aż do wystąpienia oznak całkowitego naładowania (średnio po 12 do 13 h). Ładowanie to jest krótsze, ale mniej korzystne niż ładowanie metodą dwustopniową. Ładowanie dwustopniowe przeprowadza się prądem o wartości I_ł1 = 0,1 Q₂₀, tzn. prądem 10-godzinnym, do czasu wystąpienia gazowania. Prąd ładowania I_ł1 zmniejsza się do wartości I_ł2 = 0,05 Q₂₀, tzn. prądu 20-godzinnego, i ładuje dalej, aż do wystąpienia oznak całkowitego naładowania (średnio po 5 do 6 h). Powyższe metody ładowania nie odnoszą się do pierwszego ładowania akumulatora, tzn. ładowania uruchamiają­cego, które ma decydujący wpływ na właściwości elektryczne i trwałość eksploa­tacyjną akumulatora.

3.4.3. Pojemność elektryczna akumulatora

Pojemnością elektryczną Q akumulatora nazwano wartość ładunku elek­trycznego, jaką można z niego otrzymać przy jednokrotnym wyładowaniu, wyrażoną w A * h, równoważną iloczynowi prądu wyładowania i czasu trwania wyładowania do chwili osiągnięcia na dowolnym ogniwie akumulatora napię­cia 1,75 V, tzn.

Q=I_w t_w (3.8)

Akumulator można teoretycznie wyładować dowolnym prądem, jednak ze względu na trwałość płyt i całego akumulatora muszą być zachowane pewne ograniczenia. Wartość prądu wyładowania przyjmuje się oznaczać czasem trwa­nia wyładowania. Jako prąd 20-godzinny 7₂₀ określa się taką wartość prądu wyładowania, przy której akumulator będzie dostarczać energię elektryczną przez 20 h; jako prąd 5-godzinny I₅ — taki prąd, który wyładuje akumulator w czasie 5 h,

itd. W każdym przypadku należy pamiętać o tym, że napięcie na zaciskach ogniwa nie może być mniejsze niż l ,75 V. Jeżeli akumulator jest wyładowywany w sposób ciągły prądem o wartości np. 5,6 A do chwili osiągnięcia na dowolnym jego ogniwie napięcia 1,75 V, a czas wyładowania wynosi 5h, to jego pojemność pię­ciogodzinna jest równa 28 A • h. Pojemności akumulatorów mających identyczną pięciogodzinną pojemność, różnią się jednak od siebie w zależności od wartości prądu wyładowania. Jeżeli akumulator mający pięciogodzinną pojemność równą 28 A • h będzie wyładowywany prądem o innej wartości, to czas wyładowywania oraz pojemność będą miały wartości różniące się.

Jak wynika z tablicy 3.1, pojemność akumulatora maleje wraz ze wzrostem wartości prądu wyładowania. Wynika to z faktu, że przy dużych prądach szybkość reakcji chemicznych znacznie wzrasta, przez co kwas siarkowy nie dociera do płyt w wystarczającej ilości. W celu powiązania wartości prądu wyładowania z pojem­nością akumulatora prąd wyładowania podaje się jako wielokrotność pojemności znamionowej, np. I_W = 0,05 Q₂₀. Oznacza to, że na przykład akumulator o pojem­ności 20-godzinnej Q₂₀ = 120 A • h wyładowuje się prądem o wartości 7_W = = 0,05 • 120 = 6 A, czyli prądem 20-godzinnym. Według obowiązujących norm pojemność 20-godzinna Q₂₀ jest pojemnością znamionową polskich akumula­torów samochodowych i motocyklowych. Prąd znamionowy wyładowania (prąd 20-godzinny)

I₂₀ = Q₂₀/20 = 0,05 Q₂₀ (3.9)

Tablica 3.1

Zależność pojemności akumulatora od prądu i czasu jego wyładowania

Oprócz pojemności znamiono­wej akumulatora istotna jest jego pojemność rozruchowa. Pojem­ność tę uzyskuje się przy wyłado­waniu prądem

I_w = 60 I₂₀ = 3 Q₂₀ (3.10)

Podczas rozruchu silnika spalinowego z akumulatora płynie prąd o bardzo dużej wartości. Energia dostarczona w tym czasie przez akumulator często jest zwana „pojemnością minutową". Im dłużej akumulator jest wyładowywany, tym większa jest jego pojemność. Akumulator o dużej pojemności może nawet w nis­kich temperaturach otoczenia dostarczać prąd o dużych wartościach przez dłuższy czas. Na rysunku 3.8 pokazano charakterystykę wyładowania akumulatora naładowanego. Przykładowy akumulator był wyładowywany prądem o wartości 150 A do napięcia 6,0 V przez 3,8 min, w temperaturze otoczenia równej -15°C.

Pojemność akumulatora zależy od:

• wymiarów i liczby płyt w jednym ogniwie,

• gęstości i temperatury elektrolitu,

• sposobu wyładowania akumulatora.

Liczba płyt w ogniwie i zawarta w nich masa czynna mają duży wpływ na pojemność akumulatora.

Określenie pojemności polskich akumulatorów samochodowych odnosi się do temperatury 25°C, która stanowi temperaturę odniesienia. W niższych tempera­turach pojemność akumulatora maleje. Pojemność akumulatora zależy od sposobu wyładowywania. Akumulator wyładowywany w sposób nieciągły (z przerwami) wykazuje znacznie większą pojemność niż przy wyładowywaniu ciągłym (nie­przerwanym). Pojemność akumulatora sprawdza się więc przez wyładowanie ciągłe przy stałej wartości prądu. Pojemność zależy również od wartości prądu wy­ładowania; im większy prąd wyładowania, tym mniejsza pojemność i odwrotnie.

3.4.4. Sprawność akumulatora

Rozróżnia się sprawność elektryczną i energetyczną akumulatora. Sprawność elektryczną określa się stosunkiem pojemności elektrycznej akumulatora przy całkowitym wyładowaniu Q_w (do 1,75 V na ogniwo) do pojemności elektrycznej potrzebnej do ponownego całkowitego naładowania Q_{, czyli

η_en = Q_w / Q_ł (3.11)

Sprawność elektryczna akumulatorów samochodowych wynosi od 0,8 do 0,9.

Sprawność energetyczną akumulatora określa się stosunkiem energii (W • h) pobranej z akumulatora przy całkowitym wyładowaniu E_w do energii zużytej na naładowanie akumulatora E_ł , czyli

Sprawność elektryczna akumulatorów samochodowych wynosi od 0,8 do 0,9.

Sprawność energetyczną akumulatora określa się stosunkiem energii (W • h) pobranej z akumulatora przy całkowitym wyładowaniu E_w do energii zużytej na naładowanie akumulatora E¹,, czyli

Sprawność energetyczna akumulatorów samochodowych zawiera się w grani­cach od 0,6 do 0,7.

3.4.5. Zdolność rozruchowa akumulatora

Zdolność rozruchowa akumulatora określa czas jego nieprzerwanego wy­ładowania prądem rozruchowym, aż do chwili obniżenia się średniego napię­cia przypadającego na jedno ogniwo do wartości 1,0 V.

Norma PN-93/E-83OO1/01 ... 04 przewiduje badania zdolności rozruchowej akumulatorów w temperaturze -18°C (przykładowo akumulatora 6SC34-140 A), a w przypadku akumulatorów samochodowych również w temperaturze 25°C po wypełnieniu ich po raz pierwszy elektrolitem. W obu przypadkach zdolność rozru­chowa nie powinna być mniejsza niż 3 min, a średnie napięcie przypadające na jedno ogniwo, mierzone po czasie 5 do 7 s od chwili rozpoczęcia wyładowania, nie powinno być mniejsze niż 1,33 V.

3.4.6. Samowyładowanie akumulatora

Akumulator naładowany traci — z upływem czasu — zmagazynowany w nim ładunek elektryczny nawet bez obciążenia go odbiornikiem. Zjawisko samoczyn­nego wyładowania akumulatora nazywa się samowyładowaniem. Samowyła­dowanie wywołują liczne czynniki uboczne, m.in.:

• zanieczyszczenia powierzchni pokrywy (wieczka) akumulatora;

• zanieczyszczenia elektrolitu lub masy czynnej, np. związkami chloru lub wap­
  nia;

• uszkodzenie separacji miedzypłytowej (drobne prześwity lub jednostronne
  przesunięcie).

Samowyładowanie zwiększa się w miarę upływu czasu eksploatacji akumula­tora. Przyczyną są zanieczyszczenia, które w czasie eksploatacji dostały się do elektrolitu. Ponadto pogarsza się jakość izolacji zarówno przekładek, jak i masy zalewowej. Wartość samowyładowania mierzona w procentach pojemności aku-

mulatora wynosi w przybliżeniu od 0,3 do 1,5% dziennie, przy temperaturze elektrolitu od 20 do 30°C. Na rysunku 3.9 pokazano charakterystyki określające stopień samowyładowania się akumulatora (w % na dzień) w funkcji liczby dni nieużywania akumulatora, przy określonej temperaturze elektrolitu. Jeżeli aku­mulator nie jest eksploatowany lub ładowany, to wyładowuje się w czasie od l do 3 miesięcy. Stopień samowyładowania wzrasta wraz ze wzrostem tempe­ratury elektrolitu. Dlatego też nie eksploatowany akumulator powinien być prze­chowywany w ciemnym, chłodnym pomieszczeniu. Maksymalne dopuszczalne samowyładowanie dla nowego akumulatora określa się na 14% przez okres 28 dni.

3.4.7. Akumulator suchoładowany i bezobsługowy

Producent dostarcza użytkownikom do eksploatacji akumulatory w trzech nas­tępujących wersjach: suchy nie naładowany; suchy naładowany — zwany sucho-ładowanym; napełniony elektrolitem — naładowany. Akumulatory suchołado-wane można eksploatować po napełnieniu elektrolitem. Wymaga się jednak, aby pojazd samochodowy, w którym zainstalowano ten akumulator, wykonał minimal­ny, określony przez wytwórcę przebieg. W przypadku gdy liczba przejechanych kilometrów jest nieznaczna, akumulator wymaga kilkugodzinnego doładowania dla uzyskania stanu pełnego naładowania.

W czasie dłuższego magazynowania w stanie suchym akumulator traci zmaga­zynowaną energię, a po okresie gwarancji wymaga uruchomienia podobnego, jak akumulator suchy nie naładowany. Użytkownicy samochodów stawiają producen­tom coraz wyższe wymagania, dotyczące ograniczenia zabiegów eksploatacyjnych. Dotyczy to również akumulatorów, powodując zastosowanie w niektórych typach pojazdów samochodowych akumulatorów bezobsługowych, które w określonym okresie eksploatacji pracują bez zabiegów konserwacyjnych. W miarę używania akumulatora maleje w nim ilość elektrolitu. Maleje też jego pojemność, nawet kiedy nie jest eksploatowany. Z tych powodów akumulatory muszą być okresowo sprawdzane. Akumulatory bezobsługowe lub o obniżonej obsługowości zostały skonstruowane w celu zwiększenia okresów między kolejnymi czynnościami ob­sługowymi. Głównym założeniem, towarzyszącym ich powstaniu, było zminima­lizowanie ubytków elektrolitu oraz stopnia samowyładowania. Akumulatory tego typu są instalowane w samochodach coraz częściej i mają za zadanie obniżyć koszty ich obsługi. Różnica między zwykłymi akumulatorami i akumulatorami o obniżonej obsługowości lub bezobsługowymi polega m.in. na tym, że:

• ilość antymonu zawartego w dodatnich i ujemnych płytach jest albo bardzo
  mała, albo też został on całkowicie zastąpiony innym metalem, takim jak np.
  wapń;

• wysokość żeber znajdujących się na dnie akumulatora została zmniejszona
  w celu zwiększenia ilości elektrolitu.

Jedną z przyczyn samowyładowania się akumulatorów jest obecność w płytach ołowianych domieszek antymonu. Ponieważ w akumulatorach o obniżonej obsłu-

gowości lub bezobsługowych ilość antymonu została znacznie zmniejszona lub zastąpił go wapń, przeto stopień samowyładowania został ograniczony.

Na rysunku 3.10 przedstawiono charakterystyki zmian pojemności akumulatora w funkcji czasu w wyniku samowyładowania, zbudowanego z płyt wapniowo--ołowianych i antymonowo-ołowianych. W normalnych akumulatorach antymon dyfunduje z wnętrza płyt ujemnych na ich powierzchnie, przyspieszając tempo

reakcji chemicznych zachodzących między elektrolitem i płytami ujemnymi, co powoduje przyspieszone zużywanie się wody. W przypadku akumulatorów o ob­niżonej obsługowości i bezobsługowych, ubytki elektrolitu są znacznie mniejsze. Na rysunku 3.11 przedstawiono wykresy zmian (spadku) poziomu elektrolitu w różnych typach akumulatorów, które były wyładowane i ładowane w identycz­nych warunkach.

3.5. Ładowanie akumulatorów 3.5.1. Wiadomości ogólne

Akumulator można ładować tylko prądem stałym, dlatego też w sieciach prądu przemiennego należy stosować prostowniki przetwarzające prąd prze­mienny na stały. Do pomiarów napięcia i prądu używa się przyrządów magneto-elektrycznych. Napięcie obciążonego źródła prądu stałego musi być równe lub większe od napięcia akumulatora, utrzymującego się w czasie ładowania. W nor­malnych warunkach napięcie to jest równe 2,2 do 2,7 V na ogniwo. Napięcie ładowania zależy od wartości prądu ładowania i jest do niego wprost proporcjonal­ne oraz od temperatury elektrolitu i jest do niej odwrotnie proporcjonalne. Prak­tycznie wzrostu temperatury elektrolitu o 1°C powoduje spadek napięcia ładowania o 0,01 V. Przed przystąpieniem do ładowania akumulatora należy sprawdzić, czy ogniwa, łączniki miedzy ogniwami i przewody łączące źródło prądu stałego z aku­mulatorem są we właściwym stanie technicznym, a zaciski i połączenia śrubowe odpowiednio dokręcone.

W czasie ładowania akumulatora, a zwłaszcza w początkowej jego fazie należy sprawdzić wartość napięcia i prądu ładowania. Pozwala to na ocenę aktualnego stanu akumulatora i urządzeń do ładowania i usunięcie ewentualnych nieprawidło­wości. Zaleca się ładowanie wtedy, gdy temperatura elektrolitu jest zawarta w przedziale 5 do 40°C. W trakcie ładowania akumulatora temperatura elektrolitu wzrasta, ale nie może przekroczyć wartości 50°C. W przypadku osiągnięcia tej temperatury należy zmniejszyć wartość prądu ładowania, albo zastosować wymu­szone chłodzenie elektrolitu lub przerwać proces ładowania.

3.5.2. Przygotowanie elektrolitu

Elektrolitem w akumulatorze kwasowym jest wodny roztwór kwasu siar­kowego. Elektrolit należy sporządzać z czystego kwasu siarkowego i wody desty­lowanej. Niewielkie zawartości domieszek znacznie zmniejszają pojemność i trwa­łość akumulatora. Roztwór kwasu siarkowego należy przygotować w naczyniu kwasoodpornym (kamionkowym lub szklanym), wytrzymałym na szybkie zmiany temperatury.

Należy zawsze wlewać kwas cienkim strumieniem do wody (nigdy od-wrotnie !) i mieszać roztwór prętem z materiału kwasoodpornego. Ponieważ podczas mieszania się kwasu z wodą wydziela się znaczna ilość ciepła, należy od­czekać z pomiarem gęstości, do czasu ostygnięcia roztworu do temperatury 25°C. W czasie przygotowania elektrolitu należy bezwględnie stosować osłonę na twarz, gumowe rękawice, buty i fartuch oraz mieć przygotowany wodny roztwór sody technicznej (neutralizator). Ogniwa nowego akumulatora kwaso­wego, znajdującego się w stanie suchym, należy napełnić elektrolitem. Gęstość elektrolitu używanego do napełniania określa wytwórca. Do napełniania polskich

akumulatorów samochodowych i motocyklowych suchych nie ładowanych często używa się elektrolitu o gęstości 1,26 g/cm³. Akumulatory rozruchowe suchołado-wane na ogół napełnia się elektrolitem o gęstości 1,28 g/cm³. Elektrolit w akumu­latorze kwasowym w czasie prawidłowej eksploatacji nie ulega zużyciu przez cały czas jego użytkowania. Nie zachodzi więc konieczność wymieniania go na nowy. Elektrolit użyty do napełniania akumulatora kwasowego powinien mieć tem­peraturę w granicach od 10 do 30°C i wymaganą gęstość. Bezpośrednio po napeł­nieniu elektrolitem ogniw akumulatora nie ładowanego, jego temperatura podnosi się samoistnie do ok. 35°C, a niekiedy nawet do ok. 50°C. Napełniony elektrolitem akumulator należy pozostawić na okres ok. 3 h — dla nasiąknięcia mas czynnych elektrolitem i odpowiedniego obniżenia temperatury. Napełnienie ogniw suchoła-dowanych nie powoduje wzrostu temperatury elektrolitu. Ze względu na koniecz­ność nasiąknięcia mas czynnych elektrolitem i w tym przypadku odstawiamy aku­mulator na ok. 30 min. Jednocześnie poziom elektrolitu obniża się w poszczegól­nych ogniwach akumulatora, dlatego bezpośrednio przed rozpoczęciem ładowania należy elektrolit uzupełnić do wymaganego poziomu. Poziom elektrolitu w aku­mulatorze kwasowym jest właściwy wówczas, gdy lustro elektrolitu znajduje się 15 mm ponad górną krawędzią płyt lub 5 mm ponad górnym brzegiem przekła­dek izolacyjnych (separatorów). W nowoczesnych akumulatorach poziom elektro­litu jest zaznaczony na obudowie z tworzyw najczęściej dwiema liniami, z których jedna oznacza poziom minimalny, a druga maksymalny. W czasie eksploatacji elektrolit należy uzupełniać wyłącznie wodą destylowaną, gdyż tylko woda podle­ga elektrolizie i wyparowuje z elektrolitu.

3.5.3. Pierwsze ładowanie akumulatora

Pierwsze ładowanie tzn. uruchamiające, ma decydujący wpływ na właści­wości elektryczne i trwałość akumulatora. Akumulatory rozruchowe należy uru­chamiać w sposób następujący.

Akumulatory suche nie ładowane napełnia się elektrolitem o gęstości l,26 g/cm³. Po odczekaniu 3 do 4 h i uzupełnieniu elektrolitu poddaje się je pierwszemu ładowaniu prądem stałym o wartości I, = 0,05 Q₂₀. Ładowanie aku­mulatora prowadzi się przez 50 do 70 h, aż do uzyskania cech całkowitego nała­dowania.

Akumulator uważa się za całkowicie naładowany, jeżeli trzy kolejne pomiary wykonane w odstępach jednogodzinnych wykażą:

• stałą wartość napięcia na zaciskach,

• stałą gęstość elektrolitu z uwzględnieniem zmian temperatury,

• intensywne gazowanie.

W czasie ładowania należy kontrolować temperaturę eletrolitu. W przypadku przekroczenia temperatury 50°C należy wartość prądu pierwszego ładowania zmniejszyć o połowę lub przerwać ładowanie. Ładowanie mniejszą wartością prądu powoduje przedłużenie czasu ładowania. Akumulator po pierwszym lado-

waniu uruchamiającym może być eksploatowany w pojeździe samochodowym. Jeżeli istnieją ku temu możliwości, to zaleca się, aby akumulator bezpośrednio po pierwszym ładowaniu uruchamiającym poddać wyładowaniu. Wyładowanie takie wykonuje się prądem o wartości I_W = 0,05 Q₂₀ do napięcia końcowego l,75 V na ogniwo. Następnie akumulator poddaje się zwykłemu ładowaniu jedno- lub dwu­stopniowemu (p. 3.4.2). W celu uzyskania pełnych znamionowych właściwości elektrycznych akumulatora (pojemności) należy wykonać kilka wyładowań, zwa­nych trenującymi.

Polskie akumulatory suchoładowane napełnia się elektrolitem o gęstości 1,28 g/cm³ i po odczekaniu 2 h ładuje prądem I, = 0,05 Q₂₀ przez okres 4 do 10 h, do wystąpienia oznak pełnego naładowania. Tego typu akumulatory bezpośrednio po ładowaniu powinny być eksploatowane w pojeździe samochodowym, w którym w czasie kilkugodzinnej nieprzerwanej jazdy nastąpi całkowite doładowanie aku­mulatora.

3.5.4. Doładowanie i ładowanie wyrównawcze

Akumulator niewłaściwie utrzymywany lub nie używany traci z biegiem czasu zmagazynowany w nim ładunek elektryczny i wymaga okresowego uzupełnienia tego ładunku do pełnego naładowania. Ładowanie częściowe, uzupełniające nagro­madzony w akumulatorze ładunek elektryczny, nazywa się doładowaniem. Aku­mulator doładowuje się prądem o wartości I_ł = 0,1 Q₂₀.

Ładowanie wyrównawcze polega na powolnym ładowaniu akumulatora, a następnie ładowaniu prądem o wartości I_ł = 0,05 Q₂₀ lub mniejszej. Ładowanie to ma na celu wyrównanie stanu naładowania wszystkich ogniw w akumulatorze.

3.5.5. Ładowanie przyspieszone

Istnieją przypadki całkowitego wyładowania akumulatora (np. uszkodzenie prądnicy). W takich sytuacjach można przeprowadzić przyspieszone ładowanie akumulatora. Polega ono na tym, że akumulator ładuje się początkowo prądem I_ł = 0,8 Q₂₀ do czasu rozpoczęcia gazowania (napięcie 2,4 V na ogniwo). Następnie zmniejsza się prąd do wartości I_ł = 0,1 Q₂₀.

Przyspieszone ładowanie nie jest korzystne dla akumulatora i dlatego należy je przeprowadzać tylko w przypadkach awaryjnych.

W trakcie ładowania przyspieszonego można w czasie 30 min doprowadzić do akumulatora 60 do 70% pobranego z niego ładunku.

3.5.6. Ładowanie odsiarczające

Niewłaściwa eksploatacja akumulatora prowadzi do zasiarczenia jego płyt. Występuje ono w przypadkach nadmiernego wyładowania akumulatora (poniżej napięcia l ,75 V na ogniwo), odstawienia na dłuższy czas w stanie wyładowanym

lub bez elektrolitu, w przypadku eksploatacji z elektrolitem o zbyt dużej gęstości itp. W masach czynnych akumulatora powstają gruboziarniste złogi siarczanu ołowiawego, które nie redukują się w czasie zwykłego ładowania. Oznaką zasiarczenia akumulatora są:

• mała gęstość elektrolitu po naładowaniu,

• duża wartość napięcia podczas ładowania,

• znaczny spadek pojemności elektrycznej.

W przypadku niewielkiego zasiarczenia można akumulator doprowadzić do stanu pełnej przydatności przez odpowiednie ładowanie z przerwami (wy­równawcze). Akumulator ładuje się w takim przypadku prądem o wartości I_ł = (0,02 ... 0,05) Q₂₀, przy czym czas ładowania zależy od wystąpienia oznak całkowitego naładowania. Ładowanie prowadzić należy z przerwami, tzn. po 12 h ładowania — l do 2 h przerwy.

W przypadku dużego zasiarczenia, ładowanie odsiarczające należy przepro­wadzić łącznie z wymianą elektrolitu. Należy usunąć elektrolit z akumulatora i napełnić go wodą destylowaną, następnie ładować akumulator prądem o wartości I_ł = (0,02 ... 0,05) Q₂₀ z przerwami do chwili uzyskania przez elektrolit gęstości 1,10 do 1,15 g/cm³. Ponownie usuwa się elektrolit, wlewa wodę destylowaną i kontynu­uje ładowanie, aż do ustalenia się napięcia na zaciskach akumulatora. Następnie wylewa się elektrolit z akumulatora, napełnia go świeżym elektrolitem o gęstości 1,28 do 1,30 g/cm³ i ładuje prądem I_ł = 0,05 Q₂₀, aż do wystąpienia objawów pełnego naładowania. Po ładowaniu odsiarczającym, zaleca się przeprowadzenie wyładowania prądem I_W = 0,05 Q₂₀, aż do uzyskania napięcia 1,75 V na jednym ogniwie dla określenia pojemności elektrycznej akumulatora. Jeżeli akumulator wykaże ponad 50% pojemności znamionowej, to nadaje się do dalszej eksploatacji. Opisana powyżej metoda jest stosowana w przypadku akumulatorów krótko eks­ploatowanych.

3.6. Elektryczne i elektroniczne urządzenia do ładowania akumulatora

Wykonanie urządzeń do ładowania akumulatorów jest uzależnione od istnieją­cej sieci rozdzielczej i indywidualnych potrzeb użytkownika. Obecnie najczęściej przetwarza się prąd przemienny na stały, stosując różnego rodzaju układy prostow­nicze i różne typy samych prostowników.

Prostowaniem nazywa się przetwarzanie prądu przemiennego na prąd stały za pomocą elementów mających właściwości jednokierunkowego prze­wodzenia prądu. W zależności od użytych elementów są to różnego rodzaju prostowniki półprzewodnikowe. Jednym z powszechnie stosowanych elemen­tów w tych układach jest półprzewodnikowa dioda prostownicza. Stosownie do tego, czy źródło mocy jest jednofazowe czy wielofazowe, układy prostownicze klasyfikuje się jako jednofazowe i wielofazowe. Ze względu na czas przepływu

prądu prostowanego przez element prostownikowy, dzieli się prostowniki jedno­fazowe na: jednopołówkowe (półokresowe) i dwupołówkowe (pełnookresowe).

Najprostszy schemat układu prostownika jednopołówkowego przedstawiono na rys. 3.12. Transformator zastosowano po to, aby otrzymać odpowiednią wartość napięcia wyprostowanego po stronie wtórnej. W elektrotechnice samochodowej ma to szczególne znaczenie przy ładowaniu z sieci przemysłowej o napięciu np. 220 V akumulatorów o napięciach 6 i 12 V.

Rys. 3.12. Prostowanie jednopołówkowe: a) schemat prostownika półprzewodnikowego; b) napięcie przemienne przed prostowaniem; c) napięcie na rezystancji obciążenia (wyprostowane)

Przy prostowaniu dwupołówkowym w praktyce stosuje się dwa układy. Pierw­szy z układów — z dwiema diodami i transformatorem z dzielonym uzwojeniem wtórnym.

Drugim układem jest układ mostkowy (rys. 3.13) zawierający cztery diody (tzw. układ Graetza). W półokresie, w którym na górnym zacisku wyjściowym trans­formatora występuje potencjał dodatni, a na dolnym — ujemny, przewodzą diody, przez które płynie prąd i, (linią ciągłą strzałki). W następnym półokresie, w którym na górnym zacisku wyjściowym transformatora występuje potencjał ujemny, na dolnym — dodatni, przewodzą diody, przez które płynie prąd i₂ (linią przerywaną

strzałki). Układ mostkowy zapewnia najlepsze wykorzystanie transformatora i ele­mentów prostowniczych.

W Polsce jest m.in. dostępny prostownik tyrystorowy z automatycznym odłą­czaniem prądu ładowania po osiągnięciu przez akumulator właściwego napięcia, tzw. końcowego napięcia ładowania.

Na rysunku 3.14 przedstawiono schemat tyrystorowego prostownika. Elektroda sterująca (bramka) Ty (BTP7/100) jest dołączona do dzielnika złożonego z rezys­tora R, (47 O/6 W) i diody Zenera DZ1(BZP620-C15). Przy tak dobranych elemen­tach sygnał sterujący na bramce tyrystora pojawia się tylko wtedy, kiedy napięcie

Rys. 3.14. Prostownik tyrystorowy

akumulatora jest niższe od napięcia przebicia diody Zenera. Przy wzroście napięcia na zaciskach akumulatora zmniejsza się kąt przepływu prądu przez tyrystor, aż całkowicie zaniknie. W prostowniku znajdują się ponadto następujące elementy: diody D2 i D3 (BY 10/1), D4 (BAP720) i D5 (BYP666/100R), transformator obniżający i cewka L(8 mH/100 A).

3.7. Użytkowanie i konserwacja akumulatorów

Prawidłowa eksploatacja i konserwacja akumulatora ołowiowego polega na przestrzeganiu podstawowych zaleceń:

• Jest niedopuszczalne dalsze wyładowywanie akumulatora, jeżeli napięcie do­
  wolnego ogniwa pod obciążeniem prądem znamionowym (20-godzinnym)
  zmniejszy się poniżej 1,75 V.

• Akumulator wyładowany należy natychmiast naładować, a w okresie, w któ­
  rym nie jest eksploatowany w pojeździe — doładowywać co 4 do 6 tygodni.

• Podczas eksploatacji akumulatora w pojeździe nie należy go przeładowywać
  (wymaga to okresowej kontroli regulatora napięcia).

• Poziom elektrolitu należy sprawdzać latem najrzadziej co 2 tygodnie, zimą —
  co 4 tygodnie. Do akumulatora należy dolewać wyłącznie wodę destylowaną.
  W przypadku wylewania się elektrolitu należy go uzupełnić, przy czym gęstość
  elektrolitu uzupełnianego powinna być taka sama, jaka jest w akumulatorze
  i dopiero po naładowaniu akumulatora należy tę gęstość skorygować do obo­
  wiązującej wartości. Nie wolno dolewać stężonego kwasu siarkowego!

• Powierzchnie zewnętrzne akumulatora należy czyścić 5 do 10% roztworem

amoniaku lub ługiem sodowym, a otwory wentylacyjne przedmuchiwać sprę­żonym powietrzem. Zaciski akumulatora po oczyszczeniu należy smarować wazeliną techniczną lub towotem.

Akumulator w pojeździe powinien być umieszczony na gumowej podkładce (w celu amortyzowania wstrząsów) i sztywno zamocowany, bez możliwości przesuwania się.

Należy zwracać uwagę na właściwe połączenie elektryczne akumulatora z ob­wodem zewnętrznym. Zły stan połączeń elektrycznych znacznie utrudnia roz­ruch silnika spalinowego.

Czas włączenia rozrusznika nie powinien przekraczać 5 s. Między kolejnymi rozruchami należy robić przerwy. Zaleca się, aby latem trwały one 30 s, zimą natomiast 60 s.

Akumulator należy przechowywać w temperaturze otoczenia 5 do 30°C. Pra­widłowo eksploatowany i konserwowany akumulator może pracować w po­jeździe samochodowym ponad 3 lata.

3.8. Akumulatory zasadowe

3.8.1. Wiadomości ogólne

Nazwę akumulatory zasadowe odnosi się zazwyczaj do trzech układów elek­trochemicznych: akumulatorów kadmowo-niklowych, żelazowo-niklowych i sreb-rowo-cynkowych.

Akumulatory zasadowe charakteryzują się z reguły niższymi — w porównaniu z akumulatorami kwasowymi — energiami jednostkowymi masowymi (kJ/kg). Cena ich jest znacznie wyższa, i to o tyle, że pomimo ich dużej trwałości — w porównaniu z akumulatorami kwasowymi — stosowanie ich jest mniej ekono­miczne. Ponadto istnieje w skali światowej deficyt niklu i srebra, dlatego nie znalazły one powszechnego zastosowania.

3.8.2. Akumulatory kadmowo-niklowe

Układy elektrochemiczne akumulatorów kadmowo-niklowych są następujące:
(+) NiO (OH) l KOH l Cd (-) (3.13)

Współczesne konstrukcje tych akumulatorów różnią się zasadniczo od konst­rukcji akumulatorów kwasowych. Różnice te polegają przede wszystkim na od­miennym sposobie umieszczania mas czynnych w elektrodach oraz na odmiennej konstrukcji naczyń.

Masę czynną akumulatorów kadmowo-niklowych znajdującą się w płytach elektrod dodatnich stanowi wodorotlenek lub tlenek niklu w postaci proszku wraz z dodatkami zwiększającymi przewodność (sadzą lub grafitem). W płytach

elektrod ujemnych masę czynną sporządza się z tlenku kadmu (CdO) lub ze sproszkowanego kadmu metalicznego (Cd). Elektrolitem jest roztwór wodoro­tlenku potasowego KOH o gęstości ok. 1,2 g/cm³, z dodatkiem niewielkiej ilości wodorotlenku litowego. Rozróżnia się następujące rodzaje płyt akumulatorowych: kieszonkowe, rurkowe, sfałdowane, spiekane, sproszkowane i mieszane. Każdy rodzaj płyty wymaga innej techniki wykonania. Na przykład elektrody spiekane mogą być bardzo cienkie (0,04 mm), podczas wyładowania nie pęcznieją, dzięki czemu odstęp pomiędzy nimi może być minimalny (0,15 mm). Zalety elektrod spiekanych pozwalają na budowę akumulatorów o dużej mocy jednostkowej ma­sowej (W/kg).

Akumulatory te montuje się zwykle w prostokątnych naczyniach z tworzywa sztucznego. W akumulatorze elektrody są rozdzielone separatorami z materiałów syntetycznych.

Znamionowe napięcie ogniwa akumulatora kadmowo-niklowego jest rów­ne 1,2 V, siła elektromotoryczna waha się w granicach od 1,3 do 1,5 V i zależy od rodzaju płyt. Na przykład akumulatory z płytami spiekanymi mają małą rezystancję wewnętrzną, dlatego zmiany ich napięcia podczas ładowania i wyłado­wania są nieznaczne. Sprawność elektryczna tych akumulatorów osiąga 83%, sprawność energetyczna ok. 50%. Ich samowyładowanie w ciągu 48 h wynosi ok. 10%, po upływie pierwszego miesiąca ok. 15%, a następnie co miesiąc zwiększa się o 3%. W rezultacie po roku przechowywania w temperaturze pokojowej rze­czywista pojemność akumulatora wynosi już tylko 50% pojemności początkowej. Zatem przechowywanie akumulatorów powinno się odbywać w stanie wyładowa­nym . Trwałość akumulatorów kadmowo-niklowych ocenia się na 700 do 1000 cykli pełnych ładowań i wyładowań.

3.8.3. Akumulatory srebrowo-cynkowe

Schemat elektrochemiczny akumulatorów srebrowo-cynkowych można przed­stawić następującym równaniem:

(+) Ag₂O IKOHI Zn(-) (3.14)

W wyniku zachodzących reakcji w czasie wyładowania akumulatora tlenek srebra ulega redukcji do metalicznego srebra, a cynk odwrotnie, utleniając się tworzy wodorotlenki lub tlenki cynku, które w połączeniu z zasadą wytwarzają cynkany potasu. Znajdująca się w elektrolicie woda jest pochłaniana w czasie wyładowania, a wydzielana podczas ładowania, co tłumaczy wzrost poziomu elek­trolitu w tym ostatnim procesie.

Na rysunku 3.15 przedstawiono elementy składowe akumulatora srebrowo--cynkowego. Elektrodami są cienkie płytki o grubości od 0,5 do 3 mm, a elemen­tami przewodzącymi prąd — drut srebrny, umieszczony w materiale elektrody, w postaci kilku pętli z końcami skręconymi ze sobą. Przykład takiej elektrody pokazano na rys. 3.16.

Elektrodę srebrową (dodatnią) wykonuje się przez sprasowanie pod ciśnie­niem bardzo drobnego proszku czystego srebra metalicznego i spiekanie w tempe­raturze 450°C.

Elektrodę cynkową (ujemną) wykonuje się najczęściej przez sprasowanie tlenku cynku zmieszanego z pyłem cynkowym. Ważną rolę w konstrukcji akumu­latorów srebrowo-cynkowych odgrywa wybór materiału na separatory. Jest to przeważnie materiał z hydrocelulozy. Elektrody ujemne owija się kilkoma warst­wami separatora w ten sposób, że osłania się je całkowicie z boków i od dołu, pozostawiając odkryty tylko górny brzeg. Dla uniknięcia zwarć separator jest wydłużony o 5 do 10 mm powyżej górnego brzegu elektrody.

Elektrolitem jest 40% roztwór wodorotlenku potasu (KOH). Uruchomienie akumulatora srebrowo-cynkowego polega na tym, że wlewając elektrolit, należy go poddać dwu- lub trzykrotnie cyklowi ładowania i wyładowania (formowanie). Obecne konstrukcje są często ładowane na sucho, nie wymagają więc formowania, a ich uruchomienie polega jedynie na napełnieniu elektrolitem.

Siła elektromotoryczna jest równa 1,85 V, a napięcie pracy podczas długo­trwałego wyładowania jest stałe i osiąga wartość 1,5 V. Zarówno charakterys­tyki ładowania, jak i wyładowania mają przebieg schodkowy. W czasie ładowania schodki (wzrost napięcia) pojawiają się przy napięciu ok. 1,65 V i 1,95 V. Podczas wyładowania, jeżeli prąd ma dużą wartość, to pierwszy schodek (obniżenie napię­cia) pojawia się na samym początku wyładowania. Następnie stabilna wartość napięcia jest utrzymywana w całym okresie wyładowania.

Akumulatory srebrowo-cynkowe są 3 do 5 razy lżejsze od akumulatorów innych typów, lecz niestety znacznie droższe. Ich niewielka trwałość — od 10 do 100 cykli pracy jest uzależniona głównie od trwałości separatorów. Separatory w tych aku­mulatorach odgrywają bardzo ważną rolę — muszą mieć zwartą i pozbawioną

porów budowę. Aby spełniający te warunki separator miał jednocześnie wystarcza­jącą przewodność jonową, musi on w roztworze elektrolitu ulegać pęcznieniu. Szybko zachodzące niszczenie separatora stanowi obecnie główną przyczynę nie­wielkiej trwałości tych akumulatorów.

Akumulatory srebrowo-cynkowe powinny być przechowywane w stanie wyła­dowanym. Przechowywanie naładowanych akumulatorów powoduje, w wyniku zachodzących procesów chemicznych, szybki rozkład separatora, a więc dalsze zmniejszenie i tak niewielkiej trwałości akumulatora.

Ocenia się, że użytkowanie akumulatora srebrowo-cynkowego może trwać 6 do 12 miesięcy od chwili napełnienia zasadowym elektrolitem. Wytrzymuje on do 150 cykli ładowanie-wyładowanie.

3.9. Inne statyczne źródła energii

Do tych źródeł energii można zaliczyć niskotemperaturowe układy elektro­chemiczne. W grupie tych układów (temperatura pracy od 40 do 90°C) najbardziej znane jest ogniwo cynk-powietrze. Zasada działania tego rodzaju ogniwa jest podobna do typowych ogniw pierwotnych z depolaryzacją powietrzną. Elektroda ujemna jest wykonana z porowatego cynku, dodatnia zaś jest elektrodą tlenową; elektrolitem jest roztwór wodorotlenku potasowego.

Doświadczalne modele ogniw osiągają trwałość ok. 100 cykli. Jednak najno­wocześniejsze konstrukcje, stanowiące trakcyjne modele ogniw laboratoryjnych typu cynk-powietrze, charakteryzują się energią jednostkową masową do 360 W/kg i trwałością do 250 cykli.

Innymi ogniwami należącymi do grupy układów niskotemperaturowych są akumulatory litowo-chlorowe z elektrolitem zasadowym i litowo-niklowo-chlo-rowe z elektrolitem w postaci węglanu propylenu i fosforo-fluoropotasu.

Znane są również wysokotemperaturowe układy elektrochemiczne. Najbar­dziej znane w tej grupie ogniw (70 do 500°C) to wtórne ogniwo sodowo-siarkowe. Laboratoryjne opracowania takich ogniw charakteryzują się energią jednostkową masową ok. 1240 kJ/kg. Mogą one pracować w temperaturze do 350°C.

Do statycznych źródeł energii można zaliczyć również ogniwa paliwowe. Są to układy elektrochemiczne pozwalające otrzymywać energię elektryczną bezpoś­rednio podczas chemicznych reakcji utleniania substancji, takich jak np. wodór, węgiel, tlenek węgla i alkohole, dostarczanych w sposób ciągły.

Ogniwa paliwowe są więc ogniwami pierwotnymi, wytwarzającymi energię elektryczną dopóty, dopóki dostarcza się do nich substancje chemiczne.

---