Bateria (akumulator) to rodzaj urządzenia, które służy do przechowywania energii elektrycznej w postaci chemicznej, a następnie w kontrolowany sposób uwalnia ją jako prąd stały.
Bateria (urządzenie, pojemnik) posiada elektrodę dodatnią i ujemną zanurzoną w elektrolicie.
Większość akumulatorów Yuasa to akumulatory kwasowo- ołowiowe, posiadające elektrody dodatnie i ujemne wykonane ze związków ołowiu w rozcieńczonym elektrolicie kwasu siarkowego.
Akumulatory kwasowo-ołowiowe są to tzw. akumulatory wtórne, co oznacza, że można je doładować po rozładowaniu. Można je ładować wielokrotnie, a ilość cykli ładowania jest określona.
Zwykłe baterie (tzw. ogniwa pierwotne) można rozładować tylko raz, a następnie należy je zutylizować. Takie baterie występują np. w latarkach.
Jak działa bateria YUASA
Elektroda dodatnia wykonana jest z dwutlenku ołowiu, a elektroda ujemna z porowatego ołowiu.
Gdy obciążenie elektryczne (np. oświetlenie) jest podłączone do akumulatora, prąd przepływa przez elektrolit w akumulatorze i przez obciążenie zewnętrzne. Powoduje to rozładowanie akumulatora, zmieniając skład chemiczny obu elektrod w siarczan ołowiu.
Akumulator może być ładowany poprzez przepływ prądu przez akumulator z zewnętrznego źródła zasilania tj. stacji ładującej. Powoduje to przekształcenie siarczanu ołowiu z powrotem w dwutlenek ołowiu i ołów porowaty.
Podczas ładowania akumulatora energia elektryczna rozkłada (hydrolizuje) wodę w elektrolicie na elementy składowe: wodór i tlen, które z kolei są uwalniane w postaci gazu. Dlatego podczas ładowania z akumulatora wydostaje się gaz.
Z czego wykonana jest bateria YUASA?
SIATKA
Elektrody (dodatnie i ujemne) są wykonane ze słabego materiału, dlatego wymagają podparcia mechanicznego w postaci siatki wykonanej ze stopu ołowiu. Ołów (bez dodatków) byłby zbyt miękki.
Siatka nie tylko zapewnia podparcie dla elektrod (materiału aktywnego), ale także przewodzi prąd z elektrod do obciążenia zewnętrznego.
ELEKTRODY
Elektrody w początkowej fazie są wykonane z mieszaniny tlenku ołowiu i siarczanu ołowiu. Po pierwszym naładowaniu stają się dwutlenkiem ołowiu w płycie dodatniej i porowatym ołowiem w płycie ujemnej.
Elektroda ujemna zawiera również niewielką ilość dodatków, które zapewniają akumulatorowi dobrą wydajność rozładowywania w niskich temperaturach, poprawiając w ten sposób wydajność rozruchową.
Połączenie siatki i elektrody nazywa się płytą.
ELEKTROLIT
Elektrolit to rozcieńczony kwas siarkowy. Przewodzi jony elektryczne między płytami dodatnimi i ujemnymi podczas ładowania lub rozładowywania akumulatora.
Kwas bierze również udział w wyładowaniu, ponieważ jony siarczanowe reagują chemicznie z elektrodami, tworząc siarczan ołowiu.
SEPARATOR
Separator jest izolatorem, który znajduje się pomiędzy płytą dodatnią i ujemną, aby zapobiec zwarciu.
Separator musi być mikroporowaty, z bardzo małymi otworami, przez które jony przechodzą z jednej płytki na drugą. Separator musi również wytrzymać wysokie temperatury i silnie kwasowe warunki utleniające, które występują w akumulatorze.
Większość nowoczesnych separatorów jest wykonana z mikroporowatego polietylenu. Ten materiał ma bowiem odpowiednie właściwości, aby sprostać wymagającym warunkom, które występują w akumulatorze.
POJEMNIK I POKRYWKA
Te dwa elementy są zwykle wykonane z polipropylenu, lekkiego, ale mocnego tworzywa sztucznego. W przeciwieństwie do innych tworzyw sztucznych, polipropylen nie staje się kruchy, gdy jest zimno, dzięki czemu jest odporny na uderzenia podczas przenoszenia, nie jest atakowany przez kwasy, a także jest odporny na płyny występujące w pojeździe takie jak benzyna, olej napędowy, płyn hamulcowy, płyn niezamarzający.
Kiedy akumulator jest bezobsługowy?
30 lat temu akumulatory traciły wodę w dużych ilościach, a kierowcy musieli co tydzień sprawdzać ich poziom. Nowoczesne akumulatory bezobsługowe w czasie normalnej eksploatacji nie wymagają dolewania wody przez cały okres eksploatacji. Żywotność baterii wzrosła z 2 do 4-5 lat.
W przeszłości siatki akumulatorów były wykonane ze stopu ołowiu z 10% antymonem. Antymon był odpowiedzialny za stabilność, ponieważ sam ołów byłby zbyt miękki. Niestety część antymonu rozpuszczała się w kwasie i powodowała utratę wody z akumulatora.
Postępy w technologii akumulatorów umożliwiły zmniejszenie zawartości antymonu z 10% do 1,5%, co spowodowało, że akumulatory nie wymagają konserwacji. Wystarczy sprawdzać je raz w roku.
Najnowszym ulepszeniem jest zastosowanie 0,1% wapnia w siatkach jako utwardzacza zamiast antymonu. Powoduje to mniejsze zanieczyszczenie kwasu i znacznie mniejszą utratę wody. Akumulator jest więc bezobsługowy i nie wymaga dodawania wody przez cały okres eksploatacji.
Problemy z użytkowaniem akumulatora w pojazdach
Przeciążenia
W nowoczesnych systemach ładowania samochodów tylko niewielka ilość prądu płynie do akumulatora, gdy jest on w pełni naładowany. Jeśli alternator ulegnie awarii, podczas pracy silnika do akumulatora popłynie znacznie wyższy prąd. W rezultacie akumulator szybko traci wodę i niszczy bezobsługowe właściwości akumulatora, a także skróci żywotność akumulatora, uszkadzając dodatnie siatki.
Ciemnobrązowy/czarny kolor na spodzie korków są wyraźną oznaką przeładowania.
Jeśli alternator (w pojeździe bez funkcji Start-Stop) ma w normalnej temperaturze napięcie wyższe niż 14,8 V, jest to zwykle znak, że system ładowania jest uszkodzony. W przypadku częstego uszkodzenia diody prostownika na akumulatorze pojawiają się napięcia ładowania 16,0 V. W takim przypadku alternator należy natychmiast naprawić, aby zapobiec dalszym uszkodzeniom akumulatora.
Nowsze pojazdy z funkcją Start-Stop z odzyskiwaniem energii hamowania wykorzystują wyższe napięcia (15,2 V), aby zmaksymalizować wydajność ładowania i skrócić czas ładowania alternatora.
Głębokie rozładowanie
Nowoczesne systemy ładowania utrzymują akumulator w wysokim stanie naładowania, podczas eksploatacji samochodu. Akumulator jednak rozładuje się w niesprzyjających warunkach lub jeśli samochód jest zaparkowany, na przykład z włączonymi światłami. W nowoczesnych samochodach podczas postoju akumulator jest stale obciążany i rozładowywany przez takie elementy jak komputer, system alarmowy, zegar itp. W zależności od pojazdu rozładowanie może trwać tygodnie lub miesiące.
Akumulatory samochodowe są zaprojektowane tak, aby wytrzymać niektóre cykle rozładowania/ładowania, ale nie są przeznaczone do zastosowań, w których występują stałe cykle ładowania i rozładowywania (tj. cykle głębokie - nadmierne rozładowanie).
Akumulatory tzw. rekreacyjne są przeznaczone do tego typu zastosowań i są tak zaprojektowane, aby były regularnie głęboko rozładowywane.
Ciągłe nadmierne rozładowywanie akumulatorów pojazdu powoduje awarie, ponieważ dodatni materiał aktywny stopniowo opada na dno akumulatora, zmniejszając zdolność płyt do magazynowania energii elektrycznej.
Duża liczba małych czarnych/brązowych cząstek w elektrolicie jest wyraźnym sygnałem, że akumulator został głęboko rozładowany.
Zasiarczenie
Zasiarczenie jest normalną częścią działania akumulatora i występuje, gdy akumulator jest rozładowany. Po doładowaniu akumulatora zasiarczenie (siarczan ołowiu) zamienia się z powrotem w materiał aktywny.
Jeśli akumulator jest pozostawiony w stanie rozładowanym przez dłuższy czas, to zasiarczenie powoli zmieni swoją postać w taką, której nie będzie można już zmienić z powrotem w materiał aktywny podczas ładowania, więc po naładowaniu akumulator nie powróci do swojej pierwotnej wydajności.
Jeśli zasiarczenie jest zbyt wysokie samochód nie odpali i ten stan jest zwykle określany terminem - zasiarczenie.
Niedoładowanie
Niedoładowanie występuje, gdy akumulator nie jest wystarczająco naładowany, aby powrócić do stanu pełnego naładowania; co w konsekwencji prowadzi do zasiarczenia. Ten problem może wystąpić np. gdy samochód jest używany tylko okazjonalnie na krótkie trasy lub podczas jazdy po mieście (z systemem Start–Stop).
Niedoładowanie występuje również, gdy napięcie alternatora wynosi od 13,6 do 13,8 woltów.