Galvani podczas eksperymentów prowadzonych pod koniec XVIII wieku zauważył, że żabie kończyny zaczynają drgać przy kontakcie z dwoma różnymi metalami. Wywnioskował on, że między dwoma metalowymi płytkami pojawiło się połączenie elektryczne. 10 lat później Volta skonstruował pierwszą prostą baterię. Miedziane i cynkowe płyty poukładane na przemian i oddzielone tekturą nasączoną octem generowały energię elektryczną. Warunkiem było połączenie poszczególnych dysków ze sobą za pomocą przewodnika. Napięcie łatwo było zwiększać, łącząc ze sobą wiele podobnych stosów. W roku 1802 Johann Wilhelm Ritter wprowadził zmiany w wynalazku Volty. Założenie zostało podobne, jednak płyty cynkowe zastąpił miedzianymi, a tekturę nasączoną octem zastąpił tekturą nasączoną roztworem soli kuchennej. Okazało się, że tak zbudowany stos jednak nie dostarcza energii elektrycznej. Ritter podłączył go do prądu, jednak jego zdziwienie wywołał fakt, że po odłączeniu zasilania stos nadal był pod napięciem, które sam oddawał. W ten sposób powstał pierwszy akumulator. Przełom nastąpił, gdy kolejny naukowiec przyłożył swoją rękę do oryginału Volty. Miedź zastąpiono ołowiem, a płyty pokryte zostały mieszanką kwasu siarkowego z pyłem ołowiowym. To rozwiązanie zostało opatentowane i otworzyło drogę do masowej produkcji akumulatorów ołowiowych. Od początku XIX wieku niewiele się zmieniło w konstrukcji akumulatorów. Głównymi materiałami do produkcji akumulatorów są niezmiennie ołów i kwas siarkowy.

Budowa akumulatora

Typowy samochodowy akumulator ołowiowo-kwasowy zbudowany jest jako zestaw 6 niezależnych ogniw o napięciu około 2,1 V każde, połączonych szeregowo (12,6 V). Każde ogniwo składa się z anody wykonanej z ołowiu (Pb), na której w trakcie poboru prądu zachodzi utlenianie oraz z katody wykonanej z tlenku ołowiu (PbO2 ), na której zachodzi redukcja. Do prawidłowego funkcjonowania akumulatora potrzebny jest jeszcze kwas siarkowy w około 37-proc. stężeniu. W trakcie użytkowania akumulatora zachodzi w nim reakcja chemiczna pokrywająca ołowiane płyty siarczanem ołowiu (PbSO4).
W akumulatorach samochodowych rozładowywanie następuje praktycznie o każdej porze roku. Oczywiście zima przyspiesza oznaki zużycia, jednak już nie zauważa się ścisłej zależności problemów z akumulatorem od temperatury zewnętrznej.
Dla większości osób ładowanie akumulatora polega tylko i wyłącznie na podłączeniu do niego prostownika i pozostawieniu do ładowania na kilka godzin. Ale w praktyce nie jest to takie oczywiste. Akumulator podczas ładowania należy dozorować, aby nie uszkodzić go bardziej.

Na samym początku podłączamy przewody do odpowiednich biegunów akumulatora i włączamy prostownik do zasilania. W tym momencie zaczynają się różnice w sposobach ładowania różnych typów akumulatorów w różnych stadiach rozładowania.

Jak ładować?

Większość dostępnych prostowników to jednostki sterowane mikroprocesorowo, choć nie brakuje tych starszych opartych na prostym układzie prostującym. Każdy z nich posiada wskaźnik natężenia prądu ładowania (A), którego wskazania pozwalają na szczegółową analizę stanu akumulatora.

Prąd ładowania odczytany ze wskaźnika wynika z różnicy napięć między prostownikiem a ładowanym akumulatorem. Im różnica napięć jest mniejsza tym prąd na wskaźniku jest mniejszy. Ogólnie przyjęto, że gdy wskazówka amperomierza na prostowniku osiągnie stan bliski zeru (0), to akumulator jest naładowany. Ale nie zawsze. Tak samo zdarzyć się może, gdy akumulator ma zwarcie. Tuż po podłączeniu prostownika wskazówka na krótko wychyli się do końca skali, po czym spadnie z powrotem na (0). Oznacza to, że prostownik wyposażony jest w zabezpieczenie przeciążeniowe (termiczne), które właśnie zadziałało, nie pozwalając na uszkodzenie prostownika.

W akumulatorze żelowym lub AGM nie można przekroczyć napięcia 14,4–14,8 V (różni producenci akumulatorów podają odmienne napięcia) w momencie ładowania, ponieważ w przeciwnym razie, w wyniku przemian chemicznych, dochodzi do elektrolizy wody i „wysuszenia” akumulatorów. Możliwa jest sytuacja odwrotna polegająca na tym, że akumulatory standardowe można ładować prostownikami do akumulatorów żelowych (AGM). Pamiętać należy jedynie o tym, że ze względu na niższe napięcie osiągnie się naładowanie do poziomu 90–95% jego nominalnej wartości.

Kilka sposobów ładowania akumulatora zostanie opisanych poniżej. Różnią się one między sobą główną charakterystyką prądową i priorytetami wartości podczas ładowania:

• Ładowanie prądem o stałej wartości polega na ładowaniu akumulatora prądem o ustalonej wartości (na przykład 0,1 C – 0,1 pojemności akumulatora, czyli dla 10 Ah prąd wynosiłby 1A). Konieczne jest wtedy dozorowanie czasu ładowania i użycie prostownika umożliwiającego dostarczenie stałego co do wartości prądu do akumulatora, czyli zmieniającego napięcie ładowania w czasie ładowania. Sposób ten nie jest zalecany przez producentów akumulatorów, ponieważ ciężko określić ilość ładunku elektrycznego, który może być zmagazynowany w akumulatorze. Przy głębokim rozładowaniu akumulator nie zostanie całkowicie naładowany, a przy doładowaniu bardzo prawdopodobne będzie przeładowanie akumulatora.
• Ładowanie stałym napięciem jest pewniejsze i bezpieczniejsze od sposobu wcześniejszego. Napięcie ładowania waha się w granicach od 2,25 do 2,5 V na ogniwo, co dla akumulatora 12 V daje napięcie ładowania rzędu 13,5–15 V. Na samym początku ładowania prąd przekroczyłby wartość 0,25 C, co dla małych akumulatorów może być niekorzystne, ale powszechnie stosowane baterie samochodowe nie będą miały z tym problemu. Wartość prądu szybko spadnie do bezpiecznych wartości. Przy tym sposobie ładowania należy pamiętać o sposobie użytkowania akumulatora. Akumulatory pracują jako jednostki rezerwowe lub są rozładowywane i ładowane cyklicznie. Gdy akumulator pracuje cyklicznie, to podczas ładowania musi zostać szybko naładowany do pełna, więc prąd ładowania może się zawierać w zakresie 0,1 do 0,25 C, a napięcie ładowania na poziomie 2,4 do 2,5 V na ogniwo (14,4–15 V na akumulator). Jeśli akumulator jest w pracy ciągłej i jest stale doładowywany, to należy go ładować napięciem na poziomie 2,25 do 2,3 V na ogniwo (13,5–13,8 V na akumulator). Takie napięcie zagwarantuje prąd doładowujący na poziomie 0,0005 do 0,004 C, co wystarczy do uzupełnienia strat samorozładowania i nie doprowadzi do gazowania akumulatora i straty wody z elektrolitu.
• W momentach, gdy akumulator pracuje jako bufor napięciowy, a trzeba go szybko naładować, stosuje się ładowanie dwustopniowe. Najpierw akumulator jest ładowany prądem 0,25 C. Po niedługim czasie zmniejsza się napięcie ładowania, a prąd spada do wartości około 0,02 C. To ustabilizuje akumulator i nie doprowadzi do wydzielania się gazów i utraty wody.

WARTO WIEDZIEĆ

Podstawowe wielkości charakteryzujące akumulator

1. Minimalne napięcie pracy (napięcie wyładowania UW) – wartość napięcia między biegunami akumulatora, do której może być wyładowany akumulator w normalnych warunkach pracy bez obawy jego uszkodzenia. Dla akumulatorów 12-woltowych wynosi ono 10,5 [V]. W czasie wyładowania masy czynne płyt akumulatora przechodzą w siarczan ołowiawy, co powoduje zmniejszenia napięcia.

2. Prąd znamionowy akumulatora (prąd 20-godzinowy I20 lub Izn) – wartość prądu, jaki można pobrać z akumulatora całkowicie sprawnego i naładowanego w czasie 20 godzin do osiągnięcia przez akumulator stanu normalnego wyładowania. Jego wartość oblicza się następująco: Gdzie Qzn to pojemność znamionowa akumulatora

3. Pojemność znamionowa akumulatora (Qzn lub Q20) - ilość ładunku elektrycznego wyrażona w [Ah] jaką może oddać w pełni sprawny i naładowany akumulator do osiągnięcia stanu normalnego wyładowania w czasie 20 godzin w temperaturze 25°C. Pojemność znamionowa nazywana jest także zamiennie pojemnością 20-godzinową.

4. Gęstość elektrolitu – jest to parametr wskazujący nam stan naładowania akumulatora. Pomiaru gęstości dokonujemy aerometrem po co najmniej 30 minutach od zakończenia pracy lub ładowania akumulatora. W przypadku gdy dolewaliśmy elektrolitu, pomiaru gęstości można dokonać dopiero po upływie doby ze względu na prawidłowe wymieszanie się płynów. Gęstość elektrolitu zmienia się wraz ze zmianami temperatury. Dlatego, aby możliwe było porównywanie akumulatorów przyjęto, że pomiaru gęstości dokonuje się w temperaturze 25°C. Możliwe jest także przeliczenia gęstości zmierzonej w innej temperaturze na gęstość przy 25°C.

5. Prąd ładowania akumulatora (Iład) – jest to wartość prądu przepływającego przez akumulator w czasie ładowania. Wartość prądu ładowania może być różna w zależności od zastosowanej metody ładowania.

Aby było coraz lepiej

Producenci akumulatorów stale pracują nad polepszeniem ich właściwości użytkowych. W większości przypadków gra rozgrywa się o zmniejszenie gabarytów i zwiększenie wydajności. Ostatnim trendem jest zwiększenie odporności na głębokie rozładowanie oraz pracę cykliczną. W przypadku samochodów ciężarowych chodzi również o zwiększenie odporności na wibracje. Wynika to z faktu, że w nowoczesnych samochodach ciężarowych akumulatory są fabrycznie zamontowane w okolicach tylnej osi, gdzie występują największe drgania powodujące obrywanie się płyt oraz obsypywanie się z nich masy czynnej.

Aby zapewnić większy prąd rozruchu i zwiększyć pojemność akumulatora, zaczęto stosować różne udoskonalenia w konstrukcji. Początkiem było zastosowanie elektrody w formie kratki. Forma kratki po pierwsze zmniejszyła masę akumulatora, a po drugie zwiększyła powierzchnię reakcji chemicznej, co pozwoliło na zmniejszenie gabarytów. Aby było to w pełni możliwe, do produkcji płyt zaczęto stosować 11-proc. stop ołowiu (Pb) i antymonu (Sb). Kratki wykonane tą technologią były bardziej wytrzymałe i odporne na uderzenia, co w konstrukcji akumulatorów jest ważnym czynnikiem. Zastosowanie antymonu poprawiło co prawda wyniki wielkościowe akumulatora, ale przyczyniło się do zwiększenia wydzielania wodoru (H) na anodzie, a co za tym idzie na zwiększonym zużyciu wody z roztworu. Aby temu zapobiec zaczęto ograniczać zawartość antymonu w stopie, zastępując go wapniem (Ca). Zawartość antymonu w stopie płyty akumulatorowej ma jeszcze jedno ważne znaczenie. Stabilizuje cykle ładowania i rozładowywania, co oznacza, że akumulatory z płytami ołowiowo-antymonowymi mogą być rozładowywane i ładowane nawet 10 000 razy.

Dodatek wapnia przyniósł zamierzone efekty, jednak pogorszył możliwości produkcyjne płyt ze względu na zwiększenie ich kruchości. Koło prawie zostałoby zamknięte gdyby nie selen. Okazało się, że niewielki dodatek selenu do stopu (około 200 gramów na tonę stopu) bardzo poprawia lejność ołowiu i tworzy równomierną drobnoziarnistą strukturę krystaliczną. Akumulatory ołowiowe wykonane w tej technologii charakteryzują się tak małą utratą wody, że uzupełniana może być ona nawet w pięcioletnich odstępach.

Jako dodatkowy składnik płyt akumulatorowych zaczęto stosować srebro (Ag). Polepszyło to strukturę krystaliczną, zmniejszając ziarno i redukując odległości między sąsiadującymi kryształami. Po zastosowaniu srebra zmniejszyły się one nawet do wartości poniżej 50 µm. Zastosowanie srebra jako metalu o bardzo niskim oporze zmniejszyło również straty wewnętrzne akumulatorów. Mniejszy opór wewnątrz jest też równoznaczny z obniżeniem temperatury pracy akumulatora.