Lyijyakku | |
![]() Auton akku (12 V, 40 Ah ) | |
Ominaisuudet | |
---|---|
Energia / paino | 20−40 Wh / kg |
Energia / määrä | 40−100 Wh / ℓ |
Latauksen ja purkamisen tehokkuus | 50−92 % |
Itsepurkautuminen | 3–20% / kuukausi |
Elinikä | min. 4-5 vuotta |
Lataussyklien määrä | 500-1200 |
Nimellinen jännite per solu | 2,1 V |
Lyijyakku on joukko akkuja ja johtaa - rikkihapon kytketty sarjaan halutun jännitteen, ja sisällytetty samaan koteloon. Lyijylevyt ja ristikot on itse asiassa valmistettu kovetetusta lyijystä (esim. Tina , kadmium ja strontium , muutama prosentti seoksesta).
Tätä sähkön "varastointijärjestelmää" käytetään laajalti teollisuudessa rautatiekulkuneuvojen ja henkilöautojen (mukaan lukien kuorma-autot) varusteissa, mutta myös aina, kun tarvitaan välittömästi saatavaa sähköenergiaa (lentokoneet, satelliitit jne. ).
Lyijyhappoakun keksi vuonna 1854 Wilhelm Josef Sinsteden. Vuonna 1859 ranskalainen Gaston Planté paransi merkittävästi lyijyakkuja. Hän oli todellakin ensimmäinen, joka kehitti ladattavan pariston. Alun perin akut olivat lasisäiliöissä. Tämän jälkeen järjestelmällisesti käytimme muovisäiliöitä, jotka kestävät paremmin iskuja.
Nykyään huoltovapaat paristot ovat yleistymässä: sulfaatittomilla, lyijy-kalsiumlevyillä käsitellyt korvakkeet poistavat tarpeen lisätä nestetasoa ja mahdollistavat siten tiivistämisen.
Paristot ovat lyijyn pääasiallinen käyttö nykyään. Tämä yksinkertainen ja kestävä tekniikka on myös erittäin kilpailukykyinen, ja se on tähän päivään asti tärkein tekniikka ajoneuvon käynnistysakkuille. Niinpä vuonna 2010 lyijyakkujen osuus autossa käytettyjen paristojen tonnimäärästä oli yli 99 prosenttia.
Vuonna 2011 Helsingin yliopiston ja Uppsalan tutkijat onnistuivat ensimmäistä kertaa toistamaan fysiikan ensimmäisistä periaatteista oikein lyijyakulle havaittu 2,1 V: n nimellisjännite . Pelkästään klassinen kemia ei selittäisi tätä arvoa. Heidän mukaansa laskelmissa on otettava huomioon Einsteinin suhteellisuusteorian vaikutukset havaitun arvon saavuttamiseksi.
Lyijyakulle on pääosin tunnusomaista:
Valmistaja on antanut enimmäisarvot uudelle akulle ja ladattu 100%: iin. Ne vaihtelevat huomattavasti lataustilan mukaan , heikkenevät ajan ja akun käytön mukaan.
Maksu on pakko disproportionaation , sähkökemialliset reaktiot on elektrodien ollessa seuraavat:
Kokonaisreaktio voidaan siis kirjoittaa:
Purkaus on spontaani mediamutaatio , jossa elektrokemialliset reaktiot elektrodeilla ovat seuraavat:
Kokonaisreaktio voidaan siis kirjoittaa:
Johtoon-akku on yksi, jolla on alhaisin energia , 35 Wh / kg , sen jälkeen kun nikkeli-rauta-akku . Mutta koska se pystyy tuottamaan suuren intensiteetin huippuvirran, joka on hyödyllinen polttomoottoreiden sähkökäynnistykselle, sitä käytetään edelleen laajalti, erityisesti moottoriajoneuvoissa ja useimmissa rautatiekulkuneuvoissa. Sillä on myös se etu, että se ei ole herkkä muistivaikutukselle .
Tätä akkua käytetään polttomoottoreilla varustettujen ajoneuvojen sähköosien, erityisesti sähkökäynnistimen, virtalähteeseen. Kun moottori on käynnissä, se on lataama dynamo tai laturi .
Historiallisesti auton tai moottoripyörän akut tuottivat useimmiten 6 V (kolme kennoa). 1980-luvulta lähtien 12 V: n paristot (kuusi kennoa) on yleistetty autoissa ja moottoripyörissä, kun taas raskaat tai sotilasajoneuvot käyttävät 24 V: n ja lopuksi rautatieajoneuvot käyttävät ryhmiä, jotka vaihtelevat välillä 36 V Sveitsissä (kaksi 18 V: n paristoa sarjassa), 72 V Ranskassa 110 V : seen useimmissa muissa Euroopan maissa.
Huomaa: Vuonna 2012 sähköautoja (kantama noin 60-500 km ) oli vähemmän kuin lämpömoottoreilla varustettuja autoja (noin 600-2500 km ).
Lyijyakkuja käytetään kaikenlaisten sähkökoneiden, turvallisuus- ja käyttöönottolaitteiden sekä hätävalaistuksen virtana useimmissa junissa. Ne kootaan pääasiassa kuuden 12 V: n pariston ryhmiin 72 V: n tuottamiseksi ja ovat tarpeettomia, jos toinen ryhmistä epäonnistuu.
Niitä käytetään usein tunkeutumisen estävissä hälytyksissä, palohälyttimissä tai suurten rakennusten (tehtaiden, urheiluhallien) ajovalojen (tai projektorien) valaistuksessa . Yleensä niitä voidaan käyttää missä tahansa järjestelmässä, joka tarvitsee varavirtalähteen, joka tarvitsee hyvän akunkeston (12-48 tuntia) ja jossa lyijyn paino ei ole tärkeä. Näitä käyttötarkoituksia varten ne ovat "geeli-lyijy" -akkuja. Niillä on ero perinteisiin lyijyakkuihin (autoihin) verrattuna: happo sisältyy silikageeliin, mikä mahdollistaa akun käytön kaikissa asennoissa (materiaali ei virtaa). Ne soveltuvat hyvin sisäkäyttöön (ei lainkaan tai vain hyvin vähän kaasupäästöjä) ja hitaaseen (matalan intensiteetin) ja syvään purkautumiseen, toisin kuin nestemäiset happoakut, jotka on tarkoitettu suuritehoisiin ja osittaisiin purkauksiin. Ajoneuvossa, kun moottori on käynnistynyt, laturi lataa akun välittömästi.
Näitä akkuja voidaan käyttää myös ajoittain tuotetun energian, kuten aurinko- tai tuulivoiman, varastointiin.
Lyijyhappoakku ladataan kohdistamalla siihen minkä tahansa arvoinen tasavirta (jollei itse akkuun tai sen liitäntöihin liittyviin teknologisiin rajoituksiin kuulu), edellyttäen että se ei aiheuta akun napoihin 1 jännitettä, joka on suurempi kuin 2,35 V kennoa kohden (arvo 25 ° C: ssa ) .
Tämän säännön soveltaminen johtaa kahden peräkkäisen latausvaiheen havaitsemiseen käytännössä:
Latauksen lopussa vaiheen CV virtaa ei peruuteta. Se stabiloituu alhainen, mutta ei nolla-arvoon, joka ei enää lisää latauksen tila, mutta elektrolyysissä veden pois elektrolyytistä . Siksi on suositeltavaa keskeyttää lataus tai, jos haluamme käyttää pysyvää latausta (jota kutsutaan ylläpitoksi tai " kelluvaksi " itsepurkautumisen ilmiön kompensoimiseksi ), laskea asetusarvojännite 2,3 V / elementti.
CC / CV-lataus on yleistynyt, koska se yksin sallii lataamisen suurella virralla (ja siksi nopeasti) vahingoittamatta akkua. Tätä lataustilaa käytetään kaikissa autoissa: tasavirtavaiheessa latausvirta riippuu olennaisesti laturin (ja siten myös moottorin) pyörimisnopeudesta. In vaiheessa CV , ohjearvo jännite ylläpitää servo-ohjaus muodostuu jännitteen säädin. Tämä itse asiassa vähentää generaattorin viritysvirtaa siten, että laturin lähtövirta ei koskaan johda yli 2,35 V : n jännitettä kennoa kohden (pienellä korjauksella lämpötilasta riippuen).
Kun halpojen laturien tapauksessa laturia, joka kykenee rajoittamaan jännitteensä 2,35 V: n vastaavaan viitearvoon kennoa kohden, ei ole suositeltavaa rajoittaa latausvirran arvo (ampeereina) esimerkiksi 10% akun kapasiteetin arvosta (ampeeritunneina), jotta minimoidaan latauksen lopussa mahdollisesti esiintyvän ylijännitteen vahingolliset seuraukset (samoin kuin haitalliset seuraukset elektrodien käyttöikälle) .
Jännitettä 2,34 V kennoa kohti kutsutaan "V- kaasuksi ". Se vastaa jännitettä, jolla nestemäinen elektrolyytti elektrolysoidaan ( 2 H 2 + O 2).
Akkua ei saa koskaan purkaa alle 20 prosenttiin sen nimellisestä kapasiteetista. Jännite ei ole luotettava viite ajan mittaan, koska mitä vanhempi akku, sitä enemmän jännite pyrkii laskemaan.
Mukaan on Peukert lain , sitä nopeammin akku on tyhjä, sitä alhaisempi on sen kapasiteetti.
Akun heikkenemisen tärkeimmät syyt ovat:
Sulfaatio edustaa lyijysulfaatin kertymistä elektrodeihin. Tämä ilmiö ilmenee luonnollisesti joka kerta, kun akku puretaan, ja häviää latauksen aikana. Tietyissä olosuhteissa (pitkäaikainen tai liian syvä purkaus, korkea lämpötila, elektrolyytin kaasutus) ilmestyy kuitenkin vakaa lyijysulfaatin saari, joka ei enää liukene latauksen aikana. Näin syntynyt lyijysulfaatti vähentää akun kapasiteettia estämällä reaktiot elektrodilla sen alhaisen sähkönjohtavuuden vuoksi . Sulfaatioprosessi keskeytyy heti, kun akku on ladattu.
Esimerkki: 1000 CCA: n (huippuvirta) sulfatoitu akku uudessa tilassa, mutta sitä ohjataan 12 V: lla ja 500 CCA: n teholla, käynnistyy uudelleen, kun on ladattu vähintään 12,6 V: n jännite, mutta mitattu 500 CCA: n teho muuta vähän. Tässä tilassa oleva akku ei salli moottoriajoneuvon useita peräkkäisiä käynnistyksiä ja voi aiheuttaa esimerkiksi immobilisaatiovian ensimmäisestä kylmästä.
RikinpoistoAkun sulfaattiprosessi voidaan kääntää. Tämä koostuu sähköisten pulssien lähettämisestä akun resonanssitaajuudella (2-6 MHz ). Tämän prosessin aikana rikki-ionit törmäävät levyihin, mikä liukenee niitä peittävän lyijysulfaatin.
Moottoriajoneuvossa akun täydellinen tyhjeneminen tapahtuu yleensä matalan kulutuksen vuoksi pitkään ( esim. Ajovalot), kun ajoneuvoa käytetään usein lyhyitä matkoja varten (mikä ei jätä aikaa akun lataamiseen täyteen), kun Laturi tai mikä tahansa muu sähköjärjestelmän osa on vaurioitunut tai kulunut paljon ( esim. lähivalot, ilmanvaihto) moottorin ollessa pysäytettynä. Jännite sitten on hyvin matala, liitinnavan, vähemmän kuin 10 V: akulle, jonka nimellisjännite on 12 V .
Auton akun kunto voidaan tarkistaa yleismittarilla / voltimittarilla akun jännitteen tarkistamiseksi lepotilassa (ulkolämpötila yli 10 ° C ):
Pysäköidyille ajoneuvoille, joita ei käytetä pitkään aikaan, lyijyhappoakkujen purkaus on yleensä noin 5% kuukaudessa (itsepurkautuminen). Tätä sääntöä sovelletaan 25 ° C: n lämpötilassa ja purkaus on nopeampaa kylmällä säällä.
Akku on ladattava säännöllisesti, jotta se ei vahingoitu täydellisestä purkautumisesta ja että se pystyy käynnistämään moottorin, noin 30 minuutin ajaminen riittää tai laturilla.
Akun CCA, huippuvirta, joka on siis kylmäkäynnistysominaisuus, pienenee lämpötilan mukana. Talvella, ajoneuvon akku menettää lähes 33% sen tehoa, kun lämpötila laskee alle 0 ° C: ssa ja enemmän kuin 50% alle -18 ° C: ssa .
Siksi sulfatoidulla paristolla, joka on jo menettänyt osan alkuperäisestä CCA: sta, näkyy heikkouden merkkejä talvella.
Akun tarvitsema teho riippuu ajoneuvon moottorityypistä: mitä raskaampi ja tehokkaampi se on, sitä enemmän virtaa tarvitaan käynnistimestä moottorin käynnistämiseksi.
"Akun huoltolaturit" ovat hyödyllisiä esimerkiksi silloin, kun ajoneuvon moottori käy kerran kuukaudessa.
Suurin osa uusista akuista on ladattu vain osittain. Uusi akku, jota ei ole ladattu etukäteen sopivalla laturilla, voidaan purkaa kokonaan, jos ajoneuvoa ei käytetä akun lataamiseen (riittävän monta kilometriä). Esimerkiksi :
Akut, jotka ovat täysin tyhjät, on ladattava enintään 48 tunnin kuluessa : sen lisäksi vahinko on peruuttamaton. Rikinpoisto (tarjoaa jotkut tippalaturimalleista) voi pidentää täysin tyhjentyneen akun käyttöikää.
Akunvalmistajat ilmoittavat käyttöiänsä lukuisina vakioituina purkaus- / latausjaksoina . Tietyn käyttöajan päätyttyä syklien lukumäärästä ja amplitudista riippuen akku on kulunut loppuun: elektrolyytillä on mustan ulkonäkö. Esimerkki: kuorma-auton moottoroidun takalaitanostimen toistuva käyttö, kun sen moottori on pysäytetty, kiihdyttää ajoneuvon akun kulumista pyöräilemällä.
Hapetus on akun toimintahäiriön syy. Kun elektrolyyttitaso on liian alhainen, levyt joutuvat kosketuksiin ilman kanssa ja hapettavat. Käynnistysteho katkeaa, vaikka elektrolyyttitaso ylittyy. Elektrolyytin puute voi johtua intensiivisestä käytöstä (esimerkiksi apulaitteet), korkeasta ulkolämpötilasta (vähintään 30 ° C ) tai liian korkeasta latausjännitteestä.
Sattuu, että paristo, jonka navat ovat vähän tai kiristämättömiä, näkee napojensa hapettumisen, mikä estää virran kulkemisen.
Yksi tapa voittaa tämä on peittää liittimet kuparirasvakerroksella.
Avoimien lyijyakkujen (trukit, nostolavat jne.) Käyttöikä on rajoitettu noin 1500 jaksoon. Kun energiaa varastoidaan ja vapautuu normaalien käyttöjaksojen aikana, sulfaattikiteitä kertyy vähitellen elektrodeihin, mikä estää akkua toimittamasta virtaa tehokkaasti. Kiteet todella “tukehtivat” akun. Jopa rikinpoistolataus ei aina estä akkua vaihtamasta muutaman vuoden kuluttua.
Lyijy / happoakun menetetyn kapasiteetin palauttamiseksi on välttämätöntä pakottaa näiden lyijysulfaattikiteiden klustereiden liukeneminen pakolliseksi, mitä ei enää tapahdu tavanomaisen latausjakson aikana. Tätä kutsutaan pariston regeneraatioksi, joka voidaan tehdä prosessilla, jossa käytetään suuritehoisia sähköpulsseja, tietyllä taajuudella (tyypillisesti muutama sata hertsiä). Näiden sähköpulssien energia välitetään elektrodeihin. PbSO 4 kiteitä , joka on suurempi vastus kuin aktiivinen materiaali (Pb / PbO 2 ), resonoi vaikutuksesta pulssien. Sähköisku muuttuu mekaaniseksi sokiksi, joka käynnistää ja helpottaa lyijysulfaattikiteiden liukenemista elektrolyyttiin. Siten elektrodien aktiivinen pinta otetaan talteen, ja akun kapasiteetti kasvaa merkittävästi. Näin käsitellyt paristot peittävät varastointia ja sähkönjohtavuutta vastaavat toiminnot kuin uudessa paristossa. Tämä prosessi koskee käynnistys-, kiinteitä tai vetotyyppisiä lyijyakkuja.
Viimeaikaisten arvioiden mukaan noin 80% käytetyistä lyijyakkuista voidaan regeneroida. Positiivista levyä ei kuitenkaan ole mahdollista palauttaa parin normaalin käytön jälkeen neljän tai viiden vuoden ajan. Tämän seurauksena muutaman kuukauden paristo voidaan tehokkaasti regeneroida ja voimme saavuttaa 80 prosentin kunnostuksen toimiakseen, sitä enemmän sen käyttöaika kasvaa ajan myötä ja vähemmän mahdollista (luonnollinen hajoaminen lämpötilan nousun vuoksi) on väistämätöntä). Tämä prosessi on tehokas, ja kaupallisesti käytetään useita paristojen regeneraattoreita. Esimerkiksi lyijyakku menettää noin 50% kapasiteetistaan viiden vuoden käytön jälkeen. Vaikka muut ongelmat voivat olla tämän ikääntymisen syy (elektrodien korroosio, sisäinen oikosulku jne.), Pääsyy tähän kapasiteetin menetykseen on usein kova sulfaatio. Regeneroinnin jälkeen kapasiteetti saavuttaa arvot, jotka vaihtelevat välillä 90% - 100% akun nimelliskapasiteetista.
Vuonna 2001 senaatin raskasmetalleja koskevan raportin mukaan vuosittain vaihdettiin tai hylättiin noin 7,5 miljoonaa auton akkua, mahdollisesti luonnossa (eli 75 000 tonnia lyijyä).
Kierrätys lyijyakkuja tehdään kompleksin läsnäolo hyvin erilaisten materiaalien (metallinen lyijy , lyijy tahna , rikkihapon liuos , polypropeeni ) ja vaarallisesta luonteesta joitakin näistä komponenteista. Kierrätys tapahtuu useimmiten neljässä vaiheessa:
Puhdistettu lyijy myydään sitten valanteiden tai lohkojen muodossa. Peseytynyt murskattu polypropyleeni myydään muovin kierrättäjille. Näin saadun lyijyn kierrätys mahdollistaa sitten akkutehtaiden toimittamisen uudelleen. Maailmanlaajuisesti arvioidaan myös, että vuonna 2011 puhdistetun lyijyn tuotannosta 55% tuli kierrätetystä lyijystä.
Tähän toimintaan erikoistuneiden ranskalaisten tehtaiden käsittelykapasiteetti vastaa Ranskassa vuosittain kerättävien käytettyjen paristojen määrää. Alan keräysaste on myös säännöllisesti yli 100%, kuten ADEME- vuosikertomus paljastaa . Lisäksi tämän kierrätyskanavan suorituskyky täyttää lain asettaman kierrätysminimin, joka on 65 painoprosenttia. Lyijyakkujen kierrätykseen erikoistuneita ranskalaisia yrityksiä säännellään myös tiukasti lainsäädännöllä, ja alueelliset ympäristö-, suunnittelu- ja asumisosastot (DREAL) valvovat niitä säännöllisesti. Blacksmith-instituutin äskettäisen raportin mukaan lyijyhappoparistojen kierrätysteollisuus on myrkyllisyydeltään eniten saastuttava teollisuus.
Nieltynä tai hengitettynä lyijy voi aiheuttaa akuutin tai kroonisen myrkytyksen . Se voi olla lyijymyrkytyksen syy . Käytettyjen lyijyakkujen aiheuttamien riskien hyvä hallinta on siksi välttämätöntä, ja koska ne ovat terveydelle ja ympäristölle vaarallinen jäte , erikoistuneiden yritysten on kerättävä ja käsiteltävä nämä paristot. Saastumisriskin estämiseksi ranskalaisia yrityksiä vaaditaan laatimaan menettelyt parhaan käytettävissä olevan tekniikan mukaisesti, ja niitä valvotaan tiukasti ja säännöllisesti . Heidän on myös taattava työntekijöilleen korkeatasoinen suoja. Tähän suojaukseen sisältyy lyijyyn liittyvien riskien kouluttamista sekä kollektiivisten ja henkilökohtaisten suojavarusteiden järjestelmällistä käyttöä . Näiden toimenpiteiden tehokkuus tarkistetaan säännöllisesti mittaamalla työntekijöiden veren lyijypitoisuudet .
Huonoissa olosuhteissa purkaminen voi johtaa kuolemaan ja kestävään saastumiseen. Tämän korosti Maailman terveysjärjestö Thiaroye-sur-merin alueella (Senegal), jossa perustettiin maanalainen kierrätystoiminta toimittamaan rinnakkaisia akkumarkkinoita. Tällä alueella testit ovat paljastaneet joidenkin ihmisten lyijypitoisuudet jopa 1000 µg / l , kun taas yli 100 µg / l pitoisuudet voivat heikentää lasten neurologista kehitystä.