Akumulatorji AGM »Zmogljivi svinčevi akumulatorji s pametno tehnologijo AGM
Objavljeno: 8. julij 2024 | Čas branja: 7 minut
Že dolgo pred razmahom elektromobilnosti je imel vsak voznik avtomobila zagonski akumulator v svojem vozilu. To je bil svinčevo-kislinski akumulator, ki ga je med vožnjo polnil alternator.
Svinčeni akumulatorji so bili poceni in so lahko po potrebi zagotavljali potrebne tokove za električni zaganjalnik. Vendar dejstvo, da so bili dobesedno težki kot svinec, pri akumulatorjih za vozila ni imelo tako velike vloge. Načeloma so imeli zaganjalni akumulatorji razumno razmerje med ceno in zmogljivostjo ter so delovali tako dobro, da v preteklih letih ni bilo bistvenega nadaljnjega razvoja.
Edina resnična težava odprtih baterij je bilo izhlapevanje vode. Da ne bi skrajšali življenjske dobe, je bilo treba baterije vsake toliko časa dopolniti z malo destilirane vode. To se je spremenilo šele, ko so bili v nova vozila vgrajeni prvi akumulatorji s tehnologijo AGM.
-
Kako deluje baterija AGM?
-
Kaj poslabša delovanje svinčevo-kislinskega akumulatorja?
Za izdelavo svinčenih baterij, ki ne potrebujejo vzdrževanja in so zato prijaznejše do uporabnikov, sta bili uporabljeni dve različni metodi. Najprej so tekočo razredčeno žveplovo kislino zgostili s silicijevim dioksidom in jo kot gel vnesli v baterijo.
Te svinčevo-gelne baterije je bilo mogoče hermetično zapreti, zato jih je bilo mogoče uporabljati na katerem koli mestu. Vendar je treba pri polnjenju paziti, da polnilna napetost ni previsoka in da baterija ne začne pliniti. Zato je v sili za vsako celico nameščen varnostni ventil, ki se sproži, če je notranji tlak previsok.
Druga rešitev je bila tehnologija flisa, pri kateri je razredčena žveplova kislina še vedno tekoča, vendar jo absorbira poseben flis. Iz te tehnologije izvira tudi ime baterije AGM (Absorbent Glass Mat), ki izhaja iz te tehnologije.
Naša priporočila za izdelke za akumulatorje AGM
Absorbent Glass Mat baterija je v bistvu zaprta svinčeno-kislinska baterija, v kateri netkana tkanina med svinčenimi ploščami zadržuje elektrolit, to je razredčeno žveplovo kislino, kot goba.
Princip gradnje svinčenih akumulatorjev
Vsebnik, odporen na kisline, vsebuje dve svinčeni elektrodi, ki tvorita mrežo na notranji strani (glejte ilustracijo na vrhu).
Negativna elektroda (1) je prevlečena s poroznim svincem (Pb), znanim tudi kot svinčena goba. Pozitivna elektroda (2) je prevlečena s poroznim svinčevim dioksidom (PbO2). Te obloge imenujemo tudi aktivna masa, ker sodelujejo v kemijski reakciji. Porozna struktura omogoča maksimiranje kemične reakcijske površine med polnjenjem in praznjenjem.
Da bi dosegli večjo učinkovitost v smislu zmogljivosti in izhodnega toka, so elektrode izdelane kot prepleteni bloki. Pozitivne plošče so tako kot negativne plošče med seboj električno povezane.
Med prepletenimi ploščami vsake skupine je valovit PVC separator (3), ki preprečuje neposredni stik (kratek stik) med ploščami. Pri AGM akumulatorju funkcijo separatorja prevzame stekleni netkani material.
Žveplova kislina (H2SO4), razredčena z vodo, služi kot elektrolit (4), ki omogoča izmenjavo naboja med ploščama. Razmerje med vodo in žveplovo kislino je izbrano tako, da dosežemo popolno disociacijo, to je razgradnjo kemičnih spojin na molekule, atome ali ione. To omogoča optimalno ionsko prevodnost elektrolita. Čista žveplova kislina ali navadna voda v tem primeru ne bi delovala.
Če posodo z zgoraj omenjenima elektrodama napolnimo z razredčeno žveplovo kislino (1,28 kg/l), bo na negativni elektrodi akumulatorja presežek elektronov, na pozitivni elektrodi pa pomanjkanje.
Potencialna razlika med obema elektrodama je približno 2 V in se lahko spreminja od 1,75 do 2,4 V, odvisno od stanja napolnjenosti. Razlogi za to postanejo jasni, če si podrobneje ogledamo kemične procese, ki sodelujejo pri polnjenju in praznjenju. Za boljši pregled smo na slikah v tem razdelku prikazali samo eno kratko sklenjeno elektrodo.
Akumulator z nazivno napetostjo le 2 V ni primeren za uporabo v vozilih, zato je v vozilu zaporedno vezanih 6 celic. Zaradi tega baterija doseže končno napetost 12 V (6 x 2 V). Za uporabo v tovornem vozilu sta dva 12 V akumulatorja vezana zaporedno, tako da se lahko vozilo napaja s 24 V. To pomeni, da se električna bremena napajajo brez težav, tudi ko je vozilo dalj časa parkirano, brez naknadnega težave z zagonom.
Postopek odvajanja
Pri praznjenju popolnoma napolnjene svinčevo-kislinske akumulatorske celice se celica izprazni prek zunanjega vezja (glejte lučko na sliki). Elektroni (e-) tečejo skozi zunanje vezje od negativne elektrode (negativni pol akumulatorja) do pozitivne elektrode (pozitivni pol).
Žveplova kislina (H2SO4) je v disociiranem stanju, vodikov sulfid (HSO4-) pa oksidira na negativni elektrodi (Pb) v porozen svinčev sulfat (PbSO4), pri čemer se sprosti vodik (H+). Hkrati se prosti elektroni (e-) proizvajajo na negativni elektrodi in tečejo na pozitivni terminal preko zunanjega tokokroga.
Kemijska enačba je potem videti takole:
Pb + HSO4- → PbSO4 + H+ + 2e-
Redukcija poteka na pozitivnem koncu svinčenega akumulatorja. Z absorpcijo elektronov (e-) se svinčev dioksid (PbO2) elektrode reducira skupaj z vodikovim sulfidom (HSO4-) in vodikom (H+) v svinčev sulfat (PbSO4) in vodo (H2O). vol
V tem primeru je enačba:
PbO2 + HSO4- + 3H+ + 2e- → PbSO4 + 2H2O
Če pogledamo celotno reakcijo, svinec, svinčev dioksid in žveplova kislina reagirajo, da tvorijo svinčev sulfat in vodo.
Pb + PbO2 + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O
Zaradi tega se koncentracija kisline v elektrolitu med praznjenjem zmanjša.
Postopek polnjenja
Ko se uporabi polnilna napetost, se elektroni dovajajo na negativno elektrodo in odstranijo iz pozitivne elektrode. Kemične reakcije, ki so potekale med praznjenjem, se zdaj odvijajo v obratnem vrstnem redu.
Prisotni svinčev sulfat (PbSO4) se reducira v svinec (Pb) in vodikov sulfid (HSO4-) z absorpcijo vodika in elektronov. Kemijska enačba je zdaj:
PbSO4 + H+ + 2e- → Pb + HSO4-.
Oksidacija zdaj poteka na pozitivnem polu. S sproščanjem elektronov postaneta svinčev sulfat (PbSO4) in voda (H2O) spet svinčev dioksid (PbO2), vodikov sulfid (HSO4-) in vodik (H+).
V tem primeru je enačba obrnjena:
PbSO4 + 2H2O → PbO2 + HSO4- + 3H+ + 2e-
Zaradi tega se med postopkom polnjenja poveča vsebnost kisline v elektrolitu, kar je vidno tudi v celotni enačbi:
2PbSO4 + 2H2O → Pb + PbO2 + 2H2SO4
Iz tega razloga lahko uporabite odprte svinčeno-kislinske akumulatorje, da preverite trenutno stanje napolnjenosti akumulatorja s testerjem akumulatorske kisline.
Glavna prednost AGM akumulatorjev je veliko število polnilnih ciklov. To pomeni, da nudijo veliko daljšo življenjsko dobo kot običajne mokre baterije. Pri uporabi v vozilih nizek notranji upor omogoča zelo visoke zagonske tokove, ki so zaradi visoke stabilnosti pri nizkih temperaturah dosegljivi tudi pozimi.
Zato se tehnologija AGM uporablja tudi pri vozilih s funkcijo start-stop. Poleg tega te baterije praktično ne potrebujejo vzdrževanja in jih je po potrebi mogoče zelo globoko izprazniti brez nevarnosti poškodb. Zahvaljujoč tehnologiji Glass Mat elektrolit ne pušča, tudi če je ohišje mehansko poškodovano.
Za razliko od običajnih svinčenih akumulatorjev zasnova akumulatorjev AGM zagotavlja nižji notranji upor. To jim omogoča oddajanje zelo visokih tokov. Ni ločevanja kisline ali izgube vode, zaradi česar so zelo trpežni in imajo veliko večjo ciklično stabilnost.
AGM baterije so zato idealne kot zagonske baterije za vozila s tehnologijo start-stop ali rekuperacijo zavorne energije.
AGM akumulatorji so popolnoma zaprti, zato jih je mogoče uporabljati tudi v avtomobilih za kampiranje. Uporabljajo pa se tudi v alarmnih sistemih, solarnih sistemih, UPS sistemih in celo v električnih vozilih (viličarjih ali skuterjih). Zaradi nizkega samopraznjenja z lahkoto prenesejo daljša obdobja nedejavnosti.
Prezgodnja okvara svinčenih akumulatorjev se lahko pojavi zaradi različnih razlogov. Na kratko smo povzeli najpomembnejše med njimi:
Izguba vode
Eden glavnih vzrokov za kratko življenjsko dobo ali prezgodnjo odpoved svinčenih baterij je bila izguba vode zaradi izhlapevanja in posledično izsuševanje svinčenih plošč. Pri gel ali AGM baterijah zaprto ohišje prepreči ali zmanjša izhlapevanje.
Stratifikacija elektrolitov
Vendar lahko razslojevanje kisline postane problem tudi pri svinčenih akumulatorjih. Med procesom praznjenja se gostota kisline v elektrolitu zmanjša, kar pomeni, da je vsebnost kisline v blatnem prostoru pod ploščami veliko večja kot v zgornjem območju. V akumulatorju AGM netkana tkanina zmanjšuje razslojevanje kisline.
Sulfacija
Drugo merilo staranja je sulfatizacija, pri kateri porozna plast svinčevega sulfata pridobi kristalno strukturo. Posledično preneha aktivno sodelovati v procesu polnjenja in praznjenja. To je lahko posledica prej omenjene razslojenosti kisline ali če je bila baterija dlje časa delno ali celo popolnoma izpraznjena.
Erozija
Erozija povzroči, da aktivni material pade z omejevalnika (mrežice). To se zgodi kot posledica mehanskih obremenitev med procesi polnjenja in praznjenja, plinov ali visokih tokov. Posledice tega so znatne izgube zmogljivosti, krajša življenjska doba, večji notranji upor in kratki stiki v celicah.
Korozija
Korozija med mrežico in aktivnim materialom na pozitivni elektrodi je enako problematična. Poleg razslojevanja elektrolita in visokih temperatur sta za korozijo mreže odgovorna tudi potencial elektrode in kakovost materiala. Za izboljšanje mehanskih in električnih lastnosti proizvajalci delno dodajajo antimon, kalcij ali srebro.
Naš praktični nasvet: aktivno preprečite sulfatizacijo
Če je mogoče, naj bodo svinčeve baterije vedno popolnoma napolnjene. Tudi med skladiščenjem. Da bi se izognili sulfatizaciji, jih je treba občasno napolniti z ustreznim polnilnikom, če se občasno uporabljajo v vozilih.
V nasprotnem primeru lahko sulfatizacija povzroči okvaro baterije. Zato nekatera podjetja ponujajo tako imenovane osvežilce ali pulzatorje, s pomočjo katerih se lahko izognete kristalnim strukturam ali ponovno zlomite obstoječe strukture.
Zakaj akumulatorji AGM običajno niso nameščeni v motornem prostoru?
AGM akumulatorji ne prenašajo visokih temperatur, zato jih ne vgrajujemo v neposredno bližino motorja z notranjim izgorevanjem.
Ali je mogoče akumulatorje AGM polniti s katerimkoli običajnim polnilnikom?
Neregulirani transformatorski polnilniki niso primerni. Idealno bi bilo, če bi polnilnik sledil krivulji IUoU. To pomeni, da se na začetku uporablja neprekinjen polnilni tok (I), dokler ni dosežena največja polnilna napetost. Nato polnilna napetost ostane enaka, polnilni tok pa se sčasoma zmanjša. Ko tok pade pod minimalni polnilni tok, bo sistem samodejno preklopil na postopno polnjenje.
Kakšno vzdrževanje je potrebno za akumulatorje AGM?
Baterije brez vzdrževanja zahtevajo le redno polnjenje. Če se to ne zgodi samodejno med normalnim delovanjem, občasno priključite polnilnik, da preprečite prekomerno praznjenje. Priključne sponke je treba vizualno pregledati in odstraniti umazanijo. Nadaljnje vzdrževanje ni potrebno.
Kaj pomeni zmogljivost baterije?
Kapaciteta baterije pove, koliko toka lahko odda v določenem časovnem obdobju. Zato se zmogljivost baterije meri v amper urah (Ah). Na primer, baterija 18 Ah lahko odda 1,8 A 10 ur. Če je tok višji od 1/10 vrednosti zmogljivosti, se dejanska uporabna zmogljivost baterije, kot jo je določil proizvajalec, zmanjša.
Kaj pomeni baterija z globokim ciklom?
Baterije z globokim ciklom se lahko izpraznijo zelo globoko brez izgube moči ali poškodb. Zagonski akumulatorji s tradicionalno tehnologijo (svinčevi akumulatorji) se lahko hitro pregloboko izpraznijo, še posebej, če se vozila s sistemom Start-Stop pozimi uporabljajo samo za kratke vožnje.