Čo je to a ako funguje klasický olovený akumulátor?

Akumulátor je elektrochemický zdroj elektrickej energie a používa sa aj ako zdroj elektrickej energie v rôznych zariadeniach (mobily, hračky, svetelné zdroje, atď.), pričom nás zaujímajú cestné vozidlá (autobatéria). Olovený akumulátor obsahuje obyčajne dva druhy dosiek (elektród), ktoré sú zhotovené zo špeciálne spracovaného olova. Jedna do hneda sfarbená doska plus (+) a druhá do siva sfarbená mínus (–). Dosky sú od seba oddelené a ponorené do roztoku vody a koncentrátu kyseliny sírovej (približne 38%). Zriedená kyselina sa nazýva elektrolyt a je v nádobe z kyselinovzdorného materiálu (obyčajne plastu). V starších akumulátoroch sú v doske otvory na dolievanie odpareného elektrolytu. Novšie a modernejšie sú bezúdržbové, kde táto povinnosť odpadá. Na olovené dosky sú pripojené cez vrch nádoby olovené svorky na odoberanie prúdu.

Aby akumulátor dodával viac prúdu, musia mať jeho dosky čo najväčší možný povrch. V obmedzenom priestore nádoby sa to dosahuje spôsobom, že sa do nej vloží niekoľko dosák, striedavo kladná a záporná. Takto naukladané dosky sú oddelené komorami naplnenými elektrolytom a tvoria jeden článok o napätí cca 2 V. Tento článok má určitú prúdovú kapacitu, ktorá vypovedá o celkovej prúdovej kapacite akumulátora. Pre výsledné napätie cca 12 V sú pospájané jednotlivé články (6 kusov) do série (za sebou). Prúdová kapacita nám vypovedá o schopnosti akumulátora, koľko je schopný dodať prúdu za určitú časovú hodnotu. Prúdová kapacita akumulátorov sa udáva v ampérhodinách (Ah) a obyčajne sa pohybuje od 10-20 Ah (skútre a motorky) až po 37-80 (osobné automobily). Údaje o prúdovej kapacite sú napísané na štítku akumulátora. Na pamäti však treba mať skutočnosť, že viac elektrickej energie dosiahneme z akumulátora vtedy, keď sa odoberá menší prúd za dlhší čas, ako keď sa odoberá väčší prúd za kratší čas.

Princíp uchovávania energie je založený na polarizačnom jave, pri ktorom sa na elektródach galvanického článku usadzujú časti rozloženého elektrolytu. Ak na elektródy oloveného akumulátora privedieme jednosmerný prúd, teda akumulátor nabíjame, elektrická energia sa mení na chemickú energiu. Časti rozloženej kyseliny sírovej sa chemicky viažu s hmotou akumulátorových elektród. Olovené elektródy sa v H2SO4 nerozpúšťajú, ale priťahujú rozštiepené záporné ióny SO4 a zlučujú sa s olovom na síran olovnatý PbSO4. Ak pripojíme jednosmerný zdroj na elektródy akumulátora s povrchom PbSO4, nastane prúd iónov v elektrolyte. Záporný ión SO4 so záporným nábojom pôjde k anóde, kladný ión H2 ku katóde. Pritom sa ióny zlúčia s PbSO4 na elektródach akumulátora a takto jednoduchý olovený akumulátor nabíjame. Akumulátor nabijeme na nominálnu hodnotu a dostaneme tzv. primárny článok skladajúci sa z dvoch rozličných elektród kyseliny sírovej. Kladný pól je PbO2 a záporný pól sivé olovo. Tým sme využili polarizáciu elektród a dostali sme elektrický náboj, z ktorého možno odoberať prúd dovtedy, kým sa elektródy Pb a PbO2 nepremenia naspäť na PbSO4. Ak na takýto akumulátor pripojíme nejaký elektrický spotrebič, bude sa vybíjať. Pri vybíjaní ide prúd v elektrolyte opačným smerom, a preto na anóde vznikne vodík, ktorý sa hneď zlučuje s kyslíkom z anódy a vytvárajú spolu H2O. Po vybití akumulátora je povrch elektród opäť zo síranu olovnatého a vďaka vzniknutej vode sa kyselina v elektrolyte zriedi.

Ak si zaspomíname na stredoškolské časy chémie, tak môžeme uvedené elektrochemické deje popísať nasledovne:

• nabíjanie na anóde: PbSO₄ + SO₄ + ₂H₂O = PbO₂ + 2H₂SO₄
• nabíjanie na katóde: PbSO₄ + H₂ = Pb + H₂SO₄.

Na kladnej elektróde sa teda pri nabíjaní vytvorí tmavohnedý oxid olovičitý (PbO₂) a na zápornej elektróde sa vylúči čisté olovo Pb. Súčasne sa elektrolyt zhusťuje.

Takže vidíme, že prázdny(vybitý) akumulátor má povrch elektród z inej hmoty ako plný (nabitý) akumulátor. Pri akumulátoroch sa stretávame s pojmami primárny a sekundárny. Akumulátor sa nazýva sekundárny článok preto, že ním musí najskôr pretekať elektrický prúd, aby sa elektródy chemicky zmenili, čím sa stane primárnym článkom, ktorý takto môže elektrický prúd dodávať. Oproti klasickému galvanickému článku má akumulátor tú výhodu, že po vybití ho možno opäť nabiť a použiť.

Klasický olovený akumulátor sa skladá zo separátnych komôr, ktorých je pri 12 V prevedení šesť. V komorách sa nachádzajú sady dosiek – články, pričom mínusové a plusové dosky sú oddelené separátorom. Základnou funkciou separátora je izolovanie/oddelenie mínusovej a plusovej dosky tak, aby nedochádzalo ku skratu týchto dosiek. Popri izolačnej funkcií však musí byť separátor aj porézny a umožniť cirkuláciu elektrolytu v článku. V súčastnosti sa ako materiál používa na výrobu separátorov veľmi odolný plast polyetylén-PE. V minulosti sa používal menej odolný PVC, v dávnejšej histórii aj špeciálny porézny papier či v úplných začiatkoch dokonca drevená mriežka. Kvalitné prevedenie separátora je dôležité najmä z dôvodu prípadného skratu oboch dosiek. Ten vzniká napr. ak ponecháme akumulátor dlhšiu dobu vo vybitom stave. Vtedy sa totiž na doskách vo zvýšenej miere tvoria kryštály síranu olovnatého – sulfátu (ľudovo olovená beloba), ktoré postupne porušia separátor až následne dôjde ku skratu článku. Ku vzniku kryštálov (sulfatácii) a k ich postupnému odpadávaniu na dno akumulátora a následnému zvýšenému riziku skratu dosiek dochádza aj pri nadmernom namáhaní resp. dlhodobejšom nedostatočnom dobíjaní akumulátora. Eliminovať tento nežiadúci jav pomáha špeciálna vrecková konštrukcia separátorov. Takýto vreckový separátor zachytáva uvoľňujúcu sa aktívnu hmotu z plusových dosiek, ktorá nepadá na dno nádoby akumulátora, ale zachytáva sa v samotnom separátore. Výsledkom je tak dlhšia životnosť akumulátora, ktorá sa v podstate končí až vyčerpaním/vypadaním aktívnej hmoty z plusových dosiek pod limitnú úroveň.

Bezúdržbový akumulátor

Pri akumulátoroch používaných v automobilovom priemysle sa stretávame aj s pojmom bezúdržbový. Výrazom bezúdržbový akumulátor v súčasnej dobe označujeme produkt, ktorý z hľadiska kontroly stavu hladiny elektrolytu, a teda dolievania destilovanej vody, tento úkon nevyžaduje. Takéto batérie majú hornú časť plastovej nádoby napevno pritavenú, a tak nie je možné ju ani otvoriť a kontrolovať. Bezúdržbové akumulátory majú v hornej časti nádoby integrovaný labyrintový systém, ktorý zabraňuje úniku elektrolytu pri náhodnom prevrhnutí akumulátora na bok, napr. pri prenose alebo nehode vozidla. Výhoda oproti starším akumulátorom je jasná, keďže staršie “údržbové” sú vybavené klasickými “zátkami”, vyžadujú pravidelnú kontrolu a v prípade prevrhnutia začnú takmer okamžite vytekať.

Prečo netreba bezúdržbový akumulátor dolievať?

Dôvodom na dolievanie destilovanej vody v starších typoch akumulátorov je nežiadúca chemická reakcia pri nabíjaní, pri ktorej súčasne so žiaducimi chemickými procesmi dochádza k zvýšenej tvorbe vodíka a kyslíka. Aby sa vznikajúce plyny nehromadili a výrazne nestúpal v obale akumulátora tlak, dochádza k priebežnému úniku vznikajúcich plynov do okolitého priestoru a tým aj k nežiadúcemu ubúdaniu vody z roztoku. Preto je potrebné pri starších typoch akumulátorov pravidelne doplňovať destilovanú vodu. Pri bezúdržbových akumulátoroch je možné vďaka moderným výrobným technológiám (legovanie dosiek rôznymi materiálmi napr. vápnikom) túto nežiadúcu chemickú reakciu výrazne eliminovať – pracujú na princípe tzv. kyslíkovej rekombinácie. Ak predsa len dôjde k nadlimitnému nahromadeniu množstva plynov, cez ventil/pretlakovú poistku sa tlak plynu vyreguluje – tzv. VRLA akumulátor (valve-regulated lead-acid battery), teda ventilom riadený akumulátor.

Mnohí užívatelia si však pod pojmom bezúdržbový akumulátor predstavujú nielen žiadnu údržbu, ale aj skutočnosť, že akumulátor znesie takmer všetko. Bohužiaľ, realita až taká ružová nie je. Oproti starým tzv. dolievacím akumulátorom, ktoré mali ešte dosky legované molybdénom, sú novšie tzv. bezúdržbové akumulátory podstatne citlivejšie na hlboké vybitie (12 – 12,2 V). Ak teda moderný akumulátor zostane úplne vybitý dlhšie ako cca desať hodín, vzniknutá sulfatácia (vytvoria sa kryštály síranu olovnatého – olovenej beloby) ho môže zničiť. Proces sulfatácie však začína vznikať aj v prípadoch, ak sa nechá akumulátor dlhšiu dobu v stave čiastočného vybitia, čo znamená napätie okolo 12,4 – 12,5 V. Dobrú kondíciu a tiež optimálny prevádzkový stav akumulátora predstavuje napätie okolo 12,7 – 12,9 V. Životnosti akumulátorov nepomáha ani čoraz väčší počet rôznych elektronických pomocníkov a teda spotrebičov, ktorých negatívny vplyv sa najvýraznejšie prejavuje v zimných mesiacoch a kratších jazdách. Ako teda vidieť, aj moderný akumulátor si zaslúži pozornosť motoristu (najmä v zimných obdobiach) a preto nezaškodí poznať zopár informácií, aké situácie akumulátorom neprospievajú a čo treba urobiť v prípade vzniku takéhoto nepriaznivého stavu.

Aktualizovaný článok: Olovené akumulátory a ich diagnostika