Jak funguje olověný akumulátor?

Olověná akumulátorová baterie, objevená francouzským fyzikem Gastonem Planté v roce 1859, byla první nabíjecí baterií pro komerční využití. Navzdory své dlouhé historii jsou chemické sloučeniny na bázi olova i dnes hojně používány. Najdeme hned několik důvodů pro jejich oblíbenost; olověné akumulátory jsou spolehlivé a poměrně levné z hlediska ceny vztažené na watt. Existuje jen několik dalších baterií, které dodají velké množství energie tak levně jako olověné akumulátory, které jsou proto cenově efektivní pro automobily, golfová vozítka, vysokozdvižné vozíky, lodě a záložní zdroje (zdroje nepřerušovaného napájení UPS).

Mřížková elektroda olověného akumulátoru je vyrobena z olověné slitiny. Čisté olovo je příliš měkké a nedrželo by pohromadě, proto se přidávají malá množství jiných kovů, aby materiál získal mechanickou pevnost a měl lepší elektrické vlastnosti. Nejběžnějšími pomocnými látkami jsou antimon, vápník, cín a selen. Takové baterie jsou známé jako baterie s antimonovou (Pb/Sb) nebo s vápníkovou (Pb/Ca) koncepcí.

Přidání antimonu a cínu zlepšuje chování trakčních baterií cyklicky hluboce vybíjených/nabíjených, ale zvyšuje spotřebu vody a vyžaduje častější vyrovnávací nabíjení. Vápník snižuje samovybíjení, ale u kladných elektrod na bázi olova a vápníku dochází k vedlejšímu efektu, kterým je jejich zvětšování, a to vlivem oxidace olověné mřížky při přebíjení. Moderní olověné akumulátory využívají kvůli snížení obsahu antimonu a vápníku různé přídavné látky jako např. selen, kadmium, cín či arzen.

Systémy na bázi olova mají vysokou hmotnost a jejich životnost je při opakovaném hlubokém vybíjení/nabíjení nižší než u systémů na bázi niklu a lithia. Úplné vybití systém přetěžuje a každý vybíjecí/nabíjecí cyklus baterii trvale ubere malé množství její kapacity. Ke snížení kapacity dochází v různé míře u všech baterií.

V závislosti na stupni vybití poskytuje olověný akumulátor určený pro trakční pohon 200 až 300 vybíjecích/nabíjecích cyklů. Hlavními důvody jeho relativně krátké životnosti je koroze mřížky na kladné elektrodě, ztenčení vrstvy aktivního materiálu a zvětšení destiček kladné elektrody. Tento fenomén stárnutí urychluje zvýšená provozní teplota a vybíjení pod příliš velkým proudem.

Nabíjení olověného akumulátoru je snadné, ale je třeba dodržovat správné mezní hodnoty napětí. Nízký limit napětí chrání baterii, ale vede k její nízké výkonnosti a k sulfataci na záporné elektrodě. Vysoký limit napětí zlepšuje výkonnost, ale podporuje korozi mřížky na destičce kladné elektrody. Zatímco sulfataci lze při včasné údržbě odstranit, koroze je trvalá.

Olověné akumulátory se nehodí k rychlému nabíjení a u většiny typů trvá úplné nabití 14-16 hodin. Baterii je vždy nutno skladovat plně nabitou. Nízké nabití způsobuje sulfataci, která snižuje výkonnost baterie. Přidáním uhlíku na zápornou elektrodu dojde ke zmírnění tohoto problému, ale zároveň se snižuje měrná hustota energie.

Olověné akumulátory mají průměrnou životnost, ale nepodléhají paměťovému efektu jako systémy na bázi niklu. Jejich výhodou je pomalé samovybíjení oproti jiným nabíjecím bateriím. Zatímco NiCd baterie ztratí přibližně 40 % uložené energie během tří měsíců, olověný akumulátor samovolně ztratí stejné množství energie během jednoho roku. Olověné akumulátory dobře pracují při chladných teplotách a pod bodem mrazu fungují lépe než lithium-iontové baterie.

Bezúdržbový olověný akumulátor

První zapečetěný, zapouzdřený či bezúdržbový olověný akumulátor se objevil v polovině 70. let. Inženýři považovali termín „zapečetěný“ za zavádějící, protože žádná olověná baterie nemůže být zcela zapečetěna. Akumulátor je doplněn o ventily, které zajistí uvolnění plynů, pokud se zvýší tlak při namáhavém (např. extrémně rychlém) nabíjení nebo při rychlém vybíjení. Elektrolyt je napuštěn do separátoru, což je lepší než zaplavení elektrod kapalinou, jedná se o podobné řešení jako u systémů na bázi niklu a lithia. To umožňuje pracovat s baterií v jakékoliv poloze, aniž by došlo k úniku obsahu.

Bezúdržbová, zapouzdřená baterie obsahuje méně elektrolytu než typ se zaplavenými elektrodami. Možná nejvýznamnější výhodou bezúdržbových olověných akumulátorů je jejich schopnost nechat zreagovat kyslík a vodík za vzniku vody, čímž se zamezí vysušení v průběhu cyklu. K reakci dochází za mírného tlaku 0,14 bar (2 psi). Ventil slouží jako pojistka v případě, že se zvýší produkce plynu. Opakovanému odvětrání plynu by se však mělo zabránit, protože to by případně mohlo vést k vysušení.

Vyskytuje se několik typů bezúdržbových olověných akumulátorů, nejobvyklejší jsou gelové akumulátory, také známé jako ventilem řízené olověné akumulátory (VRLA), a akumulátory s vázaným elektrolytem - AGM (absorbent glass mat). Gelový článek obsahuje silikagel, který z elektrolytu vytváří pastovitou suspenzi. Menší baterie s kapacitou do 30 Ah jsou obvykle nazývané označením SLA (sealed lead acid) – jedná se o hermeticky uzavřené olověné akumulátory. Takové baterie jsou zabaleny v plastovém obalu a používají se pro malé záložní zdroje (UPS), nouzové osvětlení a invalidní vozíky. Díky své nízké ceně, spolehlivosti a malým nárokům na údržbu zůstávají baterie typu SLA nejoblíbenější volbou v oblasti zdravotnické péče v nemocnicích a domovech pro seniory. Větší akumulátory typu VRLA se používají jako záložní zdroje pro telekomunikační vysílače, internetové rozbočovače, banky, nemocnice, letiště apod.

U typu AGM je elektrolyt vsáknut do speciálně navržené skelné rohože. Toto řešení přináší několik výhod olověných akumulátorů, jakými jsou rychlejší nabíjení a okamžitá dostupnost velkého proudu v případě potřeby. Typ AGM funguje nejlépe jako baterie s kapacitou středního rozsahu v rozmezí 30–100 Ah a není příliš vhodný pro větší systémy jako např. záložní zdroje UPS. Obvykle se využívají jako startovací baterie motocyklů, pro funkci start-stop u mikrohybridních aut a také u lodí nebo obytných aut, kde jsou určeny k cyklickému použití.

Cyklickým vybíjením/nabíjením a stárnutím se kapacita baterie typu AGM postupně snižuje; naopak gel si zachovává své vlastnosti dlouho, až najednou na konci životnosti dojde k jejich náhlé ztrátě. Typ AGM je dražší než typ se zaplavenými elektrodami a levnější než gelový typ. (Gelový typ by byl pro použití v autech se systémem start/stop příliš drahý.)

Bezúdržbový olověný akumulátor je, na rozdíl od typu se zaplavenými elektrodami, navržen tak, aby bylo jen minimální riziko vzniku přepětí, aby v baterii nedošlo k tvorbě plynů během nabíjení. Nadměrné nabíjení způsobuje tvorbu plynů, dochází k jejich odvětrávání a následně vysychání vody. Následkem toho nemůže být gelový typ a částečně ani typ AGM nabíjen na plno, ale limit nabíjecího napětí musí být nižší než u zaplaveného typu. To se vztahuje také k plovoucímu napětí u plného nabití. Z hlediska nabíjení není ani gelový ani AGM typ ekvivalentní náhradou za typ se zaplavenými elektrodami. Pokud nemáte k dispozici nabíječku určenou pro typ AGM s nastavením nižšího napětí, odpojte nabíječku po 24 hodinách. Tím zabráníte tvorbě plynů kvůli plovoucímu napětí, které je nastavené na příliš vysokou hodnotu.

Optimální pracovní teplota pro baterie typu VRLA je 25°C; každé překročení této hodnoty o 8°C zkracuje životnost baterie na polovinu. U olověných akumulátorů se hodnotí jejich vybíjecí proud¹ za 5 hodin (C/5) a za 20 hodin (C/20). Baterie funguje nejlépe, když se vybíjí pomalu; hodnoty kapacity jsou podstatně vyšší při pomalém vybíjení než při vybití za jednu hodinu (tj. 1C). Nicméně vysokoproudými pulzy v délce pouhých několika vteřin se mohou olověné akumulátory vybít během několika minut (vybíjecí proudy dosahují hodnoty v řádu několika C). Z toho důvodu se olověné akumulátory velmi dobře hodí pro startovací baterie, známé také jako SLI (starter-light-ignition). Kvůli vysokému obsahu olova a kyselině sírové nejsou olověné akumulátory šetrné k životnímu prostředí.

Použití olověných akumulátorů se obvykle dělí do tří skupin: 1. startovací baterie (SLI) v automobilovém průmyslu, 2. trakční baterie jako hnací síla a 3. pohon pro stacionární zařízení (např. záložní zdroje - UPS).

Obrázek 1: Startovací baterie
Startovací baterie má několik rovnoběžně orientovaných tenkých elektrod, aby bylo dosaženo nízkého odporu s velkou povrchovou plochou. Startovací baterii nelze použít pro hluboké vybití.
Zdroj: Cadex

Startovací a trakční baterie

Startovací baterie je navržena tak, aby vyvinula okamžitý vysoký výkon v délce přibližně vteřiny potřebný k nastartování motoru. Díky své velikosti je schopna poskytnout vysoký proud, ale nelze ji opakovaně úplně vybít. Startovací baterie jsou klasifikovány v Ah nebo pomocí tzv. rezervní kapacity RC, která udává schopnost uložit energii, nebo též pomocí startovacího proudu (CCA, tj. cold cranking amps), který je baterie schopna poskytnout při nízkých teplotách. Norma SAE J537 specifikuje vybití při teplotě -18°C během 30 vteřin při stanoveném startovacím proudu, aniž by napětí baterie kleslo pod 7,2 V. Hodnota RC vyjadřuje délku provozu v minutách při neměnném vybíjení proudem 25 A. (Zkratka SAE označuje Spolek automobilových inženýrů - Society of Automotive Engineers.)

Startovací baterie mají velmi nízký vnitřní odpor, a to z důvodu přidání dalších elektrod pro dosažení maximálního povrchu (Obrázek 1). Elektrody jsou tenké a olovo je aplikováno v houbovité formě, vypadá jako jemná pěna, která ještě zvětšuje povrchovou plochu. Tloušťka elektrod, která je důležitá hlavně pro trakční baterie, v tomto případě až takový význam nemá, protože vybíjení je krátké a baterie se během jízdy dobije; důraz se klade hlavně na výkon než na kapacitu.

Obrázek 2: Trakční baterie
Trakční baterie má silné elektrody, které zlepšují její schopnost opakovaného vybití a nabití. Obvykle trakční baterie umožňuje kolem 300 nabíjecích cyklů.
Zdroj: Cadex

Trakční baterie

Trakční baterie jsou určeny pro souvislý pohon invalidních vozíků, golfových vozítek, vysokozdvižných vozíků apod. Tato baterie je stavěná na maximální kapacitu a rozumný počet vybíjecích a nabíjecích cyklů. To je dosaženo tím, že jsou olověné elektrody silné (Obrázek 2). Přestože je tato baterie určena pro opakované vybití a nabití, úplné vybití ji i tak příliš zatěžuje. Životnost baterie, resp. počet nabíjecích cyklů závisí na jejím stupni vybití (DoD - depth-of-discharge). Kapacita se obvykle udává pro 5-hodinové nebo 20-hodinové vybití.

Startovací baterii nelze nahradit trakční a naopak. Někdo by měl možná chuť instalovat do svého vozíku startovací baterii místo dražší trakční baterie, aby ušetřil peníze. Startovací baterie by ale dlouho nevydržela, protože tenké houbovité elektrody by se opakovaným úplným vybitím a nabitím rychle rozpustily.

Existují kombinované startovací/trakční baterie, které se používají pro nákladní auta, autobusy, vozidla bezpečnostních složek, vojenská vozidla, ale taková zařízení jsou velká a těžká. Jednoduchým vodítkem může být informace, že čím je baterie těžší, tím více olova obsahuje a tím déle vydrží. Tabulka 3 porovnává obvyklou životnost startovacích a trakčních baterií v případě hlubokého vybití.

Olovo je toxické a ochránci životního prostředí by ho rádi nahradili nějakou jinou chemií. V Evropě se podařilo odstranit NiCd z většiny výrobků² a podobné snahy se objevují i u startovacích baterií. Nabízí se NiMH nebo Li-ion, ale jejich ceny jsou příliš vysoké a výkonnost při nízkých teplotách bídná. Díky tomu, že 99% olověných akumulátorů se recykluje, představují olověné akumulátory relativně malé riziko pro životní prostředí a pravděpodobně budou mít i nadále své místo na trhu.

Tabulka 4 uvádí výhody a omezení obvyklých olověných akumulátorů používaných v současnosti. Tabulka neobsahuje nové systémy olověných akumulátorů.

(Redakčně kráceno)

Zdroj:

Battery University: BU-201: How does the Lead Acid Battery Work? [online]. [cit. 2017-06-20]. Dostupné z: http://batteryuniversity.com/learn/article/lead_based_batteries

¹ Pozn. překladatele: Vybití baterie je zde hodnoceno pomocí vybíjecího proudu (značeno písmenem C). Hodnota C udává, za jak dlouho se baterie vybije v závislosti na své maximální kapacitě. Hodnocení 1C znamená, že daný vybíjecí proud vybije celou baterii za jednu hodinu. Pro baterii o kapacitě 100 Ah tomu odpovídá vybíjecí proud 100 A.

² Viz http://www.tzb-info.cz/pravni-predpisy/zakon-c-185-2001-sb-o-odpadech-a-o-zmene-nekterych-dalsich-zakonu , § 31 a.