Acumulatorul cu plumb

 

1. CE  ESTE  ACUMULATORUL ACID-PLUMB ?

Acumulatorii sunt  echipamente ce transforma energia chimica in electricitate.

Acumulatorii sunt un mod eficient de a face electricitatea portabila. In plus, acumulatorii furnizeaza energie in scopul de a inlocui  energia electrica furnizata de reteaua electrica.

Pe masura ce intregul glob devine dependent de electricitate, mobilitatea bateriilor joaca un rol si mai important in viata de zi cu zi.

2. ISTORIA  BATERIEI

 

Cei mai multi istorici situeaza inventia bateriei in jurul anului 1800, atunci cand experimentele lui Alessandro Volta au generat curent electric din reactii chimice intre elemente diferite.

Pila voltaica originala folosea discuri din zinc si argint si un separator poros dintr-un material nonconducator, saturat de apa sarata. Experimentele cu diferite combinatii de metale si electroliti au continuat in urmatorii 60 de ani.

Johann Ritter a demonstrat pentru prima oara elementele unei baterii reincārcabile in 1802, dar totusi acestea au ramas o curiozitate de laborator, pāna tārziu, in secolul dinamurilor actionate cu abur capabile sa le reincarce.

Ĭn prima jumatate a sec XIX experimentele au continuat cu o varietate de combinatii de materiale cu electrozi pozitivi/negativi si diversi electroliti. Abia in anul 1860 stramosii bateriilor din zilele noastre au fost descoperiti, respectiv George Leclanche a construit prima baterie din carbon-zinc.

  Bateriile secundare dateaza dupa 1860, cānd Raymond Gaston Plante a inventat bateria plumb-acid.

Celula acesteia se baza pe 2 placute subtiri separate de o folie de cauciuc. El a rulat aceasta combinatie si a introdus-o intr-o solutie diluata de acid sulfuric. Initial capacitatea era limitata din cauza placutei pozitive ce prezenta putin material pentru a face reactie.

Pe la 1881, Faure si altii au creat baterii folosind o pasta de oxid de plumb pentru placa pozitiva, aceasta permitind o formare mai rapida.

  Din moment ce majoritatea problemelor cu bateriile plumb-acid innundate implicau scurgerea electrolitului, cele mai multe incercari au fost facute in idea de a elimina acidul liber din baterie. Cercetatorii germani au descoperit la inceputul anilor ‘60 un gel-electrolit pentru bateria plumb-acid ceea ce a constituit o imbunatatire.

3. PLUMBUL

Plumbul este unul dintre primele metale folosite de catre oameni, folosirea lui datānd din 6500 I.Ch..

Tevi de plumb antice au fost descoperite in Egipt datānd din timpul lui Pharaohs ce a folosit plumbul in emailul obiectelor de ceramica.

Plumbul este de obicei asociat cu alte minerale- zinc, cupru, argint-, proprietatile sale naturale precum masa, maleabilitatea, punct de topire scazut, rezistenta la coroziune, proprietati electrice si rezistenta indelungata, facāndu-l indispensabil in industria mondiala.

Plumbul are rata cea mai ridicata de reciclare dintre toate materialele industriale din lume.

• Alcatuirea acumulatorului cu plumb

 

O  carcasa din polietilena  (monobloc)

1. Placi interne pozitive si negative, realizate din plumb.

2.       Separatori placi din material poros sintetic.

3.       Electrolit, o solutie diluata din acid sulfuric si apa.

4.       Borne din plumb, legatura dintre baterie si  corpul ce are nevoie de energie.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• Procesul de fabricare

 

Procesul de fabricare incepe cu productia carcaselor (monobloc).

Vasul acumulatorului trebuie sa reziste la actiunea electrolitului (H₂SO₄ diluat) si se executa din sticla, ebonita, polipropilena (in cazul acumulatorului de autoturism).

Pentru acumulatorul de 12 V  (pentru autoturisme), monoblocul este impartit in 6 diviziuni / celule.

Procesul continua cu realizarea gratarelor de plumb, care in starea asa-numita “neformate” sunt acoperiti cu o pasta din oxizi de plumb (de exemplu : Pb₃O₄ si litarga PbO) si placilor din plumb si aliaj din alte metale. Un acumulator trebuie sa aiba placi pozitive si negative pentru a transmite curent.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Apoi, o pasta formata din oxid de plumb, acid sulfuric si apa este aplicata pe gratare. Materialele expandate alcatuite din diverse pudre sulfuroase sunt adāugate in aceasta pasta pentru a realiza placile negative.

  In interiorul bateriei, placile pozitive si placile negative trebuiesc separate pentru a preveni scurt-circuitele.

Separatorii sunt folii de plastic subtiri, folosite ca izolatori intre placile pozitive si cele negative. Porii din separatori permit curentului electric sa circule intre placi in timp ce impiedica scurt circuitele.

Ĭn urmatoarea faza, o placa pozitiva este imperecheata cu o placa negativa si un separator. Acest pachet se numeste element, si se gaseste cate unul in fiecare celula.

Elementele sunt asezate in monobloc. Celulele sunt unite printr-un metal ce transmite curentul electric. Bornele de plumb sunt sudate. Dupa aceasta bateria este umplutaa cu electrolit si apoi este fixat capacul. Bateria se verifica de scurgeri

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ultimul pas, este incarcarea. Ĭn timpul acestui proces, bornele bateriei sunt conectate la o sursa de curent si bateria este incarcata mai multe ore la rand.

 

 

 

 

 

 

4. CUM  FUNCTIONEAZA ACUMULATORUL CU PLUMB?

 

O baterie ĭnmagazineaza energie pentru uz ulterior. Ea produce tensiune dintr-o reactie chimica produsa intre doua materiale diferite (placa pozitiva si cea negativa) care sunt introduse ĭn electrolit.

Electrozii sunt cufundati intr-o solutie apoasa de acid sulfuric. Prin asa-nimita operatie de “formare” (a carei retea difera de la un mod de fabricatie la altul), care consta in principal in alimentarea cu curent a acumulatorului, electrozii se transforma, placile pozitive ajung de culoare cafenie si acoperite cu PbO2, iar placile negative cenusii si acoperite cu plumb negricios.

Intr-un acumulator normala acid-plumb, tensiunea aproximativa este de 2V /celula, deci un total de 12V. Curentul este degajat de baterie cu atat mai repede cu cāt exista un circuit intre borna pozitiva si cea negativa.

 

• Procesul de descarcarea a acumulatoarelor cu plumb

 

Descarcarea acumulatoarelor cu plumb comporta urmatoarele reactii chimice globale:

Situatia ĭnainte de descarcare:

Electrod pozitiv (PbO₂) H₂SO₄ Electrod negativ (Pb)

Sensul curentului ĭn element:

Circulatia ionilor:

H₂^{+ +} SO₄ - -

Reactii chimice la electrozi:

PbO₂ + H₂ + H₂SO₄ = PbSO₄ + 2H₂O Pb + SO₄ = PbSO₄

 

Situatia finala a electrozilor: 53364qfq37did6h

PbSO₄ PbSO₄

Concluzie:

 

Cele doua placi fiind identice, acumulatorul nu mai poate debita curent. Placile se sulfateaza, concentratia acidului descreste.

Cei mai multi dintre oameni nu realizeaza ca un acumulator cu plumb functioneaza pe baza unui proces continuu de ĭncarcare-descarcare. Atunci cand o baterie este conectata la o sursa ce are nevoie de curent, cum ar fi un autoturism, curentul iese din baterie si bateria incepe sa se descarce.

Un acumulator cu plumb ĭncarcat are o t.e.m. de circa 2,2V. Ĭn functionare, tensiunea scade destul de repede la U_d = 1,95V, apoi ramāne catva timp aproape canstanta, scazand apoi din nou brusc. Cand tensiunea a ajuns la 1,8V, descarcarea trebuie ĭntrerupta, deoarece sub aceasta valoare reactiile chimice nu mai sunt reversibile.

 

 

 

 

*

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

*autoturism

 

• Procesul de ĭncarcare a acumulatoarelor cu plumb

La ĭncarcare, reactiile chimice sunt inverse:

Situatia ĭnainte de ĭncarcare:

Electrod pozitiv (PbSO₄) H₂SO₄ Electrod negativ (PbSO₄)

Sensul curentului ĭn electrod:

 

Circulatia ionilor:

SO₄ ^{-- --} H₂^{+ +}

Reactii chimice la electrozi:

PbSO₄ + SO₄ + 2H₂O = PbO₂ + 2H₂SO₄ PbSO₄ + H₂ = Pb + H₂SO₄

 

Situatia finala a electrozilor: 53364qfq37did6h

PbO₂ Pb

 

Concluzie:

Prin ĭncarcarea acumulatorului se restabileste situatia initiala si concentratia acidului creste.

Acumulatorul devine ĭncarcat atunci cand primeste iar curent, reinstalind diferentele chimice dintre placi.

Pe masura ce acumulatorul se descarca, placile de plumb devin din punct de vedere chimic asemanatoare, acidul devine mai slab si tensiunea scade.

Acumulatorul se poate reĭncarca total atunci cand se reinstaleaza diferentele chimice dintre placi, iar acumulatorul poate furniza din nou curent.

La ĭncarcare, tensiunea acumulatorului creste rapid pāna la U_i =2,2V, apoi scade lent pāna la 2,3V. La sfarsitul ĭncarcarii, tensiunea este de 2.6-2,7V.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. CARACTERISTICI ALE BATERIILOR

 

Din punct de vedere tehnic, bateriile se caracterizeaza prin:

1. tensiune, determinata de numarul elementelor ĭn serie;

2. capacitatea elementului (acumulatorului) (ĭn Ah) pentru o anumita durata

de descarcare

c) curentul de lucru maxim admisibil (care nu trebuie mult depasit nici pentru un timp foarte scurt, putand duce prin efectele lui mecanice la distrugerea placilor);

d) randamentul energetic η_w = W_desc/W_inc, care este de ordinul 70-80%, din cauza pierderilor de energie prin reactii chimice secundare (care determina si diferenta dintre tensiunea medie de ĭncarcare si tensiunea medie de descarcare) si prin efect electrocaloric ĭn rezistenta lui interioara;

e) randamentul ĭn cantitate de electricitate (ĭn sarcina) Η_Q = Q_desc/Q_inc

de ordinul a 85-90%;

f) tipul constructiv (adecvat conditiilor de utilizare si durabilitatii necesare: acumulatoarele de dimensiuni mici si durabilitate redusa pentru autovehicule, acumulatoare de dimensiuni mari si durabilitate mare, pentru instalatii stationare etc.)

Elev: Nicolae Alexandru

Clasa: aX-a C

Gr.Sc. Ind. de Marina Constanta

Scriitori romani