Generalitati.

            Pilele electrice - sunt generatoare electrochimice de curent continuu construite din doi electrozi introdusi intr-o solutie de electrolit.

            Acumulatoarele - sunt dispozitive care acumuleaza energia electrica prin conversie electrochimica. Ele sunt reversibile , in sensul ca acumuleaza energie electrica in regimul de incarcare de la o sursa de curent continuu ( redresor electric ) si genereaza energie electrica cand sunt conectate la un circuit receptor .* La baza functionarii pilelor si acumulatoarelor electrice staufenomenele electrochimice.

Pilele si acumulatoarele electrice sunt formate din doi electozi , unul pozitiv (anod) si unul negativ (catod), o solutie de electrolit, o substanta depolarizanta care impiedica scaderea t.e.m. a pilei  datorita fenomenului de polarizare electroliticacare apare cand pila este conectata in circuit.

Prin introducerea a doi electrozi metalici intr-o solutie de electrolit apare un camp electric galvanic imprimat  datorita reactiilor chimice dintre electrozi si solutia de electrolit prin disocierea si deplasarea ionilor   intre cei doi electrozi . Acest camp electric duce la aparitia unei tensiuni de electrod care depinde de : materialul electrodului , concentratia electrolitului , temperatura , etc.

Tensiunea electromotoare a pilei electrice  este diferenta de potential dintre tensiunule celor doi electrozi.

            e = Ve1 - Ve2 .

Marimi caracteristice pilelor si acumulatoarelor electrice :

            - tensiunea electromotoare - reprezinta tensiunea la borne in gol  ( V)

            - rezistenta interna  - reprezinta rezistenta electrica care apare la circulatia curentului  (Ω)

            - capacitatea de debitare - reprezinta cantitatea de electricitate ce poate fi debitata pana cand tensiunea la borne scade sub o anumita limita

            - curentul maxim de descarcare (numai pentru acumulatoare)

            - randamentul energetic - este raportul dintre energia livrata la descarcare si energia primita la incarcare

b. Pila electrica Leclanche.

Este construita din :

            - un electrod de carbune care constitue anodul ( polul pozitiv)

            - un strat de oxid de mangan in jurul anodului care constitue substanta depolarizanta

            - electrolitul constituit dintr-o solutie de clorura de amoniu ( tipirig NH4Cl ) imobilizat intr-un gel de amidon

            -  electrodul negativ - este din zinc sub forma unui tub

Clorura de amoniu disociaza intr-un ion negativ de Cl care ataca electrodul negativ si formeaza clorura de zinc (ZnCl2) si ion pozitiv de amoniu care ataca electrodul pozitiv producand hidrogen si amoniac.

Hidrogenul reactioneaza cu depolarizantul si produce apa si peroxid de mangan.

Amoniacul se combina cu clorura de zinc.

Tensiunea electromotoare a pilei este 1,5 V iar rezistenta interna 0,3Ω.

* Reactiile chimice generatoare de curent electric din pile sunt ireversibile pila nemaiputand fi adusa in starea initiala.    

c. Acumulatorul electric . Sunt de doua tipuri : - acide (cu plumb)

                                                                                    - alcaline - care au electrolitul format din solutii alcaline

iar electrozii pot fi din : nichel - fier ; nichel - cadmiu ; zinc - argint .

c1.Acumulatorul cu plumb .

Este construit din :

            - initial electrozii sunt realizati din gratare de plumb acoperite cu un amestec de oxizi de plumb

            - electrolitul este format dintr-o solutie apoasa de acid sulfuric

Electrozii sunt scufundati in electrolit si amplasati intr-o cuva din material plastic sau sticla cu despartituri

In urma formarii , care se face prin alimentarea cu curent a acumulatorului se formeaza electrozii pozitivi sI cei negativi astfel :

                        - electrozii pozitivi sunt formati din oxid de plumb (PbO2) si au culoare cafenie

                        - electrozii negativi sunt din plumb spongios si au culoare gri

O placa formata din electrozi pozitivi si negativi au initial o tensiune de 2,2 V iar in circuit se stabileste la 1,95 V . Tensiunea pe un element nu trebuie sa scada sub 1,6 V deorece placa se poate sulfata ( reactiile nu mai sunt complet reversibile ).

La incarcare tensiunea pe un element creste rapid la 2, 2 V apoi lent la 2,3 V si poate sa ajunga pana la maxim 2,8 V.

 Acumulatorul de 12 V se obtine prin inserierea a 6 elementi iar cel de 6 V prin inserierea a 3 elementi .

c2 . Acumulatorul alcalin  are fata de cel cu plumb urmatoarele avantaje :

            - durata de serviciu mare

            - etansietate si rezistenta la socuri mecanice mare

            - are densitate energetica superioara

Aceste acumulatoare au tensiunea pe element cuprinsa intre 1,3 - 1,5 V iar descarcarea se face pana la limita de 1V.

d. Utilizarea acumulatoarelor.

            - in instalatii fixe - ca baterii de rezerva pentru : iluminatul de siguranta ; iluminat si comanda in instalatiile unde alimentarea cu energie trebuie asigurata continuu ( spitale , centarle telefonice , centrale electrice , centrale CFR , camere de comanda , etc. )

            - in instalatii mobile - autovehicule ( pentru demaraj si iluminat ) ; vagoane de calatori , avioane , vapoare , submarine ( iluminat de siguranta) ; lampi portabile ; aparate portabile ; electrocare si electrostivuitoare ; microcalculatoare , ceasuri electrice , etc .

e. Intretinerea acumulatoarelor cu plumb.

Incarcarea - se face cand tensiunea pe element a scazut sub 1,8 V iar densitatea electrolitului sub 1,2 g/cm3. Incarcarea se face cu redresoare destinate special acestui scop prevazute cu elemente de

reglaj al curentului si aparate indicatoare . Valoare curentului de incarcare pana ce tensiunea pe element ajunge la 2,4 V ( in gol) este egal cu  capacitatea bateriei / 10  (A). Dupa atingerea acestei tensiuni curentul se scade la jumatarte din valoarea initiala si incarcarea se termina cand tensiunea pe element ajunge la 2,8 V iar densitatea electrolitului la 1,28 g / cm3 .

In timpul incarcarii dopurile de la baterie se desfac iar electrolitul se completeaza pana trece peste partea superioara a placilor de separatie cu apa distilata . ATENTIE nu se completeaza niciodata electrolitul cu acid sulfuric , ca se produc reactii periculoase .

Bateriile se mentin in stare curata si uscata si se reincarca periodic la 30 zile .

Clemele racordate la electrozi trebuie sa fie stranse bine , sa fie curate , sa fie unse deasupra cu vaselina.   

1. CE  ESTE  ACUMULATORUL ACID-PLUMB ? 

Acumulatorii sunt  echipamente ce transforma energia chimica în electricitate.Acumulatorii sunt un mod eficient de a face electricitatea portabilă. In plus, acumulatorii furnizează energie în scopul de a înlocui  energia electrică furnizată de reteaua electrică.

Pe masură ce întregul glob devine dependent de electricitate, mobilitatea bateriilor joacă un rol si mai important în 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 reacţii chimice între elemente diferite.

Pila voltaica originală folosea discuri din zinc si argint si un separator poros dintr-un material nonconducator, saturat de apa sărată. Experimentele cu diferite combinaţii de metale si electroliti au continuat in următorii 60 de ani.

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

Ĭn prima jumatate a sec XIX experimentele au continuat cu o varietate de combinaţii de materiale cu electrozi pozitivi/negativi si diverşi electroliţi. Abia in anul 1860 stramoşii bateriilor din zilele noastre au fost descoperiţi, respectiv George Leclanche a construit prima baterie din carbon-zinc.

  Bateriile secundare datează dupa 1860, cānd Raymond Gaston Plante a inventat bateria plumb-acid.Celula acesteia se baza pe 2 placuţe subţiri separate de o folie de cauciuc. El a rulat această combinaţie si a introdus-o intr-o soluţie diluată de acid sulfuric. Iniţial capacitatea era limitată din cauza placuţei pozitive ce prezenta puţin material pentru a face reacţie.

Pe la 1881, Faure si alţii au creat baterii folosind o pastă de oxid de plumb pentru placa pozitivă, aceasta permiţind o formare mai rapidă.  Din moment ce majoritatea problemelor cu bateriile plumb-acid innundate implicau scurgerea electrolitului, cele mai multe incercări au fost făcute in idea de a elimina acidul liber din baterie. Cercetătorii germani au descoperit la inceputul anilor ‘60 un gel-electrolit pentru bateria plumb-acid ceea ce a constituit o imbunătatire. 

3. PLUMBUL  

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

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

Plumbul este de obicei asociat cu alte minerale- zinc, cupru, argint-, proprietaţile sale naturale precum masa, maleabilitatea, punct de topire scăzut, rezistenţa la coroziune, proprietaţi electrice si rezistenta indelungată, făcāndu-l indispensabil in industria mondială.

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

Alcătuirea acumulatorului cu plumb

O  carcasă din polietilenă  (monobloc)1. Placi interne pozitive si negative, realizate din plumb.2.       Separatori plăci din material poros sintetic.3.       Electrolit, o soluţie diluată din acid sulfuric si apă.4.       Borne din plumb, legătura dintre baterie si  corpul ce are nevoie de energie. 

Procesul de fabricare 

Procesul de fabricare incepe cu producţia carcaselor (monobloc).

Vasul acumulatorului trebuie să reziste la acţiunea electrolitului (H2SO4 diluat) si se execută din sticlă, ebonită, polipropilenă (in cazul acumulatorului de autoturism).

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

Procesul continuă cu realizarea grătarelor de plumb, care in starea asa-numită “neformate” sunt acoperiţi 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 aibă placi pozitive si negative pentru a transmite curent. 

Apoi, o pastă formată din oxid de plumb, acid sulfuric si apă este aplicată pe grătare. Materialele expandate alcătuite din diverse pudre sulfuroase sunt adāugate in această pastă pentru a realiza placile negative.  In interiorul bateriei, plăcile pozitive si plăcile negative trebuiesc separate pentru a preveni scurt-circuitele.Separatorii sunt folii de plastic subţiri, folosite ca izolatori intre placile pozitive si cele negative. Porii din separatori permit curentului electric să circule intre placi in timp ce impiedică scurt circuitele.

Ĭn următoarea fază, o placă pozitivă este imperecheată cu o placă negativă si un separator. Acest pachet se numeşte element, şi se gaseşte cate unul in fiecare celulă.

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

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

4. CUM  FUNCŢIONEAZĂ ACUMULATORUL CU PLUMB?

O baterie ĭnmagazinează energie pentru uz ulterior. Ea produce tensiune dintr-o reactie chimică produsă intre două materiale diferite (placa pozitivă si cea negativă) care sunt introduse ĭn electrolit.

Electrozii sunt cufundaţi intr-o soluţie apoasă de acid sulfuric. Prin aşa-nimita operaţie de “formare” (a carei reţea diferă de la un mod de fabricaţie la altul), care consta in principal in alimentarea cu curent a acumulatorului, electrozii se transformă, plăcile pozitive ajung de culoare cafenie si acoperite cu PbO2, iar plăcile negative cenuşii şi 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 atăt mai repede cu cāt există un circuit intre borna pozitivă si cea negativă.

Procesul de descărcarea a acumulatoarelor cu plumb

Descărcarea acumulatoarelor cu plumb comportă următoarele reacţii chimice globale:

Situaţia ĭnainte de descărcare: Electrod pozitiv (PbO2) H2SO4 Electrod negativ (Pb)

Sensul curentului ĭn element:Circulaţia ionilor:

H2+ + SO4

- -

Reacţii chimice la electrozi:PbO2 + H2 + H2SO4 = PbSO4 + 2H2O Pb + SO4 = PbSO4

Situaţia finală a electrozilor: PbSO4 PbSO4

Concluzie:

Cele două plăci fiind identice, acumulatorul nu mai poate debita curent. Plăcile se sulfatează, concentraţia acidului descreşte.

Cei mai mulţi dintre oameni nu realizează ca un acumulator cu plumb funcţionează pe baza unui proces continuu de ĭncărcare-descărcare. Atunci cănd o baterie este conectată la o sursă ce are nevoie de curent, cum ar fi un autoturism, curentul iese din baterie si bateria incepe să se descarce.

Un acumulator cu plumb ĭncarcat are o t.e.m. de circa 2,2V. Ĭn funcţionare, tensiunea scade destul de repede la Ud = 1,95V, apoi rămāne cătva timp aproape canstantă, scazănd apoi din nou brusc. Cănd tensiunea a ajuns la 1,8V, descărcarea trebuie ĭntreruptă, deoarece sub această valoare reacţiile chimice nu mai sunt reversibile.

*

*autoturism

Procesul de ĭncărcare a acumulatoarelor cu plumb

La ĭncărcare, reacţiile chimice sunt inverse:

Situaţia ĭnainte de ĭncărcare: Electrod pozitiv (PbSO4) H2SO4 Electrod negativ (PbSO4) Sensul curentului ĭn electrod:

Circulaţia ionilor:

SO4 -- -- H2

+ +

Reacţii chimice la electrozi:PbSO4 + SO4 + 2H2O = PbO2 + 2H2SO4 PbSO4 + H2 = Pb + H2SO4

Situaţia finală a electrozilor:PbO2 Pb

Concluzie:

Prin ĭncărcarea acumulatorului se restabileşte situaţia iniţială si concentraţia acidului creşte.

Acumulatorul devine ĭncărcat atunci cănd primeşte iar curent, reinstalind diferenţele chimice dintre plăci.

Pe masură ce acumulatorul se descarcă, plăcile de plumb devin din punct de vedere chimic asemănătoare, acidul devine mai slab şi tensiunea scade.

Acumulatorul se poate reĭncărca total atunci cănd se reinstaleaza diferenţele chimice dintre plăci, iar acumulatorul poate furniza din nou curent.

La ĭncarcare, tensiunea acumulatorului creşte rapid pānă la Ui =2,2V, apoi scade lent pānă la 2,3V. La sfarşitul ĭncărcării, tensiunea este de 2.6-2,7V.

5. CARACTERISTICI ALE BATERIILOR

Din punct de vedere tehnic, bateriile se caracterizează prin:a) tensiune, determinată de numărul elementelor ĭn serie;b) capacitatea elementului (acumulatorului) (ĭn Ah) pentru o anumită durată

de descărcare c) curentul de lucru maxim admisibil (care nu trebuie mult depaşit nici pentru un timp foarte scurt, putănd duce prin efectele lui mecanice la distrugerea plăcilor); d) randamentul energetic ηw = Wdesc/Winc, care este de ordinul 70-80%, din cauza pierderilor de energie prin reacţii chimice secundare (care determină si diferenţa

dintre tensiunea medie de ĭncarcare si tensiunea medie de descărcare) si prin efect electrocaloric ĭn rezistenţa lui interioară;

e) randamentul ĭn cantitate de electricitate (ĭn sarcină) ΗQ = Qdesc/Qinc

de ordinul a 85-90%; f) tipul constructiv (adecvat condiţiilor de utilizare si durabilitaţii necesare: acumulatoarele de dimensiuni mici şi durabilitate redusă pentru autovehicule, acumulatoare de dimensiuni mari si durabilitate mare, pentru instalaţii staţionare etc.)