Cho đến nay có rất nhiều loại ắc quy khác nhau được sản xuất tuỳ thuộc vào những điều kiện yêu cầu cụ thể của từng loại máy móc, dụng cụ, điều kiện làm việc. Cũng như những tính năng kinh tế kỹ thuật của ắc quy có thể liệt kê một số loại sau:
ắc quy chì (ắc quy axit)
ắc quy kiềm
ắc quy không lamen
ắc quy kiềm
ắc quy kẽm-bạc
Tuy nhiên trên thực tế ắc quy axít và ắc quy kiềm được sử dụng nhiều hơn, trong nội dung bài này chỉ giới thiệu chủ yếu 2 loại bình ắc quy này.
Ắc quy axit cấu tạo và nguyên tắc phóng nạp
Cấu tạo
Gồm các bản cực bằng chì và oxit chì ngâm trong dung dịch axit sulfuaric. Các bản cực này thường có cấu trúc phẳng, dẹp, dạng khung lưới , làm bằng hợp kim chì antimon, có nhồi các hạt hóa chất tích cực. Các hóa chất này khi được nạp đầy là dioxit chì ở cực dương và chì nguyên chất ở cực âm.
Các bản cực được nối với nhau bằng những thanh chì ở phía trên, bản cực dương nối với bản cực dương, bản cực âm nối với bản cực âm. Chiều dài, chiều ngang, chiều dày và số lượng các bản cực sẽ xác định dung lượng của bình ắc quy.
Thông thường, các bản cực âm được đặt ở phía bên ngoài, do đó số lượng các bản cực âm nhiều hơn các bản cực dương. Các bản cực âm ngoài cùng thường mỏng hơn, vì chúng sử dụng diện tích tiếp xúc ít hơn.
Chất lỏng dùng trong bình ắc quy là dung dich axit sulfuaric. Nồng độ của dung dịch biểu trưng bằng tỷ trọng đo được, tùy thuộc vào loại ắc quy và tình trạng phóng nạp của bình.
Trị số tỷ trọng của bình ắc quy khi được nạp đầy được quy ra ở 25ο C được cho ở bảng sau :
Tỷ trọng chất điện phân của bình ắc quy
Loại bình ắc quy
Tỷ trọng chất điện phân của bình ắc quy
| Loại bình ắc quy | Tỷ trọng chất điện phân |
| Bình ắc quy làm việc ở chế độ tải nặng : ví dụ các xe tải điện công nghiệp lớn. | 1.275 |
| Bình ắc quy dùng cho xe ôtô, phi cơ. | 1.260 |
| Bình ắc quy dùng cho tải không nặng lắm: ví dụ chiếu sáng tàu điện, khởi động các động cơ… | 1.245 |
| Bình ắc quy tĩnh, hoặc dùng cho các ứng dụng dự phòng. | 1.215 |
Dung lượng của bình ắc quy thường được tính bằng ampe giờ (AH). AH đơn giản chỉ là tích số giữa dòng điện phóng với thời gian phóng điện.
Dung lượng này thay đổi tuỳ theo nhiều điều kiện như dòng điện phóng, nhiệt độ chất điện phân, tỷ trọng của dung dịch, và điện thế cuối cùng sau khi phóng.
Các biến đổi của thông số của bình ắc quy được cho trên các biểu đồ sau:
Đặc tính điện thế và tỷ trọng khi phóng nạp với dòng không đổi
Đặc tuyến phóng điện tới điện thế cuối cùng
Dung lượng định mức dựa trên mức 8 giờ
Quá trình nạp bình ắc quy Axit:
Khi ắc quy đã được lắp ráp xong, ta đổ dung dịch axit sunfuric vào các ngăn bình thì trên các bản cực sẽ sinh ra lớp mỏng chì sunfat (PbSO4). Vì chì tác dụng với axit theo phản ứng:
PbO + H2SO4 = PbSO4 + H2O
Đem nối nguồn điện một chiều vào hai đầu cực của ăc quy thì dòng điện một chiều được khép kín qua mạch ắc quy và dòng điện đi theo chiều: Cực dương của nguồn một chiều → Dung dịch điện phân → Đầu cực 2 của ắc quy → Cực âm của nguồn một chiều.
Dòng điện một chiều sẽ làm cho dung dịch điện phân phân ly :
H2SO4 → 2H+ + SO2-4
Cation H+ theo dòng điện đi về phía bản cực nối với âm nguồn điện và tạo thành phản ứng tại đó :
2H+ + PbSO4 → H2SO4 + Pb
Các anion SO2-4 chạy về phía chùm bản cực nối với dương nguồn điện và cũng tạo thành phản ứng tại đó :
PbSO4 + H2O + SO2-4 → PbO2 + 2H2SO4
Từ các phản ứng hóa học trên ta thấy quá trình nạp điện đã tạo ra lượng axit sunfuric bổ sung vào dung dịch điện phân, đồng thời trong quá trình nạp điện dòng điện còn phân tích ra trong dung dịch điện phân khí hydro (H2) và oxy (O2), lượng khí này sủi lên như bọt nước và bay đi, do đó nồng độ của dung dịch điện phân trong quá trình nạp điện được tăng lên.
Ắc quy được coi là đã nạp đầy khi quan sát thấy dung dịch sủi bọt đều (gọi đó là hiện tượng sôi). Lúc đó ta có thể ngắt nguồn nạp và xem như quá trình nạp điện cho ăc quy đã hoàn thành.
Quá trình phóng điện của ăc quy Axit:
Nối hai bản cực của ắc quy đã được nạp điện với một phụ tải, ví dụ như một bong đèn thì năng lượng tích trữ trong ắc quy sẽ phóng qua tải, làm cho bóng đèn sáng. Dòng điện của ắc quy sẽ đi theo chiều: Cực dương của ắc quy (đầu cực đã nối với cực dương nguồn nạp) → Tải (bóng đèn) → Cực âm của ắc quy → Dung dịch điện phân → Cực dương của ắc quy.
Quá trình phóng điện của ắc quy, phản ứng hoá học xảy ra trong ắc quy như sau: Tại cực dương:
PbO2 + 2H+ + H2SO4 +2e → PbSO4 + 2H2O
Tại cực âm:
Pb + SO2-4 → PbSO4 + 2e
Như vậy khi ắc quy phóng điện, chì sunfat lại được hình thành ở hai bản cực, làm cho các bản cực dần trở lại giống nhau, còn dung dịch axit bị phân thành cation 2H+ và anion SO2-4 , đồng thời quá trình cũng tạo ra nước trong dung dịch, do đó nồng độ của dung dịch giảm dần và sức điện động của ắc quy cũng giảm dần.
Ắc quy kiềm cấu tạo và nguyên tắc phóng nạp
Gồm các bản cực làm bằng oxy hyđrat – kiềm, và các bản cực âm bằng sắt thuần ngâm trong dung dịch hyđrôxit kali. Các bản cực thường có cấu trúc phẳng, và dẹp, làm bằng hợp kim thép có mạ kiềm.
Các bản cực được chế tạo có các quai ở trên để có thể dùng bu lông xiết dính lại với nhau, bản cực dương nối với bản cực dương, bản cực âm nối với bản cực âm. Chiều dài, chiều ngang, chiều dày, số lượng các bản cực sẽ xác định dung lượng của bình ắc quy.
Điện thế danh định của bình là 1,2 V. Điện thế thực sự của bình phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như đang hở mạch, hay đang phóng, hay được nạp bao nhiêu.
Thông thường, điện thế hở mạch biến thiên từ ( 1,25 ÷ 1,35 ) V, tuỳ thuộc vào tình trạng nạp.
Chất lỏng trong bình này là dung dịch Hyđroxit kali, có pha thêm chất xúc tác tuỳ thuộc vào nhà chế tạo, thường là Điôxit liti.
Nồng độ của dung dịch, biểu trưng bằng tỷ trọng đo được, không tuỳ thuộc vào loại bình ắc quy, và cũng không tuỳ thuộc vào tình trạng phóng nạp của bình, do nó không tham gia vào phản ứng hóa học. Tỷ trọng suy ra ở 25οC (77 độ F) từ 1,210 đến 1,215 g/cm³. Trị số này thực tế giảm nhẹ theo thời gian, do dung dịch có khuynh hướng bị cacbônát hoá, do tiếp xúc với không khí. Khi trị số này giảm xuống tới 1,160 g/cm³, nó có thể làm thay đổi dung lưọng của bình, và cần phải thay thế. Tình trạng này có thể xảy ra vài lần trong suốt tuổi thọ của bình.
Ngoài ra, chỉ có một lý do duy nhất có thể làm thay đổi tỷ trọng của bình, đó là khi bình ắc quy đã phóng quá giới hạn bình thường, nghĩa là tới điện thế gần bằng không. Khi đó, các phần tử liti chuyển ra dung dịch làm tăng tỷ trọng lên, có thể tăng thêm từ 0,025 đến 0,030 g/cm³. Tác động này có thể loại bỏ khi nạp bình ắc quy trở lại.
Đặc tuyến của bình ắc quy kiềm được vẽ ở các hình dưới đây.
Đặc tính điện thế – thời gian khi phóng đến điện thế cuối cùng = 1 V
Mức dung lượng và dòng điện khi phóng điện đến điện thế cuối cùng = 1V
Nguyên lý làm việc Ắc quy kiềm
Ắc quy kiềm là loại ắc quy mà dung dịch điện phân được dùng trong ắc quy là dung dịch kiềm KOH và NaOH. Tuỳ thuộc vào cấu tạo của bản cực, ắc quy kiềm được chia thành 3 loại:
Loại ắc quy sắt – niken, là loại ắc quy có bản cực chế tạo bằng sắt (Fe) và niken (Ni).
Loại ắc quy cadimi – niken, là loại ắc quy có bản cực chế tạo bằng cadimi (Cd) và niken (Ni).
Loại ắc quy bạc – kẽm, là loại ắc quy có bản cực chế tạo bằng bạc (Ag) và kẽm (Zn).
Trong ba loại trên thì loại thứ ba có hệ số hiệu dụng trên một đơn vị trọng lượng và một đơn vị thể tích là lớn hơn, nhưng giá thành của nó lại cao hơn vì phải sử dụng khối lượng bạc tới 30% khối lượng của chất tác dụng, do đó loại này ít dùng.
So với ắc quy axit, ắc quy kiềm có nhược điểm là giá thành cao hơn, điện trở trong lớn hơn, nhưng nó lại có các ưu điểm sau:
Có độ bền lớn và thời gian sử dụng dài
Trong điều kiện máy khởi động, làm việc nặng nề hoặc cần có yêu cầu về độ tin cậy cao thì nó có tính ưu việt hơn hẳn ăc quy axit.
Quá trình nạp điện cho ắc quy kiềm không đòi hỏi nghiêm ngặt về dòng điện nạp. Trị số dòng điện này có thể lớn gấp 3 lần dòng định mức cũng chưa làm hỏng được ăc quy.
Ắc quy kiềm có cấu tạo tương tự như ắc quy axit, tức là nó cũng gồm dung dịch điện phân, vỏ bình ắc quy, các bản cực,…
Bản cực của ắc quy kiềm được chế tạo thành dạng thỏi hoặc không thỏi. Giữa các bản cực được ngăn cách bởi các tấm ebonit. Chùm bản cực dương và chùm bản cực âm được hàn nối như chùm bản cực của ắc quy axit để đưa ra các vấu cực cho ắc quy. Các chùm bản cực được đặt trong bình điện phân và được ngăn cách với vỏ bình bằng lớp nhựa vinhiplat.
Loại ắc quy dùng bản cực dạng thỏi thì mỗi thỏi là một hộp làm bằng thép lá trên bề mặt có khoan nhiều lỗ: = 0,2-0,3 mm để cho dung dịch thấm qua. Nếu là ắc quy kiềm sắt – niken thì trong hộp bản cực âm chứa sắt đặc biệt thuần khiết, còn trong bản cực dương là hỗn hợp 75%NiO.OH và 25% bột than hoạt tính.
Loại ắc quy kiềm dùng bản cực không phân thỏi, thì bản cực được chế tạo theo kiểu khung xương, rồi đem các chất tác dụng có cấu trúc xốp mịn để ép vào các lỗ nhỏ trên bản cực.
Quá trình hóa học trong ắc quy kiềm:
Giống như trong ắc quy axit, quá trình hoá học trong ắc quy kiềm cũng là quá trình thuận nghịch. Nếu bản cực của ắc quy kiềm là sắt-niken thì phản ứng hoá học xẩy ra trong ắc quy như sau:
Trên bản cực dương:
Ni(OH)2 + KOH + OH– → Ni(OH)3 + KOH Trên bản cực âm:
Fe(OH)2 + KOH → Fe + KOH + 2OH–
Như vậy quá trình nạp điện, sắt hidroxit trên bản cực âm bị phân tích thành sắt nguyên tố và anion OH–. Còn ở bản cực dương, Ni(OH)2 được chuyển hoá thành Ni(OH)3. Chất điện phân KOH có thể xem như nó không tham gia vào phản ứng hoá học mà chỉ đóng vai trò chất dẫn điện, do đó sức điện động của ắc quy hầu như không phụ thuộc vào nồng độ chất điện phân. Sức điện động của ắc quy chỉ đựoc xác định dựa trên trạng thái của các chất tác dụng ở các tấm cực.
Thông thường ắc quy kiềm được nạp điện hoàn toàn sức điện động sẽ đạt được khoảng 1,7 đến 1,85V. Khi ắc quy đã phóng điện hoàn toàn, sức điện động của ắc quy là 1,2 đến 1,4V.
Như vậy điện thế phóng điện của ắc quy kiềm thấp hơn ắc quy axit.
Nếu ở ắc quy axit điện thế phóng điện bình quân là 2V thì ở ắc quy kiềm chỉ là 1,2V.
Hiện nay các nhà thiết kế, chế tạo ắc quy chưa dừng lại ở những kết quả đã đạt được, người ta đã chế tạo được những ắc quy kiềm mới khá nhỏ và nhẹ, nhưng vẫn có các thông số kỹ thuật của ắc quy axit.
Những ắc quy mới đang hướng tới việc thay thế các bản cực bằng những hợp kim mới có khả năng chống han gỉ, giảm kích thước và tăng tính bền vững. Những tạp chất mới được trộn vào trong chất tác dụng sẽ cải thiện đặc tính phóng điện của ắc quy một cách đáng kể. Nhiều ắc quy mới đã không có cầu nối trên nắp và kết cầu vỏ bình cũng thay bằng những vật liệu rất nhẹ nên giảm được chiều dày thành bình, ăc quy cũng ít phải chăm sóc hơn.
Bảng so sánh ắc quy kiềm và ắc quy axit
| Ắc quy axit | Ắc quy kiềm |
|
|
Nhưng thông dụng nhất từ trước đến nay vẫn là ắc quy axít. Vì so với ắc quy kiềm nó có một vài tính năng tốt hơn như: sức điện động của mỗi bản ”cặp bản” cực cao hơn, có điện trở trong nhỏ.