Cấu tạo của ắc quy bao gồm các phần chính sau: vỏ bình, các tấm bảng cực, chất điện
phân, các tấm cách điện.
- Vỏ của ắc quy chì- axit thường được làm bằng cao su cứng, nhựa hoặc bằng những
vật liệu cĩ khả năng chịu đựng được quá trình điện phân, các va chạm về mặt cơ học và sự thay đổi lớn về nhiệt độ. Vỏ của ắc quy cĩ lỗ thơng hơi để các khí được sinh ra trong quá
trình điện phân cĩ thể thốt ra ngoài.
- Các tấm bảng cực âm được làm từ kẽm, các tấm bảng cực dương được làm từ carbon.
- Ắc quy được tạo thành từ các bộ pin nhỏ nối lại với nhau.Các viên pin nhỏ được mắt
nối tiếp với nhau, nên cực dương của mỗi viên pin nhỏ sẽ trở thành cực dương của ăc quy. Tương tự cực âm của mỗi viên pin nhỏ sẽ trở thành cực âm của ắc quy.
- Cực dương của ăc quy thường được sơn màu đỏ và cĩ đánh dấu “+”. Cực âm của ắc quy thường được đánh dấu “-”.
- Chất điện phân là dung dịch axít H2SO4.
Hình 9.3 Cấu trúc các tấm bản cực của ắc quy chì axit
2. Quá trình điện hĩa (ELECTROLYSIS)
Ắc quy cĩ thể được xem như là máy bơm electron. Phản ứng hĩa học xảy ra giữa
chất điện phân với điện cực âm (cathode) làm sinh ra các electron âm tự do. Ngược lại,
phản ứng hĩa học giữa chất điện phân với điện cực dương (anode) làm sinh ra các ion
dương. Sự chênh lệch về điện thế giữa cực âm và cực dương được gọi là điện áp.
Điện cực âm sẽ cho electron và sẽ bị oxy hĩa trong quá trình ắc quy phĩng điện.
Chất được sử dụng trongắc quy chì-axit là chì xốp Pb (nhiều lỗ).
Điện cực dương sẽ nhận electron trong quá trình phĩng điện. Chất được sử dụng đĩ
là ơxít chì (PbO2).
Chất điện phân sẽ là phương tiện trung gian, cĩ nhiệm vụ di chuyển các ion giữa 2
cực anode và cathode. Chất điện phân cĩ khả năng hịa tan các chất hĩa học cĩ tính
ion hĩa. Chất được sử dụng trong ắc quy chì-axit là axit sunfuaric H2SO4. Axit sunfuaric là một loại axit mạnh, nĩ cĩ thể tự tách thành các ion:
H2SO4 = 2H+ + (SO4)-2
Màng ngăn: cĩ nhiệm vụ cách ly điện cực âm và điện cực dương.
a. Quá trình phĩng điện
o Nếu cho các đầu cực vào chất điện phân (H2SO4) và đấu hai đầu cực với mạch
ngồi thì trong mạch sẽ xuất hiện dịng điện và ắc quy sẽ phĩng điện.
o Trong quá trình phĩng điện các ion dương H+sẽ di chuyển đến bảng cực dương,
cịn các ion âm (SO4)-2 sẽ hướng đến bản cực âm.
o Trên bảng cực dương (anode): Các ion H+ sẽ tác dụng với oxy lấy từ PbO2 và tạo thành nước, phần chì cịn lại tham gia vào phản ứng hĩa học với axit và tạo thành PbSO4.Ta cĩ phương trình phản ứng như sau:
o Trên bảng cực âm (cathode): Ion âm SO42- tác dụng với chì tạo thành PbSO4. Ta cĩ
phương trình phản ứng như sau:
Pb + HSO4- = PbSO4 + H+ + 2e - (0.356V) o Ta cĩ phương trình tổng quát của quá trình phĩng điện:
PbO2 + 2H2SO4 +Pb = 2PbSO4 + 2H2O (2.041V)
Hình 9.4 Quá trình phĩng điện.
o Như vậy trong quá trình phĩng điện của ắc quy chì-axit cĩ các quá trình điện hĩa như
sau:
- Sản phẩm được sinh ra ở cả 2 bản cực âm và dương đều là PbSO4
- Nồng độ chất điện phân axit sunfuaric (H2SO4) giảm xuống do khối lượng nước tăng lên sau quá trình điện hĩa.
- Do các electron di chuyển trên mạch điện ngoài từ cực dương sang cực âm và ion
dương di chuyển từ âm sang dương nên dịng điện cĩ chiều từ cực âm sang cực dương.
b. Quá trình nạp điện
o Để nạp ắc quy, bản cực dương cần đấu vào cực dương của nguồn điện, cịn bản cực âm đấu vào cực âm của nguồn điện.
o Khi nạp điện các ion dương H+ sẽ dịch chuyển về các bản cực âm, cịn các ion âm (SO4)-2 di chuyển về các bản cực dương.
o Trên bản cực âm: hydro tác dụng với sunfát chì tạo ra chì và axit sunfuarit. PbSO4 + H+ + 2e - = Pb + HSO4- (0.356V)
o Trên bản cực dương: gốc axit khi mất điện sẽ tham gia vào phản ứng với sunfat chì
PbSO4 + 2H2O = PbO2 + 3H+ + HSO4- + 2e- (1.685V) o Ta cĩ phương trình tổng quát của quá trình nạp điện:
2PbSO4 + 2H2O = PbO2 + 2H2SO4 +Pb (2.041V)
Hình 9.5 Quá trình nạp điện
o Như vậy trong quá trình nạp điện của ắc quy chì-axit cĩ các quá trình điện hĩa như
sau:
- Sản phẩm được sinh ra ở bản cực dương là điơxit chì PbO2 . - Sản phẩm được sinh ra ở bản cực âm là chì Pb.
- Nồng độ chất điện phân axit sunfuaric (H2SO4) được tăng lên do số lượng axit được tăng lên sau quá trình điện hĩa.
- Do các electron di chuyển trên mạch điện ngoài từ cực âm sang cực dương nên
dịng điện cĩ chiều từ cực dương sang cực âm.
3. THƠNG SỐ VÀ CÁC ĐẶC TÍNH CỦA ẮC QUY CHÌ-AXIT a. Thơng số (PARAMETERS) a. Thơng số (PARAMETERS)
o Capacity of battery : dung lượng của ắc quy tính bằng đơn vị ampe giờ Ah (Amp
hour). Một ắc quy cĩ chỉ số 200Ah thì sẽ cung cấp dịng điện 20A trong 10 giờ,
10A trong 20 giờ, 5A trong 40 giờ ( với nhiệt độ chuẩn khoảng 25oC ). o Volt: Điện áp cao nhất của ắc quy.
o CCA (Cold cranking amps) Độ lớn của dịng điện mà ắc quy cĩ thể cung cấp cho
tải ở nhiệt độ OoF nhưng khơng bị sụt áp dưới 7.2V. Nếu ắc quy cĩ chỉ số CCA cao
thì rất thích hợp làm việc trong mơi trường lạnh.
o MCA (Marine cranking amps) Tương tự như CCA nhưng nĩ kiểm tra ở
o RC (Reserve Capacity): điện dung dự trữ, chỉ số này rất quan trọng. Chỉ số RC
chính là thời gian mà một ắc quy được nạp đầy ở 80o sẽ phĩng dịng điện 25A, cho
tới khi cho tới khi điện áp sụt xuống dưới 10.5V.
o Container material: vật liệu vỏ ắc quy.
o Approx Acid : dung tích acid. o Layout: cách bố trí
o Plate per cell: số tấm cực/ hộc.
o Weight: trọng lượng của ắc quy.
o Dimensions ( L x W x H ) Kích thước của ắc quy.
L: chiều dài ( Long) W: Chiều rộng ( Width )
H: Chiều cao ( Hight )
b. Đặc tính (CHARACTERISTICS)
o Tỉ trọng về năng lượng và khối lượng (Gravimetric energy density) 30÷50 (wh/kg).
o Điện trở nội (internal resistance): < 100m (loại 12 V). Điện trở nội của ắc quy
bao gồm điện trở của các bản cực và điện trở của dung dịch điện phân nằm giữa các
bản cực và trong các lỗ xốp của chì. Điện trở nội của ắc quy phần lớn là do điện trở của
dung dịch điện phân tạo nên, nếu khoảng cách giữa các bảng cực càng nhỏ và bề mặt
của chúng càng lớn thì điện trở sẽ càng nhỏ. Ắc quy chì axit cĩ điện trở trong rất nhỏ
nên chúng cho phép dịng điện phĩng lớn, thích hợp cho việc khởi động các động cơ.
- Thời gian nạp nhanh (fast charge time): 8 ÷ 16h.
- Khả năng chịu đựng nạp quá đầy (Over charge tolerance) : cao.
- Khả năng tự phĩng điện trong 1 tháng (self discharge / Month): 5%.
- Điện áp mỗi học (cell voltage) : 2V.
- Nhiệt độ làm việc (operating temperature ) –20oC ÷ 60oC. - Yêu cầu bảo trì (maintenance requirement) 3÷6 tháng. - Những lợi ích và hạn chế của ắc quy chì-axit
Lợi ích
- Dễ sản suất, giá thành rẻ.
- Ắc quy cĩ độ ổn định cao, đáng tin cậy.
- Điện trở nội thấp nên cĩ thể cung cấp dịng điện rất cao.
- Hiện tượng tự phĩng điện xảy ra thấp.
- Khơng cần phải bảo trì nhiều.
- Cĩ nhiều kích thước, dễ lựa chọn.
- Cĩ khả năng phĩng điện cao.
Hạn chế
- Khơng thể lưu trữ khi ắc quy ở trong tình trạng phĩng điện.
- Năng lượng lưu trữ thấp.
- Số lần phĩng điện sâu bị hạn chế. Chỉ thích hợp cho các hệ thống ở chế độ chờ
(standby) khơng cần phải phĩng điện sâu.
- Các điện cực và chì rất cĩ hại cho mơi trường
- Việc vận chuyển ắc quy chì-axit bị hạn chế. Nếu như gặp tai nạn thì axit đổ ra sẽ
làm hại tới mơi trường.