Nguyên Lý Hoạt động & Cấu Tạo Của ắc Quy

Các khái niệm cơ bản

Chức năng truyền thống của ắc quy trong khoang động cơ ai cũng biết là khởi động xe. Ngoài ra bugi đánh lửa, đèn chiếu sáng và các thiết bị điện tử đều cần điện từ ắc quy để hoạt động. Nhưng ắc quy được cấu tạo như thế nào và nó hoạt động ra sao?

Ắc quy chì-axit: Thành phần và cấu trúc

Nhiều lái xe bất ngờ về khối lượng của ắc quy xe hơi khi họ lần đầu tiên phải thay mới. Khối lượng dao động khoảng 10,5 kg đến 30 kg, lý do chính là bản cực chì bên trong các ngăn của ắc quy.

Thành phần và cấu trúc của một ngăn ắc quy

Điện cực dương:

Bản cực dương: Trong ắc quy chì-axit, bản cực dương (vật liệu hoạt hóa) bao gồm oxit Chì (PbO2) được nhúng hoàn toàn trong dung dịch điện phân.

Lưới cực dương: Lưới cực dương bằng hợp kim chì và được dùng để giữ vật liệu hoạt hóa đồng thời là bộ thu điện.

Điện cực âm:

Bản cực âm: Bản cực âm (vật liệu hoạt hóa) bằng Chì nguyên chất (Pb), cũng được nhúng hoàn toàn trong dung dịch điện phân.

Lưới cực âm: Giống như lưới cực dương, lưới cực âm cũng được làm từ hợp kim chì và dùng cho cùng mục đích.

Giữa cực âm và cực dương là các vách ngăn.

Dung dịch điện phân là hỗn hợp của axit sunfuric (H2SO4) và nước cất. Dung dịch điện phân này có thể ở dạng lỏng (như trong ắc quy ướt thông thường hoặc trong công nghệ EFB được nâng cao), ở dạng gel hoặc gắn trong thảm thủy tinh (như trong công nghệ AGM cho các ứng dụng khởi động-dừng mới hơn).

Một nhóm các điện cực dương tạo thành bản cực âm và nhóm các điện cực âm tạo thành bản cực âm. Bản cực âm cùng với bản cực dương tạo thành một khối, khối này chính là một ngăn của ắc quy..

Một ắc quy thông thường có 6 ngăn được nối nối tiếp, mỗi ngăn có điện áp định mức là 2 V, do đó điện áp của ắc quy khi sạc đầy chính xác là 12,72 V. Do đó, dung lượng và khả năng khởi động nguội của ắc phụ thuộc vào số bản cực của mỗi ngăn.

Quy tắc Ngón tay cái: Càng nhiều bản cực trong mỗi ngăn, tổng diện tích bề mặt bản cực càng lớn thì năng lượng khởi động nguội (CCA) của ắc quy càng lớn. Tuy nhiên, nếu mỗi ngăn nhỏ hơn và các bản cực dày hơn, thì độ ổn định theo chu kỳ tăng lên. Điều này có nghĩa là ắc quy được thiết kế để tăng cường độ sạc-xả (quá trình sạc và xả liên tục).

Các ngăn được phân định bằng một lớp nhựa kháng axit (polypropylen). Trong ắc quy SLI thông thường, các ngăn được đóng đóng kín bằng một hệ thống phức tạp để ngăn chất lỏng của ắc quy thoát ra ngoài và tách biệt phần chất lỏng với khí.

Trước đây ắc quy kiểu cũ có nút mở dạng gen cho phép đổ thêm nước cất vào ắc quy. Ắc quy hiện đại hoàn toàn không cần bảo trì. Không cần và không được phép đổ thêm nước. Dù vậy, các ắc quy AGM vẫn nút đóng một chiều, không được mở nút này trong bất kỳ trường hợp nào.

Chức năng của ắc quy là chuyển hóa năng thành điện năng

Ắc quy ô tô lưu trữ năng lượng ở dạng hóa học và chuyển hóa thành năng lượng điện. Trong quá trình điện-hóa này, bốn vật liệu phản ứng với nhau:

• Hydro
• Oxy
• Chì
• Lưu huỳnh

Khi ắc quy được nối với tải ngoài, phản ứng hóa học bắt đầu xảy ra trong ắc quy:

Chất điện phân, hỗn hợp axit sunfuric (H2SO4) và nước cất phân ly thành các ion hydro tích điện dương (H +) và các ion sunfat tích điện âm ((SO4)2-).

Đồng thời, các electron (2e-) di chuyển từ điện cực âm sang điện cực dương thông qua tải ngoài.

Để bù cho dòng electron này, các ion sunfat di chuyển từ chất điện phân vào điện cực âm, nơi chúng phản ứng với chì (Pb) để tạo ra sunfat chì (PbSO4).

Sunfat chì cũng được tạo ra tại điện cực dương: Liên kết oxy (O2) trong oxit chì (PbO2) bị phá vỡ do việc chuyển electron và oxy vào chất điện phân. Lượng chì (Pb) còn lại liên kết với sunfat (SO4) từ chất điện phân.

Ở đó, oxy liên kết với hydro tạo thành nước (H2O). Vì axit sunfuric được sử dụng hết do sự hình thành chì sunfat, nồng độ của dung dịch điện phân giảm. Khi nồng độ axit sunfuric giảm xuống dưới một mức nhất định, ắc quy phải được sạc lại.

Trong quá trình sạc, các phản ứng hóa học diễn ra theo trình tự ngược lại. Cuối cùng, các nguyên tố ban đầu có thể được khôi phục: Điện cực dương bao gồm chì sunfat (PbSO4), điện cực âm bao gồm chì nguyên chất (Pb) và chất điện phân bao gồm axit sunfuric loãng (H2SO4). Vì quá trình chuyển đổi này có liên quan đến sự hao hụt, ắc quy chỉ có thể chịu được một số chu kỳ sạc hạn chế. Vòng đời sử dụng của nó do đó bị hạn chế.

Quá trình sạc ắc quy

Các vấn đề với ắc quy chì-axít: Sunfat hóa và sự phân tầng axit

Nếu ắc quy được sạc với điện áp quá thấp hoặc nếu nó luôn hoạt động với điện áp quá thấp (dưới 80%) thì xảy ra hiện tượng phân tầng (hình thành các lớp axit có nồng độ khác nhau). Axit trong dung dịch điện phân bị phân tầng do mật độ không đồng đều. Mật độ không đồng đều khi axit sulfuric dưới đáy còn nước ở khu vực trên cùng của ắc quy. Do vậy, chỉ phần giữa của dung dịch điện phân, tức là chỉ một phần ba, có thể được sử dụng cho quá trình xả và sạc.

Nguyên nhân của hiện tượng phân tầng axit chủ yếu là do xe di chuyển các quãng đường ngắn, trong khi xe sử dụng đồng thời một số lượng lớn các thiết bị điện. Trường hợp này, máy phát điện không có đủ thời gian để sạc lại ắc quy.

Hậu quả của hiện tượng phân tầng axit là sự sunfat hóa. Nếu điều này xảy ra trong ắc quy, hoặc nếu ắc quy không được sạc liên tục đến mức thích hợp, chì sunfat (PbSO4) sẽ kết tinh trên các điện cực, để tạo thành các cấu trúc tinh thể lớn hơn dần theo thời gian. Quá trình này được biết đến như là “sunfat hóa”. Lớp sunfat chỉ trên các điện cực ngăn cản sự chuyển đổi lại chì sunfat thành các thành phần ban đầu là chì hoặc oxit chì, cản trở quá trình sạc và giảm năng lượng khởi động nguội.

Các tinh thể sắc nhọn cũng có thể làm hỏng các vách ngăng hoặc gây ra hiện tượng đoản mạch trong các ngăn.

Để khắc chế hiện tượng này và ngăn ắc quy hỏng sớm, tránh việc để dung lượng ắc quy ở mức thấp trong một thời gian dài. Như vậy, nên kiểm tra ắc quy thường xuyên và sạc đầy khi cần thiết.

Các công nghệ ắc quy mới: AGM & Lithium ion

Hiện nay, ắc quy chì-axit thông thường đã chiếm thị phần cao trên thị trường. Tuy nhiên, thị trường đang thay đổi nhanh chóng: Các công nghệ ắc quy tiên tiến như AGM sử dụng axit được gắn trong một tấm thảm để mang lại sự ổn định theo chu kỳ lớn hơn và đảm bảo chắc chắn các tính năng khi vận hành của các phương tiện có nhu cầu năng lượng cao. Một lợi thế nữa của AGM: Phân tầng axit không còn xảy ra do axit ở dạng geo.

Một thế hệ ắc quy mới cho xe lai điện siêu nhỏ vận hành ở mức 48V và sử dụng các ngăn với công nghệ lithium ion.