AKKU- JA PARISTOTEKNIIKAT H.Honkanen Kemiallisessa sähköparissa ( = paristossa ) ylempänä oleva, eli negatiivisempi, metalli syöpyy liuokseen. Akussa ei elektrodi syövy pois, vaan esimerkiksi lyijyakkua ladatessa miinuslevylle muodostuu lyijysulfaatista lyijyä ja pluslevylle lyijysulfaatista lyijyoksidia ( PbO2 ). AKKUTEKNIIKAT: Kuva: Akkutyyppien vertailu energiatiheyden funktiona massaan ja tilavuuteen Lyijyakku: 2.1 V Toiminta: - Lyijyakkua purettaessa liuoksessa, H2SO4 ( rikkihappoa ) oleva rikki siirtyy lyijylevyille. Täysin tyhjän akun levyt ovat lyijysulfaatia ( PbSO2 ), neste on enää pelkkää vettä -> Ei johda enää sähköä, joten akku ei ota enää virtaa! - Varattaessa lyijyakkua ladatessa miinuslevylle muodostuu lyijysulfaatista lyijyä ( Pb ) ja pluslevylle lyijysulfaatista lyijyoksidia ( PbO2 ). Näin syntyneen Pb PbO2 parin lähtöjännite on 2.1V. - Voidaan kuormittaa hyvin suurella kuormalla, antaa erittäin paljon virtaa, jonka vuoksi käsittely vaatii varovaisuutta! - Ei kestä syväpurkausta, syväpurkaus huonontaa akun kapasiteettia lopullisesti. - Ladataan vakiojännitteellä. - Normaalilla lyijyakulla latausjännite saa olla välillä 2.2 V - 2.5 V per kenno. Tämä tarkoittaa esim kuuden kennon ( 12V ) akulla jännitettä: 13.2 V 15 V. - Lyijyhyytelöakulla latausjännitteen on oltava tasan 2.23 V per kenno. Latausjännitteen tulee olla myös vakaa ( ei saa olla sykkivää )! Tämä akkutyyppi on suljettu ja voi räjähtää ylijännitteellä!
- Latausjännite voi olla jatkuva. - Latauksen valvonta: Napajännite Ikääntyminen: Varauskapasiteetti pienenee NiCd: 1.2 V + kohtio NikkeliOksidiHydroksidia, - kohtio Kadmiumia - Voidaan kuormittaa suurella kuormalla, antaa paljon virtaa, jonka vuoksi käsittely vaatii varovaisuutta! - Syväpurkaus vain parantaa akun toimintaa, tulisikin syväpurkaa ainakin ajoittain - Ladataan vakiovirralla - Perinteisen NiCd- kennon latausvirta saa olla kymmenesosa akun nimelliskapasiteetista, siis 1 Ah kennolle 100 ma - Pikaladattavan kennon latausvirta voi olla akun kapasiteetin suuruinen. - Latauksen valvonta: - Akun lämpeneminen, latausenergia muuttuu lämmöksi, kun akku ei enää varastoi energiaa - Täyden akun napajännitteen lasku ( kun akku varautuu, sen napajännite nousee ) - Aika Ikääntyminen: Kenno menee yleensä oikosulkuun,varauskapasiteetti pienenee NiMH 1.2 V + kohtio NikkeliOksidiHydroksidia, - kohtio Metallihybridiä, Mangaani-Vety-seosta ( MH ) - Voidaan kuormittaa kohtuullisesti. Ikääntyminen nostaa NiMH akun sisäistä resistanssia, jolloin sen virranantokyky heikkenee. - Syväpurkaus vain parantaa akun toimintaa, tulisikin syväpurkaa ainakin ajoittain - Ladataan vakiovirralla - Perinteisen NiMH- kennon latausvirta saa olla kymmenesosa akun nimelliskapasiteetista, siis 1 Ah kennolle 100 ma - Pikaladattavan kennon latausvirta voi olla akun kapasiteetin suuruinen. - Latauksen valvonta: - Akun lämpeneminen, latausenergia muuttuu lämmöksi, kun akku ei enää varastoi energiaa - Täyden akun napajännitteen lasku ( kun akku varautuu, sen napajännite nousee ), ilmiö NiMH:lla pienempi, kuin NiCd:lla - Aika - Ikääntyminen: Ikääntyminen nostaa NiMH akun sisäistä resistanssia, jolloin sen virranantokyky heikkenee. Myös varauskapasiteetti heikkenee
LiIon: 3.6 V tai 3.7 V ( riippuu katodimateriaalista ) Paras kapasiteetti/massa suhde ( Lithium kevyin metalli ) - Anodi: Grafiitti ( hiili ) - Katodi : - Litium-mangaanioksidi ( 3.7 V ) - Litiumkobolttioksidi ( 3.6 V ) Toiminta: - Ladatessa Litiumionit ( Li+ ) kerääntyvät elektrolyytistä grafiittianodiin - Purettaessa litiumionit siirtyvät anodista elektrolyyttiin - Virranantokyky rajoitettu. - Ei kestä syväpurkausta, syväpurkaus huonontaa akun kapasiteettia lopullisesti. - Ladataan aluksi vakiovirralla, lopuksi vakiojännitteellä. - Latausjännite oltava HYVIN TARKKA: - Litium-mangaanioksidilla ( kennojännite 3.7 V ),latausjännite oltava tasan 4.2 V - Litiumkobolttioksidilla ( kennojännite 3.6 V ),latausjännite oltava tasan 4.1 V - Jo 1 % latausjännitteen ylitys voi aiheuttaa Litium-ionien muuttumisen metalliksi, tämä puolestaan voi aiheuttaa RÄJÄHDYSVAARAN ( Metallinen Lithium reagoi voimakkaasti veden kanssa vapauttaen vetyä ja happea -> Räjähtävä yhdistelmä! - Jo 100 mv alijännite latauksessa aiheuttaa 7 % alikapasiteetin Edellä esitetyistä syistä johtuen Li-ion akkuja ei ole saatavilla ( eikä tule olemaankaan ) ns. paristotyyppisissä vakiokoteloissa. Kuva: Tyypillinen yhden Li-Ion kennon lataustapahtuma. Sekä maksimijännite, että maksimi latausvirta on rajoitettu. Lataustatahtuman aikana käy tällöin siten, että aluksi ladataan maksimivirralla ja kennojännite nousee maksimiarvoonsa, jolloin jänniterajoitus pienentää latausvirran. Täysin varatussa kennossa kennojännite on maksimaalisen latausjännitteen suuruinen ja virta on lähes nolla.
PARISTOTEKNIIKAT: KEMIALLINEN SÄHKÖPARI - Kemiallinen sähköparin toiminta perustuu metalliatomien erilaiseen taipumukseen luovuttaa elektroni ja muuttua ioniksi. - Sähkökemiallinen jännitesarja: Elektrodi Elektrodipotentiaali/V ( Vety ioniin verrattuna ) Li, Lithium -3,02 K, Kalium -2,92 Ca, Kalsium........... -2.76 Na, Natrium -2,72 Mg, Magnesium -2,34 Al, Alumiini...........-1,67 Zn, Sinkki -0,76 Fe, Rauta -0,44 Cd, Kadmium..........-0,40 Co, Koboltti -0,28 Ni, Nikkeli -0,24 Sn, Tina.............. -0,14 Pb, Lyijy -0,13 H2, Vety-ioni 0 Cu, Kupari........... +0,34 Ag, Hopea +0,80 Au, Kulta +1,50 - Kemiallisessa sähköparissa ylempänä oleva, eli negatiivisempi metalli syöpyy liuokseen. - Esimerkkinä vaikkapa ensimmäinen paristo, ns. Danielin pari Sinkki-kuparikenno. Tässä sinkkisauva ja kuparisauva on laitettu samaan laimeaan rikkihappoliuokseen. Jännitesarjasta saamme potentiaalieroksi 1,1V ( +0,34V - -0.76V ). Tämä on myös tämän kennotyypin lähdejännite. Tämän suuretunnus on E ja mittayksikkö V,voltti. Lähtöjännite riippuu kuormituksesta ja sisäisestä resistanssista: U = E ( I Rs ). - Akussa ei elektrodi syövy pois, vaan esimerkiksi lyijyakkua ladatessa miinuslevylle muodostuu lyijysulfaatista lyijyä ja pluslevylle lyijysulfaatista lyijyoksidia ( PbO2 ). Näin syntyneen Pb PbO2 parin lähtöjännite on 2.1V. Elektrolyyttinä toimii rikkihappo. - Normaali paristojen nimitykset ja rakenne: Nimitys Nimellisjännite Sähköpari Elektrolyytti + napa -napa Kuivapari 1,5 V MnO2, Hiili Zn ZnCl2, CaCl2 Alkalipari 1,5 V MnO2, Hiili Zn KOH Elohopeapari 1,4 V HgO Zn KOH Hopeaoksidipari 1,5 V AgO Zn KOH Litiumpari 3,0 V Hiili Li KBr + orgaaninen liuotin + SO2 Lähdejännite, suuretunnus on E ja mittayksikkö V,voltti. Lähtöjännite, U, riippuu kuormituksesta ja sisäisestä resistanssista: U = E ( I Rs ).
Eri paristotyyppien vertailu : - Kennojännite suhteessa käyttöaikaan