Pliiaku

Allikas: Vikipeedia
Autoaku

Pliiaku (ka pliiakumulaator, happeaku) on laialdaselt kasutatav elektriakumulaatori tüüp.

Kuigi pliiakul on suhteliselt väike energia ja massi, samuti energia ja ruumala suhe, on tema eeliseks väga suur võimalik voolutugevus ning seetõttu kõrge võimsuse ja massi suhe.

Pliiaku on kõige varem loodud elektriaku. Pliiaku leiutas 1859. aastal prantsuse füüsik Gaston Planté.

Ehitus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Põhimõtteliseks töötaks pliiaku kahe pliist lehega, kuid juba Gaston Planté sai aru, et plaatide efektiivset pindala on tarvis suurendada. Tema plaatide loomise meetod on tänaseni suures osas kasutatav statsionaarsete akude loomisel.

Siiski parandas Camille Alphonse Faure Planté pliiakut märkimisväärselt. Tema järgi käib tänapäeva autoakude elementide loomine, mida on järgnevalt kirjeldatud.

Kõigepealt luuakse pliist ristkülikulise struktuuriga võrk, millele on mehaaniliste omaduste parandamiseks lisatud väikeseid koguseid antimoni, tina, kaltsiumi või teisi aineid. Võrgu tühimikud täidetakse pastaga, mis koosneb plii(II,IV)tetroksiidist (punasest pliist) ja 33-protsendilisest väävelhappe lahusest. Pasta pressitakse pliisse tehtud aukudesse, kus väävelhape reageerib pliiga ja suurendab sedasi pliist võrgu pindala.

Plaadid (elektroodid) ühendatakse elektriliselt üle ühe plaadi ja eraldatakse separaatoritega. Tavaliselt paigaldatakse üks positiivne plaat rohkem kui negatiivne, mistõttu mõlemad äärmised plaadid on positiivsed.

Plaatide vahele valatakse väävelhape ja akut laetakse esimest korda. Positiivsed plaadid muutuvad šokolaadipruuniks pliidioksiidiks ja negatiivsed halliks poorseks pliiks.

Tänapäeva akude plaadid on enamasti juba formeeritud, st eelnevalt muudetud pliiks ja pliidioksiidiks, ning pärast happe lisamist on akud juba kasutatavad.

Aku tühjenemisel plaadid suurenevad, sest plii või pliidioksiid reageerivad väävelhappega ja muutuvad plii(II)sulfaadiks. Aku laadimisel toimub vastupidine protsess ja plaatide suurus väheneb. Selline pidev suuruse muutumine põhjustab plaatidesse pressitud pasta järk-järgulist eraldumist ja aku põhja sadestumist. Kui sadet on kogunenud nii palju, et see puutub plaatide vastu altpoolt, on tulemuseks lühistatud element.

Separaatorid eraldavad plaate, et vältida lühist omavahelise kontakti tõttu. Nad suurendavad aga ka elemendi sisetakistust, sest takistavad ioonide liikumist plaatide vahel. Separaatoreid on tehtud erinevatest materjalidest, nagu puit, kummi, klaaskuidmatt, tselluloos, polüvinüülkloriid ja polüetüleen.

Akude kest on üldjuhul tehtud plastmassist.

Elektrokeemia[muuda | redigeeri lähteteksti]

Laetud olekus sisaldab iga pliiaku element kahte elektroodi, millest üks on peaaegu puhtast, kuid urbsest pliist (Pb), teine aga pliidioksiidist (PbO2). Elektroodid asetsevad elektrolüüdis, milleks on väävelhappe (H2SO4) 33,6-protsendiline vesilahus (ruumala järgi).

Tühjakslaetud olekus on mõlemad elektroodid muutunud plii(II)sulfaadiks (PbSO4), samas on elektrolüüt kaotanud enamiku väävelhappest ning muutunud põhiliselt veeks (H2O).

Praktikas kasutatavad elektroodid sisaldavad lisaks pliile antimoni, tina, kaltsiumi ja/või seleeni

Et suurem vee kontsentratsioon tõstab lahuse külmumistemperatuuri, siis pooltühja aku elektrolüüt jäätub talveilmadega kergemini kui täis aku elektrolüüt.

Keemilised reaktsioonid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Anood (oksüdatsioon):

\mbox{PbSO}_{4} (s) +5\mbox{H}_2\mbox{O} (l) \leftrightarrow \mbox{PbO}_{2} (s) +3\mbox{H}_3\mbox{O}^+ (aq)+\mbox{HSO}_{4}^{-} (aq) +2e^- \quad\epsilon^o = 1.685 \ \mathrm{V}

Katood (reduktsioon):

\mbox{PbSO}_{4} (s) +\mbox{H}_3\mbox{O}^+ (aq)+2e^- \leftrightarrow \mbox{Pb} (s) +\mbox{HSO}_{4}^{-} (aq) +\mbox{H}_2\mbox{O} (l) \quad\epsilon^o = -0.356 \ \mathrm{V}

Selgituseks: stahkis, aq – vesilahus, lvedelik, ε0potentsiaal vesinikelektroodi suhtes.

Laadimine on eelpool toodud reaktsioonides vaadeldav vasakult paremale ja tühjendamine paremalt vasakule. Ühe elemendi pinge on anoodi ja katoodi potentsiaalide vahe.

Liiga kõrge pingega või liiga suure voolutugevusega laadimine (ülelaadimine) põhjustab vee elektrolüüsi tõttu hapniku ja vesiniku intensiivse eraldumise. Selline gaaside segu on väga plahvatusohtlik.

Elektrilised omadused[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kõige sagedamini moodustatakse pliiaku kuuest elemendist, mis ühendatakse jadamisi, kuid on mitmeid teisi konfiguratsioone.

Pinge[muuda | redigeeri lähteteksti]

  • Aku elemendi nominaalpinge on 2,105 volti (V).
  • Pideva laadimisrežiimi pinge on 13,4...13,8 V.
  • Tavalise laadimisrežiimi pinge on 14,2...14,5 V.
  • Hapnikku ja vesinikku hakkab eralduma 14,4 V juures.
  • Pärast laadimist langeb pinge kiiresti 13,2 voldini ja siis aeglaselt 12,6 voldini.
  • Täislaetud aku pinge koormuseta (tarbijata) on 12,6...12,8 V.
  • Tühjakslaetud aku pinge koormuseta on 11,8...12,0 V.
  • Tühjakslaetud aku pinge tarbijaga on 10,5 V.

Kõik pinged on toodud 20 °C juures ja neid peab temperatuuri muutumisel kompenseerima −0,022 V/°C (soojem aku vajab vähem pinget).

Pliiaku laetuse taset on kõige lihtsam määrata siiski elektrolüüdi tihedust areomeetriga mõõtes. Täis akul on see 1,27 g/cm³ ja tühjal akul 1,12 g/cm³.

Mahutavus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Pliiaku mahutavust (mahtuvust) mõõdetakse ampertundides (Ah). Valdavalt on see näidatud 10- või 20-tunnilise tühjenemise korral. Seda, kui palju energiat aku suudab säilitada, näidatakse ka vatt-tundides (Wh).

Pliiaku mahutavus sõltub sellest, kui kiiresti seda tühjaks laaditakse. Mida suurem on voolutugevus, seda väiksem on mahutavus. Seda tuntakse Peukerti seaduse all.

Pliiakudel on valdavalt järgmised iseloomulikud näitajad: energia/mass 30...40 Wh/kg, energia/ruumala 60...75 Wh/kg, võimsus/mass 180 W/kg.

Laadimise ja tagasisaadava energiahulga suhe on vahemikus 50%...92%.

Pliiaku tühjeneb ühes kuus 3%...20%.

Akut on võimalik laadida sadu kordi sõltuvalt sellest, kui tühjaks aku iga tsükli järel saab. Mida rohkem energiat on akusse jäänud tühjendamise lõpuks, seda rohkem kordi saab akut laadida.

Tüübid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Ventiilreguleeritav aku

Starteriga auto käivitamiseks loodud pliiakud (käivitusakud, autoakud) ei ole mõeldud pidevate voolutarbijate energiaallikaks. Neil on õhukesed plaadid, et saavutada maksimaalne pindala ja voolutugevus (lühiajaliselt). Selliseid plaate saab sügava tühjakslaadimisega kergesti kahjustada.

Et voolutarbijale pidevalt energiat anda, selleks on loodud süvatühjenemisakud. Selliseid akusid kasutatakse tagavaratoiteallikatena ja elektriautodes.

Ventiilreguleeritavad pliiakud (VRLA) on suletud akud, milles tekkiv hapnik ja vesinik suures osas veeks tagasi rekombineerub. Kui aga tekib ülerõhk, eraldub gaas ventiili kaudu väliskeskkonda. Sellised akud on reeglina hooldusvabad. Neid võib jagada vastavalt elektrolüüdi hoidmise viisile AGM (absorbeeritud klaasmatt) akudeks ja geelakudeks.

Rakendused[muuda | redigeeri lähteteksti]

Pliiakusid kasutatakse suure koormusega katkematu toiteallikana või tagavaratoiteallikana (vaata puhvertoiteallikas ehk UPS).

Üks sagedasemaid pliiakude kasutusalasid on sisepõlemismootoriga autode käivitamiseks vajaliku energia salvestamine ja starteri abil auto käivitamine.

Pliiakusid kasutatakse laialdaselt ka elektriautode ja teiste elektriliste sõidukite energiaallikana.

Konkureerivad tehnoloogiad[muuda | redigeeri lähteteksti]

Pliiakuga konkureerivatest akudest on enam levinud liitiumioonakud (Li-ion), nikkelkaadmiumakud (NiCd) ja nikkel-metall-hüdriidakud (NiMH).

Ohud[muuda | redigeeri lähteteksti]

Pliiakud sisaldavad väävelhapet, mis on söövitav.

Ülelaadimine põhjustab intensiivse vesiniku ja hapniku segu eraldumise. Selle võib säde või lahtine leek kergesti süüdata. Kui plahvatus toimub elemendi sees, võib tekkinud gaasi rõhk aku pealt või ümbert plastmassi purustada või minema "puhuda". Plastmassi tükid, samuti pritsiv hape võivad inimest tõsiselt vigastada.

Akude klemmidele võib imbuda hapet, mis klemmidega reageerib. See põhjustab valge pulbri, plii(II)sulfaadi tekkimise, mis toimib mürgina sissehingamisel, neelamisel, silmade või nahaga kokkupuutel. Sageli soovitatakse selle eemaldamiseks kasutada kõigepealt traatharja, seejärel söögisooda vesilahust ja lõplikuks puhastamiseks puhast vett.

Pliiakude taaskasutus on üks edukamaid maailmas. 2004–2009 taaskasutati Ameerika Ühendriikides rohkem kui 97% akude pliist.[1] Sellele vaatamata satub palju akusid prügimägedele või looduskeskkonda reostama.

Eestis saab pliiakusid tasuta ära anda mitmetesse ohtlike jäätmete kogumispunktidesse, aga mõned firmad ka maksavad nendele toodud vanade akude eest[2].

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. Battery Council International. Kasutatud 18.02.2010
  2. Kuusakoski hinnakiri. Kasutatud 18.02.2010