Ắc quy ô tô được cấu tạo như thế nào và hoạt động ra sao?

Chức năng truyền thống của ắc quy trong khoang động cơ được nhiều người biết đến: Nếu không có ắc quy thì xe không thể khởi động được. Ngoài động cơ khởi động, bugi đánh lửa, bugi phát sáng, đèn chiếu sáng và các ứng dụng điện tử đều cần năng lượng điện. Nhưng ắc quy được cấu tạo như thế nào và hoạt động như thế nào?

Ắc quy axit chì: Thành phần và cấu trúc

Nhiều người lái xe nhận thức được trọng lượng nặng nề của ắc quy ô tô khi họ mua một cái mới. Trọng lượng từ khoảng 10,5 kg, có thể lên tới 30 kg. Nguyên nhân là do các tấm chì trong ắc quy.

Thành phần và cấu trúc của ắc quy

Điện cực dương:

• Tấm tích cực: Trong ắc quy axit chì, tấm tích điện dương (vật liệu hoạt động) bao gồm oxit chì (PbO2) được ngâm trong chất điện phân.
• Lưới tích cực: Lưới tích cực bao gồm một hợp kim chì và được sử dụng để giữ vật liệu hoạt động và làm bộ thu dòng điện.

Điện cực âm:

• Tấm âm: Tấm tích điện âm (vật liệu hoạt động) bao gồm chì nguyên chất (Pb), cũng được ngâm trong chất điện phân.
• Tấm âm: Giống như tấm dương, tấm này cũng bao gồm một hợp kim chì và có cùng mục đích.

Các điện cực có điện tích khác nhau được ngăn cách bằng túi phân cách.

Chất điện phân là hỗn hợp axit sunfuric (H2SO4) và nước cất. Chất điện phân này có thể ở dạng lỏng (như trong ắc quy ướt thông thường hoặc trong công nghệ EFB nâng cao), ở dạng gel hoặc được bọc trong tấm thảm thủy tinh (như trong công nghệ AGM dành cho các ứng dụng start-stop mới hơn).

Một số điện cực dương tạo thành một bộ tấm dương và một số điện cực âm tạo thành một bộ tấm âm. Cùng với nhau, một bộ tấm âm và dương tạo thành một khối tấm. Một khối tấm là một tế bào ắc quy.

Ắc quy khởi động thông thường bao gồm 6 ô mắc nối tiếp, mỗi ô có điện áp danh định là 2V, dẫn đến điện áp chính xác là 12,72V khi ắc quy được sạc đầy. Dung lượng và khả năng khởi động nguội của ắc quy phụ thuộc vào số lượng tấm trên mỗi ô.

Nguyên tắc nhỏ: Ô chứa càng nhiều tấm và do đó tạo thành bề mặt lớn hơn thì công suất khởi động nguội (CCA) mà ắc quy có thể cung cấp càng lớn. Tuy nhiên, nếu không gian trong ô được sử dụng cho ít tấm hơn nhưng dày hơn thì độ ổn định của chu trình sẽ tăng lên. Điều này có nghĩa là ắc quy được thiết kế để có thông lượng sạc cao hơn (quá trình sạc và xả liên tục).

Các tế bào được chứa trong một vỏ được làm từ nhựa chịu axit (polypropylene). Trong ắc quy SLI thông thường, nó được đóng lại bằng một nắp có hệ thống mê cung giúp ngăn chất lỏng trong ắc quy thoát ra ngoài và tách chất lỏng khỏi khí.

Ắc quy ban đầu có phích cắm vít cho phép chúng được đổ đầy nước cất. Ắc quy hiện đại hoàn toàn không cần bảo trì. Không cần phải có nước và không được đổ thêm nước. Mặc dù ắc quy AGM vẫn có “phích cắm một chiều” nhưng chúng không được mở ra trong bất kỳ trường hợp nào.

Chức năng ắc quy ô tô: Năng lượng hóa học trở thành năng lượng điện

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

• Hydro (H)
• Oxi (O2)
• Chì (Pb)
• Lưu huỳnh (S)

Kết nối của người tiêu dùng bên ngoài sẽ bắt đầu phản ứng hóa học trong ắc quy:

• Chất điện phân, hỗn hợp axit sunfuric (H2SO4) và nước cất phân hủy 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 cực âm sang cực dương thông qua thiết bị tiêu thụ bên ngoài.
• Để bù lại dòng điện tử này, các ion sunfat di chuyển từ chất điện phân vào điện cực âm, nơi chúng phản ứng với chì (Pb) để tạo ra chì sunfat (PbSO4) .
• Chì sunfat cũng được tạo ra ở điện cực dương: Liên kết của oxy (O2) trong oxit chì (PbO2 ) bị phá vỡ do sự chuyển dịch của các electron và oxy đi vào chất điện phân. Chì (Pb) còn lại liên kết với sunfat (SO4) từ chất điện phân.
• Ở đó, oxy liên kết với hidro để tạo thành nước (H2O). Khi 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 quá trình hóa học diễn ra theo trình tự ngược lại. Cuối cùng, có thể tìm thấy các nguyên tố ban đầu: Điện cực dương gồm chì sunfat (PbSO4 ), điện cực âm gồm chì nguyên chất (Pb) và chất điện phân gồm axit sunfuric loãng (H2SO4). Vì quá trình chuyển đổi này có liên quan đến tổn thất nên ắc quy chỉ có thể chịu được một số chu kỳ sạc giới hạn. Do đó, thời gian sử dụng hữu ích của nó bị hạn chế.

Các vấn đề với ắc quy axit chì: Sunfat và phân lớp axit

Nếu ắc quy được sạc với điện áp quá thấp hoặc nếu ắc quy luôn hoạt động với điện áp quá thấp (dưới 80%), thì sẽ xảy ra hiện tượng phân lớp axit, còn được gọi là phân tầng. Axit trong chất điện phân phân tầng do trộn kém. Mật độ khác nhau gây ra sự phân lớp axit sunfuric ở phía dưới và nước ở khu vực phía trên của ắc quy. Do đó, chỉ phần giữa của chất điện phân, tức là chỉ một phần ba, mới có thể được sử dụng cho quá trình phóng điện và sạc.

Nguyên nhân có thể xảy ra hiện tượng phân lớp axit chủ yếu là do hành trình ngắn với việc sử dụng đồng thời một số lượng lớn thiết bị tiêu dùng điện. Trong trường hợp này, máy phát điện không có đủ thời gian để sạc lại ắc quy.

Kết quả của sự phân lớp axit là sự sunfat hóa. Nếu điều này xảy ra trong ắc quy hoặc nếu ắc quy không được sạc liên tục ở mức thích hợp thì chì sunfat (PbSO4 ) sẽ kết tinh trên các điện cực, tạo thành các cấu trúc tinh thể lớn hơn theo thời gian. Quá trình này được gọi là “sulfat hóa”. Sự kết tinh ngăn chặn sự chuyển đổi lại của chì sunfat thành chì hoặc oxit chì thành phần ban đầu, dẫn đến việc ngăn cản việc chấp nhận điện tích và giảm công suất khởi động nguội.

Các tinh thể sắc nhọn cũng có thể làm hỏng bộ phận phân tách hoặc gây đoản mạch trong tế bào.

Để chống lại tác động này và ngăn chặn tình trạng hỏng ắc quy sớm, không bao giờ nên để ắc quy ở mức sạc thấp trong thời gian dài. Để làm được điều này, bạn nên kiểm tra ắc quy thường xuyên và sạc đầy ắc quy nếu cần thiết.

Công nghệ ắc quy mới: AGM và lithium ion

Cho đến nay, ắc quy axit chì 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 dành cho các phương tiện có tính năng dừng khởi động như AGM sử dụng axit được kết dính trong một tấm thảm để mang lại độ ổn định chu trình cao hơn và đảm bảo hiệu suất đáng tin cậy trên các phương tiện có yêu cầu năng lượng tăng cao. Một ưu điểm nữa của AGM: Không thể phân lớp axit do axit liên kết.

Một thế hệ ắc quy ô tô mới dành cho xe micro-hybrid hoạt động ở điện áp 48V và sử dụng tế bào có công nghệ lithium ion.