Pliiaku

Pliiaku (ka happeaku) on levinud elektriakumulaatori tüüp.

Autoaku

Kuigi pliiakul on suhteliselt väike energia ja massi, samuti energia ja ruumala suhe, on tema eeliseks väga suur võimalik voolutugevus ning seetõttu suur võimsuse ja massi suhe. Nende omaduste pärast on pliiakud laialt kasutusel käivitusakudena liiklusvahendeil (autoakud] ja statsionaarse (paikse) puhvertoiteallikana katkematu elektertoite tagamiseks.

Pliiaku on kõige vanemat tüüpi elektriaku, mille leiutas 1859. aastal prantsuse füüsik Gaston Planté.

Ehitus

Põhimõtteliselt töötaks pliiaku ka kahe pliist lehega, kuid juba Gaston Planté sai aru, et on tarvis suurendada plaatide efektiivset pindala. Tema plaatide loomise meetod on tänaseni suures osas kasutatav statsionaarsete akude loomisel. Camille Alphonse Faure täiustas Planté pliiakut märkimisväärselt. Tema meetodil käib tänapäeva autoakude elementide loomine, mida on järgnevalt kirjeldatud.

Kõigepealt luuakse pliist ristkülikulise struktuuriga võrk, millele on mehaaniliste omaduste parandamiseks lisatud väike kogus antimoni, tina, kaltsiumi või teisi aineid. Võrgu tühimikud täidetakse pastaga, mis koosneb plii(II,IV)tetroksiidist (punasest pliist) ja 33%-lisest väävelhappelahusest. 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 positiivseid plaate üks rohkem kui negatiivseid, mistõttu mõlemad äärmised plaadid on positiivsed. Plaatide vahele valatakse väävelhape.

Aku esmalaadimisel muutuvad positiivsed plaadid šokolaadipruuniks pliidioksiidiks ja negatiivsed halliks poorseks pliiks. Tänapäeva akude plaadid on enamasti juba formeeritud, s.t eelnevalt muudetud pliiks ja pliidioksiidiks, ning pärast happe lisamist on akud juba kasutatavad.

Aku tühjenemisel plaatide plii või pliidioksiid reageerib väävelhappega japlaadid muutuvad plii(II)sulfaadiks, kusjuures plaatide maht suureneb. Aku laadimisel toimub vastupidine protsess ja plaatide suurus väheneb. Selline pidev suuruse muutumine põhjustab plaatidesse pressitud pasta järkjärgulist 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.

Kirjeldatud avatud akutüüpide kõrval on kasutusel ka suletud akud, milles tekkiv hapnik ja vesinik rekombineeruvad suures osas uuesti veeks. Kui aga tekib ülerõhk, eraldub gaas ventiili kaudu väliskeskkonda. Sellised akud on reeglina hooldusvabad. Neid võib jagada vastavalt elektrolüüdi hoidmise viisile AGM-akudeks ja geelakudeks.

Elektrokeemia

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%-line vesilahus (ruumala järgi).

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

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

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

Keemilised reaktsioonid

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: s – tahkis, aq – vesilahus, l – vedelik, ε⁰ – potentsiaal vesinikelektroodi suhtes.

Laadimine on eespool 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

Kõige sagedamini moodustatakse pliiaku kuuest elemendist, mis ühendatakse järjestikku ehk jadamisi, kuid on ka muid konfiguratsioone.

Pinge

• Aku elemendi nimipinge on 2,105 V (volti).
• 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

Pliiaku mahutavust mõõdetakse ampertundides (Ah). Valdavalt on see näidatud 10- või 20-tunnise 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.

Ventiilreguleeritav aku

Pliiakude liigid

Pliiakud võivad olla avatud (FLA, Flooded Lead Acid), avatud toruplaatakud (OpzS), suletud (AGM, Absorbed Glass Mat), geelakud ja geel-toruplaatakud (OpzV).

Avatud akud

See akutüüp on kasutusel akud päikese- ja tuuleenergia salvestamisel. Võrreldes suletud pliiakudega on neil suurem laadimis-tühjendustsüklite arv ja madalam hind. Avatud akud vajavad võrreldes suletud akudega rohkem hooldust. Kuna laadimisel eraldub akudest vesinik, mis on õhuga segunedes plahvatusohtlik, siis peavad avatud akud asuma ventileeritavas ruumis, samuti tuleb jälgida elektrolüüdi tihedust ja taset akupurkides. Kui õhutemperatuur akuruumis ei lange alla 0 °C, võib paigaldada elektrolüüdi taseme jälgimise automaatika, mis lisab purki vastavalt vajadusele destilleeritud vett.

Suletud pliiakud

Suletud pliiakud tüübitähisega VRLA (Valve-Regulated Lead-Acid battery „ventiilreguleeritav plii-happeaku“) jagunevad lameplaatidega AGM-akudeks (Absorbed Glass Mat battery) ja lame- või toruplaatidega geelakudeks (gel cell battery). AGM-akude puhul on akuplaatide vahel klaaskiudmaterjal, mis on immutatud elektrolüüdiga. Geelakude puhul on elektrolüüt geeli kujul.

Suletud pliiakud on hooldusvabad ja ohutumad, sest elektrolüüt ei voola kohe purunenud korpusest välja. Neid ei pea hoidma ventileeritavas ruumis, sest laadimisel tekkinud gaas ei pääse aku korpusest välja ning kondenseerub uuesti veeks. Tuleb jälgida, et laadimiskontroller võimaldaks häälestada laadimisprotsessi parameetreid VRLA-akudele sobivaks. Ülekoormuse korral tõuseb aku korpuses surve ja avaneb VRLA kaitseventiil (kork või klapp), sest elektrolüüdi aurud ei jõudnud jooksvalt veeks kondenseeruda. Kui kaitsekorgid on purgi sisemise surve tõttu avanenud, muutub see aku kuivamise tõttu väga kiiresti kasutuskõlbmatuks.

Käivitusakud ehk autoakud

Käivitusakud võivad olla avatud, AGM- või geeltüüpi. Nad võimaldavad tugevat voolu lühikese aja jooksul. Puudusteks on piiratud laadimis-tühjendustsüklite arv ja see, et süvatühjendamine lühendab aku eluiga.

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.

Mõnd liiki autode ja väikelaevade tarvis toodetakse käivitusakusid, mis on võimelised töötama ka süvatühjenemisrežiimis. Eestis on need akud kasutusel väikestes autonoomsetes taastuvenergia süsteemides. 50% tühjenemise puhul on nende käivitusakude tsüklite arv 200–500.

Statsionaarsed ehk UPS-akud

Puhvertoiteallikatele sobivad AGM- ja geelakud, sest neil on pikk eluiga laadimise ooterežiimis ja vastupidavus sügavtühjendamisele, näiteks elektrikatkestuse korral. Statsionaarseid akusid kasutatakse UPS-ide ja signalisatsiooniseadmete reservtoiteks, kus on vaja tagada elektrivarustus lühiajaliste katkestuste korral.

Ohud

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 plasti purustada või minema "puhuda". Plastitükid ja pritsiv hape võivad inimest raskelt vigastada.

Akude klemmidele võib imbuda hapet, mis reageerib klemmidega. 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. Sellele vaatamata satub palju akusid prügimäele või looduskeskkonda reostama.

Eestis saab pliiakusid tasuta ära anda mitmes ohtlike jäätmete kogumispunktis, aga mõned firmad ka maksavad neile viidud vanade akude eest.