Lyijyakku


Lyijyakku eli lyijy-happoakku on vanhin keksitty ja kaupalliseen käyttöön otettu uudelleenladattava sähköpari. Lyijyakun toiminta perustuu nimensä mukaan kahden lyijylevyn elektrolyysireaktioon n. 37%:ssa rikkihapon vesiliuoksessa. Lyijyakut ovat muuntyyppisiin akkuihin verrattuna halpoja ja niistä saadaan kokoonsa suhteuttaen suuri teho ulos.


Historiaa


Vuonna 1859 Gaston Planté keksi ensimmäisen lyijyakun. Hänen ensimmäisessä mallissaan kaksi lyijylevyä ja niiden välinen pellavaliinaeriste, oli kierretty spiraalille ja upotettu 10% rikkihappoon. Hänen seuraava akkunsa koostui yhdeksästä tälläisesta kennosta. Vuonna 1880 Plantén maamies kemisti Camille Alphonse Faure paransi tätä akkua pinnoittamalla lyijylevyt lyijysulfaatteja sisältävällä pastalla, mikä paransi akun varauskykyä merkittävästi. Tämä parannus mahdollisti lyijyakkujen käytön autojen käynnistysmootorien virtalähteenä.[1] [2]


Rakenne ja toimintaperiaate


lyijyakkuja1.JPG
Kuva1: Erikokoisia lyijyakkuja
lyijyakkuauki.jpg lyijyakunkenno1.JPG
Kuvat 2 ja 3: Vasemmalla aukaistu akku ja oikealla yksittäinen kenno.

Normaali lyijyakku koostuu kuudesta lyijylevykennosta, jotka on kytketty sarjaan. Yhden kennon yli oleva nominaalijännite on n. 2V jolloin koko kennoston yli oleva jännite on 12V. Kennoissa anodi- ja katodilevyjen välissä on eriste, joka estää levyjen välisen läpilyönnin. Kennot on upotettu rikkihappoelektrolyyttiin siten että jokainen kenno on omassa toisistaan erillisissä kotelossaan. Akun kannessa on akkunesteen täyttökorkit ja huohotusrei'ät (tai kuten kuvan 1 isommassa akussa huohotusletku), sekä kennolevyt sarjaan kytkevät rivat (kannen sisällä) ja akun navat.[3] [4]

Kuvassa 2 on avattu akku, jossa kuusi kennoa (yksi irroitettu) näkyvät selvästi. Kennot on kytketty sarjaan akun kannessa olevien kytkentäripojen kautta. Kuvassa 3 on yksi akusta irroitettu kenno, jossa näkyvät kennolevyt ja niiden väliset eristekankaat. Kennolevyistä mustempi (puhdasta lyijyä) on katodi (-) ja ruskehtava (pinnoittunut lyijydioksidilla) anodi (+). Eristekankaat ovat lasikuitua.

VRLA akut


VRLA tulee sanoista valve-regulated lead-acid jolla viitataan yleensä markkinoilla oleviin huoltovapaisiin akkuihin. Tällaisen akut kehitettiin perinteisissä akuissa ongelmana olevan veden haihtumisen vuoksi. Haihtuminen johtuu veden elektrolyysistä, kun akkua yliladattiin. Tämä johti siihen että vettä oli lisättävä akkuun säänöllisesti. VRLA akussa elektrolyytti on tehty liikkumattomaksi joko hyyteloimällä se piidioksijauheella( ns. geeliakut ) tai imeyttämällä elektrolyytti hienoon lasikuitukankaaseen. Tällaisessa akussa ylilatauksessa anodi ylilatutuu ennen katodia. Tällöin anodilla muodostuva happi reagoi lyijyn kanssa josta se diffundoituu katodille ja reagoi siellä rikkihapon kanssa muodostaen lyijysulfaattia ja vettä. Tämä pitää veden koko ajan elektrolyytissä. VRLA akun kotelo on yleesä suljettu, jolloin se on ihanteellinen sovelluksiin jossa akku ei ole paikallaan vaan saattaa kallistella tai akku joudutaan asentamaan asentoo jossa se ei ole pystysuorassa esim. mootoripyörät. [5] [6]


Lyijyakun kemiaa


Lyijyakun toiminta perustuu kennolevyillä tapahtuvaan hapetus-pelkistymisreaktioon, jossa akun purkautuessa anodilla ja katodilla tapahtuvat seuraavat reaktiot: Anodilla lyijydioksidi ja rikkihappo sekä kaksi elektronia muodostavat vettä ja lyijy(II)sulfaattia ja katodilla puhdas lyijy ja sulfaatti-ioni muodostavat lyijy(II)sulfaattia ja vapauttavat yhden elektronin. Reaktioissa muodostuva lyijy(II)sulfaatti jää kennolevyjen pintaan ja elektrolyytissä on lähinnä vain vettä. Lyijyakun reaktiot ovat täysin reversibiilejä eli kun akku on purkautunut se voidaan ladata johtamalla napoihin sähkövirtaa jolloin reaktiot tapahtuvat vastakkaiseen suuntaan.[7]


Lyijyakkujen käyttökohteet


Käynnistysakut


Tunnetuin lyijyakkujen käyttökohde ovat polttomoottorikäyttöisten ajoneuvon käynnistysakut. Tähän tarkoitukseen tehdyt akut on suunniteltu antamaan lyhyessä ajassa suuri virta starttimoottorille, sekä lisäksi antamaan virtaa sytytysjärjestelmälle ja valoille mootorin käydessä. Kännistysakkuja ei ole suunniteltu kokonaan purettaviksi vaan ajoneuvon latausjärjestelmä lataa niitä jatkuvasti käytön aikana.[8]

Paikallisakut


Paikallisakut ovat nimensä mukaan suuniteltu ei-liikkuviin kohteisiin kuten varavoimajärjestelmiin. Ne on suunniteltu kestämään vaihtelevaa lataustasoa, mutta ne eivät anna yhtä korkeaa huippuvirtaa kuin käynnistysakut. Vastaavanlaisia akkuja käytetääm mm.sähkötrukkien voimanlähteenä. Rakenteelisesti niiden erot käynnistysakkuihin nähden ovat paksummat kennolevyt ja -eristeet, sekä paksumpi aktivointipastakerros[9] [10]


Ympäristökysymykset


Lyijyakkujen kennolevyissä käytetty lyijy on myrkyllinen raskasmetalli, jota ei tule päästää ympäristöön. Käytetty/rikkinäinen lyijyakku tulee toimittaa asianmukaiseen kierrätyspisteeseen. Uuden jätelainsäädännön myötä käytettyjen akkujen vieminen näihin pisteisiin on yksityishenkilölle ilmaista.[11]
  1. ^ http://en.wikipedia.org/wiki/Gaston_Plant%C3%A9
  2. ^ http://en.wikipedia.org/wiki/Camille_Alphonse_Faure
  3. ^ David Macaulay, Uusi kuinka kaikki toimii s.269, suomennettu laitos, Otava.
  4. ^ http://en.wikipedia.org/wiki/Lead-acid_battery
  5. ^ http://www.powerbattery.com/pages/default.aspx?pageid=47
  6. ^ http://en.wikipedia.org/wiki/VRLA
  7. ^ http://electronics.howstuffworks.com/battery3.htm
  8. ^ http://en.wikipedia.org/wiki/Car_battery
  9. ^ http://en.wikipedia.org/wiki/Deep_cycle_battery
  10. ^ http://fi.wikipedia.org/wiki/Lyijyakku
  11. ^ http://www.yhteishyva.fi/yhteishyva/vastuullinen_kuluttaminen/kierratys_ja_jatteet/kaytetyt_paristot_ja_akut_voi_/