BÁO CÁO THÍ NGHIỆM THÍ NGHIỆM CHẾ TẠO CÁC HỆ NĂNG LƯỢNG TÌM HIỂU VỀ ACCQUY

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

NGÀNH KĨ THUẬT VẬT LIỆU NĂNG LƯỢNG VÀ ỨNG DỤNG



BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

THÍ NGHIỆM CHẾ TẠO CÁC HỆ NĂNG LƯỢNG

TÌM HIỂU VỀ ACCQUY

LỚP L01 - NHÓM 2 - HK 232 GVHD: ThS Lưu Tuấn Anh

MỤC LỤC

I KHÁI QUÁT VỀ ACCQUY 1

II PHÂN LOẠI ACCQUY 5

I KHÁI QUÁT VỀ ACCQUY

Ắc quy chì axit là một loại ắc quy thứ cấp Khác với ắc quy sơ cấp (ắc quy không tái sạc) mà chỉ có thể sử dụng một lần, ắc quy thứ cấp cho phép lưu trữ năng lượng điện và tái sử dụng nhiều lần bằng cách sạc điện trở lại Ắc quy là nguồn điện hóa học, nó là thiết bị có khả năng thu (sạc) năng lượng hóa học và truyền nó đến các thiết bị tiêu thụ bên ngoài dưới dạng năng lượng điện (phóng điện) khi có dòng điện được cung cấp.

Hình 1: Ắc quy khởi động 12V – 100Ah

 Không cần phải bảo duỡng khi vận hành:

 Không cần kiểm tra tỷ trọng điện dịch hoặc thêm nuớc trong quá trình sử dụng ắc quy Ắc quy kín hoàn toàn và chỉ cần nạp điện để bảo duỡng

 Tính tự phóng điện thấp:

 Tự phóng điện được giảm tới mức nhỏ nhất do sử dụng suờn cực bằng hợp kim chì – can xi (Pb – Ca)

 Không phát sinh khí ăn mòn:

 Ắc quy khô Phoenix TS121000 12V 100Ah hợp nhất một loại thiết kế có khả năng điều khiển được luợng khí phát sinh ra và cho phép kết hợp với nhau trong ắc quy hơn 99%, lượng khí phát sinh ra trong quá trình sử dụng ở điều kiện chuẩn

 Khả năng phục hồi nhanh sau khi phóng điện sâu:

 Các lá cách sợi thủy tinh hấp thụ đặc biệt cải thiện thành phần tấm cực và cân bằng hệ thống điện dịch, luôn cải thiện khả năng bình phục ắc quy sau khi phóng điện sâu

Ắc quy chì axit là thiết bị điện hóa có khả năng tái sạc lâu đời nhất và được sử dụng rộng rãi nhất trong ô tô, nguồn điện không gián đoạn (UPS) Đây là một thiết bị hoặc hệ thống được sử dụng để cung cấp nguồn điện liên tục và ổn định đến các thiết bị điện tử, ngay cả khi có sự cố trong nguồn điện chính UPS thường được sử dụng để bảo vệ máy tính, thiết bị điện tử như máy tính cá nhân, máy chủ, và các thiết bị quan trọng khác khỏi sự gián đoạn nguồn điện Ngoài ra còn là hệ thống dự phòng cho viễn thông Hệ thống dự phòng cho viễn thông thường liên quan đến việc duy trì nguồn điện ổn định cho các hệ thống viễn thông, bao gồm các thiết bị như trạm cơ sở di động, hệ thống viễn thông di

động, và các trạm cơ sở khác trong ngành viễn thông Mục tiêu là giữ cho các thiết bị này hoạt động một cách liên tục mà không bị gián đoạn do sự cố nguồn điện Hệ thống dự phòng giúp đảm bảo rằng các dịch vụ viễn thông có thể tiếp tục hoạt động ngay cả khi có sự cố trong nguồn điện chính

Hình 2: Tủ sạc ắc quy cho hệ thống cung cấp điện lĩnh vực viễn thông

Thiết bị này hoạt động thông qua các phản ứng hóa học liên quan đến dioxide chì (điện cực catôt), chì (điện cực anôt), và axit sulfuric Chì oxit sẽ oxi hóa tấm chì, tạo ra dòng điện Ắc quy chì axit có khả năng chuyển đổi năng lượng hiệu quả giữa quá trình sạc và phóng điện Nó đo lường khả năng của ắc quy để lưu trữ và phát lại năng lượng một cách hiệu quả cao khi được sạc và xả (phóng điện) Hiệu suất chuyển đổi là một yếu tố quan trọng vì nó giúp giảm mất mát năng lượng và tăng hiệu quả tổng thể của ắc quy trong quá trình sử dụng Một ắc quy có hiệu suất chuyển đổi cao sẽ có khả năng giữ lại năng lượng lớn từ quá trình sạc và cung cấp năng lượng hiệu quả khi cần thiết trong quá trình xả

Ở quy mô nhỏ thì sử dụng hệ thống sạc nhỏ như hình:

Hình 3: Thiết bị sạc accquy thông dụng quy mô nhỏ

Hình 4: Máy sạc accquy tự động

Thiết bị sạc này cung cấp nguồn điện phù hợp ứng với điện thế mà accquy có thể tiêu

thụ được mà không gây hư hỏng cho accquy Để đảm bảo quá trình sạc không gây hư tổn đến accquy trong trường hợp sạc quá mức cho phép, tức là accquy đã đầy nhưng nguồn điện vẫn nạp vào thì người ta thiết lập thêm một thiết bị điều khiển quá trình ngắt mở cho sạc accquy

Phân loại acquy chì axit theo sơ đồ sau:

Ắc quy chì axit thường được chia làm 2 loại:

2.1 Ắc quy chì axit hở

Gồm ắc quy nước dạng hở cần bảo dưỡng và ắc quy hở không cần bảo dưỡng MF Loại ắc quy này có các lỗ để khí bên trong thoát ra ngoài

Ắc quy nước dạng hở cần bảo dưỡng: Là loại ắc quy axit chì có thiết kế mở, có thể thấy acid bên trong Cần thường xuyên kiểm tra và bổ sung nước để duy trì mức acid chì cần thiết

Hình 5: Acquy loại cần châm nước bảo dưỡng, hở khí

Ắc quy hở không cần bảo dưỡng MF: Là loại ắc quy axit chì có thiết kế mở, nghĩa là có thể nhìn thấy acid bên trong nhưng được làm sao cho không cần bảo dưỡng thường xuyên Thường được gọi là ắc quy "Maintenance-Free" (MF), vì không cần kiểm tra và bổ sung nước thường xuyên như loại ắc quy dạng hở

Hình 6: Loại acquy có thiết kế để hở khí nhưng không cần bảo dưỡng thường xuyên

Trong ắc quy AGM, có các tấm thủy tinh được đặt giữa các tấm dương và âm của ắc quy Các tấm thủy tinh này được thiết kế để hút và giữ chất lỏng điện (nước acid sulfuric) giữa chúng Ắc quy AGM được thiết kế để chỉ chứa đủ chất lỏng để làm ẩm các tấm thủy tinh và tạo điều kiện tốt nhất cho phản ứng hóa học giữa các tấm dương và âm Mức chất lỏng này được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo hiệu suất tối ưu của ắc quy Trong trường hợp ắc quy AGM bị hỏng hoặc bị tổn

thương, vì lượng chất lỏng được giữ chặt giữa các tấm thủy tinh, không có chất lỏng tự do nào có thể rò rỉ ra ngoài Điều này làm cho ắc quy AGM được coi là "không rò rỉ" và an toàn khi sử dụng trong các vị trí hoặc ứng dụng yêu cầu sự an toàn và sạch sẽ, như trong các phương tiện di chuyển hoặc các ứng dụng năng lượng dự phòng.

Ắc quy AGM Gel: Là loại ắc quy axit chì kín sử dụng gel acid chì thay vì dạng lỏng

Các lỗ thoát khí được ngăn chặn, làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng nơi yêu cầu ít bảo dưỡng và không nên được đặt hoặc sử dụng ở tư thế nằm ngửa hoặc nghiêng quá mức quy định Các ắc quy Gel thường được thiết kế để hoạt động tốt khi đặt đứng hoặc đặt nằm trên một bề mặt phẳng Điều này giúp duy trì dung lượng và hiệu suất của ắc quy trong thời gian dài mà không gặp vấn đề như rò rỉ acid hay sự tụt giảm hiệu suất do bị chất lỏng acid chảy ra khỏi vị trí nào đó Dòng sản phẩm này được phát triển dựa trên dòng AGM VRLA Trong ắc quy chì gel, axit sulfuric được trộn với silica tán nhuyễn, tạo thành một hỗn hợp đặc hoặc gel dày Gel tươi vừa trộn được đổ vào bình ắc quy trước khi cứng lại Khi gel trong ắc quy khô đi, nó tạo ra các rạn nhỏ trong cấu trúc gel Các rạn này làm cho không khí có thể di chuyển giữa các tấm dương và âm trong ắc quy Quá trình này là quan trọng để cho phép quá trình tái hợp diễn ra Trong giai đoạn đầu của tuổi thọ của ắc quy gel, khi gel đang mới, quá trình khô và hình thành các rạn nhỏ này có thể xảy ra Khi gel

Hình 7: Acquy AGM

khô và tạo ra các rạn, không khí trong ắc quy có thể chứa các khí hydro và oxy Các khí này có thể được giải phóng từ ắc quy mới qua van an toàn Van an toàn thường được sử dụng để kiểm soát áp suất trong ắc quy và duy trì áp suất an toàn bên trong acquy Cần chú ý đến hướng dẫn của nhà sản xuất về điều này, đặc biệt là về yêu cầu thông hơi Khác với ắc quy AGM, ắc quy gel có thể được làm với tấm dương phẳng hoặc ống Gel cung cấp một phương tiện tốt hơn để dẫn nhiệt từ các tấm đến bề mặt bên ngoài ắc quy so với ắc quy AGM, do đó nhiệt được tạo ra khi quá sạc được mất đi hiệu quả hơn Khả năng chịu dòng điện cao kéo dài (cả sạc và xả) không tốt bằng so với ắc quy AGM, nhưng điều này thường không là vấn đề cho việc sử dụng điện mặt trời Ở nhiệt độ hoạt động cao, chúng sẽ mất một phần nước, nhưng vì có nhiều axit hơn so với ắc quy AGM , sự giảm tuổi thọ sẽ không đáng kể

Ắc quy chì gel được phân loại thành hai loại chính, kèm theo ba loại nhỏ hơn Loại đầu tiên là ắc quy khởi động (SLI - Starting Lights Ignition) được thiết kế để cung cấp năng lượng trong những lần khởi động động cơ nhanh chóng, do đó có số tấm nhiều hơn Các tấm trong loại này mỏng hơn và có thành phần vật liệu khác biệt một chút Số tấm nhiều hơn trong ắc quy khởi động giúp tăng diện tích bề mặt tiếp xúc giữa chì và chì-oxide, tăng cường quá trình chuyển đổi sulfate chì thành chì và chì-oxide Điều này tạo ra một lượng lớn điện tích hóa học ngay lập tức, cung cấp đủ năng lượng để khởi động động cơ một cách hiệu quả và nhanh chóng Số tấm nhiều hơn trong ắc quy khởi động không chỉ tăng dung lượng mà còn tối ưu hóa quá trình chuyển đổi hóa học, giúp cung cấp năng lượng ngay lập tức cần thiết cho việc khởi động động cơ

Loại thứ hai là ắc quy chu kỳ “sâu”, được sử dụng cho tàu biển và xe golf Ắc quy này cung cấp năng lượng ngay lập tức ít hơn, nhưng lại có khả năng cung cấp năng lượng trong thời gian dài hơn Các tấm trong loại này dày hơn và có thể chịu được nhiều chu kỳ xả hơn

Không nên sử dụng ắc quy khởi động cho các ứng dụng chu kỳ “sâu” vì tấm mỏng có thể uốn cong và bong tróc khi bị xả Loại ắc quy được gọi là "Ắc quy đa dụng" là sự kết

hợp linh hoạt giữa hai loại ắc quy này Tuy nhiên, nếu có thể, nên cố gắng chọn loại ắc quy cụ thể phù hợp với nhu cầu sử dụng

Cấu tạo của acquy chì axit truyền thống như hai hình 15 và 16:

Hình 8: Cấu tạo của acquy chì axit truyền thống

Hình 9: Cấu tạo của acquy chì axit truyền thống

3.1 Ngăn acquy

Cơ sở hoạt động của một acquy khởi động chính là các ngăn acquy Trong mỗi ngăn acquy đặt hai bản cực là bản cực âm và bản cực dương Chúng được ghép song song, xen kẽ nhau, ngăn cách với nhau bởi tấm ngăn có lỗ thông nhỏ.Việc kết nối bản cực theo cách này tăng bề mặt tiếp xúc giữa vật liệu hoạt tính và chất điện phân giúp acquy cung cấp một lượng điện nhiều hơn

Tấm ngăn giữa hai bản cực thường được làm tự nhựa PVC hoặc sợi thủy tinh, vật liệu này có khả năng chịu axit sulfuric có tác dụng chống chập mạch giữa các bản cực âm và dương nhưng cho axit đi qua được

3.2 Bản cực

Bản cực acquy khởi động được cấu tạo từ một khung sườn làm bằng hợp kim chì có chứa Antimony (Sb) hay Canxi Khung sườn này là một lưới phẳng, mỏng Lưới tạo nên khung cần thiết để ghép vật liệu hoạt tính lên nó, cả ở bản cực âm và bản cực dương Vật liệu hoạt tính được phủ lên ở bản cực dương là chì oxide (PbO2) và ở bản cực âm là chì xốp (Pb)

Hình 10: Bản cực acquy

Hình 11: 1 Bản cực âm; 2 Bản cực dương; 3 Vấu cực; 4 Khối bản cực âm; 5 Khối bản cực dương

Cả hai bản cực đều được cấu tạo chính từ hợp kim Pb - Sb ( 87 ÷ 95% Pb, 13 ÷ 5% Sb ) Bản cực dương pha thêm 1,3% Pb, 0,3% K và phủ PbO2; bản cực âm pha thêm 0,2% Ca, 0,1% Cu và phủ Pb

3.3 Chất điện phân

Dung dịch điện phân trong acquy khởi động là hỗn hợp 36% acid sulfuric (H2SO4) và 64% nước cất (H2O) Ngày nay, thông thường khi acquy ô tô được nạp đầy sẽ có tỷ trọng là 1.270 ở 20 độ C

3.4 Vỏ acquy

Vỏ acquy khởi động giữ các điện cực và các ngăn riêng rẽ của bình acquy Nó được chia thành 6 phần hay 6 ngăn Các bản cực được đặt trên các gờ đỡ, giúp cho các bản cực không bị ngắn mạch khi có vật liệu hoạt tính rơi xuống đáy acquy Phía trong vỏ chia thành những vách ngăn riêng biệt, ở đáy mỗi ngăn có 4 sống đỡ khối bản cực tạo thành khoảng trống giúp tránh được hiện tượng chạm chập do sunfat lead tạp tạo ra khi xả

Hình 13: Cấu tạo của vỏ bình acquy

Vỏ được làm từ polypropylen, cao su cứng, và plastic

3.5 Nắp thông hơi

Hầu hết các acquy ngày nay thiết kế một dãy nắp thông hơi cho nhiều ngăn Nắp thông hơi trên các lỗ để thêm dung dịch điện phân Nắp thông hơi được thiết kế để hơi acid ngưng tụ và rơi trở lại acquy và cho phép hydrogene bay hơi Trong quá trình sạc acquy, hydrogene có thể tạo ra từ quá trình điện phân nước trong axit sulfuric Nếu không có cách nào để hydrogene thoát ra, áp suất bên trong acquy có thể tăng cao, gây nguy hiểm hoặc

hơi giúp tránh nguy cơ nổ do hydrogene tích tụ trong không gian kín Nắp thông hơi giúp ngăn axit sulfuric ngưng tụ và rơi trở lại vào acquy Việc này giúp duy trì mức axit cần thiết trong acquy để đảm bảo hiệu suất hoạt động

3.6 Cọc ( điện cực) bình acquy

Loại cọc bình acquy ô tô được sử dụng phổ biến nhất hiện nay là cọc đỉnh Cọc đỉnh là loại cọc bình acquy ô tô phổ biến nhất được sử dụng để kết nối với các dây dẫn điện từ hệ thống xe Các cọc này thường có kí hiệu rõ ràng để phân biệt cực âm (-) và cực dương (+) của acquy

Cọc cực âm thường có kí hiệu màu đen hoặc có màu sáng hơn, còn cọc cực dương thường có màu đỏ hoặc màu sáng khác để làm dấu hiệu cho cực dương của acquy Việc ký hiệu rõ ràng cực âm và cực dương trên các cọc giúp người sử dụng xe ô tô có thể kết nối dây điện một cách chính xác Sự kết nối đúng cách giữa các thiết bị điện và acquy rất quan trọng để đảm bảo hệ thống điện của xe hoạt động đúng cách và an toàn

Ngoài ra, việc có kí hiệu rõ ràng cũng giúp tránh những sự nhầm lẫn khi kết nối, đặc biệt là khi thực hiện các công việc bảo dưỡng hoặc thay thế bình acquy

Tấm cách

Tấm cách là chất cách điện, được chế tạo bằng nhựa xốp, thuỷ tinh hoặc gỗ Tác dụng của tấm cách là ngăn hiện tượng các bản cực chạm và nhau gây ra đoản mạch trong nguồn

Cấu tạo của acquy AGM (dành cho cả chất điện phân dạng lỏng và gel) theo hình

Hình 14: Tấm cách ngăn chặn sự tiếp xúc của hai tấm bản cực

dương và â,

Hình 15: Cấu tạo acquy AGM

Tương tự như acquy truyền thống acquy AGM có một số đặc điểm cấu tạo giống như acquy chì axit truyền thống tuy nhiên có một số đặc điểm khác biệt mà acquy AGM có được, gồm các đặc điểm sau:

a Lưới đánh bóng tích hợp: Công nghệ lưới được đánh bóng đặc biệt giúp tạo ra lưới mạnh mẽ, hiệu quả cho hiệu suất cao Lưới đánh bóng có thể tạo ra một cấu trúc lưới mạnh mẽ hơn, có khả năng chịu được áp lực và rung động, từ đó kéo dài tuổi thọ của acquy Những cải tiến này giúp acquy hoạt động mạnh mẽ hơn, tức là có khả năng chịu tải

Lưới trong pin hoạt động như "cầu nối" giữa hai phản ứng hóa học trong quá trình sạc và xả điện acquy Việc tối ưu hóa lưới đem lại hiệu quả điện năng chủ yếu thông qua hai cách chính:

Dẫn điện tốt: Lưới được thiết kế tối ưu với bề mặt mịn và đồng đều sẽ cải thiện khả

năng dẫn điện Điều này rất quan trọng trong quá trình chuyển đổi năng lượng từ dạng hóa học thành điện năng và ngược lại khi acquy được sạc lại

Tiếp xúc tốt hơn: Lưới đánh bóng hoặc được thiết kế sao cho có tiếp xúc tốt với các

vật liệu khác trong acquy như bột âm, bột dương và chất điện ly Việc tiếp xúc tốt này giúp

Khi lưới được thiết kế để cải thiện dẫn điện và tối ưu hóa tiếp xúc, acquy có thể hoạt động hiệu quả hơn, với khả năng chuyển đổi năng lượng cao hơn và tỉ lệ mất điện năng thấp hơn trong quá trình sạc và xả Điều này dẫn đến hiệu suất cao hơn và tuổi thọ acquy kéo dài

b Bột âm tính độc quyền: Bột âm tính là một phần quan trọng của tấm bản cực âm trong acquy Khi acquy được sạc, phần này chịu trách nhiệm thu nhận electron để quá trình sạc diễn ra Bột âm tính độc quyền thường được thiết kế để có các đặc tính sau:

Tăng cường khả năng chấp nhận sạc: Các tính chất đặc biệt trong bột âm tính giúp

nó có thể nhanh chóng và hiệu quả thu nhận electron từ nguồn năng lượng bên ngoài (như điện từ bộ sạc), từ đó làm tăng tốc độ sạc của acquy

c Bột dương tính có mật độ cao: Tạo ra mối liên kết mạnh mẽ giúp acquy hoạt động được nhiều chu kỳ

Bột dương tính, là một phần của tấm bản cực dương trong acquy, thường được thiết kế để tạo ra mối liên kết mạnh mẽ giữa các thành phần bên trong acquy Điều này mang lại một số lợi ích:

Mật độ cao: Có mật độ cao có nghĩa rằng vật liệu trong bột dương tính được sắp

xếp, tổ chức hoặc phân bố một cách chặt chẽ và gọn, có khả năng tạo ra liên kết mạnh mẽ hơn giữa các hạt hoặc phân tử, từ đó tăng cường sự ổn định của tấm bản cực và tuổi thọ của acquy

Hoạt động được nhiều chu kỳ: Mối liên kết mạnh mẽ giữa các thành phần trong bột

dương tính có thể làm giảm sự suy giảm và mất mát vật liệu sau mỗi chu kỳ sạc và xả, từ đó acquy có thể hoạt động hiệu quả qua nhiều chu kỳ sạc và xả mà không giảm hiệu suất

Những điểm này là những cải tiến quan trọng trong cấu trúc và thành phần của acquy AGM, giúp tăng cường khả năng sạc cũng như tuổi thọ và hiệu suất của acquy trong quá trình sử dụng hàng ngày

d Tấm cách điện AGM: Tấm cách điện bằng tấm sợi thủy tinh với thiết kế “không tràn”, tấm này đặt giữa tấm âm và dương để hấp thụ chất điện phân Tấm giữ chất điện