GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ BẢO DƯỠNG, PHỤC HỒI ẮC QUY (KHỬ SULFAT HÓA BẢN CỰC)

Chì là một nguyên tố hoá học trong bảng tuần hoàn hóa học Mendeleev viết tắt là Pb (theo tiếng La Tinh Plumbum) và có số nguyên tử là 82. Chì là một kim loại mềm, nặng, độc hại và có thể tạo hình. Chì có màu trắng xanh khi mới cắt nhưng bắt đầu xỉn màu thành xám khí tiếp xúc với không khí. Chì dùng trong xây dựng, ắc quy chì, đạn, và là một phần của nhiều hợp kim. Chì có số nguyên tố cao nhất trong các nguyên tố bền.

Ắc quy chì - a xít gồm có các bản cực bằng chì và ô xít chì ngâm trong dung dịch acid sulfuric H2SO4. Các bản cực thường có cấu trúc phẳng, dẹp, dạng khung lưới, làm bằng hợp kim chì antimon, có nhồi các hạt hóa chất tích cực có bản chất chì (premium chì).

Các hóa chất này khi được nạp đầy là diocid chì PbO2 ở cực dương, và chì nguyên chất ở cực âm. Các bản cực được nối với nhau bằng những thanh chì, bản cực dương nối với bản cực dương, bản cực âm nối với bản cực âm. Chiều dài, chiều ngang, chiều dầy và số lượng các bản cực sẽ xác định dung lượng của bình ắc - Quy. Thông thường, các bản cực âm được đặt ở bên ngoài, do đó số lượng các bản cực âm nhiều hơn bản cực dương. Các bản cực âm ngoài cùng thường mỏng hơn, vì chúng sử dụng diện tích tiếp xúc ít hơn.

Mô hình đơn giản nhất của ắc quy chì bao gồm 2 bản cực bằng chì nhúng trong một dung dịch điện phân dung dịch axit sunfuric. Do tác dụng giữa axit sunfurric và 2 tấm bản cực chì, trên bề mặt 2 tấm bản cực xuất hiện lớp sunfat chì PbSO4 . Do thành phần 2 bản cực như nhau, nên lúc này điện thế bằng 0. Nếu đưa nguồn điện 1 chiều vào 2 bản cực của ắc quy thì phía cực ( + ) sẽ xuất hiện lớp PbO2 , còn ở phía cực ( - ) sẽ hoàn nguyên lớp kim loại chì.

Khi nạp điện, mật độ dung dịch ắc quy sẽ tăng dần, bởi vì trong quá trình này phát sinh axit sunfuric (H2SO4). Nếu lúc này nối một phụ tải với 2 cực của ắc quy, thì ắc quy sẽ phóng điện. Trong trường hợp này hướng của dòng điện và quá trình hoá học sẽ ngược với quá trình nạp. Khi ắc quy phóng điện ở cả 2 bản cực lại xuất hiện lớp sunfat chì ( PbSO4 ), nồng độ dung dịch sẽ giảm bởi vì một phần axit sunfric biến thành nước. Kết quả các phản ứng trong quá trình nạp và phóng điện của ắc quy được thể hiện như sau:

Trên bản cực dương: PbO2 <--> PbSO4
Trên bản cực âm: Pb <--> PbSO4
Trong dung dịch: H2SO4 <--> H2O

Các phiên bản kĩ thuật khác của ắc quy chì - acid là :

• Accu Lead Acid (LA) là accu chì công nghệ kín khí AGM - VRLA
• Accu Lead - Carbone (LC / LCA)
• Accu Gel (LG hay accu chì công nghệ GEL / OPzV) có chế độ không sinh khí trong quá trình nạp và phóng điện thường được gọi là accu - khô.

Trong số đó thì khô có hiệu quả và chất lượng tốt nhất.

Dung môi dùng trong bình ắc quy này là dung dịch xít sulfuric hay Gel - acid sulfuric. Nồng độ của dung dịch biểu trưng bằng tỉ trọng đo được, tuỳ thuộc vào loại bình ắc quy, và tình trạng phóng nạp của bình.

Dung lượng của bình ắc quy thường được tính bằng ampe giờ (AH). AH đơn giản chỉ là tích số giữa dòng điện phóng với thời gian phóng điện. Dung lượng này thay đổi tuỳ theo nhiều điều kiện như dòng điện phóng, nhiệt độ chất điện phân, tỷ trọng của dung dịch, và điện thế cuối cùng sau khi phóng.

Nguyênnhân phải phục hồi bình ắc quy :

• Do accu sử dụng trong thời gian lâu dài, do dung môi (nước trong bình accu) không thuần chất hoặc do lỗi của quá trình nạp và bảo dưỡng accu sẽ đưa đến có nhiều kết tủa rắn màu trắng xám trên bề mặt bản cực. Thành phần chủ yếu của kết tủa rắn này (thường chiếm đến 98%) là sulfat chì PbSO4.
• Sự hiện diện quá nhiều của sulfat chì trên bề mặt bản cực ngăn cản quá trình điện hoá và suy giảm nghiêm trọng dung lượng dẫn đến tăng nội trở của ắc quy. Một phần vật chất của bản cực dương accu mau chóng bị tan rã thành một đám bùn màu nâu đen đọng dưới đáy bình accu và tạo dòng điện rò bên trong. Điều này đưa đến hệ quả là accu không thể nạp đầy nên công suất cực đại giảm tệ hại và có khả năng không thể sử dụng được nữa.
• Trong đa số các trường hợp đó, các accu được xác định là hư hỏng và cần phải thay mới. Chi phí thay mới accu là rất cao và thường là gánh nặng cho người sử dụng. Do đó mà ở các nước tiên tiến người ta tìm nhiều cách để phục hồi khả năng sử dụng của ắc quy để kéo dài tuổi thọ accu.

Việc hình thành lớp sulfat trên bề mặt các bản cực của ắc quy chì là một hiện tượng bắt buộc và tự nhiên trong quá trình phóng điện. Lớp sulfat chì hình thành trong quá trình này có cấu trúc tinh thể nhỏ (hình 1 trên ảnh). Lớp sulfat này rất dễ hoàn nguyên thành kim loại chì ở cực (-) và oxit chì PbO2 ở cực (+) trong quá trình nạp điện.
Nếu phóng điện với dòng điện lớn và thời gian ngắn thì lớp sulfat chỉ hình thành trên bề mặt các bản cực, còn khi phóng điện với dòng nhỏ và thời gian kéo dài thì quá trình sulfat hoá có thể thấm sâu vào bên trong các bản cực. Hiện tượng sulfat hoá vừa nêu trên được gọi là sulfat hoá bình thường, không dẫn đến làm hòng ắc quy.

Dạng sulfat hoá thứ 2, thường gọi là sulfat hoá không bình thường, về bản chất điện hoá giống như sulfat hoá bình thường, chỉ khác là về mặt cấu trúc bao gồm các tinh thể sulfat kết tinh hạt to, và với thời gian chúng lớn dần lên, tạo thành lớp vỏ trơ, cứng che phủ một phần bề mặt bản cực. Việc loại bỏ lớp sulfat khôngn bình thường này bằng các phương pháp nạp điện thông thường rất khó khăn, có thể dẫn đến làm hỏng ắc quy. Lớp sulfat hoá không bình thường hình thành do chế độ bảo quản và sử dụng ắc quy không đúng cách.

Thực chất của quá trình khử sulfat, khôi phục dung lượng cho bình ắc quy là tìm giải pháp phá vỡ cấu trúc sulfat chì không bình thường trên hình 2, nhằm tạo ra cấu trúc sulfat bình thường. Hạt tinh thể nhỏ như trên hình 1, lúc đó với các biện pháp nạp điện thông thường có thể thực hiện được các phản ứng điện hoá.
Trên hình 3 thể hiện bề mặt của bản cực đang trong quá trình khử sulfat, khôi phục dung lượng.
Trên hình 4 thể hiện bề mặt bản cực sau khi đã hoàn thành quá trình khử sulfat, khôi phục dung lượng.

Một ví dụ cụ thể là bộ accu của xe nâng hàng loại 48V / 400 Ah có giá khoảng 2600 USD đến 3200 USD nếu mua mới. Chi phí phục hồi 100% chất lượng accu chỉ mất khoàng 1/3 giá trị, phục hồi mang lại lợi ích rất lớn cho người dùng.

Cơ bản của việc phục hồi bình accu là :

• Làm giảm, làm trung tính hoá hay loại bỏ lớp bùn nâu.
• Khử bỏ lượng sulfat chì và các kết tủa rắn khác đến mức thấp nhất.
• Tăng lượng bột chì trên bản cực của accu đã bị phân rã thành bùn nâu để bù dung lượng đã bị hao hụt.

Bảo dưỡng bình accu nhằm :

• Làm trung tính hoá bớt lớp bùn nâu.
• Ngăn ngừa sulfat chì và các kết tủa rắn khác.
• Ngăn cản việc tăng nồng độ acid sulfuric cục bộ trong quá trình nạp với dòng cao.

Nạp ắc quy đúng yêu cầu kỹ thuật:

Để đảm bảo tuổi thọ cho các bình ắc quy axít, cần tuân thủ các nguyên tắc trong quá trình sử dụng, bảo dưỡng và bảo quản. Với các bình ắc quy axít, việc thực hiện đúng quy trình nạp là vô cùng quan trọng, ảnh hưởng rất lớn đến tuổi thọ của bình ắc quy. Một quy trình nạp đúng phải đảm bảo cho bình ắc quy được nạp đầy đến định mức quy định, nhưng không được nạp quá mức.

Thông thường những khuyến cáo của nhà sản xuất liên quan đến chế độ nạp cho bình ắc quy thường gắn liền với các thiết bị đơn giản nhất, và công nghệ nạp cũng đơn giản nhất. Với các thiết bị và công nghệ nạp đơn giản như vậy không trù tính được hết các quá trình điện hoá xảy ra trong bình ắc quy trong quá trình nạp điện, do đó không tối ưu. thực hiện quy trình nạp tối ưu nếu không có thiết bị phù hợp và phần mềm chuyên dụng sẽ tốn nhiều thời gian và công sức.

Hiện nay có hai phương pháp nạp điện được áp dụng phổ biến nhất: nạp ổn áp và nạp ổn dòng.

a.Phương pháp nạp ổn áp:

Đơn giản hơn và được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên trong phương pháp nạp ổn áp, việc cho rằng điện áp là ổn định chỉ là tương đối. Bản chất bình ắc quy là một nguồn điện áp, có nghĩa là trong trường hợp lý tưởng có nội trở vô cùng nhỏ và có thể xuất dòng vô cùng lớn mà vẫn giữ cho điện áp ở hai đầu cực không đổi với tải bất kỳ. Do đó khi nối song song bình ắc quy với một nguồn điện khác phải có điện trở hạn dòng. Trong thực tế các thiết bị nạp ổn áp thường sử dụng điện trở hạn dòng bằng nội trở của chính bình ắc quy. Do đó điện áp ra của máy nạp bị giới hạn bởi dòng nạp giới hạn cho phép của bình ắc quy:
Un = Ig x Ro + E
Trong đó: Un - điện áp nạp, Ig - dòng nạp giới hạn cho phép của bình ắc quy, Ro - Nội trở bình ắc quy, E - Thế điện động của bình ắc quy

Điều đó dẫn đến kết quả là: với điện áp ra của nguồn nạp không đổi, bình ắc quy không thể được nạp no. Thông thường, mức độ nạp chỉ được 70% dung lượng định mức của bình ắc quy. Với phương pháp nạp ổn áp, mức độ nạp đầy của bình ắc quy chỉ có thể đánh giá được qua sự biến đổi mật độ của dung dịch điện phân, bởi vì dòng nạp và điện áp nạp phụ thuộc lẫn nhau và phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong quá trình nạp cho nên không thể làm căn cứ để đánh giá. Đối với các bình ắc quy kín khí, việc đo sự biến thiên mật độ của dung dịch điện phân trong quá trình nạp không thể thực hiện được.

b.Phương pháp nạp ổn dòng:

Phương pháp nạp ổn dòng cho phép khắc phục được các nhược điểm đã nêu của phương pháp nạp ổn áp. Thông thường dòng nạp được chọn bằng C/10. Với dòng nạp như vậy bình ắc quy sẽ không bị nóng, và điện áp đo được ở hai cực ắc quy ít bị ảnh hưởng của các yếu tố ngoại lai, do đó có thể dựa vào sự biến thiên của điện áp để đánh giá trạng thái của bình ắc quy. Phương pháp nạp ổn dòng cho phép nạp ắc quy đạt đến 100% dung lượng định mức.

Ở giai đoạn cuối của quá trình nạp xảy ra quá trình khử sulfat nhờ các quá trình lý - hoá xảy ra trong bình ắc quy. Do đó phương pháp nạp điện ổn dòng cho phép tăng tuổi thọ bình ắc quy và có thể áp dụng trong chế độ bảo dưỡng cho các bình ắc quy đang hoạt động và thường xuyên được nạp điện ở chế độ ổn áp. Sau đây sẽ phân tích các quá trình xảy ra trong bình ắc quy khi thực hiện nạp điện.
Bình ắc quy có thể biểu diễn dưới dạng sơ đồ điện tương đương, trình bày trên hình dưới đây. Nguồn dòng bên ngoài sử dụng cho nạp ắc quy được coi là ổn định, do đó dòng nạp không đổi trong suốt quá trình nạp.

Mô hình ắc quy:

Giai đoạn 1:
Sau khi đóng mạch dòng nạp, điện áp ở hai đầu cực của bình ắc quy sẽ tăng vọt lên mức bằng giá trị tổn hao trên nội trở thuần của bình ắc quy (đường nối các điểm 1-2) và bắt đầu giai đoạn nạp thứ nhất. Trong giai đoạn này xảy ra quá trình nạp cho dung lượng phân cực tương đương và ổn định phân bố mật độ dịch ở vùng gần các điện cực (đường nối các điểm 2-3).

Giai đoạn 2:
Trong giai đoạn thứ 2 (đường nối các điểm 3-4) xảy ra quá trình hoàn nguyên khối lượng hoạt chất từ bề mặt và tiến sâu dần vào trong lòng các bản cực, nồng độ dung dịch điện phân và điện áp ắc quy tăng dần. Khi hầu hết khối lượng hoạt chất của điện cực đã được hoàn nguyên, điện áp của 1 ngăn ắc quy sẽ đạt 2,3V.

Giai đoạn 3:
Ở giai đoạn này, lúc đầu một phần năng lượng của dòng nạp, sau đó là toàn bộ năng lượng của dòng nạp tiêu tốn cho việc phân huỷ nước thành oxy và hydro. Đây là thời điểm bắt đầu thoát khí, đánh dấu bằng điểm 4 trên hình 2. Lúc này điện áp ắc quy tăng vọt, có thể đạt 2,7V/ngăn.

Giai đoạn 4:
Sau khi đạt giá trị đỉnh, điện áp ắc quy ngừng tăng, bắt đầu giai đoạn 4 của quá trình nạp(đường nối các điểm (5-6). Trong giai đoạn này sự thoát khí xảy ra rất mạnh, thường gọi là ắc quy sôi. Ở giai đoạn này hoàn thành quá trình hoàn nguyên khối lượng hoạt chất ở các bản cực và hoàn thành phân huỷ sulfat chì. Ở chế độ nạp ổn dòng C/10, quá trình này thường kéo dài từ 2 đến 3 giờ. Trong giai đoạn này xảy ra quá trình giàn đều điện áp giữa các ngăn của bình ắc quy.

Nhìn chung, quá trình nạp ắc quy có thể chia làm 4 giai đoạn như trong hình. Trong trạng thái tự do, điện áp đo được trên hai cực của bình ắc quy chính là thế điện động riêng của ắc quy.

Đặc trưng quá trình nạp

Giai đoạn 5:
Sau khi hoàn thành giai đoạn 4, ngắt dòng nạp. điện áp trên ắc quy giảm nhảy bậc bằng giá trị tổn hao thuần trở của bình ắc quy (đường nối các điểm 6-7), sau đó xảy ra quá trình phóng thoát dung lượng phân cực trên điện trở phân cực, lúc này điện áp bình ắc quy giảm dần cho đến khi đạt mức thế điện động riêng, cỡ 2,1V (đường nối các điểm 7-8). Giá trị thế điện động riêng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có nồng độ dung dịch đạt được trong quá trình nạp.

Giai đoạn này tuy đã ngắt dòng nạp ngưng vẫn có thể tính một cách quy ước như là một bước của quá trình nạp, bởi vì trong giai đoạn này tiếp tục xảy ra các biến đổi đặc trưng cho quá trình nạp: dàn đều mật độ dung dịch giữa các bản cực. Qua phân tích đặc tính của quá trình nạp nạp điện như đã nêu trên, có thể nhận thấy rằng các máy nạp điện tự động thông dụng hiện nay (cho thời điểm năm 2004) không đảm bảo được điều kiện nạp điện tối ưu cho các bình ắc quy bởi vì những lý do sau:

• Chủng loại máy chỉ nạp dòng đơn thuần: duy trì dòng nạp trong một thời gian xác định, sau đó ngừng nạp. Phương pháp này không tính đến trạng thái ban đầu của bình ắc quy, do đó thường là dẫn đến nạp quá mức, làm cho dung dịch bị sôi và làm giảm tuổi thọ ắc quy.
• Chủng loại máy nạp áp: ngừng nạp khi điện áp trên bình ắc quy đạt một giá trị nào đó. Trong trường hợp này thường không bao giờ đạt được giai đoạn 4 của quá trình nạp(nạp đầy 100%), bởi vì thông thường ở các máy nạp áp tự động thường đặt ngưỡng ngắt tại điểm 5(trên hình 2), còn khi có mong muốn năng cao ngưỡng ngắt dẫn đến kết quả là thiết bị nạp sẽ không bao giờ tự động ngắt, bởi vì điểm 5 trên đường đặc tuyến nạp phụ thuộc vào đặc điểm riêng của từng bình ắc quy, phụ thuộc vào nhiệt độ và dòng nạp.
• Trên cơ sở những nhận định trên, có thể xác lập các nguyên tắc để thiết kế chế tạo các máy khử sulfat và nạp ắc quy chuyên dụng, xây dựng phần mềm đảm bảo chế độ nạp tối ưu cho các bình ắc quy kín khí như sau:
• Để nạp ắc quy, cần sử dụng nguồn dòng. (cần đảm bảo điện áp nạp Un > 2,7V/ngăn).
• Trước khi nạp nên phóng điện cho bình ắc quy với dòng phóng C/10 cho đến 1,81-1,83V/ngăn.
• Trong quá trình nạp điện, không xác lập hàm điều khiển theo giá trị tuyệt đối của điện áp, mà theo tiến trình thay đổi của điện áp bình ắc quy.
• Sau khi kết thúc quá trình nạp điện, có thể ngắt dòng ngay, hoặc có thể duy trì nạp dòng nhỏ để bù trừ dòng tự phóng, như vậy sẽ đảm bảo cho bình ắc quy luôn chứa 100% dung lượng.