Blýsýrurafgeymir

Blýsýrurafgeymir, eða aðeins rafgeymir, er endurhlaðanleg rafhlaða. Raymond Gaston Planté hannaði fyrsta blýsýrurafgeyminn 1860. Blýsýrurafgeymar eru um helmingur allra seldra rafgeyma. Einkennandi er fyrir þessar gerðir rafgeyma, að þeir þola harða meðferð við hleðslu og afhleðslu. Blýsýrurafgeymirinn kemur vel út bæði sem varaaflsrafhlaða og startrafhlaða. Helstu ókostir hans eru að þungmálmurinn blý er notaður í rafskautin, en það er hins vegar kostur við hleðslu og afhleðslu en þess vegna verður þyngd rafgeymisins mikil.

Efnafræði.

Spenna og rafhlöður.

Orka verður til við oxun og afoxun. Háð er aðstæðum hvort sú orka er nýtt til raforku, hita eða ljósorku. Í rafhlöðunni er orkan nýtt til að framleiða rafstraum, í rafhlöðunni er viðhaldið jafnri spennu milli tveggja rafskauta og spennumyndun verður vegna efnahvarfa í rafhlöðunni.

Þegar tengdir eru saman tveir ólíkir málmar sem eru aðskildir með raflausn, þá myndast rafmagn. Rafhlöður byggja yfirleitt á tveimur skautum sem er annars vegar katóðan og grafítskaut og hins vegar anóða sem er sinkskaut. Sinkskautið myndar kápu eða hulstur um frauðkenndan massa sem raflausnin er í og umlykur grafítstöngina. Frauðið er mangadíoxíð (brúnsteinn)ásamt ammóníumklóríði (salmíaki). Þegar ytri rásin er lokuð gefur sinkið frá sér rafeindir.

Við anóðuna (neikvæða skautið) oxast sinkið:

Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e-

Ammóníumjónirnar taka við rafeindunum en mangandíoxíðið kemur í veg fyrir að vetni safnist fyrir:

2NH4+(aq) + 2e- → 2NH3(l) + H2(g)

Mangandíoxíðið veldur því að vetnið verður að vatni:

Við katóðuna (jákvæða skautið) afoxast MnO2/NH4Cl :

2MnO2(s) + 2NH4

+(aq) + 2e- → Mn2O3(s) + 2NH3(l) + H2O + orka

Spenna rafhlöðunnar myndast vegna tilhneigingar efnanna til að gefa frá sér og þiggja rafeindir. Spennan ræðst af þeim efnum sem annast flutning rafeindanna á milli skauta rafhlöðunnar. Í efnahvörfunum eyðast sum efnin. Í dæminu hér að ofan eyðist sinkið, brúnsteinninn og salmíakið en ný efni

myndast, þ.e. vatn og ammoníak. Spenna rafhlöðunnar fellur þegar efnahvörfin sem valda flutningi rafeindanna geta ekki lengur átt sér stað. Í rafhlöðunni er passað upp á að vetnið sem myndast verði að vatni. Venjuleg alkalíbatterí byggja á þessum efnahvörfum en þar er kalíumh ýdroxíð notað í stað salmíaksins hér að ofan, en þau framleiða um 1,5 V. Rafgeymar í bílum byggja á sams konar efnahvörfum, þar eru það blýanóður sem hvarfast við brennisteinssýru sem er raðað saman til að mynda 12 V:

Pb(s) + SO42-(aq) → PbSO4(s) + 2e-

PbO2(s) + 4H+(aq) + SO42-(aq) + 2e- → PbSO4(s) + 2H2O + orka

Af þessu má sjá að það er mjög háð því hvaða efni taka þátt í efnahvarfinu hversu mikil orka myndast. Staðalspenna efna er mismikil en sem dæmi um efni sem algengt er að nýta í samhengi við efnaorku má nefna flúor, blý, sink, silfur, nikkel og kadmíum auk vetnis og súrefnis sem notuð eru í efnarafala.

Algeng notkun.

Þetta eru algeng styrkstærð á blýsýrurafgeymi með sex hlöðum:

Kjörhitastig blýsýrurafgeymisins verður að vera 20 °C umhverfishiti til þess að ná hámarkshleðslu.

Hleðsla og afhleðsla.

Þegar blýsýrurafgeymirinn er hlaðinn með stöðugri spennu, þá tekur endurhleðslan fimm sinnum lengri tíma að endurhlaða en að afhlaða. Rétt stilling spennunnar á sviði frá 2,30 V til 2,45 V til að halda stöðugleika. Rafgeymirinn breytir rafstraum í efnaorku, því þegar rafgeymirinn er hlaðinn þá verður efnabreyting í plötnum, þegar hann afhleðst þá verður aftur efnabreyting.

Við afhleðslu breytist virka efnið í blýsúlfat PbSO4 á báðum plötunum. Við það þynnist raflausnin og eðlisþyngdin minnkar, svo þegar blýsýrurafgeymirinn hefur aflaðist þá er virka efnið í báðum plötusettum, grátt blýsúlfat PbSO4. Uppgufun getur myndast við hraðhleðslu á blýsýrurafgeymunum, því ef þeir eru hlaðnir hraðar en þeir geta tekið við orkunni, þá hitna þeir og vökvinn getur farið að sjóða sem veldur því að vökvinn gufar upp og plöturnar þorna. Margar gerðir bílarafgeyma eru innsiglaðar til að fyrirbyggja að hættuleg efni geti lekið frá þeim. Þessar gerðir eru hlaðnar með sérstökum hleðsltækjum sem eru með útsláttarrofa sem kemur í veg fyrir ofhitun geymanna. Ef rafgeymir ofhitnar, þá verður efnabreyting sem veldur uppgufun súrefnis og vetnis sem er hættuleg blanda og getur valdið sprengingu. Þess vegna er mikilvægt að rafgeymar séu í lokuðum sýruheldum hólfum.

Líftími og geymsla blýsýrurafgeyma.

Líftími blýsýrurafgeyma ræðst einkum af eftirfarandi þáttum:

Ávallt skal geyma blýsýrurafgeyma fullhlaðna á þurrum og svölum stað, þó ber að varast að geymarnir mega ekki frjósa. Endurhlaða skal blýsýrurafgeyma að lágmarki á 6 mánaða fresti.

Blýsýrurafgeymar og umhverfið.

Meira en 98% af blýsýrurafgeymum er endurunnið, bæði plastið og þungmálmurinn blý, sem gerið það að verkum að blýsýrurafgeymar eru í forystu í endurvinnslu rafgeyma í heiminum. Í þeim blýsýrurafgeymum sem framleiddir eru í dag, þá kemur 60 - 80% af efninu sem notað er til að framleiða þá úr endurunnu plastefni og þungmálminum blý. Hérlendis eru lögð á spilliefnagjöld sem eru háð þyngd rafgeymisins og einnig tollgjöld 10% og vörugjöld 15%. Notuðum blýsýrurafgeymum skal skilað til sorpmóttökustöðva til endurvinnslu.