Ắc quy chì-axit - Định nghĩa và Ứng dụng

Định nghĩa về ắc quy chì-axit

Ắc quy chì-axit là loại ắc quy phổ biến nhất hiện nay trong các ngành nghề lĩnh vực của cuộc sống, được đặt tên theo đúng cấu tạo và cơ chế hoạt động của loại ắc quy này. Với nguyên lý hoạt động đơn giản, Ắc quy chì-axit hoạt động dựa trên cơ chế chuyển đổi qua lại giữa chì và và chì diozxit (PbO2) trong dung môi axit sulfuric (H2SO4) nhằm sinh điện hoặc tích trữ điện năng. Cấu tạo của loại ắc quy này cũng vô cùng đơn giản với 2 lõi chì đóng vai trò như 2 cực của ắc quy, cùng axit loãng để sinh điện.

Chi phí sản xuất thấp, giá thành rẻ cùng nguyên lý đơn giản, dễ bảo dưỡng, bảo trì, là những điểm mạnh chính giúp cho Ắc quy chì-axit trở thành loại ắc quy được ứng dụng nhiều nhất trên các ngành nghề trong cuộc sống, từ ứng dụng trong công nghiệp, phương tiện đi lại, ô tô, xe máy UPS (bộ lưu điện), và năng lượng tái tạo.

Cấu tạo của Ắc quy chì-axit

Về cấu tạo, Ắc quy chì-axit được cấu tạo từ chì và axit đúng như tên gọi, với 2 tấm chì và chì dioxit đóng vai trò như 2 cực âm dương của ắc quy được đặt trong dung dịch axit sulfuric (nồng độ khoảng 30% – 40% theo khối lượng). Trong thực tế, các bình ắc quy thường được ghép từ 1 hoặc nhiều các tấm ắc quy nhỏ hơn (cell ắc quy) để tăng tuổi thọ và thời lượng ắc quy, dễ sản xuất và giảm thiểu chi phí.

Thông thường, ắc quy sẽ gồm các thành phần chính sau:

Cực dương (Cathode): Làm từ chì dioxit (PbO₂)
Cực âm (Anode): Làm từ chì kim loại (Pb)
Dung dịch điện phân: Dung dịch axit sulfuric (H₂SO₄) trong nước, đóng vai trò dẫn ion
Vỏ bình ắc quy: Làm từ nhựa hoặc vật liệu cách điện, chống ăn mòn
Tấm ngăn: Ngăn cách các bản cực, tránh đoản mạch

Nguyên lý hoạt động của ắc quy chì axit

Về nguyên lý hoạt động, Ắc quy chì-axit hoạt động dựa trên phản ứng hóa học chuyển đổi qua lại giữa chì và chì dioxit. Cụ thể:

1. Khi xả điện (cung cấp điện cho thiết bị)

Khi kết nối 2 cực của ắc quy đến nguồn tiêu thụ, 1 mạch kín được sinh ra và electron sẽ bắt đầu di chuyển từ cực âm sang cực dương của ắc quy, thúc đẩy các phản ứng hoá học xảy ra bên trong ắc quy, cụ thể:

Phản ứng xảy ra tại cực dương của ắc quy:
PbO₂+ 4H⁺ + SO₄²⁻ + 2e⁻ → PbSO₄ + 2H₂O
Phản ứng xảy ra tại cực âm của ắc quy:
Pb + SO₄²⁻ → PbSO₄+ 2e⁻
Toàn bộ phản ứng:
2PbSO₄ + 2H₂O → Pb + PbO₂+ 2H₂SO₄

Khi đó, 2e⁻ sinh ra từ cực âm sẽ di chuyển đến cực dương để tiến hành phản ứng và sinh ra dòng dịch chuyển electron, tạo ra điện.

2. Khi sạc điện (tích trữ điện cho ắc quy)

Khi 2 cực của ắc quy được kết nối đến nguồn điện sạc, dòng electron chảy ngược lại từ cực dương sang cực âm thúc đẩy các phản ứng hoá học nghịch đảo, tái tạo chì và chì dioxit để tích trữ cho phản ứng khi xả điện.

Cụ thể:

Phản ứng xảy ra tại cực dương của ắc quy:
PbSO₄ + 2H₂O → PbO₂+ 4H⁺ + SO₄²⁻ + 2e⁻
Phản ứng xảy ra tại cực âm của ắc quy:
PbSO₄+ 2e⁻ → Pb + SO₄²⁻
Toàn bộ phản ứng:
2PbSO₄ + 2H₂O → Pb + PbO₂+ 2H₂SO₄

Có thể thấy, các phản ứng xảy ra theo chiều ngược lại, tái tạo chì (Pb) và chì dioxit (PbO₂), đồng thời giải phóng ion sunfat (SO₄²⁻) trở lại dung dịch axit sulfuric.

Phân loại ắc quy chì-axit

Ắc quy chì-axit có thể chia thành hai loại chính: Ắc quy hở (FLA) và Ắc quy kín (SLA). Chúng có cấu tạo, nguyên lý hoạt động tương tự nhau nhưng có những đặc điểm khác biệt về thiết kế, bảo trì và ứng dụng.

1. Ắc quy chì axit hở (Flooded Lead-Acid – FLA)

Một mẫu ắc quy chì axit hở (ắc quy nước) với 6 ngăn (cell)

Ắc quy chì axit hở, gọi tắt ắc quy hở (hay còn gọi là ắc quy nước trong thông dụng) là loại ắc quy thông dụng cần bổ sung nước axit loãng định kỳ cho các cell ắc quy. Do trong quá trình sạc điện, không chỉ chì sulfat (SO₄²⁻) được phản ứng chuyển ngược về chì và chì dioxit, mà nước trong dung dịch axit loãng cũng bị điện phân thành khí hydro và oxy, bay hơi gây hao hụt nước axit. Axit cần bổ sung thêm thường có nồng độ khá thấp, nồng độ chỉ khoảng từ 0,05% đến 1% do chỉ có nước bị bay hơi trong quá trịnh sạc.

Dòng ắc quy này có cấu tạo tương tự như cấu tạo truyền thống của ắc quy chì axit, đồng thời có nút nhựa ở mỗi cell ắc quy cho phép người dùng bổ sung thêm nước axit khi ắc quy hết nước, cũng có nắp thông hơi cho phép thoát khí hydro và oxy sinh ra trong quá trình sạc. Cấu tạo đơn giản khiến chúng có giá thành rẻ, dễ bảo dưỡng và bảo trì, cùng thay thế linh kiện khi bị hỏng. Nếu được bảo dưỡng đúng cách, ắc quy hở sẽ thường có tuổi thọ cao hơn ắc quy kín có cùng thông số.

Tuy nhiên, do phải thêm nước axit định kỳ và cho nhiều các ngăn ắc quy, nên dòng ắc quy này cần bảo dưỡng định kỳ và dễ xảy ra sự cố nhiều hơn so với ắc quy kín khí. Các sự cố có thể kể đến như hết nước axit, axit có thể chảy ra ngoài do hở nắp đóng, axit chảy ra hoặc hơi axit bay ra ăn mòn 2 đầu cực ắc quy,… Đặc biệt, khi sạc cần đặt ắc quy trong môi trường thoáng khí do ắc quy giải phóng khí hydro, hoặc axit nóng bay hơi gây nguy hiểm đến sức khoẻ người dùng.

2. Ắc quy chì kín khí (Sealed Lead-Acid – SLA)

Ắc quy chì kín khí hay còn gọi là ắc quy khô để phân biệt với ắc quy hở, là loại ắc quy chì axit sử dụng nhiều công nghệ hiện đại hơn ắc quy nước, cho phép nạp và xả điện mà không cần bổ sung nước axit định kỳ. Loại ắc quy này sẽ được trang bị van điều áp giúp kiểm soát áp suất bên trong và hạn chế rò rỉ khí ra trong quá trình sử dụng, an toàn hơn rất nhiều so với ăn quy hở. Dựa trên đặc điểm này, người ta cũng gọi ắc quy kín khí là ắc quy van điều áp hay ắc quy VRLA (Valve Regulated Lead-Acid), vì có van điều áp giúp kiểm soát áp suất bên trong và hạn chế rò rỉ khí.

Hiện nay, ắcc quy kín khí được chia làm 2 loại chính dựa trên công nghệ sử dụng, bao gồm:

Ắc quy AGM (Absorbent Glass Mat): Dùng tấm sợi thủy tinh để giữ điện phân, dung dịch axit được giữ trong sợi thủy tinh, giúp tăng tuổi thọ ắc quy
Ắc quy Gel: Điện phân dạng gel, chống rò rỉ tốt hơn AGM, sử dụng gel silica để giữ axit, chống rò rỉ tốt hơn ắc quy AGM.

Nhìn chung, ắc quy chì kín khí do không cần bảo dưỡng và bổ sung nước axit định kỳ nên chúng thường có tuổi thọ cao hơn ắc quy hở và đặc biệt thuận tiện sử dụng. Khả năng chống rò rỉ tốt nên ắc quy chì kín khí có thể đặt nghiêng hoặc úp ngược hoặc sử dụng trong môi trường rung lắc như tàu thuyền, xe máy.

Trong quá trình sử dụng, ắc quy chì kín khí thường không phát sinh khí hydro hoặc phát sinh một lượng rất nhỏ không đáng kể, cho phép loại ắc quy này có thể lắp đặt ở những nơi kín khí như trung tâm cơ sở dữ liệu, bệnh viện hoặc thiết bị máy móc quân đội. Độ an toàn cao gần như tuyệt đối nên dòng ắc quy này thường được trang bị cho các trang thiết bị hiện đại và yêu cầu ổn định cao như Bộ lưu điện – UPS, ô tô hoặc phương tiện giao thông hiện đại,…

Tuy nhiên, cũng chính vì cần nhiều công nghệ hiện đại để vận hành hơn nên giá thành của chúng thường cao hơn nhiều so với ắc quy hở. Khả năng sửa chữa khi gặp sự cố cũng gần như bằng không bởi sau khi mở ắc quy ra để sửa chữa, sẽ không thể đảm bảo tính kín khí của chúng như ban đầu. Ngoài ra, việc vận hành sai cách như xả sâu, xả quá mức hay sạc sai cách có thể khiến ắc quy nhanh hỏng, khả năng phục hồi kém hơn.

Ứng dụng của ắc quy chì-axit

Ắc quy chì-axit được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhờ vào khả năng cung cấp dòng điện lớn, độ tin cậy cao, và giá thành hợp lý. Dưới đây là các ứng dụng phổ biến của loại ắc quy này:

Hệ thống khởi động xe cộ:
Ắc quy chì-axit được sử dụng rộng rãi trong ngành ô tô, xe tải, xe máy và các phương tiện khác như ô tô, xe tải, xe bus, xe máy, mô tô, máy kéo, xe công trình (máy xúc, xe nâng),tàu thuyền, canô,… nhằm cung cấp điện cho hệ thống khởi động động cơ, đèn và các thiết bị điện tử trên xe. Ắc quy chì axit được trang bị thường cần dòng điện khởi động cao và yêu cầu khả năng chống rung lắc tốt.
Lưu trữ năng lượng tái tạo:
Ắc quy chì-axit được sử dụng trong các hệ thống năng lượng mặt trời (solar) và gió để lưu trữ điện năng vào ban ngày và sử dụng vào ban đêm. Ắc quy chì axit được trang bị thường là dòng có dung lượng cao, có thể xả sâu thay vì loại khởi động.
Bộ lưu điện (UPS) & Hệ thống điện dự phòng:
Ắc quy chì-axit là thành phần chính trong UPS (Uninterruptible Power Supply) và hệ thống điện dự phòng cho các thiết bị quan trọng như máy tính, trung tâm dữ liệu (Data Center), thiết bị y tế (Bệnh viện, phòng khám), hệ thống viễn thông và nhà máy, công ty sản xuất,… nhằm cung cấp điện khẩn cấp cho hệ thống điều khiển tự động hoặc hệ thống điện dự phòng, đủ để các thiết bị quan trọng có thể vận hành đúng quy trình và không gặp sự cố về điện.
Với yêu cầu về chất lượng cũng như độ an toàn cao, các dòng ắc quy kín khí với tuổi thọ cao, chịu tải ổn định sẽ được ưu tiên sử dụng.
Hệ thống chiếu sáng khẩn cấp & Đèn giao thông:
Ắc quy chì-axit cũng thường được lựa chọn để trang bị cho hệ thống đèn giao thông, đèn thoát hiểm, đèn LED cảnh báo khẩn cấp như: đèn đường năng lượng mặt trời, hệ thống đèn báo khẩn cấp trong tòa nhà, chung cư hoặc đèn tín hiệu giao thông hoạt động khi mất điện.
Thông thường, các dòng ắc quy chì-axit kín khí với độ bền cao, khả năng sạc-xả tốt và chống rò rỉ, ít cần bảo trì sẽ được ưu tiên sử dụng.
Hệ thống điều khiển công nghiệp:
Nhiều hệ thống điều khiển tự động trong nhà máy, trạm biến áp, và hệ thống an ninh cũng sử dụng ắc quy chì-axit như một nguồn dự phòng chính. Ứng dụng cụ thể có thể kể đến như tủ điều khiển PLC, SCADA trong nhà máy, hệ thống camera an ninh, báo cháy, hay các hệ thống giám sát đường sắt, sân bay. Ắc quy chì kín khí với độ ổn định cao sẽ là lựa chọn phù hợp nhất để duy trì hoạt động sản xuất ổn định.
Ứng dụng quân sự & Hàng không:
Ắc quy chì-axit cũng được sử dụng trong một số thiết bị quân sự và hàng không, ví dụ có thể kể đến như hệ thống điện phụ trợ trên máy bay, tàu chiến, Bảng điểu khiển các xe quân sự, radar di động, hệ thống thông tin liên lạc, hay nguồn điện khẩn cấp trên tàu vũ trụ, tàu ngầm. Đây là môi trường khắt khe, yêu cầu ắc quy phải có khả năng hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt nhất, đáp ứng độ tin cậy cao và ít phải bảo trì. Những dòng ắc quy chì kín khí cao cấp sẽ thường được ưu tiên sử dụng.

Ưu điểm và nhược điểm của ắc quy chì-axit

Ưu điểm:

Giá thành rẻ, dễ sản xuất
Khả năng cung cấp dòng điện lớn
Có thể tái chế (~97% vật liệu có thể sử dụng lại)

Nhược điểm:

Tuổi thọ thấp (khoảng 3-5 năm)
Trọng lượng nặng, kích thước lớn
Nhạy cảm với chế độ sạc, nếu sạc quá mức hoặc xả quá sâu sẽ làm giảm tuổi thọ
Phát thải khí độc hại khi sử dụng (đối với loại hở)

Lưu ý khi bảo dưỡng và bảo quản ắc quy chì-axit

Kiểm tra định kỳ: Đảm bảo mức dung dịch điện phân không bị cạn (với ắc quy hở)
Tránh xả sâu: Không để điện áp xuống quá thấp (<10.5V với ắc quy 12V)
Sạc đúng cách: Dùng bộ sạc phù hợp, tránh sạc quá
Bảo quản nơi khô ráo, thoáng mát: Tránh tiếp xúc trực tiếp với ánh nắng mặt trời
Làm sạch các đầu cực: Tránh bị oxy hóa gây kém tiếp xúc

Trên đây là một số thông tin cơ bản về Ắc quy chì-axit cùng ứng dụng của chúng trong đời sống. Nếu bạn đang cần tìm kiếm một bộ ắc quy chì axit kín khí cho các thiết bị công nghệ cao như Bộ lưu điện – UPS, hoặc cần tư vấn lựa chọn ắc quy dự phòng nào phù hợp cho Bộ lưu điện, hãy liên hệ ngay đến hotline 0964.160.888 của Minh Phát Tech để được tư vấn miễn phí.