Nguyên lý hoạt động & Cấu tạo bình ắc quy

Cấu tạo bình ắc quy đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị điện. Trong bài viết này, Ắc Quy Gia Phát sẽ giúp bạn hiểu rõ ắc quy là gì, cấu tạo chi tiết, cách phân loại và nguyên lý hoạt động, mang đến thông tin hữu ích cho cả người dùng lẫn kỹ thuật viên.

1. Ắc quy là gì? 

Ắc quy (hay acquy, battery) là một nguồn điện hóa học thứ cấp, chuyển đổi hóa năng thành điện năng thông qua phản ứng oxy hóa khử thuận nghịch. Với khả năng lưu trữ và cung cấp điện năng, ắc quy được sử dụng rộng rãi trong ô tô, xe máy, bộ lưu điện UPS, và các thiết bị công nghiệp. Điểm đặc biệt của ắc quy là khả năng nạp lại, giúp tái sử dụng nhiều lần, tiết kiệm chi phí và bảo vệ môi trường.

Ắc quy hoạt động dựa trên nguyên tắc: khi phóng điện, nó hoạt động như một pin điện hóa; khi nạp điện, nó trở thành một bình điện phân. Điều này đảm bảo hiệu suất ổn định, đáp ứng nhu cầu đa dạng từ khởi động động cơ đến cung cấp điện dự phòng.

2. Cấu tạo bình ắc quy

Cấu tạo bình ắc quy bao gồm năm thành phần cơ bản: cực dương, cực âm, dung dịch điện phân, màng chắn, và vỏ bình. Mỗi bộ phận đảm nhận vai trò riêng, phối hợp nhịp nhàng để đảm bảo hiệu suất hoạt động.

Cực dương (Cathode)

Cực dương thường được làm từ oxit chì (PbO2) trong ắc quy chì-axit hoặc Ni(OH)3 trong ắc quy kiềm. Các bản cực dương được dát phẳng trên khung hợp kim chì-canxi, tăng độ cứng và dẫn điện. Trong một ngăn, các bản cực dương được hàn nối thành chùm cực dương, đảm bảo dòng điện ổn định.

Cực âm (Anode)

Cực âm được chế tạo từ chì nguyên chất (Pb) trong ắc quy chì-axit hoặc cadmium (Cd) trong ắc quy kiềm. Tương tự cực dương, các bản cực âm được hàn nối thành chùm cực âm, giúp tối ưu hóa phản ứng hóa học và tăng diện tích tiếp xúc với dung dịch điện phân.

Dung dịch điện phân

Dung dịch điện phân là môi trường dẫn ion, đóng vai trò vận chuyển ion giữa hai cực trong phản ứng hóa học. Trong ắc quy chì-axit, dung dịch là axit sulfuric (H2SO4) loãng với nồng độ từ 1,21g/cm³ đến 1,31g/cm³, tùy thuộc vào khí hậu. Trong ắc quy kiềm, dung dịch là kali hydroxide (KOH). Nồng độ dung dịch ảnh hưởng trực tiếp đến sức điện động và hiệu suất ắc quy.

Màng chắn

Màng chắn nằm giữa hai bản cực, có tính chất cách điện nhưng cho phép ion thẩm thấu. Được làm từ vật liệu xốp như nhựa hoặc sợi thủy tinh, màng chắn ngăn chặn hiện tượng đoản mạch và đảm bảo phản ứng hóa học diễn ra hiệu quả.

Vỏ bình

Vỏ bình được làm từ nhựa cứng như polypropylene hoặc ebonit, chịu được axit, kiềm và nhiệt độ cao. Vỏ bình có các vách ngăn chia thành nhiều ngăn (thường 6 ngăn cho ắc quy 12V), mỗi ngăn chứa một cell điện áp 2,1V. Đáy vỏ có các sống đỡ bản cực để tránh chập mạch do bùn sunfat chì lắng đọng. Nắp bình có thể có lỗ thông hơi (ắc quy hở) hoặc kín hoàn toàn (ắc quy khô).

Để tăng dung lượng, các bản cực cùng loại được nối song song, tăng diện tích tiếp xúc với dung dịch điện phân. Để tăng điện áp, các ngăn được nối tiếp qua cầu dẫn. Cấu tạo này giúp ắc quy đáp ứng nhu cầu đa dạng từ khởi động nhanh đến cung cấp điện lâu dài.

3. Phân loại bình ắc quy

Để hiểu rõ cấu tạo bình ắc quy, việc nắm được các loại ắc quy là cần thiết. Thị trường hiện nay phân loại ắc quy dựa trên chất điện phân và mục đích sử dụng, bao gồm:

Dựa trên chất điện phân

• Ắc quy chì-axit: Sử dụng axit sulfuric (H2SO4) làm chất điện phân. Loại này phổ biến nhờ chi phí thấp và hiệu suất cao, gồm:
  • Ắc quy hở khí: Có lỗ thông hơi, khí sinh ra trong quá trình nạp/phóng điện thoát ra ngoài. Thường cần bảo trì, bổ sung nước cất.
  • Ắc quy kín khí (VRLA): Bao gồm công nghệ AGM (tấm hút) hoặc gel, không cần bảo trì, phù hợp với các thiết bị hiện đại.

• Ắc quy kiềm: Sử dụng dung dịch kiềm (KOH) làm chất điện phân, phổ biến trong ắc quy Ni-Cd hoặc Ni-MH. Loại này có độ bền cao, phù hợp với môi trường khắc nghiệt.
• Ắc quy lithium: Dùng muối lithium trong dung môi hữu cơ, nhẹ, dung lượng lớn, thường thấy ở xe điện và thiết bị công nghệ cao.

Dựa trên mục đích sử dụng

• Ắc quy khởi động: Được thiết kế để cung cấp dòng điện lớn trong thời gian ngắn, dùng để đề nổ động cơ ô tô, xe máy, máy phát điện.
• Ắc quy công nghiệp (tải): Cung cấp điện liên tục trong thời gian dài, dùng cho bộ lưu điện UPS, xe điện, hoặc các hệ thống viễn thông.

Việc lựa chọn loại ắc quy phù hợp phụ thuộc vào nhu cầu sử dụng, môi trường và ngân sách của người dùng.

4. Nguyên lý hoạt động của ắc quy

Việc lựa chọn loại ắc quy phù hợp phụ thuộc vào nhu cầu sử dụng, môi trường và ngân sách của người dùng.

Nguyên lý hoạt động của ắc quy dựa trên phản ứng oxy hóa khử thuận nghịch, diễn ra trong quá trình phóng điện và nạp điện. Dưới đây là chi tiết về hai loại ắc quy phổ biến: chì-axit và kiềm.

4.1 Nguyên lý hoạt động của ắc quy chì-axit

Nguyên lý phóng điện

Khi phóng điện, cực âm (Pb) và cực dương (PbO2) phản ứng với dung dịch H2SO4, tạo ra chì sunfat (PbSO4) và nước (H2O). Cụ thể:

• Cực âm: Pb → Pb²⁺ + 2e⁻, kết hợp với SO₄²⁻ tạo thành PbSO4.
• Cực dương: PbO2 + H2SO4 + 2H⁺ + 2e⁻ → PbSO4 + 2H2O. Kết quả là dòng electron di chuyển từ cực âm sang cực dương qua mạch ngoài, tạo dòng điện. Nồng độ H2SO4 giảm, sức điện động ắc quy cũng giảm dần

Nguyên lý nạp điện

Khi nạp, quá trình đảo ngược xảy ra. Dòng điện từ nguồn ngoài đẩy electron trở lại, tái tạo PbO2 ở cực dương và Pb ở cực âm. Phản ứng sinh ra khí H2 (cực âm) và O2 (cực dương), làm sủi bọt dung dịch khi ắc quy đầy. Nồng độ H2SO4 tăng trở lại, khôi phục sức điện động.

4.2 Nguyên lý hoạt động của ắc quy kiềm

Nguyên lý phóng điện

Trong ắc quy Ni-Cd, cực dương (Ni(OH)3) và cực âm (Cd) phản ứng với KOH. Phản ứng:

• Cực dương: Ni(OH)3 + e⁻ → Ni(OH)2 + OH⁻.
• Cực âm: Cd + 2OH⁻ → Cd(OH)2 + 2e⁻. KOH không tham gia trực tiếp, nên sức điện động ít phụ thuộc vào nồng độ dung dịch. Dòng electron tạo ra dòng điện qua mạch ngoài.

Nguyên lý nạp điện

Khi nạp, Ni(OH)2 ở cực dương chuyển thành Ni(OH)3, và Cd(OH)2 ở cực âm chuyển thành Cd. Phản ứng sinh khí H2 và O2, làm dung dịch sủi bọt khi sạc đầy.

Qua bài viết này, hy vọng bạn đã có cái nhìn sâu sắc và chi tiết hơn về cấu tạo bình ắc quy cũng như nguyên lý hoạt động phức tạp nhưng đầy thú vị của chúng. Việc hiểu rõ những kiến thức này không chỉ giúp bạn lựa chọn, sử dụng và bảo dưỡng ắc quy một cách tối ưu, kéo dài tuổi thọ cho thiết bị mà còn biết trân trọng hơn những công nghệ đang âm thầm phục vụ cuộc sống chúng ta. Nếu bạn cần thêm thông tin tư vấn hoặc tìm kiếm các sản phẩm ắc quy chất lượng, đừng ngần ngại liên hệ với Ắc quy Gia Phát nhé!