Lyijyakun toimintaperiaate

Lyijyakku koostuu useammasta akkukennosta. Yhden kennon periaate on esitetty kuvassa 1. Kennon negatiivinen elektrodi on puhdasta lyijyä, kun positiivinen elektrodi on lyijydioksidia (PbO2). Elektrodeja kutsutaan katodiksi (–) ja anodiksi (+). Kenno vaatii toimiakseen elektrolyytin, joka lyijyakussa on rikkihappo (H2SO4), joka on liuenneena veteen. Tämä tarkoittaa sitä, että akkunesteessä on vapaita vety- (H+) ja sulfaatti-ioneja (SO42-).

Kuva 1: Lyijyakun kenno.

Kuva 1: Lyijyakun kenno.

Kun akusta otetaan jonkin laitteen käyttöön virtaa, täytyy akusta vapautua elektroneja. Tämä tapahtuu katodilla hapetusreaktiossa, jossa sulfaatti-ioni yhdistyy elektrodin lyijyn kanssa, jolloin reaktiosta jää yli kaksi elektronia (kuva 2). Elektrolyytissä olevien negatiivisten sulfaatti-ionien varaus siirtyy siis katodille. Elektrodin pintaan muodostuu tällöin lyijysulfaattia (PbSO4). Reaktio kokonaisuutena vapauttaa energiaa.

Kuva 2: Vasemmalla hapetusreaktio anodilla ja oikealla pelkistysreaktio katodilla.

Kuva 2: Vasemmalla hapetusreaktio katodilla ja oikealla pelkistysreaktio anodilla.

Anodilla vapaat vetyionit yhdistyvät lyijydioksidin hapen kanssa muodostaen vettä (kuva 2). Ulkoisen piirin läpi kiertävät elektronit yhdistyvät lyijyn kanssa, jolloin lyijy pelkistyy ja muodostaa sulfaatti-ionien kanssa lyijysulfaattia (kuva 2). Rikkihappoliuos laimenee, koska reaktiot kuluttavat ioneja ja samalla muodostuu lisää vettä. Myös tämä reaktio vapauttaa energiaa, ja yhteensä reaktiot tuottavat hieman yli 2 V kennojännitteen (kuva 3). Reaktioihin osallistuvien aineiden kemiallinen energia muuttuu siis sähköenergiaksi. Kun useampia kennoja kytketään sarjaan, saadaan akku, jonka jännite on kennojännitteiden summa, esimerkiksi 12 V.

Kuva 3: Lyijyakun molemmille elektrodeille muodostuu lyijysulfaattia.

Kuva 3: Lyijyakun molemmille elektrodeille muodostuu lyijysulfaattia.

Kun akkua ei käytetä, katodin ylimääräiset elektronit aiheuttavat sen, että sulfaatti-ionit eivät pääse lyijyn pintaan, koska samanmerkkiset varatut hiukkaset hylkivät toisiaan. Vastaavasti anodilla oleva elektronien vajaus aiheuttaa sen, että elektrodi on positiivisesti varattu, jolloin positiiviset vetyionit eivät pääse reagoimaan hapen kanssa. Kun akku kytketään ulkoiseen kuormaan, elektronit pääsevät kulkemaan katodilta anodille, jolloin edellä esitetyt reaktiot käynnistyvät. Samalla molemmille elektrodeille muodostuu lyijysulfaattia. Lyijysulfaatti on huono johde, joten vaikka sen muodostuminen on koko akun toimintaperiaatteen taustalla, huonontaa sulfaatin muodostuminen akun virranantokykyä.

Kun akku kytketään ulkoiseen virtalähteeseen, voidaan elektronien kulkusuunta vaihtaa, jolloin reaktiot tapahtuvat toiseen suuntaan. Tällöin lyijysulfaatti hajoaa ja elektrolyyttiliuos muuttuu vahvemmaksi, jolloin akku latautuu. Sähköenergiaa muutetaan tällöin kemialliseksi energiaksi. Lyijysulfaatti ei kuitenkaan hajoa täydellisesti, jolloin useiden purku- ja latauskertojen jälkeen akun kapasiteetti heikkenee.

Comments are closed.

Post Navigation