Lehekülje Pliiaku lähteteksti vaatamine

[[Pilt:Photo-CarBattery.jpg|pisi|Autoaku]]

'''Pliiaku''' (ka '''happeaku''') on levinud [[elektriakumulaator]]i tüüp.

Kuigi pliiakul on suhteliselt väike [[energia]] ja [[mass]]i, samuti energia ja [[ruumala]] suhe, on tema eeliseks väga suur võimalik [[voolutugevus]] ning seetõttu suur [[võimsus]]e ja massi suhe. Nende omaduste pärast on pliiakud laialt kasutusel käivitusakudena [[liiklusvahend]]eil (autoakud] ja statsionaarse (paikse) [[puhvertoiteallikas|puhvertoiteallikana]] katkematu elektertoite tagamiseks.

Pliiaku on kõige vanemat tüüpi elektriaku, mille leiutas [[1859]]. aastal prantsuse [[füüsik]] [[Gaston Planté]].

== Ehitus ==
Põhimõtteliselt töötaks pliiaku ka kahe [[plii]]st lehega, kuid juba [[Gaston Planté]] sai aru, et on tarvis suurendada plaatide efektiivset pindala. Tema plaatide loomise meetod on tänaseni suures osas kasutatav statsionaarsete akude loomisel. [[Camille Alphonse Faure]] täiustas Planté pliiakut märkimisväärselt. Tema meetodil käib tänapäeva autoakude elementide loomine, mida on järgnevalt kirjeldatud.

Kõigepealt luuakse pliist ristkülikulise struktuuriga võrk, millele on mehaaniliste omaduste parandamiseks lisatud väike kogus [[antimon]]i, [[tina]], [[kaltsium]]i või teisi aineid. Võrgu tühimikud täidetakse [[pasta]]ga, mis koosneb [[plii(II,IV)tetroksiid]]ist (punasest pliist) ja 
33%-lisest väävelhappelahusest. Pasta pressitakse pliisse tehtud aukudesse, kus väävelhape reageerib pliiga ja suurendab sedasi pliist võrgu pindala.

Plaadid ([[elektrood]]id) ühendatakse elektriliselt üle ühe plaadi ja eraldatakse [[separaator]]itega. Tavaliselt paigaldatakse positiivseid plaate üks rohkem kui negatiivseid, mistõttu mõlemad äärmised plaadid on positiivsed. Plaatide vahele valatakse [[väävelhape]].

Aku esmalaadimisel  muutuvad positiivsed plaadid šokolaadipruuniks [[pliidioksiid]]iks ja negatiivsed halliks poorseks pliiks. Tänapäeva akude plaadid on enamasti juba formeeritud, s.t eelnevalt muudetud pliiks ja pliidioksiidiks, ning pärast happe lisamist on akud juba kasutatavad.

Aku tühjenemisel plaatide plii või pliidioksiid reageerib väävelhappega japlaadid muutuvad [[plii(II)sulfaat|plii(II)sulfaadiks]], kusjuures plaatide maht suureneb. Aku laadimisel toimub vastupidine protsess ja plaatide suurus väheneb. Selline pidev suuruse muutumine põhjustab plaatidesse pressitud pasta järkjärgulist eraldumist ja aku põhja [[sadestumine|sadestumist]]. Kui [[sade]]t on kogunenud nii palju, et see puutub plaatide vastu altpoolt, on tulemuseks [[lühis]]tatud element.

Separaatorid eraldavad plaate, et vältida lühist omavahelise kontakti tõttu. Nad suurendavad aga ka elemendi [[sisetakistus]]t, sest takistavad [[ioon]]ide liikumist plaatide vahel. Separaatoreid on tehtud erinevatest materjalidest, nagu [[puit]], [[kummi]], [[klaaskiud|klaaskuidmatt]], [[tselluloos]], [[polüvinüülkloriid]] ja [[polüetüleen]].

Kirjeldatud avatud akutüüpide kõrval on kasutusel ka suletud akud, milles tekkiv hapnik ja vesinik rekombineeruvad suures osas uuesti veeks. Kui aga tekib ülerõhk, eraldub gaas ventiili kaudu väliskeskkonda. Sellised akud on reeglina hooldusvabad. Neid võib jagada vastavalt elektrolüüdi hoidmise viisile AGM-akudeks ja geelakudeks.

== Elektrokeemia ==
Laetud olekus sisaldab iga pliiaku element kahte [[elektrood]]i, millest üks on peaaegu puhtast, kuid urbsest [[plii]]st (Pb), teine aga [[pliidioksiid]]ist (PbO<sub>2</sub>). Elektroodid asetsevad [[elektrolüüt|elektrolüüdis]], milleks on [[väävelhape|väävelhappe]] (H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>) 33,6%-line [[vesilahus]] (ruumala järgi).

Tühjakslaetud olekus on mõlemad elektroodid muutunud [[plii(II)sulfaat|plii(II)sulfaadiks]] (PbSO<sub>4</sub>), samas on elektrolüüt kaotanud enamiku väävelhappest ja muutunud põhiliselt [[vesi|veeks]] (H<sub>2</sub>O).

Praktikas kasutatavad elektroodid sisaldavad lisaks pliile [[antimon]]i, [[tina]], [[kaltsium]]i ja/või [[seleen]]i.

Et suurem vee [[kontsentratsioon]] tõstab lahuse [[sulamistemperatuur|külmumistemperatuur]]i, jäätub pooltühja aku elektrolüüt talveilmadega kergemini kui täis aku elektrolüüt.

=== Keemilised reaktsioonid ===
[[Anood]] ([[oksüdatsioon]]):

:<math>\mbox{PbSO}_{4} (s) +5\mbox{H}_2\mbox{O} (l) \leftrightarrow \mbox{PbO}_{2} (s) +3\mbox{H}_3\mbox{O}^+ (aq)+\mbox{HSO}_{4}^{-} (aq) +2e^- \quad\epsilon^o = 1.685 \ \mathrm{V}</math>

[[Katood]] ([[reduktsioon (keemia)|reduktsioon]]):
:<math>\mbox{PbSO}_{4} (s) +\mbox{H}_3\mbox{O}^+ (aq)+2e^- \leftrightarrow \mbox{Pb} (s) +\mbox{HSO}_{4}^{-} (aq) +\mbox{H}_2\mbox{O} (l) \quad\epsilon^o = -0.356 \ \mathrm{V}</math>

Selgituseks: ''s'' – [[tahkis]], ''aq'' – vesilahus, ''l'' – [[vedelik]], ε<sup>0</sup> – [[potentsiaal]] [[vesinikelektrood]]i suhtes.

Laadimine on eespool toodud reaktsioonides vaadeldav vasakult paremale ja tühjendamine paremalt vasakule. Ühe elemendi pinge on anoodi ja katoodi potentsiaalide vahe.

Liiga kõrge [[pinge (elekter)|pingega]] või liiga suure [[voolutugevus]]ega laadimine (ülelaadimine) põhjustab [[vee elektrolüüs]]i tõttu [[hapnik]]u ja [[vesinik]]u intensiivse eraldumise. Selline [[gaas]]ide segu on väga plahvatusohtlik.

== Elektrilised omadused ==
Kõige sagedamini moodustatakse pliiaku kuuest elemendist, mis ühendatakse järjestikku ehk [[jadaühendus|jadamisi]], kuid on ka muid konfiguratsioone.

=== Pinge ===
*Aku elemendi nimipinge on 2,105&nbsp;V ([[volt]]i).
*Pideva laadimisrežiimi pinge on 13,4–13,8&nbsp;V.
*Tavalise laadimisrežiimi pinge on 14,2–14,5&nbsp;V.
*Hapnikku ja vesinikku hakkab eralduma 14,4&nbsp;V juures.
*Pärast laadimist langeb pinge kiiresti 13,2 voldini ja siis aeglaselt 12,6 voldini.
*Täislaetud aku pinge koormuseta (tarbijata) on 12,6–12,8&nbsp;V.
*Tühjakslaetud aku pinge koormuseta on 11,8–12,0&nbsp;V.
*Tühjakslaetud aku pinge tarbijaga on 10,5&nbsp;V.

Kõik pinged on toodud 20&nbsp;°C juures ja neid peab temperatuuri muutumisel kompenseerima &minus;0,022 V/°C (soojem aku vajab vähem pinget).

Pliiaku laetuse taset on kõige lihtsam määrata siiski elektrolüüdi [[tihedus]]t [[areomeeter|areomeetriga]] mõõtes. Täis akul on see 1,27 g/cm&sup3; ja tühjal akul 1,12 g/cm&sup3;.

=== Mahutavus ===
Pliiaku [[Mahutavus (keemiline vooluallikas)|mahutavust]] mõõdetakse ampertundides (Ah). Valdavalt on see näidatud 10- või 20-tunnise tühjenemise korral. Seda, kui palju energiat aku suudab säilitada, näidatakse ka vatt-tundides (Wh).

Pliiaku mahutavus sõltub sellest, kui kiiresti seda tühjaks laaditakse. Mida suurem on voolutugevus, seda väiksem on mahutavus. Seda tuntakse [[Peukerti seadus]]e all.

Pliiakudel on valdavalt järgmised iseloomulikud näitajad: energia/mass 30–40 Wh/kg, energia/ruumala 60–75 Wh/kg, võimsus/mass 180 W/kg.

Laadimise ja tagasisaadava energiahulga suhe on vahemikus 50–92%.

Pliiaku tühjeneb ühes kuus 3–20%.

Akut on võimalik laadida sadu kordi sõltuvalt sellest, kui tühjaks aku iga tsükli järel saab. Mida rohkem energiat on akusse jäänud tühjendamise lõpuks, seda rohkem kordi saab akut laadida.

[[Pilt:UL20712.jpg|pisi|Ventiilreguleeritav aku]]

==Pliiakude liigid==
Pliiakud võivad olla avatud (FLA, ''Flooded Lead Acid''), avatud toruplaatakud (OpzS), suletud (AGM, ''Absorbed Glass Mat''), geelakud ja geel-toruplaatakud (OpzV).

===Avatud akud===
See akutüüp on kasutusel akud päikese- ja tuuleenergia salvestamisel. Võrreldes suletud pliiakudega on neil suurem laadimis-tühjendustsüklite arv ja madalam hind. Avatud akud vajavad võrreldes suletud akudega rohkem hooldust. Kuna laadimisel eraldub akudest vesinik, mis on õhuga segunedes plahvatusohtlik, siis peavad avatud akud asuma ventileeritavas ruumis, samuti tuleb jälgida elektrolüüdi tihedust ja taset akupurkides. Kui õhutemperatuur akuruumis ei lange alla 0&nbsp;°C, võib paigaldada elektrolüüdi taseme jälgimise automaatika, mis lisab purki vastavalt vajadusele destilleeritud vett.

===Suletud pliiakud=== 
Suletud pliiakud tüübitähisega VRLA (''Valve-Regulated Lead-Acid battery'' „ventiilreguleeritav plii-happeaku“) jagunevad lameplaatidega AGM-akudeks (''Absorbed Glass Mat battery'') ja lame- või toruplaatidega geelakudeks (''gel cell battery''). AGM-akude puhul on akuplaatide vahel klaaskiudmaterjal, mis on immutatud elektrolüüdiga. Geelakude puhul on elektrolüüt geeli kujul.

Suletud pliiakud on hooldusvabad ja ohutumad, sest elektrolüüt ei voola kohe purunenud korpusest välja. Neid ei pea hoidma ventileeritavas ruumis, sest laadimisel tekkinud gaas ei pääse aku korpusest välja ning kondenseerub uuesti veeks. Tuleb jälgida, et laadimiskontroller võimaldaks häälestada laadimisprotsessi parameetreid VRLA-akudele sobivaks. Ülekoormuse korral tõuseb aku korpuses surve ja avaneb VRLA kaitseventiil (kork või klapp), sest elektrolüüdi aurud ei jõudnud jooksvalt veeks kondenseeruda. Kui kaitsekorgid on purgi sisemise surve tõttu avanenud, muutub see aku kuivamise tõttu väga kiiresti kasutuskõlbmatuks.

===Käivitusakud ehk autoakud===
Käivitusakud võivad olla avatud, AGM- või geeltüüpi. Nad võimaldavad tugevat voolu lühikese aja jooksul. Puudusteks on piiratud laadimis-tühjendustsüklite arv ja see, et süvatühjendamine lühendab aku eluiga.

Starteriga auto käivitamiseks loodud pliiakud (käivitusakud, autoakud) ei ole mõeldud pidevate voolutarbijate energiaallikaks. Neil on õhukesed plaadid, et saavutada maksimaalne pindala ja voolutugevus (lühiajaliselt). Selliseid plaate saab sügava tühjakslaadimisega kergesti kahjustada.

Mõnd liiki autode ja väikelaevade tarvis toodetakse käivitusakusid, mis on võimelised töötama ka süvatühjenemisrežiimis. Eestis on need akud kasutusel väikestes autonoomsetes taastuvenergia süsteemides. 50% tühjenemise puhul on nende käivitusakude tsüklite arv 200–500.

===Statsionaarsed ehk UPS-akud===
[[Puhvertoiteallikas|Puhvertoiteallikatele]] sobivad  AGM- ja geelakud, sest neil on pikk eluiga laadimise ooterežiimis ja vastupidavus sügavtühjendamisele, näiteks elektrikatkestuse korral. Statsionaarseid akusid kasutatakse UPS-ide ja signalisatsiooniseadmete reservtoiteks, kus on vaja tagada elektrivarustus lühiajaliste katkestuste korral.

== Ohud ==
Pliiakud sisaldavad väävelhapet, mis on söövitav.

Ülelaadimine põhjustab intensiivse vesiniku ja hapniku segu eraldumise. Selle võib [[säde]] või lahtine [[leek]] kergesti süüdata. Kui plahvatus toimub elemendi sees, võib tekkinud gaasi [[rõhk]] aku pealt või ümbert plasti purustada või minema "puhuda". Plastitükid ja pritsiv hape võivad inimest raskelt vigastada.

Akude klemmidele võib imbuda hapet, mis reageerib klemmidega. See põhjustab valge pulbri, plii(II)sulfaadi tekkimise, mis toimib [[mürk|mürgina]] [[hingamine|sissehingamisel]], [[neelamine|neelamisel]], [[silm]]ade või [[nahk|nahaga]] kokkupuutel. Sageli soovitatakse selle eemaldamiseks kasutada kõigepealt [[traathari|traatharja]], seejärel [[söögisooda]] vesilahust ja lõplikuks puhastamiseks puhast vett.

Pliiakude [[taaskasutus]] on üks edukamaid maailmas. 2004–2009 taaskasutati [[Ameerika Ühendriigid|Ameerika Ühendriikides]] rohkem kui 97% akude pliist.<ref>[http://www.batterycouncil.org/LeadAcidBatteries/BatteryRecycling/tabid/71/Default.aspx Battery Council International]. Vaadatud 18.02.2010</ref> Sellele vaatamata satub palju akusid [[prügimägi|prügimäele]] või looduskeskkonda reostama.

Eestis saab pliiakusid tasuta ära anda mitmes ohtlike jäätmete kogumispunktis, aga mõned firmad ka maksavad neile viidud vanade akude eest.<ref>[http://www.kuusakoski.ee/inet/Kuusakoski/EE/ContMan.nsf/0/6AACA8531199F0CFC225717E002F7D56 Kuusakoski hinnakiri]. Vaadatud 18.02.2010</ref>

== Viited ==
{{Viited}}

{{Keemilised vooluallikad}}

[[Kategooria:Keemilised vooluallikad]]
[[Kategooria:Alalisvool]]