Cấu Tạo Ắc Quy Chì Axit Là Gì? Giải Mã Các Thành Phần Và Nguyên Lý Hoạt Động

Ắc quy chì axit từ lâu đã khẳng định vị thế là một nguồn năng lượng phổ biến, đáng tin cậy và không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực, từ khởi động ô tô, xe máy đến vận hành hệ thống lưu điện và viễn thông. Để có thể sử dụng, bảo dưỡng một cách hiệu quả và lựa chọn được sản phẩm phù hợp nhất, việc hiểu rõ cấu tạo ắc quy chì axit là một yêu cầu vô cùng quan trọng. 

Bài viết này của Ắc Quy Đồng Khánh sẽ cung cấp một cái nhìn chuyên sâu, giải mã từng thành phần cấu tạo bên trong và cách chúng tương tác để tạo ra một nguồn năng lượng bền bỉ.

1. Tổng quan về cấu tạo ắc quy chì axit

Sơ đồ tổng thể cấu tạo ắc quy chì axit có chú thích các bộ phận chính

Để bắt đầu, chúng ta cần có một cái nhìn tổng thể về cấu tạo ắc quy chì axit, từ đó hiểu rõ các thành phần chính trong cấu trúc của một bình ắc quy tiêu chuẩn.

1.1. Định nghĩa và vai trò của ắc quy chì axit

Ắc quy chì-axit là một thiết bị lưu trữ năng lượng điện hóa, hoạt động theo nguyên lý chuyển đổi năng lượng hóa học thành điện năng trong quá trình phóng điện, và ngược lại – chuyển đổi điện năng thành năng lượng hóa học trong quá trình nạp điện.

Trong lĩnh vực ô tô và xe máy, ắc quy chì-axit đóng vai trò quan trọng trong việc:

• Cung cấp điện để khởi động động cơ.
• Duy trì dòng điện ổn định cho các thiết bị điện khi động cơ chưa hoạt động hoặc hoạt động yếu.
• Lưu trữ năng lượng cho các chức năng điện tử như đèn, còi, hệ thống giải trí, cảm biến, điều khiển..

1.2. Các thành phần chính yếu của ắc quy chì axit

Một bình ắc quy chì-axit tiêu chuẩn bao gồm 5 thành phần chính, mỗi bộ phận đảm nhiệm một chức năng nhất định giúp hệ thống vận hành hiệu quả:

Bản cực (cực dương và cực âm)

• Gồm hai loại bản cực:
  • Cực dương: làm bằng điôxít chì (PbO₂).
  • Cực âm: làm bằng chì kim loại (Pb).
• Các bản cực được sắp xếp xen kẽ nhau và kết nối với cực điện tương ứng.
• Chúng tham gia trực tiếp vào phản ứng hóa học sinh ra điện.

Dung dịch điện phân

• Là hỗn hợp của nước cất và axit sunfuric loãng (H₂SO₄).
• Đóng vai trò là môi trường dẫn điện, tạo điều kiện cho phản ứng hóa học xảy ra giữa bản cực dương và cực âm trong quá trình nạp và xả.

Tấm ngăn cách 

• Là lớp vật liệu cách điện (thường làm từ cao su hoặc sợi polymer) đặt giữa bản cực dương và âm.
• Ngăn không cho bản cực tiếp xúc trực tiếp với nhau gây chập mạch, đồng thời vẫn cho phép ion di chuyển tự do trong dung dịch điện phân.

Vỏ bình và nắp bình

• Là phần bao bọc toàn bộ cấu trúc bên trong, thường được làm từ nhựa ABS hoặc polypropylene có khả năng chịu axit và nhiệt độ cao.
• Vỏ bình được chia thành các ngăn chứa bản cực và dung dịch điện phân, có nắp đậy kín hoặc có thể châm nước tùy loại.

Cọc bình (đầu nối cực)

• Là hai đầu nối kim loại nằm trên hoặc bên hông vỏ bình, chia thành cực âm và cực dương.
• Là điểm kết nối giữa ắc quy và hệ thống điện của xe, đảm bảo truyền tải dòng điện một cách ổn định và an toàn.

Xem thêm: Nguyên Lý Hoạt Động Ắc Quy Axit: Từ A-Z Cho Người Mới Bắt Đầu

2. Chi tiết các thành phần cấu tạo và chức năng

Sơ đồ minh họa dòng di chuyển của electron và ion trong quá trình phóng và nạp điện

Ắc quy chì-axit là một hệ thống điện hóa khép kín, nơi các phản ứng hóa học xảy ra trong môi trường dung dịch điện phân giữa hai bản cực để tích trữ và giải phóng điện năng. Mỗi bộ phận trong cấu tạo của ắc quy đều có vai trò đặc thù, được thiết kế bằng vật liệu chuyên dụng nhằm đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định, an toàn và bền bỉ. Dưới đây là phân tích chi tiết các thành phần chính trong cấu tạo acquy chì axit và chức năng cụ thể của từng phần.

2.1. Bản cực (tấm điện cực)

Bản cực là thành phần trung tâm của ắc quy, đóng vai trò như "trái tim" của hệ thống. Tại đây diễn ra các phản ứng oxi hóa - khử trong quá trình nạp và xả điện. Mỗi bản cực bao gồm một lưới hợp kim chì làm khung và lớp chất hoạt động phủ lên bề mặt.

Bản cực dương:

• Cấu tạo: Bao gồm một lưới hợp kim chì (Lead alloy grid) có chức năng làm khung đỡ và dẫn điện, được phủ một lớp chất hoạt động là Chì dioxide (PbO₂), thường có màu nâu sẫm.
• Chức năng: Là nơi diễn ra quá trình oxy hóa trong chu trình phóng điện, tiếp nhận electron từ mạch ngoài.

Bản cực âm :

• Cấu tạo: Tương tự bản cực dương, nó cũng có lưới chì nhưng được phủ một lớp chất hoạt động là chì nguyên chất dạng xốp (Spongy Lead - Pb), có màu xám.
• Chức năng: Là nơi diễn ra quá trình khử trong chu trình phóng điện, cung cấp electron cho mạch ngoài.

Vai trò của lưới chì và chất hoạt động:

• Lưới chì: Đóng vai trò như một bộ khung xương, giúp cố định chất hoạt động, tăng độ bền cơ học và dẫn dòng điện sinh ra từ phản ứng hóa học ra cọc bình.
• Chất hoạt động: Là phần vật liệu tham gia trực tiếp vào các phản ứng hóa học để tích trữ và giải phóng năng lượng. Sự khác biệt về cấu trúc vi mô là rất rõ ràng: chì dioxide ở cực dương có dạng bột tinh thể, trong khi chì ở cực âm có cấu trúc dạng xốp với diện tích bề mặt cực lớn để tối ưu hóa hiệu suất phản ứng.

2.2. Dung dịch điện phân

Dung dịch điện phân là thành phần không thể thiếu trong mọi loại ắc quy axit-chì, đóng vai trò là môi trường truyền ion giữa hai bản cực và cũng tham gia trực tiếp vào phản ứng hóa học tạo dòng điện.

• Thành phần: Là một dung dịch gồm Axit sulfuric (H₂SO₄) tinh khiết pha với nước cất (H₂O).
• Chức năng: Đóng hai vai trò then chốt: là môi trường cho các ion (SO₄²⁻, H⁺) di chuyển giữa hai bản cực và là một chất tham gia trực tiếp vào phản ứng hóa học.
• Tầm quan trọng của nồng độ và tỷ trọng: Tỷ trọng của dung dịch điện phân là một chỉ số quan trọng thể hiện trực tiếp trạng thái sạc của ắc quy. Khi ắc quy phóng điện, axit sulfuric bị tiêu thụ làm tỷ trọng giảm xuống. Ngược lại, khi nạp điện, axit được tái tạo làm tỷ trọng tăng lên.

Bảng tỷ trọng dung dịch điện phân tiêu chuẩn ở 25°C

2.3. Tấm ngăn cách

Separator là lớp vật liệu đặt giữa bản cực dương và âm, đảm bảo sự cách ly vật lý để ngăn ngừa đoản mạch trong khi vẫn cho phép các phản ứng điện hóa diễn ra hiệu quả.

• Vật liệu: Được làm từ các vật liệu xốp, cách điện như nhựa Polyethylene (PE), Polyvinyl Chloride (PVC) hoặc sợi thủy tinh (AGM).
• Chức năng: Nhiệm vụ cốt lõi là ngăn cách vật lý giữa bản cực dương và bản cực âm để tránh hiện tượng đoản mạch (chập điện) gây hư hỏng ắc quy, nhưng vẫn phải có cấu trúc lỗ rỗ để cho phép dung dịch điện phân và các ion thẩm thấu qua.

2.4. Vỏ bình và nắp bình

Vỏ bình là bộ khung bao ngoài bảo vệ toàn bộ cấu trúc bên trong, đảm bảo an toàn khi vận hành trong các điều kiện môi trường khác nhau.

• Vật liệu: Thường được làm từ nhựa Polypropylene (PP), một loại vật liệu có độ bền cơ học cao, khả năng chống va đập tốt và đặc biệt là kháng được sự ăn mòn của axit sulfuric.
• Chức năng: Là lớp vỏ bảo vệ bên ngoài, chứa đựng toàn bộ các thành phần bên trong và ngăn chặn sự rò rỉ của dung dịch điện phân.
• Các bộ phận phụ trên nắp: Đối với ắc quy nước, nắp bình có các lỗ thông hơi để thoát khí Hydro và Oxy sinh ra trong quá trình sạc. Đối với ắc quy kín khí, các van điều áp (VRLA) sẽ thay thế các lỗ này.

2.5. Cọc bình

Cọc bình là đầu nối giữa ắc quy và các thiết bị điện, thường được đặt ở phần nắp bình.

• Vật liệu: Được đúc từ hợp kim chì để đảm bảo tính dẫn điện tốt và chống ăn mòn.
• Chức năng: Là điểm đầu cuối để kết nối ắc quy với mạch điện bên ngoài (ví dụ: kẹp cáp đề của xe ô tô). Cọc dương (+) và cọc âm (-) thường có kích thước khác nhau (cọc dương lớn hơn) để tránh việc lắp đặt sai cực, gây nguy hiểm cho hệ thống điện.

Xem thêm: Các Thông Số Trên Bình Ắc Quy: Hướng Dẫn Đọc và Chọn Ắc Quy Phù Hợp

3. Nguyên lý hoạt động cơ bản dựa trên cấu tạo

Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của ắc quy 

Ắc quy chì-axit hoạt động dựa trên các phản ứng hóa học thuận nghịch giữa các vật liệu trong bản cực và dung dịch điện phân. Chu trình nạp – xả điện diễn ra tuần hoàn, trong đó năng lượng hóa học được chuyển đổi thành điện năng (khi xả), và ngược lại (khi nạp). Mỗi thành phần cấu tạo đều đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.

3.1. Quá trình phóng điện

Khi ắc quy được nối với tải (ví dụ: mô-tơ, bóng đèn, hệ thống điện trên ô tô), quá trình phóng điện xảy ra và tạo ra dòng điện cung cấp cho thiết bị.

Tại bản cực âm (Negative Plate - Pb): Chì nguyên chất (Pb) bị oxy hóa thành chì sunfat (PbSO₄), giải phóng electron (e⁻) ra mạch ngoài:

Pb + SO₄²⁻ → PbSO₄ + 2e⁻

Dòng electron (e⁻):  Di chuyển qua mạch ngoài, truyền năng lượng cho thiết bị tiêu thụ điện, sau đó đến bản cực dương.

Tại bản cực dương (Positive Plate - PbO₂): Chì dioxide (PbO₂) kết hợp với ion hydro (H⁺), ion sulfate (SO₄²⁻) và electron để tạo thành PbSO₄ và nước (H₂O):

PbO₂ + SO₄²⁻ + 4H⁺ + 2e⁻ → PbSO₄ + 2H₂O

Trong dung dịch điện phân (H₂SO₄): Nồng độ axit sulfuric giảm dần do các ion SO₄²⁻ và H⁺ bị tiêu thụ trong phản ứng. Tỷ trọng dung dịch giảm – đây là dấu hiệu để xác định ắc quy đang bị xả.

Kết quả: Cả hai bản cực đều bị phủ bởi PbSO₄ (chì sunfat), dung dịch điện phân loãng dần, và ắc quy mất điện dần theo thời gian.

3.2. Quá trình nạp điện 

Khi kết nối với một nguồn điện ngoài (bộ sạc), dòng điện sẽ chạy theo chiều ngược lại so với lúc xả. Nguồn điện cung cấp năng lượng để đảo ngược các phản ứng hóa học.

Tại bản cực âm (PbSO₄): PbSO₄ bị khử trở lại thành Chì nguyên chất (Pb), đồng thời giải phóng ion SO₄²⁻ vào dung dịch:

PbSO₄ + 2e⁻ → Pb + SO₄²⁻

Tại bản cực dương (PbSO₄): PbSO₄ bị oxy hóa trở lại thành PbO₂, đồng thời giải phóng ion SO₄²⁻ và ion H⁺:

PbSO₄ + 2H₂O → PbO₂ + SO₄²⁻ + 4H⁺ + 2e⁻

Trong dung dịch điện phân: Axit sulfuric (H₂SO₄) được tái tạo từ các ion SO₄²⁻ và H⁺ trở lại dung dịch, làm tăng tỷ trọng dung dịch – đây là một dấu hiệu cho biết ắc quy đang được nạp đầy.

Kết quả: Bản cực âm trở lại dạng Pb xốp, bản cực dương khôi phục thành PbO₂, và dung dịch điện phân hồi phục nồng độ. Ắc quy sẵn sàng cung cấp điện trở lại.

4. Sự khác biệt trong cấu tạo giữa các loại ắc quy chì axit phổ biến

So sánh cấu tạo khác biệt giữa các loại ắc quy hiện nay

Các loại ắc quy chì axit như ắc quy nước, AGM và Gel có cấu tạo khác nhau để phù hợp với từng mục đích sử dụng. Mỗi loại mang đến ưu nhược điểm riêng về độ bền, khả năng bảo trì và hiệu suất hoạt động. Dưới đây là bảng so sánh sự khác biệt trong cấu tạo của từng loại ắc quy chì axit phổ biến:

5. Tầm quan trọng của cấu tạo đối với hiệu suất và tuổi thọ ắc quy

Cấu tạo ắc quy ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định của ắc quy

Cấu tạo ắc quy chì axit là yếu tố then chốt quyết định đến hiệu suất hoạt động, tuổi thọ và độ an toàn trong quá trình sử dụng. Từ vật liệu chế tạo, thiết kế bên trong cho đến quy trình sản xuất – tất cả đều ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng lưu trữ năng lượng và độ ổn định của ắc quy. Việc hiểu rõ cấu tạo sẽ giúp người dùng lựa chọn sản phẩm phù hợp và sử dụng hiệu quả hơn.

• Chất lượng vật liệu cấu thành: Độ tinh khiết của chì, chất lượng của axit và vật liệu làm tấm ngăn đều ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất, khả năng chống ăn mòn và độ bền tổng thể.
• Thiết kế và quy trình sản xuất: Công nghệ sản xuất hiện đại cho phép tạo ra các thiết kế lưới bản cực tối ưu (ví dụ: lưới PowerFrame) giúp tăng cường dòng điện và độ bền cơ học. Quy trình pha trộn và phủ chất hoạt động chính xác đảm bảo hiệu suất đồng đều cho toàn bộ ắc quy.
• Ảnh hưởng đến an toàn và bảo dưỡng: Cấu tạo kín khí của ắc quy AGM và Gel giúp loại bỏ nhu cầu bảo dưỡng và tăng cường an toàn cho người sử dụng. Các sản phẩm đạt tiêu chuẩn quốc tế như JIS (Nhật Bản) hay DIN (Đức) đều phải tuân thủ các quy định nghiêm ngặt về vật liệu và thiết kế cấu tạo.

Tóm lại, cấu tạo ắc quy chì axit là một tổ hợp kỹ thuật phức tạp nhưng hợp lý, nơi mỗi thành phần đều đóng một vai trò không thể thiếu trong việc tạo ra và lưu trữ năng lượng. Việc hiểu rõ từng bộ phận và chức năng của chúng không chỉ giúp Quý khách hàng sử dụng sản phẩm một cách thông thái mà còn là cơ sở để đưa ra quyết định mua hàng chính xác, lựa chọn được loại ắc quy có cấu tạo phù hợp nhất với nhu cầu.

Tại Ắc Quy Đồng Khánh, chúng tôi cam kết chỉ cung cấp những sản phẩm ắc quy có cấu tạo được tối ưu hóa từ các nhà sản xuất hàng đầu, đảm bảo chất lượng vật liệu và công nghệ sản xuất tiên tiến, mang lại độ tin cậy và hiệu suất vượt trội cho Quý khách hàng.

Thông tin liên hệ:

Website: Ắc quy Đồng Khánh

SĐT: 0966.697.696

Địa chỉ: Số 1 Nguyễn Hữu Thọ (ngã 5 cầu vượt Linh Đàm), Q. Hoàng Mai, Hà Nội

Fanpage: https://www.facebook.com/acquydongkhanh