Bleiakkumulator

Bei einem Bleiakkumulator (kurz Bleiakku, besonders beim Kfz vgl. auch Starterbatterie) handelt es sich um eine Ausführung des Akkumulators, bei der die Elektroden im geladenen Zustand aus Blei und Bleidioxid und der Elektrolyt aus verdünnter Schwefelsäure besteht.

Bleiakkumulatoren gelten für eine Lebensdauer von einigen Jahren als zuverlässig und preisgünstig. Im Vergleich mit anderen Akkumulatortechnologien sind sie jedoch ziemlich schwer und weisen nur eine geringe Energiedichte auf.

Sie werden jedoch unter anderem auch als Energiespeicher für Elektrofahrzeuge eingesetzt. Siehe auch: Batterie. Die wohl bekannteste Anwendung ist die Starterbatterie für Kraftfahrzeuge.

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Geschichte

Die ersten Versuche, einen auf Blei basierenden Akkumulator zu entwickeln, wurden 1801 vom Physiker Johann Wilhelm Ritter , später dann, Mitte des 19. Jahrhunderts, von dem deutschen Arzt Josef Sinsteden gemacht. Er stellte zwei große Bleiplatten in ein Gefäß mit verdünnter Schwefelsäure. Durch Laden des Akkus entstand an einer der Platten Bleidioxid (Blei(IV)-oxid) und an der anderen Blei.

1859 verbesserte Gaston Planté die Anordnung der Bleiplatten, die auch heute noch verwendet wird.

Industriell wurde der Bleiakku interessant, als Emile Alphonse Faure um 1880 ein Verfahren entwickelte, bei dem der Bleiakku bereits nach wenigen Ladezyklen (dem Formieren), eine hohe Kapazität erreicht. Den ersten technisch einsetzbaren Bleiakkumulator entwickelte Henri Tudor 1886.

Aufbau

Bleiakkumulatoren bestehen im aufgeladenen Zustand am positiven Pol aus Blei(IV)-oxid (PbO₂), am negativen aus fein verteiltem, porösem Blei (Bleischwamm). Als Elektrolyt wird 37-prozentige Schwefelsäure (H₂SO₄) verwendet. Sie zeichnen sich durch das kurzzeitige Zulassen hoher Stromstärken, die zum Beispiel für Fahrzeug- bzw. Starterbatterien notwendig sind, aus.

Im entladenen Zustand bestehen beide Pole aus Blei(II)-sulfat (PbSO₄).

Die Nennspannung einer Zelle beträgt 2 Volt, die Spannung schwankt jedoch je nach Ladezustand und Lade-/Entladestrom zwischen ca. 1,75 und 2,4 Volt.

Die Säuredichte stellt gleichzeitig ein Maß für den Ladezustand dar. Sie beträgt bei vollem Akku ca. 1,28 g/cm³ und bei entladenem Akku 1,10 g/cm³ (Quelle: Varta-Batterielexikon).

Bleiakkumulatoren sollten nicht tiefentladen werden, da dies zu irreparablen Schäden führt und den Akkumulator unbrauchbar machen kann. Zum Aufladen sollte ein passender Laderegler verwendet werden, um ebenfalls schädliche Überladung zu vermeiden und die Gasung zu beschränken.

Ein Bleiakkumulator kann ebenfalls gasen, wenn er durch Edelmetalle verunreinigt wird. Dabei lagern sich Teile des Edelmetalls an der Bleielektrode an und verringern so die Überspannung des Wasserstoffs. Es kann Knallgas entstehen, das sich durch Funken beim Abklemmen der Batterieanschlüsse oder elektrostatischer Aufladung z.B. des Kunststoffgehäuses durch Reiben, gefährlich entzünden kann.

Lebensdauer

Mittlerweile haben Bleiakkus durch technischen Fortschritt und bei regelmäßiger Pflege eine recht hohe Lebensdauer von mehreren Jahren. Trotzdem altern die Bleiakkus. Das liegt in erster Linie an der inneren Korrosion (bei nur äußerer K. siehe auch: Polfett) der Bleigerüste der Elektroden, an der Entstehung von feinen Kurzschlüssen und an der Sulfatierung des Bleis. Diese Sulfatierung bewirkt, dass sich die PbSO₄-Kristalle zu immer größeren Verbünden zusammenschließen. So verringert sich die elektrochemisch aktive Oberfläche des PbSO₄. Durch diese kleinere Oberfläche löst sich das PbSO₄ immer schlechter, so dauert es sehr lange bis eine hinreichend hohe Konzentration an Pb²⁺ vorliegt. Außerdem ist die elektrische Leitfähigkeit des Sulfats geringer als diejenige von Blei. Der dadurch erhöhte Innenwiderstand der Zelle führt im Lastfall zu einem stärkeren Spannungsabfall.

Siehe auch: Akkumulator, Galvanische Zelle

Chemische Prozesse

  Die Energiedichte der PB-Batterie beträgt 0,11 MJ/ kg, halb soviel wie beim NiMH-Akku(0,22 MJ/ kg).

Bei der Entladung laufen folgende chemische Vorgänge ab:

Positiver Pol:

Negativer Pol:

(Beim Laden laufen die Vorgänge in Gegenrichtung ab.)

Die Gesamtreaktion:

Nach rechts findet unter Energieabgabe die Entladung des Bleiakkus statt, nach links unter Energiezufuhr die Aufladung.

Aus der Elektrochemische Spannungsreihe kann man nun die Potentialdifferenz, also letztlich die elektrische Spannung, die entsteht, berechnen.

Selbstentladung:

Blei-(IV)-Oxid ist in schwefelsaurer Lösung unbeständig.

Die Überspannung des Wasserstoffs, die das Laden eines Bleiakkumulators überhaupt erst möglich macht, verlangsamt diesen Vorgang.

Reinheitsansprüche:

Gewisse Verunreinigungen wie Fe²⁺-,Co²⁺-,Cu²⁺,Cu⁺-, oder Ag⁺-Ionen setzen die Überspannung des Wasser- und Sauerstoffs herab, sodass die Selbstentladung beschleunigt wird.

Verschlossene Bleiakkumulatoren

  Bleiakkus können auch in einer verschlossenen Bauform hergestellt werden. Diese wird im Englischen als VRLA (valve regulated lead acid, sinngemäß übersetzt: Bleibatterie mit Überdruckventil) genannt.

Verschlossene Bleiakkus sind wie folgt aufgebaut:

• Die Zellen sind zugeschweißt, es existiert lediglich ein Überdruckventil.
• Der Elektrolyt ist festgelegt, also nicht mehr flüssig.

Der Elektrolyt kann auf zwei Arten festgelegt werden:

• Gelakku: Durch Zusatz von Kieselsäure zur Schwefelsäure erstarrt der Elektrolyt zu einem Gel.
• Vliesakku: Zwischen die Elektroden wird ein Glasfasergewebe eingebracht, das den Elektrolyten vollkommen aufsaugt. Dieser Typ wird auch AGM-(Absorbent Glass Mat-) oder MF-(maintenance free-)Akku genannt.

Durch den festgelegten Elektrolyt ist es möglich, verschlossene Bleiakkus lageunabhängig zu betreiben.

Bei Gelakkus tritt praktisch keine Säureschichtung auf (relevanter Kapazitätsverlust durch Entmischung, mit dichterer Säure unten, wässeriger Anteile oben), in Vliesakkus ist sie gegenüber geschlossenen Akkumulatoren zumindest vermindert.

Der Innenwiderstand von Gel-Bleiakkus ist höher als bei vergleichbaren nicht verschlossenen Bleiakkus. Sie sind daher weniger geeignet hohe Ströme zu liefern, wie sie bei der Anwendung als Starterbatterie erforderlich sind. Vlies-Akkus können gleich hohe Ströme wie die offenen Versionen liefern (z.B SSB/Effekta 100AH Akkus kann 5 sec. lang 800A liefern) und eignen sich daher besonders für Elektrofahrzeuge (z.B. CityEL)

Da die Zellen verschweißt sind, ist es nicht möglich, die Batterie zu öffnen, um beispielsweise Wasser nachzufüllen. Dies ist auch nicht erforderlich, da verschlossene Bleibatterien deutlich weniger gasen als herkömmliche Bleibatterien. Durch den festgelegten Elektrolyten hindurch bilden sich Gaskanäle aus. Der durch die Nebenreaktion an der positiven Elektrode gebildete Sauerstoff kann daher direkt zur negativen Elektrode wandern und dort zu Wasser rekombinieren.

Bei Überladung der verschlossenen Bleibatterie (d.h. wenn die Spannung zu hoch ist) wird ein Überschuss an Sauerstoff erzeugt, der nicht mehr rekombinieren kann. Im gleichen Maße wird an der negativen Elektrode Wasserstoff erzeugt. In diesem Fall entweichen die Gase durch das Überdruckventil und die Batterie kann mit der Zeit austrocknen. Da ein Nachfüllen des Elektrolyten nicht möglich ist, erfordern verschlossene Bleibatterien ein angepasstes Ladeverfahren. Es muss vermieden werden, dass die Batterie über längere Zeit bei einer zu hohen Spannung geladen wird, die mit starker Gasung verbunden ist.

Eine andere Möglichkeit ist, ein wenig eines katalytisch aktiven Materials beizufügen, an dem der Wasser- und der Sauerstoff zurück zu Wasser reagieren können.

Zusätzlich besteht bei der Ladung mit einer überhöhten Spannung bei verschlossenen Bleibatterien die Gefahr des Thermal Runaway. Der interne Sauerstoffkreislauf erwärmt die Batterie. Eine Erhöhung der Batterietemperatur führt bei konstanter Spannung zu einem erhöhten Ladestrom. Dieser führt zu einer vermehrten Gasentwicklung und der Sauerstoffkreislauf wird verstärkt. Dieser selbstverstärkende Prozess kann die Batterie überhitzen und zerstören.

Verwendung

  Allgemein werden Pufferbatterien und Traktionsbatterien unterschieden. Während Pufferbatterien eine vorhandene Energieversorgung unterstützen, kommen Traktionsbatterien als eigenständige Energiequelle zum Einsatz.

• Anwendungsbeispiele für Pufferbatterien
  • Starterbatterien (z.B. für Fahrzeuge)
  • Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) (Notstromversorgung, Alarmanlagen)
  • Zentrale Stromversorgungssysteme für Notbeleuchtung
  • Solarbatterien in Photovoltaikanlagen (Inselanlagen)
• Beispiele für Traktionsbatterien
  • Elektrofahrzeuge
    • elektrische Gabelstapler
    • elektrische Rollstühle
  • U-Boote

Literatur

• Karl-Joachim Euler: Sinsteden - Planté - Tudor. Zur Geschichte des Bleiakkumulators. Gesamthochschule Kassel, Kassel 1980.
• Heinz Wenzl: Batterietechnik / Optimierung der Anwendung - Betriebsführung - Systemintegration. Expert-Verlag, Renningen-Malmsheim 2002, ISBN 3-8169-1691-0
• Andreas Jossen, Wolfgang Weydanz: Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen, Printyourbook 2006, ISBN 9783939359111
• D.A.J. Rand, P.T. Moseley, J. Garche, C.D.Parker: Valve-regulated Lead-Acid Batteries, Elsevier 2004, ISBN 0-444-50746-9