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Bleiakkumulator
Spezifikationen
Energie/Masse	30-40 wer/kg
Energie/Inhalt	~80Wh/l
Leistung/Masse	180 W/kg
Lade-/Entladeeffizienz	50-92 %
Energie-/Verbraucherpreis	4,5Wh/€
Selbstentladung	3-20 %/Monat
Lebensdauer	12-120 Monate
Anzahl Ladezyklen	600-800
Quellenspannung	2,105 V
Ladetemperatur	25 °C

Das Bleiakkumulator ist ein wiederaufladbarGalvanische Zelle. er ist in 1859 erfunden vom französischen Physiker Gaston Planté, und ist einer der ältesten Batterietypen. Heute ist die Blei-Säure-Batterie die am häufigsten verwendete Art der Starterbatterie in Autos.

Eigenschaften

Vorteile von Blei-Säure-Batterien im Vergleich zu anderen Batterietypen sind:

• Große Einfachheit: Das elektrochemische System besteht nur aus Wasser, Schwefelsäure und führen.
• Sie können einen hohen Strom (elektrischer Strom), zum Beispiel für die Anlasser von Autos.
• Relativ hoch Leistung pro Masseneinheit.
• Relativ günstig.
• Einfach zu wiederverwerten. Es sind keine komplizierten Trennprozesse erforderlich.
• Die Hochspannung von mehr als 2,0 Volt pro Zelle (größer als Zink-Kohle, aber niedriger als Lithium-Ionen).
• Großer Temperaturbereich von −20..50°C beim Laden und Entladen.

Nachteile:

• Niedrige Energie pro MasseEinheit, in der Größenordnung von 108 kJ/kg (30 wer/kg).
• Da die Zellen in den meisten Batterien einen flüssigen Elektrolyten haben, können sie bei Überladung Knallgas, ein explosives Gemisch aus Sauerstoff und Wasserstoff.
• Die stark korrosive Wirkung von Schwefelsäure.
• Das hohe Gewicht. Blei ist eines der schwersten Metalle.
• Die Toxizität von Blei; auch die batterien noch nie als normaler Abfall behandelt werden und die Batterien sollten immer recycelt werden.

Fast alle modernen Autos verwenden Blei-Säure-Batterien für den Anlasser. Sie werden beispielsweise auch zum Einfahren verwendet Gabelstapler, wo das hohe Gewicht (bald 1500 kg) sinnvoll als Stall genutzt wird Gegengewicht.

12-Volt-Batterien bestehen aus sechs in Reihe geschalteten Zellen mit einer Nennspannung von jeweils 2,1 Volt. Eine solche Zusammensetzung von Batterien wird allgemein als a . bezeichnet Batterie Batterie. Ein paar Funktionen:

• Quellenspannung bei voller Ladung: 13,0 V
• Entladungsende: 11,8 V
• Laden mit: 13,8-14,4 V
• Spannung, bei der Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerfällt: 14,4 V
• Bei Dauerladung: maximal mit 13,8 V
• Bei voller Ladung sinkt die Quellenspannung schnell auf 13,2 V und dann langsam auf 12,6 V.

Operation

Jede Zelle hat (wenn geladen) eine Elektrode aus fein verteiltem reinem führen (Pb) und einer Elektrode aus Blei(IV)oxid (PbO₂), die sich in a . befinden Elektrolyt von etwa 37 Massenprozent Schwefelsäure (H₂SO₄). Das Elektrodenmaterial wird auf Bleiplatten aufgebracht, die selbst nicht an den elektrochemisch Prozesse beitragen.

Bei der Entladung bildet sich eine Schicht Bleisulfat auf beiden Materialien. Beim Laden wird das Bleisulfat wieder in Blei und Blei(IV)-oxid umgewandelt.

Die chemischen Reaktionen sind (links geladen, rechts entladen):

Beim Entladen (Oxidation) findet rechts an der Anode und beim Laden (Reduktion) links an der Kathode folgende Reaktion statt:

${displaystyle {ce {{Pb(s)}SO4^{2-}(aq) <-> {PbSO4(s)} 2 e^-}}}$

bei welchem ε⁰ = −0,356 V

Beim Entladen findet rechts an der Kathode (Reduktion) und beim Laden links an der Anode (Oxidation) folgende Reaktion statt:

${displaystyle {ce {{PbO2(s)} {SO4^{2-}(aq)} 4{H} 2e^{-}<->{PbSO4(s)} 2H2O(l)}}}$

wo⁰ = 1,685 V

Im entladenen Zustand bestehen beide Elektroden aus Blei(II)sulfat. Der Elektrolyt wird dann zu Wasser, wodurch entladene Blei-Säure-Batterien Frostschäden erleiden können. Es wird empfohlen, Bleibatterien geladen zu halten, um dies zu vermeiden.

Arten von Blei-Säure-Batterien

Je nach Verwendungszweck und damit Bauart der Batterie werden folgende Typen von Blei-Säure-Batterien unterschieden:

• Starterbatterien: Diese können kurzzeitig hohen Strom liefern. Autobatterien sind Starterbatterien. Es wird empfohlen, eine Starterbatterie nicht mehr als 20 % zu entladen. Dies wird bei Autos mit Verbrennungsmotor erfüllt: Nach dem hohen Strom zum Starten des Automotors wird die Batterie schnell wieder aufgeladen. Starterbatterien haben relativ viele und dünne Bleiplatten. Die Kapazität einer Starterbatterie nimmt durch starkes Entladen und Wiederaufladen durch Sulfatierung stark ab. Durch die Sulfatierung entsteht auf den Elektroden eine harte, unlösliche Schicht, die nicht elektrisch leitfähig ist. Diese Art von Batterien ist die billigste Art.
• Stationäre Batterien oder Semi-Traktionsbatterien: liefern einen geringeren Strom als Starterbatterien, können aber bis zu 50 % tiefer entladen werden. Diese Batterien sind resistenter gegen Sulfatierung als Starterbatterien.
• (volle) Traktionsbatterien: können bis zu 80 % entladen werden und haben eine längere Lebensdauer (ausgedrückt in Entlade-Ladezyklen) als stationäre Batterien. Volltraktionsbatterien sind jedoch deutlich teurer als stationäre Batterien.

Neben dem "normalen" Nass-Elektrolyt Batterien gibt es auch Gelbatterien (siehe später in diesem Artikel). Diese enthalten einen gelförmigen Elektrolyten und können daher auch in Schräglage verwendet werden. Diese können lange, bis zu 80 %, tiefentladen und schnell wieder aufgeladen werden.

Bei einer fortschrittlichen Blei-Kohlenstoff-Batterie (ALC = Advanced Lead-Carbon) wird der negativen Platte (Kathode) der Blei-Säure-Batterie Kohlenstoff hinzugefügt, wodurch eine asymmetrische Superkondensator Dies führt zu einer verbesserten Lade- und Entladeleistung dieser Blei-Säure-Batterie.^[1]

Allgemeine Information

Die Kapazität des Akkus wird ausgedrückt in Amperestunde (1 Amperestunde entspricht 3600 coulomb). Da der Akku jedoch stärker belastet und schneller geladen wird, nimmt diese Kapazität ab. Wird der Akku längere Zeit nicht benutzt, kommt es zu einem Ladungsverlust durch Selbstentladung. Außerdem wird das Bleisulfat dann nach und nach in eine weniger aktive Form umgewandelt. Es löst sich auch von den Elektroden und sinkt in den Sedimentationsraum unter den Platten. Bei diesem Sedimentationsprozess können Kurzschlüsse auftreten.

Bei der Entladung und Bildung von Bleisulfat auf den Platten wird dem Elektrolyten Schwefelsäure entzogen. Die Schwefelsäurekonzentration und damit die spezifische Masse sinkt. Durch die Kontrolle der Säuredichte wird der Ladezustand überwacht, während des Gebrauchs tritt nur Wasserverlust durch Verdunstung und durch Wasserelektrolyse beim Laden und bei der langsamen Selbstentladung auf. Daher sollte die Batterie nur mit destilliertem (reinem) Wasser aufgefüllt werden. Unreines, hartes Wasser kann zur Ablagerung von Besetzung und interner Kurzschluss durch migrierende Eisen(II)-Ionen und Eisen(III)-Ionen (Fe² und Fe³ ).

Kapazität der Batterien und Kurzschlussströme

Die Kapazität einer Batterie und ihre praktische Anwendung, der Akkumulator, gibt an, wie viel Amperestunden (Ah) in einem voll geladenen Akku gespeichert sind. Das bedeutet, dass dem Akku für mehrere Stunden (h) ein bestimmter Strom (I) entnommen werden kann Die Kapazität eines Akkus ist für eine Entladezeit von zehn Stunden angegeben. Bei einer anderen Entladezeit als diesen zehn Stunden ist die Kapazität unterschiedlich.

Die Abbildung zeigt die Kapazität einer stationären 250 Ah Blei-Säure-Batterie als Funktion der Zeit in einem Diagramm. Der Strom, der während der definierten 10 Stunden entnommen werden kann, beträgt 250Ah 10h = 25A.

Aus diesem Diagramm ist abzuleiten, dass mit steigender Stromaufnahme die Entladezeit automatisch kürzer wird, da die Kapazität des Akkumulators dann kleiner als 250 Ah ist. Ist die Stromaufnahme so groß (46A), dass die Entladezeit fünf Stunden beträgt, dann ist darin eine Kapazität von 230 Ah enthalten, bei einer Stromaufnahme von 265 A für eine halbe Stunde wird nur eine Kapazität von 133 Ah benötigt. Das sind nur etwas mehr als 50 % der Nennkapazität!

Solche relativ großen stationären Akkumulatoren werden beispielsweise in einem UPS (Unterbrechungsfreie Stromversorgung) für große Computersysteme, bei denen teilweise Klemmenspannungen von 400 Volt benötigt werden und bei einem Netzausfall eine Zeitdauer überbrückt werden muss, bis die Netzspannung wiederkehrt oder ein Notstromaggregat (NSA) kommt bis zur Geschwindigkeit. In einer solchen Überbrückungszeit werden dem Akkumulator große Kapazitäten entnommen.

Es ist klar, dass bei der Auswahl eines Akkumulators die Eigenschaften der Kapazität und der beabsichtigte Verwendungszweck berücksichtigt werden müssen. Außerdem nimmt die Kapazität eines Akkus schon bei niedrigerer Temperatur ab. Bei starkem Frost kann beispielsweise eine nicht optimale Batterie in einem Auto Startprobleme verursachen.

Ein weiterer, nicht weniger wichtiger ist der maximale Strom, den eine Batterie liefern kann, auch bekannt als Kurzschlussstrom I_k. Wenn mit dem oben genannten 250 Ah Akku ein direkter Kurzschluss an den Klemmen anliegt, fließt aufgrund des relativ geringen Innenwiderstandes von nur wenigen Milliohm (mΩ) ein Kurzschlussstrom von ca. 8500 A (8,5 kA). In einem beispielsweise an die Batterie angeschlossenen Schaltkasten in 10 Metern Entfernung kann der Kurzschlussstrom aufgrund der zusätzlichen elektrischen Widerstandsverluste des verwendeten Kabels bereits unter 7 kA liegen und bei 100 Metern ich_k nur 3kA betragen.

Bei einem Pkw liegt die Kapazität des Akkumulators üblicherweise in der Größenordnung von 45 Ah. Ein direkter Kurzschluss an den Anschlüssen einer solchen Batterie mit einem Innenwiderstand von ca. 8 mΩ erzeugt einen Kurzschlussstrom ich_k von ca. 1,5 kA (= 12 V / 8 mΩ). Am Rücklicht des Autos aufgrund des Widerstands der Kabel ich_k bereits auf ca. 400 A abgesunken. Beachten Sie, dass so große Ströme zu Verbrennungen führen können, wenn der Kurzschlussstrom beispielsweise durch einen am Finger getragenen Ring fließt.

Gel-Batterien

Leistungen von Gelbatterien im Vergleich zu Nassbatterien sind:

• in jeder Ausrichtung verwendbar
• Beim Laden wird weniger Gas produziert und das entstehende Gas wird vom schwammigen Elektrolyten aufgenommen, wobei Sauerstoff und Wasserstoff beim Entladen wieder zu Wasser werden. Dies geschieht ähnlich wie bei einer Brennstoffzelle.
• Gel-Batterien sind daher wartungsfrei: Es muss kein Wasser hinzugefügt werden
• Sulfatierung erfolgt weniger schnell
• Selbstentladung ist geringer als bei Nassbatterien

Nachteile von Gelbatterien im Vergleich zu Nassbatterien sind:

• kann bei gleichen Abmessungen weniger Leistung liefern
• geringere Kapazität bei gleichen Abmessungen
• empfindlich gegen Überladung, es entstehen Hohlräume, die nicht entweichen können, wodurch die Kapazität verringert wird
• Wasser kann nicht nachgefüllt werden, wenn durch Überlastung Wasser in Form von Gas verloren gegangen ist
• höherer Preis

Anwendungen

Tiefentladefähige Nassbatterien werden unter anderem eingesetzt in:

• Golfwagen, Gabelstapler und ähnliches
• U-Boote
• Notstromversorgungen für Telefonzentralen, große Rechenzentren etc.
• Speicherung von Strom aus Sonnenkollektoren

Gel-Batterien werden unter anderem verwendet in

• Notstromversorgungen für kleine Computersysteme (statische USV)
• Elektroroller
• Sicherheitssysteme
• Fahrräder mit elektrischem Hilfsmotor
• maritime Anwendungen
• Wohnmobil's als 'Haushaltsbatterie'