Bleiakkumulator
Einführung
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.
Geschichte
Die ersten Versuche, einen auf Blei basierenden Akkumulator zu entwickeln, wurden 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 Leitfähigleit 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
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-(II)-Oxid ist in schwefelsaurer Lösung unbeständig.
Die Überspannung des Sauerstoffs, 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:
* Durch Zusatz von e
' target='blank'>Literatur
*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
Weblinks
• Die Bleibatterie - Grundlagen, verschlossene Bauart, Alterung
* [http://www.u-helmich.de/che/09/04-ionen/ionen14.html Der Blei-Akkumulator im Chemie-Unterricht
• Batteryuniversity - Übersicht zur Akkupflege
• Zur Polarität von Anode und Kathode
