Bleiakkumulator
Ein Bleiakkumulator (kurz Bleiakku) ist ein Akkumulator, bei dem die Elektroden aus Blei bzw. Bleidioxid und der Elektrolyt aus verdünnter Schwefelsäure bestehen.
Bleiakkumulatoren gelten aufgrund ihrer langen Lebensdauer als zuverlässig und preisgünstig. Im Vergleich mit anderen Akkumulatortypen haben sie – verglichen mit anderen Energiespeichern – im Verhältnis zum Volumen eine große Masse sowie mit etwa 0,11 MJ/kg eine geringe Energiedichte. Bezogen auf das Volumen ist die Energiedichte der anderer Akkumulatoren ähnlich. Die bekannteste Anwendung ist die Starterbatterie für Kraftfahrzeuge. Auch werden sie als Energiespeicher für Elektrofahrzeuge eingesetzt. Wegen ihrer großen Masse sind sie hierfür allerdings nur eingeschränkt verwendbar. Das hohe Gewicht kann aber auch vorteilhaft genutzt werden, beispielsweise in Gabelstaplern, bei denen der Bleiakkumulator gleichzeitig als Gegengewicht an der Hinterachse dient.
Geschichte
Luigi Galvani legte durch die Entdeckung der Muskelkontraktion bei toten Fröschen durch Berührung mit Eisen und Kupfer die Grundlage zur Entwicklung der galvanischen Zelle durch Alessandro Volta im Jahre 1792. Volta erkannte, dass die zuckenden Froschschenkel in Galvanis Versuch eine physikalische Grundlage haben, er untersuchte daraufhin die Kontaktspannung verschiedener Metalle und entwickelte die elektrochemische Spannungsreihe. 1802 entwickelte Johann Wilhelm Ritter ein ähnliches System, jedoch waren Ritters Zellen – im Gegensatz zu Voltas Zellen – nach der Entladung wieder aufladbar. Dieses wiederaufladbare Sekundärsystem war eine Vorform für heute bekannte Akkumulatoren.
1854 entwickelte der Mediziner und Physiker Wilhelm Josef Sinsteden die erste Blei-Säure-Batterie, damals war der heutige Begriff Bleiakkumulator noch nicht etabliert. Sinsteden stellte zwei große Bleiplatten, die sich gegenseitig nicht berührten, in ein Gefäß gefüllt mit verdünnter Schwefelsäure. Durch Anschließen einer Spannungsquelle und häufiges Auf- sowie Entladen (Formieren) erreichte er nach einer gewissen Zeit eine messbare Kapazität. An einer der Platten bildete sich Bleidioxid und an der anderen reines Blei. 1859 wurde Sinstedens Bleiakkumulator von Gaston Planté durch eine spiralförmige Anordnung der Bleiplatten zur Planté-Zelle weiterentwickelt. Nach diesem Prinzip werden auch noch in jüngerer Zeit Akkumulatoren gebaut.
In der Industrie gab es zunächst kaum Verwendung für Strom speichernde Zellen, dies änderte sich erst 20 Jahre später. 1866 entwickelte Werner von Siemens den elektrischen Generator, und die Nachfrage nach Möglichkeiten zur Speicherung der elektrischen Energie stieg rasant an. 1880 wurde der Bleiakkumulator vom französischen Ingenieur Camille Alphonse Faure entscheidend weiterentwickelt, durch eine Beschichtung aus Bleipulver und Schwefel erreichte der Bleiakkumulator bereits nach wenigen Ladezyklen (dem Formieren) seine volle Kapazität.<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:|{{{autor}}}: }}{{#if:|{{#if:Der Bleiakkumulator – Kapitel 2: Geschichte|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Der Bleiakkumulator – Kapitel 2: Geschichte}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:http://www.gsg-physik.net/physik/akkus/d_kap_2.htm%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Der Bleiakkumulator – Kapitel 2: Geschichte}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=http://www.gsg-physik.net/physik/akkus/d_kap_2.htm}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Der Bleiakkumulator – Kapitel 2: Geschichte}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:{{#if: 2009-10-21 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}
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Den ersten großen wirtschaftlichen Erfolg hatte Henri Tudor mit seinen Bleiakkumulatoren. Bereits 1882 soll es ihm gelungen sein, eine Gleichstromanlage unter Benutzung eines Wasserfalles zu entwerfen, die diverse Bleiakkumulatoren stetig aufladen konnte. Er verwendete hierzu das Wasserrad der Mühle auf dem Landsitz seiner Eltern, dem sogenannten Irminenhof. Er verwendete dieses System, um die elektrische Beleuchtung im Irminenhof zu realisieren. Der Irminenhof war somit eines der ersten privaten Gebäude in Europa, das durchgehend elektrisches Licht hatte. Der erste große Auftrag für Tudor war die elektrische Beleuchtung in der Stadt Echternach im Jahr 1886.<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:Jos. A. Massard|Jos. A. Massard: }}{{#if:|{{#if:1886–1996, Hundertzehn Jahre elektrisches Licht in Echternach|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=1886–1996, Hundertzehn Jahre elektrisches Licht in Echternach}}]{{#if:PDF; 13,6 MB| (PDF; 13,6 MB)}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:http://massard.info/pdf/elek_echternach.pdf%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=1886–1996, Hundertzehn Jahre elektrisches Licht in Echternach}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=http://massard.info/pdf/elek_echternach.pdf}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=1886–1996, Hundertzehn Jahre elektrisches Licht in Echternach}}}}]}}{{#if:PDF; 13,6 MB| (PDF; 13,6 MB{{#if:9–10 (108–109 lt. Seitennummerierung){{#if: 2009-10-21 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}
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1887 wurde von Adolph Müller die erste Akkumulatorenfabrik Deutschlands gegründet, aus ihr entwickelte sich später der Konzern VARTA.
Bereits 1910 wurden 70.000 Tonnen Blei für Bleiakkumulatoren verwendet. Sie wurden als stationäre und transportable Gleichstromquellen für die Schwachstromtechnik eingesetzt.
Aufbau
Ein Bleiakkumulator besteht aus einem säurefesten Gehäuse und zwei Bleiplatten oder Plattengruppen, von denen die eine als positiv und die andere als negativ gepolte Elektrode dienen, sowie einer Füllung von 37-prozentiger (Massenanteil) Schwefelsäure (H2SO4) als Elektrolyt. Bei der handelsüblichen Ausführung sind die Elektrodenplatten dicht ineinander geschachtelt, dazwischen befinden sich Separatoren zum Beispiel aus perforiertem, gewelltem Polyvinylchlorid (PVC), die eine direkte gegenseitige Berührung (Kurzschluss) verhindern. Die Anschlüsse und Verbindungslaschen bestehen unter anderem bei Starterbatterien aus metallischem Blei.
Im entladenen (neutralen) Zustand lagert sich an beiden Elektrodengruppen eine Schicht aus Blei(II)-sulfat (PbSO4) ab. Im aufgeladenen Zustand haben die positiven Elektroden eine Schicht aus Blei(IV)-oxid (PbO2), die negativ gepolten Elektroden bestehen aus mehr oder weniger porösem Blei (Bleischwamm).
Bleibt die Batterie längere Zeit im entladenen Zustand, lagern sich die einzeln auf der Platte fein verteilten Bleisulfatteilchen zu größeren Kristallen zusammen. Diese groben Kristalle können nur noch schwer oder gar nicht mehr in Blei bzw. Bleidioxid umgewandelt werden.<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:|{{{autor}}}: }}{{#if:|{{#if:Sulfatierung von Blei-Säure-Batterien - msobatt.ch|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Sulfatierung von Blei-Säure-Batterien - msobatt.ch}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://msobatt.ch/i/sulfatierung-von-blei-saeure-batterien%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Sulfatierung von Blei-Säure-Batterien - msobatt.ch}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://msobatt.ch/i/sulfatierung-von-blei-saeure-batterien}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Sulfatierung von Blei-Säure-Batterien - msobatt.ch}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:{{#if: 2025-02-13 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}
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In der Praxis tritt die Sulfatierung nur bei Akkumulatoren auf, die nicht regelmäßig geladen wurden. Bei immer gut geladenen Blei-Säure-Batterien ist kaum Bleisulfat vorhanden
Bleisulfat (PbSO4) ist in Schwefelsäure nicht löslich, wohl aber in Wasser. Beim Entladen wird dem Elektrolyten Schwefelsäure entzogen. Dadurch nimmt die Säuredichte ab. Je weiter die Entladung fortschreitet, desto mehr nimmt die Säuredichte ab. Das Bleisulfat geht in dem immer wässriger werdenden Elektrolyten in Lösung.
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Die Säuredichte ist somit gleichzeitig ein Maß für den Ladezustand. Sie beträgt bei aufgeladenem Akkumulator etwa 1,28 g·cm−3 (100 % Ladung) und bei entladenem Akkumulator 1,10 g·cm−3 (vollständige Entladung oder gar Tiefentladung). Der Lade- oder Entladezustand ist linear mit der Elektrolytdichte verknüpft und verändert sich um etwa 5,5 % / 0,01 g·cm−3:
- 1,28 g·cm−3 → 100 %,
- 1,19 g·cm−3 → 50 %,
- 1,11 g·cm−3 → 5 % Restkapazität.
Wirkungsweise
Die Wirkungsweise des Bleiakkumulators lässt sich anhand der bei der Ladung und Entladung bzw. der Stromentnahme ablaufenden chemischen Prozesse darstellen.
Bei der Entladung laufen folgende chemische Vorgänge ab:
Negativer Pol:
- <math> \mathrm{Pb} \,\quad + \mathrm{SO_4^{2-}} \qquad\qquad\qquad\,\, \longrightarrow \mathrm{PbSO_4 + {\color{red} 2\,e^-}} </math>
Positiver Pol:
- <math> \mathrm {PbO_2 + SO_4^{2-} + 4 \, H^+ + {\color{red}2 \,e^-} \longrightarrow PbSO_4 + 2\, H_2\;\!\!O }</math>
Die Entladung besteht in einer spontanen Komproportionierung.
Beim Laden laufen die Vorgänge in Gegenrichtung ab, es handelt sich um eine erzwungene Disproportionierung.
Die Gesamtreaktion beim Entladen und Laden:
- <math> \mathrm{ Pb + PbO_2 + 2 \,H_2SO_4 \quad\rightleftharpoons\quad 2\, PbSO_4 + 2 \,H_2O }</math>
Nach rechts findet unter Energieabgabe die Entladung des Bleiakkus statt, nach links unter Energiezufuhr die Aufladung.
Aus der elektrochemischen Spannungsreihe kann man nun die Potentialdifferenz, also letztlich die elektrische Spannung, die entsteht, berechnen.
- <math>\mathrm { Pb \quad\, + SO_4^{2-} \qquad\qquad\qquad\,\, \longrightarrow PbSO_4 + {\color{red}2 \, e^-} } \qquad | \!-0{,}36\,\mathrm{V}</math>
- <math>\mathrm { PbO_2 + SO_4^{2-} + 4\, H^+ + {\color{red}2\, e^-} \longrightarrow PbSO_4 + 2\, H_2O } \quad | \!+1{,}68\,\mathrm{V}</math>
- <math>E^0_\mathrm{Ges} \,=\; 1{,}68\,\mathrm{V} - ( -0{,}36\,\mathrm{V} ) \;=\; 2{,}04\,\mathrm{V}</math>
Selbstentladung:
- <math>\mathrm { 2\, PbO_2 + 2\, H_2SO_4 \;\longrightarrow\; 2\, PbSO_4 + 2\, H_2O + O_2 }</math>
Blei(IV)-oxid ist in schwefelsaurer Lösung unbeständig.
Die Überspannung des Wasserstoffs, die das Laden eines Bleiakkumulators überhaupt erst möglich macht,<ref name="blume">{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:Dagmar Wiechoczek|Dagmar Wiechoczek: }}{{#if:|{{#if:Der Bleiakkumulator|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Der Bleiakkumulator}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://www.chemieunterricht.de/dc2/auto/bleiakku.htm%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Der Bleiakkumulator}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://www.chemieunterricht.de/dc2/auto/bleiakku.htm}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Der Bleiakkumulator}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:chemieunterricht.de: Technische Chemie im und ums AutoProf. Blumes Bildungsserver für Chemie1999-11-17{{#if: 2022-09-15 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}
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Gebrauchseigenschaften
Die Nennspannung einer Zelle beträgt 2 V, die Spannung schwankt jedoch je nach Ladezustand, Temperatur und Lade- oder Entladestrom zwischen ca. 1,75 und 2,4 V. Die Energiedichte beträgt 0,105 bis 0,16 MJ/kg (29 bis 44 Wh/kg)<ref>berechnet aus Datenblätter aktuell (Juli 2023) erhältlicher Markenakkus mit 10 bis 50 Ah</ref>, während moderne NiMH-Zellen Werte zwischen 0,28 und 0,37 MJ/kg (80 bis 105 Wh/kg)<ref>berechnet aus Datenblätter aktuell (Juli 2023) erhältlicher Markenakkus mit 2 bis 2,7 Ah.</ref> und Lithium-Akkus Werte bis 0,95 MJ/kg (260 Wh/kg) erreichen.<ref name="Energiedichte-NiMH">{{#if:2009-12-13|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:|{{{autor}}}: }}{{#if:https://web.archive.org/web/20091213031329/http://www.egston.com/de/power_supplies/facts/ladegeraete.php#3%7C{{#if:Batterien, Ladekonzepte und Ladegeräte|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://web.archive.org/web/20091213031329/http://www.egston.com/de/power_supplies/facts/ladegeraete.php#3}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Batterien, Ladekonzepte und Ladegeräte}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:http://www.egston.com/de/power_supplies/facts/ladegeraete.php#3%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C1}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Batterien, Ladekonzepte und Ladegeräte}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=http://www.egston.com/de/power_supplies/facts/ladegeraete.php#3}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Batterien, Ladekonzepte und Ladegeräte}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:1EGSTON Holding GmbHhttps://web.archive.org/web/20091213031329/http://www.egston.com/de/power_supplies/facts/ladegeraete.php#3{{#if: 2009-10-31 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}
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Bleiakkumulatoren können kurzzeitig hohe Stromstärken abgeben, sie haben also eine hohe Leistungsdichte. Diese Eigenschaft ist zum Beispiel für Fahrzeug- und Starterbatterien notwendig und gehört zu den Stärken des Bleiakkumulators. Allerdings können mittlerweile Hochstrom-Lithiumionenakkus wesentlich höhere Stromstärken abgeben und wesentlich höhere Leistungsdichten (Faktor 8 bis 9) erreichen. Hochkapazitive Lithiumionenakkus liegen etwas oberhalb von Bleiakkus (Faktor 1,5 bis 2).<ref>Quelle: Datenblätter der Samsung 21700T und 21700E und Datenblätter von etlichen Traktions-Bleiakkus. Betriebstemperatur 20 °C</ref>
Andererseits führen Kurzschlüsse wegen dieser Eigenschaft zu extrem hohen Stromstärken, die zu Verbrennungen (Erhitzung von Werkzeugen) oder Bränden (Verkabelung) führen können. Bei einem Kurzschluss können sich die Elektroden verformen.
Zur Vermeidung von versehentlichen Kurzschlüssen sollten Starterbatterien immer erst am Masse-Pol (beim Kfz Minus-Pol) getrennt und zuletzt an diesem angeschlossen werden. Damit wird die Möglichkeit eines Kurzschlusses vermieden, der sich durch das Hantieren am Plus-Pol und gleichzeitiger Berührung des Fahrzeugchassis bei nicht abgeklemmtem Masse-Pol ergeben kann (z. B. durch Abrutschen eines leitenden Werkzeugs).
Die für das Laden des Bleiakkus notwendige Überspannung des Wasserstoffes kann durch Verunreinigungen von Edelmetallen und Eisen, Nickel und Kobalt gestört werden. Befinden sich (etwa aus verunreinigtem Blei) solche Metallsalze in der Schwefelsäure, lagern sich die entsprechenden Metalle beim Laden bevorzugt auf der Oberfläche an der Bleielektrode an und bilden dort Lokalemente, an denen die Überspannung des Wasserstoffs verringert ist. Dann entwickelt der Akku beim weiteren Laden nur noch Wasserstoff; er „gast“ aus und bildet keine Bleiüberzüge mehr. Solche Akkus lassen sich dann nicht wieder aufladen.<ref name="blume" /><ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref> Grundsätzlich kann bei den Ladevorgängen Knallgas entstehen. Knallgas kann auch bei Selbstentladung entstehen,<ref name=DE2357631A1>{{#if:{{#ifexpr:{{#if:DE|0|1}} or {{#if:2357631A1|0|1}}|1}}|Fehlender Parameter {{#if:DE||„Land“{{#if:2357631A1|| und }}}}{{#if:2357631A1||„V-Nr“}}|}}{{#if: {{#invoke:Expr|TemplateBooland}}|{{#ifeq:|Patentanmeldung|Patentanmeldung|{{#ifeq:|Gebrauchsmuster|Gebrauchsmuster|Patent}}}} {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}|DE2357631A1|{{#switch: {{{DB}}} | DEPATIS =DE2357631A1 | WIPO = DE2357631A1 | Google = DE2357631A1 | #default =DE2357631A1 }}}}{{#if:Katalytischer Oxidationsreaktor für Wasserstoff oder andere brennbare Gase in einem Sauerstoff enthaltenden Gasgemisch1973-11-191975-05-28VARTA Batterie AGHelmut Laig-Hoerstebrock, August D Winsel|:|.}}{{#if:Katalytischer Oxidationsreaktor für Wasserstoff oder andere brennbare Gase in einem Sauerstoff enthaltenden Gasgemisch| Katalytischer Oxidationsreaktor für Wasserstoff oder andere brennbare Gase in einem Sauerstoff enthaltenden Gasgemisch.}}{{#if:1973-11-19| Angemeldet am {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}{{#if:1975-05-28VARTA Batterie AGHelmut Laig-Hoerstebrock, August D Winsel|,}}}}{{#if:1975-05-28|{{#if:1973-11-19| veröffentlicht am | Veröffentlicht am }}{{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}{{#if:VARTA Batterie AGHelmut Laig-Hoerstebrock, August D Winsel|,}}}}{{#if:VARTA Batterie AG| Anmelder: VARTA Batterie AG{{#if:Helmut Laig-Hoerstebrock, August D Winsel|,}}}}{{#if:Helmut Laig-Hoerstebrock, August D Winsel| Erfinder: Helmut Laig-Hoerstebrock, August D Winsel}}{{#if:| ({{{Kommentar}}})}}{{#if:1973-11-191975-05-28VARTA Batterie AGHelmut Laig-Hoerstebrock, August D Winsel|.}}}}{{#invoke:TemplatePar|match |template= Vorlage:Patent |cat= {{#ifeq: 0 | 0 | Wikipedia:Vorlagenfehler/Vorlage:Patent}} |format= |preview=@@@ |1=Land= ABC+ |2=V-Nr= /^[0-9A-Z]+$/ |3=Titel= * |4=Erfinder= * |5=Anmelder= * |6=A-Datum= * |7=V-Datum= * |8=Typ= ASCII |9=Code= ASCII |10=Kommentar= * |11=KeinLink= ASCII |12=DB=ASCII }}</ref> insbesondere nach Reduzierung der Überspannung des Wasserstoffs durch Verunreinigungen. Bei einigen Bauarten wird das gebildete Knallgas indes über eine z. B. im Batteriedeckel vorhandene Katalysatorpatrone zu Wasser rekombiniert, so dass kein Wasser durch Gasung verloren geht und die Batterie entsprechend wartungsärmer und sicherer ist.<ref name=DE2357631A1 /><ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:Jens Tübke|Jens Tübke: }}{{#if:|{{#if:Beschreibung Blei/Bleidioxid-System|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Beschreibung Blei/Bleidioxid-System}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:http://www1.ict.fraunhofer.de/deutsch/scope/ae/bleisystem.html%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Beschreibung Blei/Bleidioxid-System}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=http://www1.ict.fraunhofer.de/deutsch/scope/ae/bleisystem.html}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Beschreibung Blei/Bleidioxid-System}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:Batterie-GlossarFraunhofer Institut für Chemische Technologie{{#if: 2022-09-25 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}
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Pflege und Lebensdauer
Bleiakkus können eine Lebensdauer von etlichen Jahren erreichen. Während ungenügend geregelte Akkumulatoren als Starterbatterie oft nur 2 bis 4 Jahre einsetzbar sind, können hochwertige Ausführungen bis zu 10 Jahre ihre Funktion erfüllen. Antriebsbatterien (Traktionsbatterien) oder Speicherbatterien können je nach Qualität und Belastung zwischen 5 und 15 Jahre Lebensdauer erreichen. Bei Bleiakkumulatoren gleicher Kapazität und Größe, aber mit verschiedenem Gewicht, ist in der Regel der schwerere Akkumulator länger haltbar, da die Bleigerüste stärker ausgeführt sind. Die Belastbarkeit im Neuzustand ist davon nicht direkt beeinflusst, da auch eine schwächere Blei-Struktur mit großer aktiver Oberfläche ausgeführt werden kann (Strukturierung). Generell altern Akkumulatoren und zählen als Verschleißteil. Das liegt bei Bleiakkumulatoren in erster Linie an der inneren Korrosion (bei nur äußerer Korrosion, siehe auch: Polfett) der Bleigerüste der Elektroden, an der Entstehung von feinen Kurzschlüssen und an der Sulfatierung des Bleis, die 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 bei Belastung zu einem stärkeren Spannungsabfall.
Zum Aufladen muss ein passender Laderegler verwendet werden, um die vor allem bei geschlossenen gebundenen Bleiakkumulatoren (Blei-Gel, Blei-Vlies) schädliche Überladung zu vermeiden und die Gasung zu beschränken. Bei offenen Bleiakkumulatoren mit flüssigem Elektrolyt ist Überladung weniger kritisch, da die durch Ausgasung entstandenen Verluste mit destilliertem Wasser ausgeglichen werden können und die Gasung zu einer Durchmischung der Säure führt und eine nachteilige Säureschichtung verhindert. Für Bleiakkumulatoren geeignete Laderegler stellen einen maximalen Ladestrom zur Verfügung, bis die Zellenspannung einen typischen Wert von 2,3 bis 2,35 V erreicht hat, anschließend halten sie die Spannung konstant.
Die Alterungsgeschwindigkeit von Bleiakkumulatoren steigt drastisch mit fallendem Ladezustand durch Sulfatierung der Elektroden. Daher sind diese nie im entladenen Zustand oder gar im tiefentladenen Zustand (Zellenspannungen unter 1,7 V) zu lagern. Am besten sind Bleiakkumulatoren voll geladen (Zellenspannungen 2,20..2,24 V) lagerungsfähig. Zusätzlich besteht im Winter die Gefahr, dass entladene Bleiakkus im Winter einfrieren, da das Elektrolyt dann nur noch wenig Schwefelsäure enthält. Entladene wie auch tiefentladene Bleiakkus sind so schnell wie möglich wieder zu laden, um die entstandenen Schäden zu begrenzen.
Ein Tiefentladeschutz kann Tiefentladung verhindern, während der Laderegler vor Überladung schützt. Verunreinigungen im Elektrolyten wie zum Beispiel Eisen- oder Edelmetallsalze setzen die Überspannung des Wasserstoffs herab und leiten deshalb eine spontane Selbstentladung ein.
Ladeverfahren
Zum Laden ist ein Ladegerät zu verwenden. Die im Gerät enthaltene elektronische Schaltung, der Laderegler, steuert den Ladevorgang und setzt das Ladeverfahren um.
Im Wesentlichen durchläuft die Ladung die Phasen
- Hauptladung
- Boostladung
- Ausgleichsladung (nur Nassakkus)
- Ladungshaltung (float)
Für Dauerbetrieb geeignete Laderegler stellen einen Ladestrom zur Verfügung, der üblicherweise 0,1 C entspricht. Dieser wird aufrechterhalten, bis die Zellenspannung einen typischen Wert von 2,3 bis 2,35 V erreicht hat. Anschließend wird die Betriebsart automatisch auf Konstantspannung umgeschaltet, der die Selbstentladung ausgleicht.
Der Laderegler dient bei geschlossenen gebundenen Bleiakkumulatoren (Blei-Gel, Blei-Vlies) insbesondere dazu, schädliche Überladung zu vermeiden und die Gasung zu beschränken. Bei zellspannungsgesteuerten Ladegeräten wird in der Hauptladephase die Zellspannung überwacht, bis diese 2,35 V je Zelle erreicht hat. Danach wird die Ladespannung für wenige Stunden auf 2,4 V angehoben, um danach auf die Ladehaltungsspannung zu reduzieren.
Bei offenen Bleiakkumulatoren mit flüssigem Elektrolyt ist Überladung weniger kritisch, da die durch Ausgasung entstandenen Verluste mit destilliertem Wasser ausgeglichen werden können. Die Gasung ist bei Nass-Bleiakkus sogar erwünscht, da die aufsteigenden Gasbläschen nach dem Prinzip der Mammutpumpe eine Durchwälzung der Säure bewirkt und so eine sich im Laufe der Zeit mögliche Ausbildung von Säureschichten verschiedener Dichten vermindert.
Verwendung
Wichtig für die Verwendung sind vor allem die Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit durch niedrige Kosten. In Deutschland nahm der Bleiakkumulator aufgrund der großen Erfahrungen durch den Einsatz in U-Booten ab dem Ersten Weltkrieg eine herausragende Stellung bei Forschung und Produktion ein. Allerdings steht die Wirtschaftlichkeit von Bleiakkumulatoren durch fallende Kosten für andere Akkumulatorensysteme, vor allem bei robusten Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren zunehmend in Frage. Hinzu kommt der Nachteil des hohen Gewichts, das ein Hemmnis in der Elektromobilität ist, weil dadurch die Reichweite des Fahrzeugs vermindert wird. Gegenüber Lithium-Akkumulatoren haben Bleiakkumulatoren im stationären Einsatz (zum Beispiel als Solarbatterie) den Vorteil, dass sie kein Batteriemanagementsystem zur Überwachung der Akkuzellen benötigen. Stationäre Speichersysteme mit Bleiakkumulator können daher günstiger angeboten werden und arbeiten üblicherweise wirtschaftlicher als Systeme mit Lithium-Akkumulator.<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:|{{{autor}}}: }}{{#if:|{{#if:Akku-Grundlagen, Abschnitt Wirtschaftliche Betrachtung|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Akku-Grundlagen, Abschnitt Wirtschaftliche Betrachtung}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:http://rn-wissen.de/wiki/index.php/Akku-Grundlagen#Wirtschaftliche_Betrachtung%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Akku-Grundlagen, Abschnitt Wirtschaftliche Betrachtung}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=http://rn-wissen.de/wiki/index.php/Akku-Grundlagen#Wirtschaftliche_Betrachtung}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Akku-Grundlagen, Abschnitt Wirtschaftliche Betrachtung}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:RN-Wissen.de{{#if: 2014-09-14 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}
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EFB/AFB-Autobatterie
Eine EFB- (enhanced flooded battery) oder AFB-Batterie (advanced flooded battery) ist eine verbesserte Starterbatterie für Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren.
Um die Emissionswerte durch automatische Motorabschaltung zu senken, werden Start-Stopp-Systeme mit EFB-Batterietechnik verwendet. Es ist eine Weiterentwicklung der herkömmlichen Nassbatterie (Akkumulator). Diese Batterien sind zyklenfester und rüttelfester und haben eine bessere Alterungsstabilität, eine bessere Ladungsaufnahme und thermische Stabilität als konventionelle Starterbatterien.<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:|{{{autor}}}: }}{{#if:|{{#if:Was ist der Unterschied zwischen AGM- und EFB-Autobatterien?|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Was ist der Unterschied zwischen AGM- und EFB-Autobatterien?}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://www.automotive.at/kfz-technik/was-ist-der-unterschied-zwischen-agm-und-efb-autobatterien-46187%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Was ist der Unterschied zwischen AGM- und EFB-Autobatterien?}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://www.automotive.at/kfz-technik/was-ist-der-unterschied-zwischen-agm-und-efb-autobatterien-46187}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Was ist der Unterschied zwischen AGM- und EFB-Autobatterien?}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:automotive.atÖsterreichischer Wirtschaftsverlag2020-12-21{{#if: 2022-09-02 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}
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Der Grundaufbau ist analog zu einer herkömmlichen Nassbatterie; Veränderungen in Details ergeben die verbesserten Eigenschaften: Die Zugabe von speziellen Kohlenstoffadditiven zum Blei reduziert die Sulfatbildung und verringert den inneren Widerstand. Die Batterie kann tiefer entladen werden und hat eine bessere Ladungsannahme, sie kann schneller aufgeladen werden und verfügt über eine höhere thermische Stabilität. Dies ermöglicht einen Einsatz in kalten sowie auch heißen Regionen.
Ein weiterer Unterschied liegt im Plattenaufbau. Die positiven Bleiplatten werden in ein spezielles Polyestergewebe sowie einen ionendurchlässigen Taschenseparator eingepackt. Die Plattensätze einer EFB-Batterie haben eine mittlere Kompression. Nach dem Auffüllen der EFB-Batterie mit flüssigem Elektrolyt saugt sich das Polyestergewebe damit voll und dehnt sich aus. Dadurch wird ein Druck auf die positiven Platten erzeugt, der dem aktiven Material zusätzliche Festigkeit verleiht.
Eine weitere Einsatzmöglichkeit findet sich in Fahrzeugen mit starken Vibrationen wie Traktoren, Geländefahrzeugen, Baufahrzeugen sowie Booten.
Gasdichte Bleiakkumulatoren
Bleiakkus können auch in einer gasdichten Bauform hergestellt werden. Etliche, aber nicht alle dieser gasdichten Bauformen können lageunabhängig betrieben werden. Hierzu gehören die VRLA-Akkumulatoren. Die Säure wird dabei in Glasfasermatten (engl.: AGM, absorbing glass mat) oder als Gel in Kieselsäure gebunden. Ihr Vorteil besteht darin, dass beim vorschriftsmäßigen Laden in den Zellen nur wenig Knallgas entsteht und das Nachfüllen von destilliertem Wasser entfällt. Sollte durch Laden mit zu hoher Spannung zu schnell zu viel Gas entwickelt werden, öffnen sich Überdruckventile, bevor das Gehäuse platzt.
Auch beim vorschriftsmäßigen Laden entsteht etwas Knallgas, das an der negativen Elektrode zu Wasser rekombiniert. Ein Teil des Gases geht jedoch ungewollt durch Diffusion und Undichtigkeiten verloren. Deshalb trocknen VRLA-Akkumulatoren langsam aus und verlieren Kapazität.
Stationäre Anwendung
Bleiakkumulatoren werden vorrangig als Pufferbatterien eingesetzt. Pufferbatterien unterstützen oder ersetzen bei Ausfall die Stromversorgung. Dabei spielen das hohe Gewicht und das Volumen nur eine untergeordnete Rolle. Anwendungsbeispiele:
- Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) (Notstromversorgung, Alarmanlagen)
- zentrale Stromversorgungssysteme für Notbeleuchtung
- Solarbatterien in Photovoltaikanlagen (Inselanlagen)
In vielen Fällen werden Bleiakkumulatoren heute schon durch Lithium-Ionen-Akkumulatoren ersetzt. Im Jahr 2025 liegt der Preis beider Akkutypen (Blei gegen LiFePo) je nach Modell und Kapazität mit einem Preis von {{#if:trim|130..250 €/kWh}} etwa gleich auf.
Mobile Anwendung
Bleiakkumulatoren werden in erster Linie als Starterbatterien, aber auch als Traktionsbatterien in Fahrzeugen verwendet. Starterbatterien liefern Strom zum Starten eines Verbrennungsmotors mit einem Anlasser und puffern ständig die Bordspannung. Sie liefern Strom beim Ausfall der Lichtmaschine und bei stehendem Motor. Traktionsbatterien liefern die Antriebsenergie für Fahrzeuge. Bei Gabelstaplern dienen Bleiakkumulatoren auch als Ausgleichsmasse (Gegengewicht) für die vor der Vorderachse aufgenommene Last. Bei Rollstühlen erhöht die tief eingebaute schwere Bleibatterie die Kippsicherheit.
Der Bleiakkumulator wird wegen seiner geringen massebezogenen Kapazität und Lebensdauer nach und nach durch andere Akkumulatorbauarten ersetzt werden.<ref name="Winston_12V-90Ah">Winston Battery: <templatestyles src="Webarchiv/styles.css" />{{#if:20111020062018
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}}. Abgerufen am 8. März 2012.</ref> So sind dezentrale oder mobile Anwendungen wegen der hohen Masse heute (2017) eher selten und beschränken sich auf wenige Anwendungen (zum Beispiel manche Staubsaugroboter sowie Weidezaungeräte). Demgegenüber stehen die Robustheit und die gute Kälteresistenz von Bleiakkumulatoren.
Anwendungsbeispiele:
- Starterbatterien (-Akku) für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor
- elektrische Rollstühle
- ältere bzw. preiswerte Elektrofahrräder
- ältere bzw. preiswerte Elektroroller
- ältere Elektroautos
- elektrische Gabelstapler
- U-Boote und Elektro-Torpedos
Wiederverwertung
Bleiakkumulatoren zeichnen sich durch ihren hohen Grad an Wiederverwertbarkeit aus. Im Schnitt können mehr als 95 % des darin enthaltenen Bleis recycelt werden. Auch andere Rohstoffe wie die Schwefelsäure und das Gehäusematerial (Polypropylen) lassen sich größtenteils zurückgewinnen.<ref name="GDB">{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:Julia Ball|Julia Ball: }}{{#if:|{{#if:Recycling – Blei im Kreislauf|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Recycling – Blei im Kreislauf}}]{{#if:PDF; 277 kB| (PDF; 277 kB)}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://www.gdb-online.org/wp-content/uploads/2020/03/GDB_Factsheet_Blei-Recycling.pdf%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Recycling – Blei im Kreislauf}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://www.gdb-online.org/wp-content/uploads/2020/03/GDB_Factsheet_Blei-Recycling.pdf}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Recycling – Blei im Kreislauf}}}}]}}{{#if:PDF; 277 kB| (PDF; 277 kB{{#if:gdb-online.orgGesamtverband der Deutschen Buntmetallindustrie e. V.2020-03{{#if: 2025-07-01 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}
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Im Gegensatz zu Gerätebatterien gibt es für Fahrzeug- und Industriebatterien keine gesetzlich festgelegten Sammelquoten. Laut der Europäischen Umweltagentur werden in der EU 99 % aller Bleiakkumulatoren für das Recycling gesammelt.<ref name="GDB" /> In Deutschland existiert zudem ein Pfandsystem: {{#switch: buzer
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Siehe auch: Abschnitt „Blei-Säure-Akkumulatoren“ im Artikel „Recycling“
Literatur
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- Karl-Joachim Euler: Sinsteden – Planté – Tudor. Zur Geschichte des Bleiakkumulators. Gesamthochschule Kassel, Kassel 1980, OCLC 918271350.
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- D. A. J. Rand, Patrick T. Moseley, Jurgen Garche, C. D. Parker: Valve-regulated Lead-Acid Batteries. Elsevier, 2004, ISBN 0-444-50746-9.
- Kapitel 2.1. Der Bleiakkumulator. In: Peter Birke, Michael Schiemann: Akkumulatoren: Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft elektrochemischer Energiespeicher, H. Utz Verlag, München 2013, ISBN 978-3-8316-0958-1, S. 68–119.
- Chapter 8 Lead-Acid Batteries. In: Rand Dell: Understanding Batteries, Royal Society of Chemistry, 2001, ISBN 0-85404-605-4, S. 100–125.
Weblinks
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- Exide, Dezember 2008: Handbuch für stationäre Bleiakkumulatoren (PDF; 3,1 MB), 101 Seiten, 3. Auflage
- basytec, Andreas Jossen, Die Bleibatterie – Grundlagen, verschlossene Bauart, Alterung
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Einzelnachweise
<references />
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