Aufbau und Funktionsweise des Bleiakkumulators - Resulf.de
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Autor: Alwin Wiedmann<br />
<strong>Aufbau</strong> <strong>und</strong> <strong>Funktionsweise</strong> <strong><strong>de</strong>s</strong> <strong>Bleiakkumulators</strong><br />
<strong>Aufbau</strong><br />
Bleiakkus bestehen aus einzelnen galvanischen Zellen, wobei je<strong>de</strong> Zelle für sich eine Spannung von<br />
2V besitzt. Meist wer<strong>de</strong>n 3 o<strong>de</strong>r 6 solcher Zellen hintereinan<strong>de</strong>r geschaltet, um 6V o<strong>de</strong>r 12V<br />
Gesamtspannung zu erreichen.<br />
Eine Einzelzelle besteht aus einer Bleigitterelektro<strong>de</strong>, die mit fein verteiltem metallischen Blei <strong>und</strong><br />
einer Bleigitterelektro<strong>de</strong>, die mit Blei-(IV)-oxid befüllt ist. Zwischen <strong>de</strong>n Platten sind Trennwän<strong>de</strong>, die<br />
sogenannten Separatoren.<br />
Die Elektro<strong>de</strong>n tauchen in 20-40%ige Schwefelsäure (H 2 SO 4 ).<br />
Entla<strong>de</strong>n<br />
Bei <strong>de</strong>r Stromentnahme fließen Elektronen vom Blei (Minuspol) zum Blei-(IV)-oxid (Pluspol). Blei wird<br />
dabei zu Pb 2+ oxidiert, Blei-(IV)-oxid zu Pb 2+ reduziert. Die an bei<strong>de</strong>n Elektro<strong>de</strong>n entstan<strong>de</strong>nen Pb 2+ -<br />
Ionen reagieren mit <strong>de</strong>n Säurerestionen <strong>de</strong>r Schwefelsäure (SO 4<br />
2-, Sulfat-Ionen) zu schwerlöslichem,<br />
weißen PbSO 4 , das sich an <strong>de</strong>n Elektro<strong>de</strong>n o<strong>de</strong>r als Bo<strong>de</strong>nkörper absetzt.<br />
Minuspol: Pb(s) + SO 4 2- (aq) -> PbSO 4 (s) + 2 e -<br />
Pluspol: PbO 2 (s) + SO 4 2- (aq) + 2 e - + 4 H 3 O + (aq) -> PbSO 4 (s) + 6 H 2 O(l)<br />
_________________________________________________________________<br />
Pb(s) + PbO 2 (s) + 2 SO 4 2- (aq) + 4 H 3 O + (aq) -> 2 PbSO 4 (s) + 6 H 2 O(l)<br />
Das Entla<strong>de</strong>n ist eine freiwillig verlaufen<strong>de</strong> Redoxreaktion. Schwefelsäure wird verbraucht <strong>und</strong> es<br />
entsteht Wasser. Die Dichte <strong>de</strong>r Säure sinkt bei diesem Prozess von ca. 1,26 g/cm 3 auf ca. 1,18<br />
g/cm 3 . Man ist <strong>de</strong>mnach in <strong>de</strong>r Lage, <strong>de</strong>n Ladungszustand <strong><strong>de</strong>s</strong> Akkus mit Hilfe <strong>de</strong>r Säuredichte zu<br />
bestimmen.<br />
La<strong>de</strong>n<br />
Der La<strong>de</strong>vorgang ist ein erzwungener Prozess, bei <strong>de</strong>m man Spannung an die Elektro<strong>de</strong>n anlegt <strong>und</strong><br />
so die Stromrichtung <strong>und</strong> die beim Entla<strong>de</strong>n stattfin<strong>de</strong>n<strong>de</strong>n elektrochemischen Prozesse umkehrt.<br />
Minuspol: PbSO 4 (s) + 2 e - -> Pb(s) + SO 2- 4 (aq)<br />
Pluspol: PbSO 4 (s) + 6 H 2 O(l) -> PbO 2 (s) + SO 2- 4 (aq) + 2 e - + 4 H 3 O + (aq)<br />
_________________________________________________________________<br />
2 PbSO 4 (s) + 6 H 2 O(l) -> PbO 2 (s) + Pb(s) + 2 SO 2- 4 (aq) + 4 H 3 O + (aq)<br />
Wenn man bei einer Säuredichte von 1,15 g/cm 3 nicht nachlädt, wird <strong>de</strong>r Akku irreversibel beschädigt.<br />
Der Akku ist erschöpft, wenn das gesamte Bleioxid reduziert wur<strong>de</strong>.
Autor: Alwin Wiedmann<br />
Altern <strong><strong>de</strong>s</strong> Akkumulators<br />
Das La<strong>de</strong>n <strong>und</strong> Entla<strong>de</strong>n ist theoretisch unbegrenzt wie<strong>de</strong>rholbar. Praktisch ist dies jedoch nicht<br />
möglich, weil unter an<strong>de</strong>rem die Raumbeanspruchung von Bleisulfat größer ist, als die von Bleioxid<br />
o<strong>de</strong>r Blei. Dadurch lockert sich im Laufe <strong><strong>de</strong>s</strong> Betriebs die aktive Masse immer mehr auf <strong>und</strong> verliert<br />
allmählich an Festigkeit. Masseteilchen <strong>de</strong>r Platten brechen aus <strong>und</strong> nehmen nicht mehr am aktiven<br />
Batterieleben teil. Bei Starterbatterien füllen sie als Bleischlamm <strong>de</strong>n Schlammraum am Bo<strong>de</strong>n <strong><strong>de</strong>s</strong><br />
Akkus. Ist soviel Blei zu Bo<strong>de</strong>n gesunken, dass <strong>de</strong>r Schlamm die Plattenunterkante berührt, kommt es<br />
zum Kurzschluss. Die Batterie ist "platt", <strong>und</strong> das geschieht meist zu Beginn <strong><strong>de</strong>s</strong> Winters über Nacht.<br />
Zur Geschichte <strong>de</strong>r aufladbaren Akkus<br />
Im Jahr 1859 entwickelte <strong>de</strong>r französische Chemie Experte Planté <strong>de</strong>n ersten aufladbaren Bleiakku.<br />
Die "gela<strong>de</strong>ne Energie" konnte jedoch noch nicht gelagert wer<strong>de</strong>n. Nach Jahren weiterer Entwicklung<br />
<strong>und</strong> vielen Experimenten ist es dann 1868 gelungen, die elektrische Energie zu lagern <strong>und</strong> wie<strong>de</strong>r<br />
nutzbar zu machen, so wie wir es heute kennen, als Autobatterie.<br />
1899 entwickelte Junger <strong>de</strong>n bestehen<strong>de</strong>n Akku weiter. Er verwen<strong>de</strong>te Nickel als positive Elektro<strong>de</strong>,<br />
Cadmium als negative Elektro<strong>de</strong> <strong>und</strong> Kalilauge als Elektrolyt. Der Alkaline-Akku war geboren. Zwei<br />
Jahre später produzierte Edison einen Nickel/Cadmium- <strong>und</strong> einen Nickel/Eisen-Akku.<br />
Weil die Materialen für Alkaline-Akkus im Vergleich zu <strong>de</strong>n normalen Bleiakkus teuer waren, waren<br />
die Alkaline-Akkus nur für spezielle (militärische) Nutzung vorgesehen. Nach einigen Jahren aber,<br />
weil immer mehr Elektrogeräte in Gebrauch waren <strong>und</strong> längere Benutzungszeiten gefragt waren,<br />
wur<strong>de</strong> die Entwicklung schnell vorangetrieben. Im Jahre 1932, die Elektroexperten Schlecht <strong>und</strong><br />
Ackermann entwickelten die ersten Verbesserungen, wur<strong>de</strong> die interne Konstruktion <strong>de</strong>r Zelle<br />
drastisch geän<strong>de</strong>rt, so dass damit mehr Energie gelagert <strong>und</strong> aufgenommen wer<strong>de</strong>n konnte. 1961<br />
aber kam <strong>de</strong>r richtige Durchbruch! Neumann realisierte eine komplett geschlossene Nicad-Zelle, die<br />
nicht das bisherige Problem hatte, beim La<strong>de</strong>n <strong>und</strong> Entla<strong>de</strong>n viel Flüssigkeit (Elektrolyt) zu verlieren<br />
<strong>und</strong> dazu ein viel stabileres Benutzungsverhalten aufwies. Es war die japanische Firma Sanyo die<br />
diese Entwicklung im gleichen Moment nutzte <strong>und</strong> als erste mit einer Massenproduktion <strong>de</strong>r<br />
sogenannten Cadnica-Zelle aufwartete, natürlich gefolgt von vielen an<strong>de</strong>ren Herstellern wie<br />
Panasonic.<br />
Durch diese großen Verbesserungen sind aufladbare Akkus in unserer Zeit nicht mehr wegzu<strong>de</strong>nken.<br />
So sind z.B. Handys, Laptops, Bohrmaschinen, <strong>und</strong> ferngesteuerte Mo<strong>de</strong>lle auf Akkus angewiesen.<br />
Aber die Entwicklung geht weiter! Die Zellen wer<strong>de</strong>n durch die Nutzung von neuen Techniken <strong>und</strong><br />
besseren Materialen immer kleiner <strong>und</strong> leichter <strong>und</strong> können mehr Energie speichern.
Autor: Alwin Wiedmann<br />
Vorteile <strong><strong>de</strong>s</strong> <strong>Bleiakkumulators</strong><br />
- Relativ hohe Spannung<br />
- Vergleichsweise geringer Preis(50-70 Euro)<br />
- Relativ hohe Belastbarkeit<br />
- Fast vollständig wie<strong>de</strong>rverwertbar<br />
- Wenig Pflege notwendig<br />
Nachteile <strong><strong>de</strong>s</strong> <strong>Bleiakkumulators</strong><br />
- Hohes Gewicht<br />
- Empfindlich gegenüber hohen Temperaturen (Elektrolyttemperatur über 45°C)<br />
- Relativ lange La<strong>de</strong>zeit<br />
- Zustand <strong>de</strong>r totalen Entladung wirkt sich schlecht auf <strong>de</strong>n Akku aus<br />
- Entsorgung über <strong>de</strong>n Son<strong>de</strong>rmüll (Säure- <strong>und</strong> Bleigehalt)<br />
- Durchschnittliche Lebensdauer ca. 4 Jahre<br />
Beson<strong>de</strong>rheiten <strong><strong>de</strong>s</strong> <strong>Bleiakkumulators</strong><br />
- Bei<strong>de</strong> Elektro<strong>de</strong>n aus <strong>de</strong>m selben Material<br />
- Verwendung: Starter-, Antriebs- <strong>und</strong> Versorgungsbatterien (Notstrom)<br />
- Anzahl <strong>de</strong>r produzierten Starterbatterien zwischen 50-100 Mio. in Deutschland pro Jahr<br />
- 70% <strong><strong>de</strong>s</strong> vorhan<strong>de</strong>nen Bleis in Akkumulatoren