Der Bleiakkumulator
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Der Bleiakkumulator
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Aufgaben:<br />
<strong>Der</strong> <strong>Bleiakkumulator</strong><br />
1. Skizziere den Aufbau eines einfachen Bleiakkus und beschrifte deine Skizze.<br />
2. Formuliere Halbzellengleichungen für die Reaktionen an Kathode und Anode beim Entladen<br />
eines Bleiakkus.<br />
3. Berechne die Zellspannung, die man mit einem Bleiakku theoretisch erreichen sollte, wenn<br />
freie Pb 2+ -Ionen entstehen würden. Erkläre, warum man in der Praxis pro Zelle auf etwas über<br />
2 V Spannung kommt.<br />
4. Berechne mit Hilfe der Nernst-Gleichung aus den Standard-Elektrodenpotenzialen die<br />
Elektrodenpotenziale des Bleiakkus unter der vereinfachenden Annahme, dass die<br />
Konzentration der Blei 2+ -Ionen 4·10 -8 mol/L und der pH-Wert = 0 betrage.<br />
5. Zum Überprüfen des Ladezustands einer Autobatterie wird in der Autowerkstatt ein<br />
Aräometer (Dichtemesser) verwendet. Erkläre dies Vorgehen.<br />
6. Beim Laden eines Akkus könnten auch Wasserstoff und Sauerstoff entstehen. Zeige dies<br />
anhand der Elektrodenpotenziale. Informiere dich anhand der folgenden Definition über den<br />
Begriff „Überspannung“ und erkläre mit Hilfe der Tabellenwerte, warum eine Bleiakku bei<br />
korrektem Laden nicht „gast“ und weshalb Verunreinigungen durch andere Edelmetalle das<br />
Gasen befördert.<br />
Material:<br />
Einführung<br />
Bei einem <strong>Bleiakkumulator</strong> (kurz Bleiakku, besonders beim Kfz vgl. auch Starterbatterie) handelt es sich um eine<br />
Ausführung des Akkumulators, bei der die Elektroden im geladenen Zustand aus Blei und Bleidioxid und der<br />
Elektrolyt aus verdünnter Schwefelsäure besteht.<br />
<strong>Bleiakkumulator</strong>en gelten für eine Lebensdauer von einigen Jahren als zuverlässig und preisgünstig. Im Vergleich<br />
mit anderen Akkumulatortechnologien sind sie jedoch ziemlich schwer und weisen nur eine geringe Energiedichte<br />
auf.<br />
Sie werden jedoch unter anderem auch als Energiespeicher für Elektrofahrzeuge eingesetzt. Siehe auch: Batterie.<br />
Die wohl bekannteste Anwendung ist die Starterbatterie für Kraftfahrzeuge.<br />
Geschichte<br />
Die ersten Versuche, einen auf Blei basierenden Akkumulator zu entwickeln, wurden Mitte des 19. Jahrhunderts von<br />
dem deutschen Arzt Josef Sinsteden gemacht. Er stellte zwei große Bleiplatten in ein Gefäß mit verdünnter<br />
Schwefelsäure. Durch Laden des Akkus entstand an einer der Platten Bleidioxid (Blei(IV)-oxid) und an der anderen<br />
Blei.<br />
1859 verbesserte Gaston Planté die Anordnung der Bleiplatten, die auch heute noch verwendet wird.<br />
Industriell wurde der Bleiakku interessant, als Emile Alphonse Faure um 1880 ein Verfahren entwickelte, bei dem<br />
der Bleiakku bereits nach wenigen Ladezyklen (dem Formieren), eine hohe Kapazität erreicht. Den ersten technisch<br />
einsetzbaren <strong>Bleiakkumulator</strong> entwickelte Henri Tudor 1886.<br />
Aufbau<br />
<strong>Bleiakkumulator</strong>en bestehen im aufgeladenen Zustand am positiven Pol aus Blei(IV)-oxid (PbO 2 ), am negativen aus<br />
fein verteiltem, porösem Blei (Bleischwamm). Als Elektrolyt wird 37-prozentige Schwefelsäure (H 2 SO 4 ) verwendet.<br />
Sie zeichnen sich durch das kurzzeitige Zulassen hoher Stromstärken, die zum Beispiel für Fahrzeug- bzw.<br />
Starterbatterien notwendig sind, aus.<br />
Im entladenen Zustand bestehen beide Pole aus Blei(II)-sulfat (PbSO 4 ).<br />
Die Nennspannung einer Zelle beträgt 2 Volt, die Spannung schwankt jedoch je nach Ladezustand und Lade-<br />
/Entladestrom zwischen ca. 1,75 und 2,4 Volt.<br />
Die Säuredichte stellt gleichzeitig ein Maß für den Ladezustand dar. Sie beträgt bei vollem Akku ca. 1,28 g/cm³ und<br />
bei entladenem Akku 1,10 g/cm³ (Quelle: Varta-Batterielexikon).<br />
<strong>Bleiakkumulator</strong>en sollten nicht tiefentladen werden, da dies zu irreparablen Schäden führt und den Akkumulator<br />
unbrauchbar machen kann. Zum Aufladen sollte ein passender Laderegler verwendet werden, um ebenfalls<br />
schädliche Überladung zu vermeiden und die Gasung zu beschränken.
Ein <strong>Bleiakkumulator</strong> kann ebenfalls gasen, wenn er durch Edelmetalle verunreinigt wird. Dabei lagern sich Teile<br />
des Edelmetalls an der Bleielektrode an und verringern so die Überspannung des Wasserstoffs. Es kann Knallgas<br />
entstehen, das sich durch Funken beim Abklemmen der Batterieanschlüsse oder elektrostatischer Aufladung z.B. des<br />
Kunststoffgehäuses durch Reiben, gefährlich entzünden kann.<br />
Lebensdauer<br />
Mittlerweile haben Bleiakkus durch technischen Fortschritt und bei regelmäßiger Pflege eine recht hohe<br />
Lebensdauer von mehreren Jahren. Trotzdem altern die Bleiakkus. Das liegt in erster Linie an der inneren Korrosion<br />
(bei nur äußerer K. siehe auch: Polfett) der Bleigerüste der Elektroden, an der Entstehung von feinen Kurzschlüssen<br />
und an der Sulfatierung des Bleis. Diese Sulfatierung bewirkt, dass sich die PbSO 4 -Kristalle zu immer größeren<br />
Verbünden zusammenschließen. So verringert sich die elektrochemisch aktive Oberfläche des PbSO 4 . Durch diese<br />
kleinere Oberfläche löst sich das PbSO 4 immer schlechter, so dauert es sehr lange bis eine hinreichend hohe<br />
Konzentration an Pb 2+ vorliegt. Außerdem ist die elektrische Leitfähigkeit des Sulfats geringer als diejenige von<br />
Blei. <strong>Der</strong> dadurch erhöhte Innenwiderstand der Zelle führt im Lastfall zu einem stärkeren Spannungsabfall.<br />
aus: http://de.wikipedia.org/wiki/<strong>Bleiakkumulator</strong><br />
Von Überspannung spricht man, wenn die tatsächliche Zersetzungsspannung höher ist als die<br />
aus den Potentialen berechnete. D.h. die Überspannung ist die Differenz aus gemessener zur<br />
Elektrolyse notwendiger Zersetzungspannung und der aus den Potentialen an Anode und<br />
Kathode berechneter Zersetzungsspannung.<br />
aus: http://cc.uni-paderborn.de/lehrveranstaltungen/_aac/vorles/skript/kap_11/kap11_3/kap11_33.html<br />
aus: http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:%C3%9Cberspannungsanteile.JPG<br />
Die Nernst-Gleichung für komplexe Redoxreaktionen, z.B.:<br />
Mn 2+ (aq) + 12 H 2 O (l) ¾ MnO 4<br />
-<br />
(aq) + 8 H 3 O + (aq) + 5 e -<br />
− 8 +<br />
{ } { }<br />
E = E 0 0,059 c(MnO ) c (H O )<br />
+ V lg<br />
4 ⋅<br />
⋅<br />
3<br />
5<br />
2+<br />
{ c(Mn )}<br />
Die Konzentration der Wasser-Moleküle ist hier, wie in anderen Fällen auch, bereits mit in die<br />
Konstante E 0 einbezogen, da die Konzentration der Wasser-Moleküle bei Reaktionen in verd.<br />
Lösungen als konstant angesehen werden kann.<br />
aus: Tausch / v. Wachtendonk, Chemie Sek II, Bamberg (1993), S. 185