Der Bleiakkumulator

Aufgaben:
Der Bleiakkumulator
1. Skizziere den Aufbau eines einfachen Bleiakkus und beschrifte deine Skizze.
2. Formuliere Halbzellengleichungen für die Reaktionen an Kathode und Anode beim Entladen
eines Bleiakkus.
3. Berechne die Zellspannung, die man mit einem Bleiakku theoretisch erreichen sollte, wenn
freie Pb 2+ -Ionen entstehen würden. Erkläre, warum man in der Praxis pro Zelle auf etwas über
2 V Spannung kommt.
4. Berechne mit Hilfe der Nernst-Gleichung aus den Standard-Elektrodenpotenzialen die
Elektrodenpotenziale des Bleiakkus unter der vereinfachenden Annahme, dass die
Konzentration der Blei 2+ -Ionen 4·10 -8 mol/L und der pH-Wert = 0 betrage.
5. Zum Überprüfen des Ladezustands einer Autobatterie wird in der Autowerkstatt ein
Aräometer (Dichtemesser) verwendet. Erkläre dies Vorgehen.
6. Beim Laden eines Akkus könnten auch Wasserstoff und Sauerstoff entstehen. Zeige dies
anhand der Elektrodenpotenziale. Informiere dich anhand der folgenden Definition über den
Begriff „Überspannung“ und erkläre mit Hilfe der Tabellenwerte, warum eine Bleiakku bei
korrektem Laden nicht „gast“ und weshalb Verunreinigungen durch andere Edelmetalle das
Gasen befördert.
Material:
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 (PbO 2 ), am negativen aus
fein verteiltem, porösem Blei (Bleischwamm). Als Elektrolyt wird 37-prozentige Schwefelsäure (H 2 SO 4 ) 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 (PbSO 4 ).
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 PbSO 4 -Kristalle zu immer größeren
Verbünden zusammenschließen. So verringert sich die elektrochemisch aktive Oberfläche des PbSO 4 . Durch diese
kleinere Oberfläche löst sich das PbSO 4 immer schlechter, so dauert es sehr lange bis eine hinreichend hohe
Konzentration an Pb 2+ vorliegt. Außerdem ist die elektrische Leitfähigkeit des Sulfats geringer als diejenige von
Blei. Der dadurch erhöhte Innenwiderstand der Zelle führt im Lastfall zu einem stärkeren Spannungsabfall.
aus: http://de.wikipedia.org/wiki/Bleiakkumulator
Von Überspannung spricht man, wenn die tatsächliche Zersetzungsspannung höher ist als die
aus den Potentialen berechnete. D.h. die Überspannung ist die Differenz aus gemessener zur
Elektrolyse notwendiger Zersetzungspannung und der aus den Potentialen an Anode und
Kathode berechneter Zersetzungsspannung.
aus: http://cc.uni-paderborn.de/lehrveranstaltungen/_aac/vorles/skript/kap_11/kap11_3/kap11_33.html
aus: http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:%C3%9Cberspannungsanteile.JPG
Die Nernst-Gleichung für komplexe Redoxreaktionen, z.B.:
Mn 2+ (aq) + 12 H 2 O (l) ¾ MnO 4
-
(aq) + 8 H 3 O + (aq) + 5 e -
− 8 +
{ } { }
E = E 0 0,059 c(MnO ) c (H O )
+ V lg
4 ⋅
⋅
3
5
2+
{ c(Mn )}
Die Konzentration der Wasser-Moleküle ist hier, wie in anderen Fällen auch, bereits mit in die
Konstante E 0 einbezogen, da die Konzentration der Wasser-Moleküle bei Reaktionen in verd.
Lösungen als konstant angesehen werden kann.
aus: Tausch / v. Wachtendonk, Chemie Sek II, Bamberg (1993), S. 185