Gruppe 4: Bleiakkumulatoren und Nickel-Cadmium-Akkumulatoren ...

Gruppe 4: Bleiakkumulatoren und Nickel-Cadmium-Akkumulatoren
Zur Arbeit mit dieser Mappe
Das Inhaltsverzeichnis liefert einen Überblick über mögliche Herangehensweisen an das Thema und die
dazu bereitgestellten Hilfen. Die Mappe enthält Arbeitsblätter und Informationsmaterial und ist in die Bereiche
Grundlagen, Vertiefung und Hintergrund unterteilt.
Zu den meisten Inhalten gibt es beim Lehrer zusätzliche Arbeitsblätter (im Inhaltsverzeichnis durch einen „→“
gekennzeichnet), welche der Kontrolle der eigenen Arbeit dienen oder zusätzliche Informationen enthalten.
Alle verfügbaren Materialien sind im Inhaltsverzeichnis aufgeführt. Auf jedem Arbeitsblatt ist unten zudem
verzeichnet, welche weiteren Materialien sich anschließen. Die Aufgaben auf jedem Arbeitsblatt sind als Hilfen
zu verstehen, die ein Herangehen an das Thema erleichtern sollen.
Nicht alle vorgestellten Aspekte müssen behandelt werden! Grundanforderung für jede Gruppe ist die
Behandlung je eines Aspektes aus den Teilbereichen Grundlagen, Vertiefung und Hintergrund. Der Rest
kann freiwillig bearbeitet werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, eigene Fragestellungen in die Gruppe
einzubringen und zu erarbeiten.
Jede Gruppe kann sich die Arbeit frei einteilen, am Ende müssen in einer Präsentation die Ergebnisse den
anderen Gruppen vorgestellt werden – alternativ kann die CD bearbeitet werden.
Es reicht aber aus, wenn pro Gruppe die Ergebnisse in einer Mappe vollständig geführt werden. Im Laufe
der Gruppenarbeit sollte jede(r) mindestens einmal das Eintragen übernehmen. Jede Gruppe erstellt zudem
für jeden Arbeitstag als Hausaufgabe ein Protokoll, welches in der Mappe mitabgeheftet wird. In diesem
Protokoll sollen neben den herausgearbeiteten Ergebnissen auch Schwierigkeiten jeglicher Art (z.B.
Verständnisschwierigkeiten, fehlende Geräte, mangelnde Absprachen etc.) auf dem Weg zum Ziel
festgehalten werden. Diese Protokolle erleichtern später eine Analyse der eigenen Arbeit.
Nach der Präsentation der Ergebnisse und der Reflexion der Arbeit wird eine vollständige Mappe samt den
Protokollen abgegeben.
Die folgende Checkliste ist als Hilfe für die Organisation der Gruppenarbeit gedacht.
Checkliste für die Gruppenarbeit
1. Sichtung des Materials
2. Welche Inhalte wollen wir aus der Mappe behandeln? Gibt es Fragestellungen, die uns
darüber hinaus interessieren?
3. Einigung auf ein vorläufiges Konzept, welches die zu behandelnden Inhalte festlegt.
Halten sie die ausgewählten Fragestellungen in den Zeilen unter dem Inhaltsverzeichnis fest.
4. Wer übernimmt welche Aufgabe? Woher erhält man eventuell zusätzliche Informationen.
5. Erstellung eines Zeitplanes für die Bearbeitung der einzelnen Aspekte
6. Vorstellung des Konzepts
7. Erarbeitung der Inhalte
Hinterfragen sie zwischendurch, ob der jeweilige Teilaspekt, an dem sie arbeiten, für eine Präsentation
schon hinreichend erschlossen ist oder nicht.
8. Vorbereitung der Präsentation
9. Präsentation
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1. Grundlagen
Grundlage 1: Der Bleiakkumulator
Inhaltsverzeichnis
Blatt 1 Laden und Entladen eines Bleiakkumulators Versuchsvorschrift
→ Blatt 2 Ablaufende Reaktionen Information/Aufgaben
→ Blatt 3 Lösung zu Blatt 2 Kontrolle
→ Blatt 4 Aufbau eines industriell gefertigten Bleiakkus Information/Aufgaben
→ Blatt 5 Montage und Aufbau einer Starterbatterie Kontrolle
Grundlage 2: Der Nickel/Cadmium-Akkumulator
Blatt 6 Reaktionen im Nickel/Cadmium-Akkumulator Information/Aufgaben
→ Blatt 7 Lösung zu 6 Kontrolle
→ Blatt 8 Aufbau eines käuflichen Akkus Information/Aufgaben
2. Vertiefung
Vertiefung 1: Bestimmung der Spannung der Halbzellen in einem Bleiakkumulator
Blatt 9 Messung der Halbzellenpotentiale gegen eine
Wasserstoffnormalhalbzelle
→ Blatt 10 Literaturwerte, theoretische Berechnung des Potential Kontrolle
Versuchsvorschrift/Aufgaben
Vertiefung 2: Spannungskurve beim Laden/Entladen eines Bleiakkumulators
Blatt 11 Aufnahme eines Spannung/Zeit-Diagramms Versuchsvorschrift
→ Blatt 12 Literaturwerte, Hintergründe des Kurvenverlaufs Auswertung/Kontrolle
Vertiefung 3: Laden und Entladen eines Nickel-Cadmium-Akkumulators
→ Blatt 13 Überladeschutz Information/Aufgaben
→ Blatt 14 Lösung zu Blatt 14 Kontrolle
3. Hintergrund
Hintergrund 1: Umweltrelevanz der Akkumulatoren
Hintergrund 2: Geschichte des Bleiakkus und des Nickel/Cadmium-Akkumulator
Hintergrund 3: Einsatzorte der Akkumulatoren
Hintergrund 4: Der „richtige“ Umgang mit Akkumulatoren
Gewählte Inhalte:
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Grundlage 1 Der Bleiakkumulator Blatt 1
Versuch: Nachbau eines Bleiakkumulators
Vorabüberlegungen:
Der Bleiakkumulator wird aufgebaut, indem man zwei abgeschmirgelte Bleibleche als Elektroden in
verdünnte Schwefelsäure taucht. Zu Beginn ist der Bleiakkumulator noch ungeladen. Damit er als
elektrochemische Spannungsquelle dienen kann, muss er zunächst „geladen“ werden. Dies geschieht durch
eine Elektrolyse, d.h. das Anlegen einer Gleichspannung, mit der eine chemische Reaktion erzwungen wird,
die freiwillig nicht ablaufen würde. Beim Laden eines Bleiakkumulator werden durch Anlegen einer
elektrischen Spannung die Rückreaktionen der Reaktionen, welche beim Entladen erfolgen, erzwungen.
Sowohl Blei als auch die bei der Reaktion entstehenden Bleisalze (Blei(IV)-oxid und Bleisulfat) sind als
giftig eingestuft. Um die Risiken bei der Durchführung des Versuchs zu minimieren, bauen sie die Apparatur
nicht selbst zusammen.
Sie erhalten eine zusammengebaute, geschlossene Apparatur vom Lehrer, mit der sie den Versuch
durchführen.
Sicherheitshinweise:
Ein Kontakt mit den Chemikalien ist bei normaler Handhabung ausgeschlossen. Um das Risiko weiter
einzugrenzen, informieren sie sich vor Beginn des Versuches dennoch über die Gefahren, die von den
Chemikalien (s. Vorüberlegungen) ausgehen. Notieren sie sich dazu die Gefahrensymbole, R- und S-Sätze
der einzelnen Stoffe in Wortform. Beachten sie die Gefahrenhinweise, befolgen sie die Sicherheitsratschläge.
� Die Apparatur darf von ihnen nicht geöffnet werden!
Durchführung:
1. Aufladen des Bleiakkumulators: Schließen sie an die Elektroden eine Spannungsquelle an. Legen sie eine
Gleichspannung von etwa 4 V an (zu Beginn des Aufladevorgangs sollte eine schwache Gasentwicklung
an den Elektroden zu erkennen sein).
2. Laden sie den Bleiakkumulator für etwa 4 Minuten und schalten sie dann die Spannungsquelle ab.
3. Messen sie die Spannung zwischen den Elektroden.
4. Entladen des Bleiakkumulator: Verbinden sie die Elektroden mit einem Verbraucher (Uhr, Glühbirne,
Elektromotor ...).
5. Wiederholen sie den Versuch nach dem Entladen.
Entsorgung:
Entladen sie den Bleiakkumulator möglichst weitgehend. Geben sie die geschlossene Apparatur dem Lehrer
zurück.
Aufgaben:
1. Vergleichen sie den Bleiakkumulator im entladenen Zustand mit ihnen bekannten elektrochemischen
Spannungsquellen. Stellen sie Hypothesen auf, was beim Ladevorgang geschehen muss, damit aus dem
entladenen Bleiakkumulator eine elektrochemische Spannungsquelle wird.
2. Fertigen sie eine Versuchsskizze an.
3. Halten sie die Beobachtungen während des Ladens und Entladens fest.
4. Vergleichen sie den Bleiakkumulator im entladenen Zustand mit dem im geladenen Zustand.
Zusätzliches Material Zweck
→ Blatt 2:Ablaufende Reaktionenen Information Aufgaben
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Grundlage 1 Der Bleiakkumulator: Ablaufende Reaktionenen Blatt 2
Ein Bleiakkumulator ist in der Regel aus mehreren Zellen aufgebaut (s. Blatt 8). Eine Zelle eines
unbenutzten Bleiakkumulators besteht aus zwei Bleiplatten, die in Schwefelsäure tauchen. Um den
Bleiakkumulator benutzen zu können, muss man ihn zunächst einmal aufladen. In geladenem
Zustand besteht jede Zelle eines Bleiakkumulators aus einer Blei-Elektrode und einer Bleidioxid-
Elektrode, die in Schwefelsäure als Elektrolyt eintauchen.
Bei Stromentnahme entstehen an beiden Polen Blei(II)-Ionen, welche mit den Sulfat-Ionen des
Elektrolyten einen schwerlöslichen Niederschlag von Bleisulfat bilden. Dieser Niederschlag setzt
sich auf den Elektroden ab.
Beim erneuten Laden wird das Bleisulfat wieder zu Bleidioxid oxidiert bzw. Blei reduziert.
Entladen: Anode:
Kathode
Laden: Anode:
Kathode:
Gesamtreaktion:
Aufgaben:
Entladevorgang Ladevorgang
1. Formulieren sie die Reaktionsgleichungen für den Entladevorgang und den Ladevorgang.
2. Übertragen sie die Reaktionsgleichungen in die obigen Skizzen.
3. Den Ladezustand des Bleiakkumulators kann man über ein sog. Aräometer bestimmen, mit dem
man die Dichte der Schwefelsäure misst. Erläutern sie, wie dieses Verfahren funktioniert.
4. Sie haben beobachtet, dass an den Elektroden Gas aufsteigt. Beschreiben sie mögliche
Reaktionen, welche zu einer Gasentwicklung führen können.
5. Erklären sie, warum eine derartige Gasentwicklung unerwünscht ist.
6. Warum mußte bei früheren Bleiakkumulatoren von Zeit zu Zeit Wasser nachgefüllt werden?
+ -
Zusätzliches Material Zweck
→ Blatt 3: Lösungen zu Blatt 2 Kontrolle
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Grundlage 1 Der Bleiakkumulator: Lösungen zu Blatt 2 Blatt 3
Entladen:
�0 +II
Anode: Pb(s) + SO4 2- (aq) → PbSO4(s) + 2e -
+IV +II
Kathode: PbO2(s) + 4H3O + (aq) + SO4 2- (aq) + 2e - → PbSO4(s) + 6H2O(l)
Laden:
+II �0
Anode: PbSO4(s) + 2e - → Pb(s) + SO4 2- (aq)
+II +IV
Kathode: PbSO4(s) + 6H2O(l) → PbO2(s) + 4H3O + (aq) + SO4 2- (aq) + 2e -
Gesamtgleichung: PbO2(s) + Pb(s) + 4H3O + (aq) + 2SO4 2- (aq) Entladen
Pb
2e -
Entladevorgang
Pb 2+
PbSO4
4H3O +
6H2O
SO4 2-
Pb 2+
SO4 2-
PbSO4
2e -
PbO2
Pb
2e -
Laden
Ladevorgang
PbSO4
4H3O +
SO4 2-
SO4 2-
2PbSO4(s) + 6H2O(l)
PbO2
6H2O PbSO4
Zusätzliches Material Zweck
→ Blatt 4: Aufbau eines Bleiakkumulators Information Aufgaben
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Grundlage 1 Aufbau eines Bleiakkumulators Blatt 4
Aufgaben:
1. Erklären sie anhand des Modells einer Starterbatterie, warum mehrere „positive“ und „negative“
Platten zusammengefasst werden.
2. Beschreiben sie, in welcher Form die einzelnen Platten innerhalb eines Satzes zusammengefasst
sind - wie sind die einzelnen Sätze miteinander verbunden? Begründen sie ihre Ausführung.
3. Häufig werden beim Bau eines Bleiakkumulators nur Bleiplatten verwendet, jedoch kein
Bleidioxid. Beschreiben sie, was mit den Bleiakkumulatoren passiert, bevor sie das Werk
verlassen.
Zusätzliches Material Zweck
→ Blatt 5: Montage und Aufbau einer Starterbatterie Information
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Grundlage 1 Montage und Aufbau einer Starterbatterie Blatt 5
Quelle: Varta (Pressestelle); http://www.varta.de
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Grundlage 2 Der Nickel-Cadmium-Akkumulator Blatt 6
Vorabüberlegung:
Wie sie bereits wissen, kann ein Akkumulator im Gegensatz zu einem Primärelement wieder
aufgeladen werden. Dies geschieht mit Hilfe der elektrischen Stroms. Durch eine Elektrolyse
erzwingt man eine Umkehr der in der Zelle freiwillig ablaufenden Reaktionen.
Damit beim Laden eines Akkumulators wieder ein funktionstüchtiges galvanisches Element
entsteht, welches erneut entladen werden kann, müssen die Stoffe, die beim Entladen und beim
Laden entstehen, grundlegende Eigenschaften haben. Überlegen sie zunächst, um welche
Eigenschaften es sich hierbei handeln könnte.
Produkte und Edukte der Entladereaktion:
Der Schwede Waldemar Jungner kombinierte um die Jahrhundertwende eine Cadmiumelektrode
(Cd) mit einer Nickeloxidhydroxidelektrode (NiO(OH)) und erhielt so einen robusten, im Vergleich
zum Bleiakkumulator relativ leichten und langlebigen Akkumulator.
Noch heute enthalten Nickel/Cadmium-Akkumulatoren dieselben Inhaltsstoffe. Cadmium ist ein
unedles Metall, welches im alkalischen zu Cadmiumhydroxid (Cd(OH)2) oxidiert wird.
Nickeloxidhydroxid reagiert zu Nickelhydroxid (Ni(OH)2).
Als Elektrolyt dient eine Kaliumhydroxidlösung
Aufgaben:
1. Stellen sie mit Hilfe der Angaben die Teilreaktionsgleichungen an den Elektroden für die
Entladereaktion auf.
2. Welchen Aggregatzustand haben die einzelnen Stoffe? Beziehen sie ihre Vorüberlegungen und
ihr Vorwissen über Batterien mit ein.
3. Zeichnen den mögliche Querschnitt eines Nickel/Cadmium-Akkumulators. Beschriften sie die
Elektroden. Wo finden im Entladevorgang Oxidation und Reduktion statt? G
4. Beim Laden werden die Reaktionen mit Hilfe des elektrischen Stroms umgekehrt. Zeichnen sie
einen zweiten Querschnitt, der diesen Vorgang demonstriert. Wo finden hier Oxidation und
Reduktion statt?
5. Stellen sie eine Reaktionsgleichung auf, mit der sich sowohl der Entladevorgang als auch den
Ladevorgang eines Nickel/Cadmium-Akkumulators beschreiben läßt.
Zusätzliches Material Zweck
→ Blatt 7: Reaktionen in einem Nickel/Cadmium-Akkumulator (Lösungen zu 6) Kontrolle
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Grundlage 2 Reaktionen in einem Nickel/Cadmium-Akkumulator Blatt 7
Im geladenen Zustand bestehen die Elektroden des Nickel/Cadmium-Akkumulators aus Platten, die
am Minuspol mit fein verteiltem Cadmium und am Pluspol mit Nickel(III)-oxidhydroxid beladen
sind. Als Elektrolyt dient eine Kaliumhydroxidlösung. Der Akkumulator liefert eine Spannung von
etwa 1,3 V. Beim Entladen laufen folgende Reaktionen ab:
Entladen:
�0 +II
Anode: Cd (s)+ 2OH - (aq) → Cd(OH)2 (s) + 2e -
+III +II
Kathode: 2NiOOH (s)+ 2H2O (l)+ 2e - → Ni(OH)2 (s) + 2OH - (aq)
Durch Anlegen einer genügend großen Spannung lassen sich die Elektrodenreaktionen umkehren.
Gesamtgleichung: Cd(s) + 2NiOOH(s) + 2H2O (l) Entladen
Laden
Cd(OH)2 (s) + Ni(OH)2 (s)
Zusätzliches Material Zweck
→ Blatt 8: Aufbau eines käuflichen Nickel/Cadmium-Akkumulators Information
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Grundlage 2 Aufbau eines Nickel/Cadmium-Akkumulator Blatt 8
Quelle: Wolfram Felber, Chemie, Lehrbuch für die Sekundarstufe II, Verlag Volk und Wissen, Berlin 1995, S.162
Aufgabe:
• Beschreiben sie die Anordnung der Elektroden und vergleichen sie diese mit Anordnungen in ihnen
bekannten elektrochemischen Elementen.
• Übertragen sie die schematische Querschnittszeichnung in ein Darstellung mit zwei
nebeneinanderliegenden Elektroden und erläutern sie, aus welchem Grund man auf eine Trennung der
Halbzellen verzichten kann.
• Nickel/Cadmium-Akkumulator werden heute „gasdicht“ verkauft. Erläutern sie, warum in solche
Akkumulatoren entweder ein Sicherheitsventil oder ein Überladeschutz (vgl. Vertiefung 3) eingebaut wird.
Bedenken sie dabei, dass zum Laden des Akkumulators eine wässrige Kaliumhydroxidlösung elektrolysiert
wird.
Zusätzliches Material Zweck
→ Blatt 13: Überladeschutz Informationen
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Vertiefung 1 Bestimmung der Spannung der Halbzellen in einem Blatt 9
Bleiakkumulator
Vorabüberlegungen:
Sowohl Blei als auch die bei der Reaktion entstehenden Bleisalze sind als giftig eingestuft. Um die Risiken
bei der Durchführung des Versuchs zu minimieren, bauen sie die Apparatur nicht selbst zusammen.
Sie erhalten eine zusammengebaute, geschlossene Apparatur vom Lehrer, mit der sie den Versuch
durchführen.
Da es in der Schule relativ kompliziert ist, eine Standard-Wasserstoff-Halbzelle zu konstruieren, verwenden
sie in diesem Versuch eine vereinfachte Wasserstoff-Elektrode (s. Durchführung)
Sicherheitshinweise:
Der bei der Herstellung der vereinfachten Wasserstoff-Elektrode freiwerdende Wasserstoff könnte am Platin
mit Luftsauerstoff explosionsartig reagieren. Aus diesem Grunde ist darauf zu achten, dass die
Platinelektrode vollständig in die Lösung eintaucht.
Informieren sie sich vor Beginn des Versuches erneut über die Gefahren, die von den Chemikalien
ausgehen. Notieren sie sich dazu die Gefahrensymbole, R- und S-Sätze der einzelnen Stoffe in Wortform.
Beachten sie die Gefahrenhinweise, befolgen sie die Sicherheitsratschläge.
�
Die Apparatur darf von ihnen nicht geöffnet werden!
Platinelektrode vollständig in die Lösung eintauchen.
Durchführung:
1. Aufladen des Bleiakkumulators: Verbinden sie die Elektrode
1 mit dem Minuspol, die Elektrode 2 mit dem Pluspol der
Spannungsquelle und elektrolysieren sie ca. 2 Minuten bei 4
V Gleichspannung.
2. Herstellung einer vereinfachten Wasserstoff-Elektrode:
Schließen sie die Elektrode 3 an den Minuspol, die Elektrode
2 erneut an den Pluspol der Spannungsquelle an und
elektrolysieren sie ca. 2 Minuten bei 4 V Gleichspannung.
3. Messung der Elektrodenpotentiale des Bleiakkus: Messen sie
die Spannung zwischen Elektrode 1 und Elektrode 3 und
zwischen Elektrode 2 und Elektrode 3.
Entsorgung:
Geben sie die geschlossene Apparatur dem Lehrer zurück.
Aufgabe:
1. Formulieren sie die Reaktionen, die bei der Durchführung von 1. und 2. ablaufen.
2. Beschreiben sie eine Standard-Wasserstoff-Halbzelle. Erläutern sie, auf welcher Basis die
vereinfachte Wasserstoff-Elektrode funktionieren könnte.
3. Notieren sie die unter Durchführung Punkt 3. gemessenen Werte für die Elektrodenpotentiale
des Akkus. Vergleichen sie diese Werte mit dem Standard-Potential E 0 (Pb/Pb 2+ ) = -0,13 V und
E 0 (Pb 2+ /PbO2)= 1,46 V. Sollte es eine Differenz geben, so erklären sie diese zunächst qualitativ.
4. Stellen sie mit Hilfe des Lehrers die NERNSTsche Gleichung zur Berechnung der
Elektrodenpotentiale auf. Berechnen sie dann die Elektrodenpotentiale des Bleiakkus unter der
Annahme, dass c(SO4 2- ) = 0,5 mol/L und c(H3O + ) = 1 mol/L seien. Das Löslichkeitsprodukt von
Bleisulfat beträgt KL (PbSO4)= 2⋅10 -8 mol²/L².
Zusätzliches Material Zweck
→ Blatt 10 Lösungen zu Blatt 9 Kontrolle
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Vertiefung 1 Lösungen zu Blatt 9 Blatt 10
zu 1. → s. Blatt 3
zu 2. In einer Standard-Wasserstoff-Halbzelle bildet sich ein Potential zwischen Wasserstoff und
Hydronium-Ionen aus. Dazu wird in einer sauren Lösung (c(H3O + ) = 1 mol/L) eine
Platinelektrode von Wasserstoff (p (H2) = 1013 hPa) umspült.
In der vereinfachten Wasserstoff-Halbzelle wird zunächst durch die Elektrolyse der sauren
Lösung Wasserstoff entwickelt. Das entstehende Wasserstoffgas wird vom Platin absorbiert
und es bildet sich ein Potential zwischen Wasserstoff und der sauren Lösung aus.
zu 3. Man ermittelt aus den gemessenen Spannungen folgende Elektrodenpotentiale:
E(Pb/Pb 2+ ) = -0,3V bis -0,4V
E(Pb 2+ /PbO2) = + 1,6V bis 1,7V
Da Bleisulfat schwerlöslich ist, liegen Blei(II)-Ionen nur in geringer Konzentration vor.
Daher ist im Bleiakkumulator das Potential der Blei-Elektrode kleiner als E 0 (Pb/Pb 2+ ) und das
Potential der Blei(IV)-oxid-Elektrode größer als E 0 (Pb/PbO2).
zu 4. Berechnung des Potentials der Bleielektrode:
E (Pb/Pb 2+ ) = E° (Pb/Pb 2+ 0 059
) + 2
, V lg c(Pb 2+ )
es gilt: KL = c(Pb 2+ )⋅ c(SO4 2- ) daraus folgt c(Pb 2+ ) = 4⋅10 -8 mol/L
E (Pb/Pb 2+ ) = -0,13V + 0,0295V⋅lg 4⋅10 -8 = -0,35V
Berechnung des Potentials der Blei(IV)-oxid-Elektrode:
E (Pb 2+ /PbO2) = E (Pb 2+ /PbO2)+ 0,
059V
c
2 lg
4 (H3O + )
= 1,46V + 0,0295V⋅lg
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c(Pb 2+ )
1
4⋅10 -8 = 1,68V
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Vertiefung 2 Spannungskurve beim Laden/Entladen eines Blatt 11
Bleiakkumulators
Man kann die Spannung eines Akkumulators während der Belastung durch einen Verbraucher über
einen bestimmten Zeitraum hinweg aufzeichnen. Ergebnis einer solchen Aufzeichnung ist eine
sogenannte Entladungskurve, anhand derer sich Aussagen über die Belastbarkeit des Akkumulators
machen lassen.
Ebenso kann man die Spannung während des Ladevorganges aufzeichnen und daraus Rückschlüsse
auf die Elektrolyse ziehen.
Versuchsbeschreibung
Es gelten die selben Voraussetzungen wie unter Versuch 1 (Grundlage 1) beschrieben.
Sie erhalten eine zusammengebaute, geschlossene Apparatur vom Lehrer, mit der sie den Versuch
durchführen.
Sicherheitshinweise:
Ein Kontakt mit den Chemikalien ist bei normaler Handhabung ausgeschlossen. Um das Risiko
weiter einzugrenzen, informieren sie sich vor Beginn des Versuches erneut über die Gefahren,
die von den Chemikalien (s. Versuch 1) ausgehen. Rufen sie sich noch einmal die
Gefahrenpotentiale der einzelnen Stoffe ins Gedächtnis. Beachten sie die Gefahrenhinweise,
befolgen sie die Sicherheitsratschläge.
� Die Apparatur darf von ihnen nicht geöffnet werden!
Durchführung:
1. Planen sie eine Versuchsapparatur, mit deren Hilfe man die Größe der Spannung während des
Ladens und Entladens eines Bleiakkumulators messen kann. Fertigen sie eine Skizze an.
2. Bauen sie eine Versuch gemäß ihrer Skizze auf.
3. Laden und entladen sie den Akkumulator wie in Versuch 1 beschrieben. Schalten sie während
des Entladevorgangs den Verbraucher zwischendurch einmal für ca. eine Minute aus und
beobachten sie aber weiterhin den Spannungsverlauf. Messen sie dabei alle 15 Sekunden die
Spannung. Notieren sie nebenbei, die Beobachtungen, die sie zur selben Zeit machen
4. Halten sie die Messergebnisse in Form einer Wertetabelle fest.
Aufgaben:
1. Erstellen sie ein Spannung/Zeit-Diagramm für den Ladevorgang und den Entladevorgang.
2. Markieren sie prägnante Kurvenverläufe (plötzliche Kurvenanstiege oder -abfälle.)
3. Interpretieren sie den Kurvenverlauf, indem sie versuchen Erklärungen für diese markanten
Stellen zu finden.
Zusätzliches Material Zweck
→ Blatt 12 Literaturangaben zur Spannungskurve und Erklärung der Hintergründe Kontrolle
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Vertiefung 2 Spannungskurve beim Laden/Entladen eines Blatt 12
Bleiakkumulators
Am Ende des Ladevorgangs steigt die Spannung. Dies liegt daran, dass dann die Elektrolyse des
Wassers einsetzt. Dazu wird eine höhere Spannung gebraucht, als zur Elektrolyse der Säure.
Schließt man den Verbraucher an, fällt die Spannung, weil bei fließendem Strom der
Bleiakkumulator selbst als Widerstand wirkt. Zudem erhöht sich der Widerstand, da an den
Elektroden Bleisulfat entsteht, welches den Stromfluss blockiert. Mit zunehmender Betriebsdauer
erhöht sich die Konzentration der Ionen in der Nähe der Elektroden. Nach der NERNSTschen
Gleichung verändern sich die Elektrodenpotentiale, die Spannung sinkt weiter.
In der Erholungsphase sinkt die Konzentration der Ionen in der Nähe der Elektroden, da sich die
Ionen in der Zelle verteilen (Diffusion), somit steigt die Spannung wieder etwas an. Bei einem
erneuten Schließen des Stromkreises fällt sie allerdings wieder rapide.
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Vertiefung 3 Überladeschutz Blatt 13
Nickel/Cadmium-Akkumulator haben einen eingebauten Überladeschutz. Wäre dieser nicht
vorhanden, würde beim Laden folgendes passieren. Zunächst würden durch die Elektrolyse die
Teilreaktionen an den Elektroden, die beim Entladen ablaufen, wieder umgekehrt: An der einen
Elektrode (nun die Kathode) würde Cadmiumhydroxid zu Cadmium reduziert, an der anderen
Elektrode (in diesem Fall die Anode) würde Nickelhydroxid zu Nickeloxidhydroxid oxidiert.
Wenn beide die Hydroxide wieder umgesetzt wäre aber weiterhin Strom durch den Akkumulator
fließen würde, setzte danach die Elektrolyse der wässrigen Kaliumhydroxidlösung ein. An der
Kathode entstünde Wasserstoff, an der Anode Saustoff. Der Akkumulator könnte platzen.
Damit dies nicht geschieht, bedient man sich eines „Überladeschutzes“:
In die Zellen baut man Elektroden unterschiedlicher Kapazität ein, schematisch dargestellt durch
die unterschiedliche Größe. Wenn die positive Elektrode schon aufgeladen ist, enthält die negative
immer noch einen entladenen Rest. Dieser Rest verhindert, dass sich Wasserstoff bildet. Der
Sauerstoff, der beim Überladen an der positiven Elektrode entsteht, wird in der Zelle wieder
verbraucht.
Aufgaben:
entladener Akku
- +
Cd(OH)2 Ni(OH)2
KOH(aq)
geladener Akku
- +
Cd Ni(OH)3
KOH(aq)
Laden Überladen
überladener Akku
- +
O 2
Cd Ni(OH)3
Quelle: Heinz Wambach (Hrsg.), Materialienhandbuch Kursunterricht Chemie, Band 4
(Elektrochemie - Energetik), Aulis Verlag Deubner & Co KG, Köln 1994, S. 232f.
1. Erklären sie, warum beim Überladen an der positiven Elektrode Sauerstoff, an der negativen
Elektrode aber kein Wasserstoff entsteht. Geben sie die entsprechenden Reaktionsgleichungen
an. Erklären sie mit Hilfe der Skizze, warum von gasdichten Nickel/Cadmium-Akkumulatoren
keine Gefahr ausgeht.
2. Begründen sie, warum die Ladereserve auch bei langem Überladen nicht verbraucht wird und
erläutern sie, warum sich die Zelle erwärmt.
Zusätzliches Material Zweck
→ Blatt 16: Lösungen zu Blatt 15 Kontrolle
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Vertiefung 3 Lösung zu Blatt 13 Blatt 14
Zu 1) Führt man dem geladenen Nickel/Cadmium-Akkumulator weiter Strom zu, entsteht an der
positiven Elektrode Sauerstoff; an der negativen Elektrode liegt noch Cadmium(II)-hydroxid
als Ladereserve vor. Dieses kann anstelle von Hydronium-Ionen reduziert werden und die
Bildung von Wasserstoff bleibt aus.
Anode: 4OH - (aq) → O2 (g) + 2H2O (l) + 4e -
Kathode: 2Cd(OH)2 (s) + 2e - → 2Cd (s)+ 4OH - (aq)
Der entstehende Sauerstoff diffundiert in die Zelle und reagiert an der negativen Elektrode
mit Cadmium:
2Cd (s) + O2 (g) + 2H2O (l) → 2Cd(OH)2 (s)
zu 2) Insgesamt heben sich alle beim Überladen ablaufenden Reaktionen auf. Durch Stromzufuhr
wird genau soviel Cadmium(II)-hydroxid zu Cadmium reduziert, wie umgekehrt durch
Oxidation von Cadmium durch Sauerstoff entsteht. Die Ladereserve bleibt daher erhalten.
Der Zelle wird laufend elektrische Energie zugeführt. Diese wird aber nicht gespeichert,
sondern in Wärmeenergie umgewandelt.
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Hintergrund 1 Umweltrelevanz der Akkumulatoren
Umweltrelevanz von Batterien
Nahezu alle Batterien enthalten umweltgefährdende Stoffe. Die Bedeutung dieser Stoffe für die Umwelt ist jedoch sehr
unterschiedlich. Besonders umweltgefährdend sind Batterien bzw. Akkumulatoren, die die Schwermetalle Quecksilber (Hg),
Cadmium (Cd) oder Blei (Pb) enthalten, weshalb diese Stoffe, sofern sie in den Batterien enthalten sind, nach der
Batterieverordnung auf den Batterien deklariert sein müssen. Aber auch Nickel, Zink und Lithium sowie deren Verbindungen sind
umweltgefährdend und dürfen deshalb nicht mehr in den Hausmüll geworfen werden.
In Deutschland wurden 1996 ca. 870 Millionen Batterien und Akkumulatoren verkauft. Zu den Zink-Kohle- und Alkali-Mangan-
Batterien zählen davon 673 Mio. Stück (ca. 77 % bzw. ca. 23.000 t). Die pro Jahr in der Bundesrepublik Deutschland verkauften und
in Geräte eingebauten Batterien enthalten ca. 615 t Cadmium, 5,5 t Quecksilber, 5 t Silber, 600 t Nickel und 4.000 t Zink. Alle in
einem Jahr in Deutschland in Verkehr gebrachten Autobatterien enthalten ca. 180.000 t Blei.
Quecksilber, Cadmium, Nickel und Blei sind extrem gefährliche Stoffe, sie können einerseits direkte gesundheitsschädigende
Wirkungen auf den Menschen haben, andererseits reichern sich diese Metalle und ihre Verbindungen in der Nahrungskette und in
der Umwelt an und schädigen Ökosysteme, Tiere und indirekt wieder den Menschen. Auch Mangandioxid, Lithium und die
Elektrolyten sind z.T. ätzende, wasser- oder umweltgefährdende Stoffe. Gelangen die Batterien und damit die in ihnen enthaltenen
Stoffe in den Hausmüll, so können die Schwermetalle ihre schädlichen Umweltwirkungen auf den Deponien über das Grundwasser
oder über die Verbrennung entfalten. Schwermetalle können nicht abgebaut werden.
Wer glaubt, so eine kleine Batterie kann ja nicht allzu viel Unheil anrichten, der irrt gewaltig. Der Beitrag von Batterien zum gesamten
Schwermetalleintrag in den Hausmüll betrug für Zink 10 %, für Nickel 67 % und für Cadmium 85 %. Batterien sind damit die
bedeutendste Produktgruppe für die Schwermetallbelastung im Hausmüll.
Aber nicht nur die Schwermetalle tragen zu der schlechten Umweltbilanz von Batterien bei. Auch ihre Energiebilanz ist vernichtend:
Primärbatterien verbrauchen zu ihrer Herstellung ca. 40- 500 mal mehr Energie als sie bei der Nutzung zur Verfügung stellen. Diese
Bilanz kann für wiederaufladbare Batterien und Akkus verbessert werden, jedoch nur, wenn man sie richtig handhabt.
Quelle: Umweltbundesamt (UBA), Wiederaufladbar oder Ex - und -Hopp?, S. 5f.
Batterien auf Hausmülldeponien
Verschiedene Grabungen in Deponien haben gezeigt, daß Rund- und Knopfzellen im Deponiekörper durchkorrodieren und dabei
ihren Inhalt freigeben. Dadurch besteht immer die Gefahr, daß die Schadstoffe, insbesondere die Schwermetalle, über die
Deponiesickerwässer oder das Deponiegas in die Umwelt gelangen und sich z.B. über die Nahrungsaufnahme in Lebewesen
akkumulieren.
Cadmium kann z.B. aus ungeordneten oder undichten Deponien mit dem Deponiesickerwasser ins Grundwasser oder ins
Oberflächenwasser gelangen und dort erheblich zur Verschmutzung beitragen. Es ist bereits durch den früheren, sorglosen Umgang
ein fester Bestandteil der Nahrungskette geworden. Es wird durch Phosphatdünger zur Aufnahme in Pflanzen mobilisiert. Belastet
sind vor allem die Nieren älterer Schlachttiere, Krabben und Tintenfische [...]. Nickel kann ebenfalls mit dem Deponiesickerwasser
ins Grundwasser gelangen. Da Nickelverbindungen im sauren pH-Bereich löslich sind, besteht die Gefahr der Mobilisierung
besonders in den ersten Betriebsjahren einer Deponie, wenn die Deponie sich in der Phase der sauren Gärung befindet [...].
Quecksilber ist ähnlich wie Cadmium durch den früheren sorglosen Umgang bereits weiträumig in der Umwelt und in den
Nahrungsketten verteilt. Besonders belastet sind Meeresfrüchte. Quecksilber hat sich über die Deponiesickerwässer in Form von
anorganischen Quecksilberverbindungen in Gewässersedimenten angereichert. Eine Mobilisierung aus dem Sediment ist über die
sogenannte Biomethylierung möglich. Dabei werden durch Bakterien flüchtige, organische Quecksilberverbindungen gebildet, die in
die Atmosphäre entweichen können. Die Biomethylierung kann auch in Deponien beobachtet werden. Bis 1993 wurden in der
Bundesrepublik jährlich etwa 40 Tonnen Hg0-Knopfzellen verkauft. Bei durchschnittlichen Rücklaufquoten von 40 bis 60 %
gelangten jährlich etwa 20 Tonnen Hg0-Knopfzellen auf Deponien oder in Müllverbrennungsanlagen. Dies bedeutet, daß allein über
Knopfzellen in den vorausgegangenen zehn Jahren 80 Tonnen Quecksilber in Deponien eingelagert wurden. Hinzu kommen die
wesentlich höheren Mengen aus Rundzellen, die bis 1987 teilweise sehr stark quecksilberbelastet waren. Welche
Quecksilbermengen sich langfristig im „Bioreaktor Deponie“ befinden, und wieviel sich chemisch umsetzt oder physikalisch
ausgetragen wird, weiß niemand.
Quelle: W. Baumann und A. Muth, Batterien, Daten und Fakten zum Umweltschutz, Berlin/Heidelberg 1997, S. 118f.
Anregung
Tragen sie anhand neuerer Veröffentlicheungen (z.B. Umweltbundesamt) neue Zahlen und Fakten
zusammen und vergleichen Sie dies mit den hier ausgelisteten.
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Hintergrund 2 Geschichte der Akkumulatoren
Akkumulatoren
Daß sich erschöpfte Batterien wieder aufladen lassen, wurde schon bei der
Voltaischen Säule bemerkt. Man sprach dann vom Phänomen des
„Sekundärstroms"; wiederaufladbare, elektrochemische Speicher bezeichnet man
darum als Sekundärbatterien oder Akkumulatoren. Sie können extern zugeführte
elektrische Energie speichern. Ein volles Jahrzehnt bevor es Generatoren zum
Aufladen von Sekundärbatterien gab, entwickelte Gaston Planté (1834-1889)
den Bleiakkumulator; er ist heute noch mit großem Abstand die verbreitetste
Sekundärbatterie. Im geladenen Zustand besteht Plantés Batterie aus der Kette
Blei/Schwefelsäure/Bleidioxid.
Der Schwede Waldemar Jungner (1869- 1924) kombinierte um die
Jahrhundertwende eine Cadmiumanode mit einer Nickeloxidkathode und erhielt
so einen äußerst robusten, relativ leichten und langlebigen Akkumulator. Im
geladenen Zustand bildete sich an der Kathode dreiwertiges Nickel, an der
Anode metallisches Cadmium. Die aktiven Materialien wurden zwischen feinen
Nickelgittern in taschenförmige Elektroden gefüllt. Diese Konstruktion erwies
sich als sehr robust, und wird zum Teil immer noch verwendet. Der eigentliche
Siegeszug der Nickel-Cadmium-Akkumulatoren begann mit der Entwicklung
gasdichter Ausführungen. Mittel- bis langfristig könnte der Nickel-Cadmium-
Akkumulator durch den ähnlich gebauten Nickel-Metallhydrid-Akkumulator
verdrängt werden.
Gastons Plantés erste 1860 gebaute
Bleibatterie
Anstelle des toxischen Cadmiums wird eine hydridbildende intermetallische Verbindung als
Wasserstoffspeicher verwendet. Die Kathode ist identisch mit derjenigen des Nickel-Cadmium-Systems.
Erwähnenswert ist noch, daß sowohl Jungner wie Edison praktisch gleichzeitig am Nickel-Eisen-
Akkumulator arbeiteten und um die Priorität dieser Erfindung jahrelang prozessierten. Beide gaben diesem
heute eher selten gewordenen Batterietyp bessere Zukunftschancen als dem später so erfolgreichen Nickel-
Cadmium-Akkumulator. Beim Nickel-Eisen-Akkumulator ist die Entstehung von Wasserstoff an der
Eisenelektrode unvermeidlich, so daß dieses System nicht in gasdichter Ausführung gebaut werden kann.
Quelle: Lucien F. Trueb und Paul Rüetschi, Batterie und Akkumulatoren, Berlin 1998, S. 28f
Die Entwicklung der Batterie
Elektrische Energie läßt sich universell einsetzen und hat daher eine Schlüsselfunktion in unserer technischen Umwelt.
Ihr Nachteil: Erzeugung und Verbrauch hängen gewöhnlich zusammen. Strom läßt sich nicht beim Verbraucher lagern
oder in einfachen Vorrichtungen wirtschaftlich erzeugen, sondern kann in aller Regel nur direkt über das
Versorgungswerk bezogen werden. Lediglich kleine Energiemengen sind in Kondensatoren speicherbar. Aber sie
können nur Geräte mit sehr geringem Energiebedarf versorgen. Daher muß elektrische Energie in andere
Energieformen umgewandelt werden. Diese Aufgabe übernehmen beispielsweise elektrochemische Energiespeicher wie
Batterien oder Akkumulatoren [...].
1 Der Anfang
Die Geschichte der elektrochemischen
Energiespeicher begann mit der
naturwissenschaftlichen Untersuchung der
Elektrizität. Namen wie Luigi Galvani (1737-
1798) und Alessandro Cont di Volta (1745-
1827) sind mit diesen Arbeiten verbunden
und leben noch heute in Bezeichnungen, wie
„galvanische Zelle“ und „Volt“ fort. Galvani
fiel bei Experimenten 1789 auf, daß
Galvani
Froschbeine zu zucken beginnen, wenn sie mit zwei verschiedenen
Metallen in Berührung kommen. Er schloß daraus auf einen
Zusammenhang zwischen Elektrizität und Muskeltätigkeit. Zehn
Jahre später baute Volta die erste einfache Batterie: Er schichtete
Kupfer und Zinkscheiben abwechselnd übereinander und legte
Akkus Seite -18-
zwischen die Scheiben jeweils ein in
Volta
Salzlösung getränktes Stück Pappe. Diese
„Voltasche Säule“ lieferte Energie, wenn die
Scheiben durch Draht verbunden wurden. Die
Spannung ließ sich mit mehreren in Serie
geschalteten Säulen noch erhöhen.
Johann Wilhelm Ritter, der mit Goethe auf dem
Gebiet der Naturwissenschaften
zusammenarbeitete, entwickelte 1802 eine
Batterie, die sogenannte „Rittersche Säule“. Die Säule bestand aus
übereinandergeschichteten und mit Tafelsalz (Natriumchlorid)
getränkten Kupfer und Kartonscheiben. Diese Vorrichtung konnte
mit einem elektrischen Strom geladen werden und gab bei der
Entladung Strom ab. Sie gilt als Urform des Akkumulators.
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Hintergrund 2 Geschichte der Akkumulatoren
In den fünfziger Jahren des vorigen
Jahrhunderts arbeiteten Sinsteden und Planté
mit den ersten Blei-Batterien (System Blei-
Schwefelsäure-Bleidioxid) und nutzten sie zur
Stromspeicherung für telegraphische
Experimente. Beide setzten als Elektroden
Bleiplatten ein, die durch mehrfaches Laden
und Entladen eine gewisse Kapazität
erhielten. Für die industrielle Fertigung waren
diese Batterien noch nicht geeignet.
Die Industrialisierung beschleunigte die zügige Entwicklung
elektrochemischer Energiespeicher. Dynamo und Glühbirne waren
gegen Ende des 19. Jahrhunderts erfunden - es gab einen rasch
wachsenden Bedarf, elektrische Energie zu speichern. Die
industrielle Produktion von Bleibatterien begann etwa 1880, als
Fauré ein Patent zur Herstellung pastierter Platten für
Bleiakkumulatoren anmeldete. Jungner und Edison folgten 1899 und
1901 mit der Nickel-Cadmium-Batterie, die bald auch gefertigt
wurde (vgl. Abschnitt 4).
2 Die Frühzeit des Bleiakkumulators
Fauré bedeckte beide Seiten eines Bleiblechs mit einer Paste aus
Bleipulver und Schwefelsäure. Damit erreichte er schon nach der
ersten Aufladung (der „Formation“) eine besonders hohe Kapazität -
ein wesentlicher Durchbruch, der zur industriellen Herstellung
solcher Batterien führte. So entstand eine Reihe von Betrieben wie
die S. A. La Force et la Lumière, in der W. Thomson mitarbeitete.
Später zum Lord Kelvin of Largs ernannt, gab er den Namen für die
absolute Temperaturskala. Anfangs dachte man an große
Stromspeicher: So stammt von W. Thomson ein schließlich nicht
verwirklichter Plan, der Stadt Buffalo von den Niagara-Fällen aus
Strom zu liefern. 80 000 Volt Spannung sollten erzeugt und nach
Buffalo in eine Batterie mit 40 000 Zellen eingespeist werden, wo
Abgriffe über jeweils 50 Zellen die Haushalte mit 100 V
Netzspannung versorgt hätten.
Die Fauré-Zellen, in denen positive und negative Elektroden
spiralförmig aufgewickelt waren, erwiesen sich allerdings als wenig
haltbar und versagten schon nach wenigen Lade-Entladezyklen.
Dieses war ein erstes Hindernis für die industrielle
Batterieherstellung.
2.1 Elektrodenformen
Ritter
Eine deutliche Verbesserung brachte 1881 J Scudamore Sellons Idee,
die Paste nicht auf ein glattes, sondern in ein perforiertes Blech zu
schmieren, um bessere Haftung zu erreichen. Er war der erste
Metallkundler, der Antimon-Legierungen als Gittermaterial benutzte,
was später so wichtig sein sollte. Ernest Volckmar entwickelte im
gleichen Jahr ebenfalls ein Bleigitter, wobei offen ist, wie weit der
eine vom anderen wußte. Damit war die schon bald in vielen
Varianten bekannte „Gitterplatte“ erfunden. [...]
3 Die Weiterentwicklung des Bleiakkus [...]
3.1 Die besondere Rolle der Legierungen im
Bleiakkumulator
Zur mechanischen Stützung des aktiven Materials und zur Leitung
des Stroms werden passive Bauteile mit angemessener Festigkeit und
guter elektrischer Leitfähigkeit benötigt. In Bleiakkumulatoren treten
im Hinblick auf diese Bauteile besondere Probleme auf:
• Das Potential der positiven Elektrode, der Bleidioxid-Elektrode,
liegt so hoch, daß alle Metalle durch anodische Auflösung zerstört
werden. Zur Stromleitung kann nur Blei eingesetzt werden,
weil durch die Korrosion an seiner Oberfläche eine Deckschicht
aus Bleidioxid gebildet wird, die das darunter liegende Metall
vor direkter Auflösung schützt. Bleidioxid ist das Produkt der
Korrosion. Da es mit dem aktiven Material der positiven Elektrode
identisch ist, beeinflußt die Korrosion die chemischen
Vorgänge in der Zelle nicht.
Stabil ist diese Situation aber nicht, vielmehr schreitet die
Korrosion allmählich in der Hauptmasse des Metalls fort und
wandelt Gittermaterial zu Bleidioxid um. Dadurch verliert das
Gitter an mechanischer Stärke und seine Leitfähigkeit wird
vermindert. Der Korrosionsvorgang unter der Deckschicht ist
aber so langsam, daß bei angemessener Auslegung der Bauteile
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die Brauchbarkeit der Batterie dadurch zeitlich nicht begrenzt
wird. [...]
• Das Potential der negativen Elektrode liegt 0,35 V unter dem
Gleichgewichtspotential der Wasserstoffelektrode.
Normalerweise müßte sich Wasserstoff aus dem Wasser der
verdünnten Schwefelsäure bilden und gleichzeitig die Batterie
entladen. Doch ist die Wasserstoffentwicklung an Blei aber
außerordentlich gehemmt, und das Gas wird sehr langsam
gebildet. Die Tatsache der „Selbstentladung“ der negativen
Elektrode ist unvermeidlich, aber sie geht derart langsam vor
sich, daß sie toleriert werden kann. [...]
Beide Probleme sind mit der vorteilhaft hohen Zellenspannung des
Bleiakkumulators verknüpft [...].
3.3 Die ventilregulierte Blei-Säure-Batterie
Die ventilregulierte Blei-Säure-Batterie vermindert den
Wartungsaufwand erheblich. Sie arbeitet nach dem gleichen Prinzip
wie die gasdichte Nickel-Cadmium-Batterie. Der beim Überladen an
der positiven Elektrode entstehende Sauerstoff verläßt die Zelle
nicht, sondern wird an der negativen Elektrode wieder zu Sauerstoff-
Ionen reduziert, die zusammen mit Wasserstoff-Ionen Wasser bilden.
Die Entwicklung von Sauerstoff, die durch das Überladen der
positiven Elektrode verursacht wird, wird also durch die
Verminderung dieses Sauerstoffs an der negativen Elektrode
ausgeglichen. Bei perfektem Ablauf des internen Sauerstoffkreislaufs
tritt kein Wasserverlust auf.
Solch ein „perfekter interner Sauerstoffkreislauf“ läßt sich bei Blei-
Batterien aber nicht realisieren, da eine gewisse
Wasserstoffentwicklung an der negativen Elektrode nicht zu
vermeiden ist - auch nicht beim Ruhepotential der Zelle. Ein weiteres
Hindernis stellt die unvermeidliche Gitterkorrosion an der positiven
Elektrode dar. Diese beiden Nebenreaktionen mindern den
Wirkungsgrad des internen Sauerstoffkreislaufs. Deshalb läßt sich
ein gewisser Wasserverlust bei verschlossenen Blei-Batterien nicht
verhindern - ein prinzipieller Unterschied zur Nickel-Cadmium-
Batterie.
Um einen effektiven internen Lade-Entladezyklus zu erreichen, muß
der Sauerstoff die negative Elektrode als Gas erreichen, da die
Diffusion durch flüssige Elektrolyten zu langsam wäre. Das wird
durch das „Festlegen“ der Elektrolyten erreicht: Der Elektrolyt wird
entweder durch Zusatz von Siliciumdioxid geliert, wobei sich durch
Schrumpfen Risse bilden, in denen Gastransport möglich ist, oder die
Säure wird in Glasmatten aus extrem feinen Glasfasern aufgesaugt
mit Durchmessern im Mikrometerbereich. Der Gastransport erfolgt in
absorbierenden Glasmatten durch die größeren, nicht mit Elektrolyt
gefüllten Poren. [...] Die Einführung von Mikroglasvliesen mit
Durchmessern im µm-Bereich sorgte in den siebziger Jahren für ein
breites Anwendungsgebiet der ventilregulierten Blei-Säure-Batterie.
Die Fähigkeit dieses ursprünglich für Feinstfilter entwickelten
Materials, den schwefelsauren Elektrolyten aufzusaugen, erlaubte
dessen Einsatz als Separator, der zugleich kurze Zyklen zwischen
den Elektroden verhindert und den Elektrolyten aufnimmt. Ein
Vorteil solcher absorbierender Glasmatten-Separatoren ist, daß mit
ihnen Batterien auf den üblichen Fertigungsanlagen hergestellt
werden können. Außerdem hat der Glasmatten-Separator einen so
geringen Widerstand, daß der Batterie hohe Entladeströme mit gutem
Wirkungsgrad entnommen werden können. Das führte Ende der
siebziger Jahre zur Einführung von ventilregulierten Starterbatterien
für Kraftfahrzeuge, die jedoch niemals wirklich am Markt Erfolg
verzeichnen konnten. Sehr erfolgreich war auf der anderen Seite die
Entwicklung einer solchen Batterie für Telefonanlagen, die den
Trend auslöste, verschlossene Blei-Batterien für viele ortsfeste
Anwendungen einzusetzen. [...]
3.4 Allgemeine Weiterentwicklung
Neben den beschriebenen speziellen Entwicklungen hat es bei allen
Blei-Batterien im Laufe der Jahrzehnte erhebliche Neuerungen
gegeben. Für Batteriegefäße traten nach dem zweiten Weltkrieg
Kunststoffe zunehmend an die Stelle von Glas oder Hartgummi. [...]
Immer perfektere elektronische Bauteile erlaubten eine verbesserte
Ladetechnik. So ließ sich bei Kfz-Starterbatterien der mittlere
Ladezustand erhöhen und die Lebensdauer verlängern. Ortsfeste
Batterien waren besser zu überwachen, was unerwartete Ausfälle
verhinderte. [...] Batterien für Elektro-Straßenfahrzeuge sind meist
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Hintergrund 2 Geschichte der Akkumulatoren
mit einem „Management-System“ verbunden, das nicht nur
Ladezustand und Temperatur der Batterie überwacht und Tiefent-
und Überladung vermeidet. Wenn nötig, laden häufig einzelne Zellen
oder Blöcke innerhalb der Batterie automatisch zusätzlich nach.
Dieses garantiert einen gleichmäßigen Ladezustand der Zellen.
4 Entwicklung der Nickel-Cadmium-Batterie
Am Anfang der Entwicklung der
Nickel-Cadmium-Batterie stehen
zwei Namen: Waldemar Jungner und
Thomas Alva Edison. Die beiden
Erfinder beschäftigten sich mit einer
Reihe von elektrochemischen
Energiespeicher-Geräten und
erlangten 1901 Patente für den
Nickel-Cadmium- bzw. Nickel-
Eisen-Akkumulator. [...]
Thomas Alva Edison
Ein wichtiger Schritt im Hinblick auf die Zyklenstabilität der
Cadmium-Elektrode war 1909 die Einführung einer Beimischung
von Eisen durch Axel Estelle, der vorher mit Jungner
zusammengearbeitet hatte. [...]
Die grundlegende Entwicklung der Nickel-Cadmium-Batterie war
damit abgeschlossen. Anfangs bildete die Nickel-Eisen-Batterie vor
allem als Antriebsbatterie eine Konkurrenz. Sie benutzte Eisen als
aktives Material der negativen Elektrode und war im Vergleich
kostengünstiger. Der schlechtere Wirkungsgrad der Ladereaktion und
die damit verknüpfte stärkere Wasserstoffentwicklung blieben jedoch
Nachteile, die dieses Batteriesystem nahezu vollständig vom Markt
verdrängt haben. [...]
4.4 Gasdichte Nickel-Cadmium-Akkumulatoren
Ein entscheidender Schritt für die Verbreitung der Nickel-Cadmium-
Batterie war die Entwicklung der gasdichten Bauweise. Damit
entstand eine absolut dichte wartungsfreie Batterie, aus der weder
Gas noch Elektrolytnebel entweichen kann. Tragbare Kleingeräte
sind die Domäne dieser Batterie, da sie lageunabhängig betreibbar
ist.
Die gasdichte Bauweise überwand ein Problem aller Batterien mit
wäßrigem Elektrolyten: die unvermeidliche Elektrolyse des Wassers
bei Zellenspannungen über 1,23 V. Die Entwicklung von
Wasserstoff ist die Folge. Edison erlangte schon 1912 das Patent für
eine gasdichte Nickel-Cadmium-Batterie, in der Wasserstoff und
Sauerstoff an einem erwärmten Platindraht katalytisch wieder zu
Wasser umgesetzt wurden. Das Verfahren erwies sich jedoch als
technisch nicht brauchbar.
Ein entscheidender Schritt zur gasdichten Nickel-Cadmium-Batterie
war das sogenannte „Dassler-Patent“ aus dem Jahr 1933. Varta-
Mitarbeiter hatten entdeckt, daß gasförmiger Sauerstoff an der
negativen Elektrode wieder zu Sauerstoff-Ionen reduziert wird. Sie
erkannten damit das Prinzip der gasdichten Nickel-Cadmium-
Batterie, den internen Sauerstoffkreislauf. Die technisch brauchbare
Lösung bot allerdings erst Neumann 15 Jahre später. Er beschrieb
den Mechanismus des internen Sauerstoffkreislaufs mit seinen
Voraussetzungen äußerst detailliert. Sein zunächst von Varta
übernommenes und weltweit lizensiertes Patent bildete die
Grundlage zur Herstellung gasdichter Nickel-Cadmium-Batterien.
Der interne Sauerstoffkreislauf setzt voraus, daß der Sauerstoff als
Gas von der positiven hinreichend schnell zur negativen Elektrode
gelangt. Die Sauerstoffreduktion verbraucht dann den Überladestrom
und verhindert, daß die negative Elektrode polarisiert wird und
Wasserstoff entsteht. Um diesen internen Sauerstoffkreislauf zu
erhalten, muß dazu der Elektrolyt „festgelegt“ werden. In gasdichten
Nickel-Cadmium-Batterien werden dazu Filze aus Polyamid oder
Mischungen mit Polyäthylen verwendet.
[...] Heute arbeiten große Mengen von Knopfzellen in Geräten wie
Taschenrechnern oder tragbaren Telefonen, die kleine oder mittlere
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Ströme benötigen. Zellen mit Sinterelektroden werden von allen
Herstellern in mehreren Varianten angeboten, da die vielfältigen
Anforderungen mit einer Zellentype nicht zu erfüllen sind. So gibt es
spezielle Typen für hohe Belastungsströme, für Schnelladung und für
Dauerbetrieb bei erhöhter Temperatur.
Das Schnelladen von gasdichten Nickel-Cadmium-Batterien ist nur
mit kontrollierten Ladeverfahren möglich, die den Strom so regeln,
daß ein zu starkes Überladen vermieden wird. Um ein thermisches
Durchgehen auszuschließen, muß die starke Wärmeentwicklung
durch den internen Sauerstoffkreislauf aus der Batterie abgeführt
werden. Die dafür aufgewendete elektrische Energie (Strom x
Ladespannung) wird nämlich vollständig in Wärme umgesetzt.
Entsprechende Ladeverfahren wurden in den letzten Jahren
entwickelt. Für die konventionellen Lademethoden ist wegen der
thermischen Probleme die Batteriegröße auf etwa 10 Ah begrenzt.
5 Nickel-Metallhydrid-Batterien
Nickel-Metallhydrid-Batterien sind mit gasdichten Nickel-Cadmium-
Batterien verwandt, nur wird an Stelle von Cadmium Wasserstoff als
aktives Material für die negative Elektrode verwendet. Ihre
Entwicklung basiert auf zweierlei Wurzeln
• In den siebziger Jahren wurde die Nickel-Wasserstoff-Batterie
für die Raumfahrttechnik entwickelt. Ihre positive Elektrode
gleicht der von Nickel-Cadmium-Batterien. Das aktive Material
der negativen Elektrode ist im geladenen Zustand gasförmiger
Wasserstoff, im entladenen Zustand sind es Protonen, die von
der entladenen positiven Elektrode aufgenommen werden. Die
Reaktion erfordert Edelmetall-Elektroden (Platin Palladium).
Wegen des hohen Innendrucks im geladenen Zustand (über 10
bar) befindet sich die Zelle in einem Stahlgefäß.
Nickel-Wasserstoff-Batterien sind sehr teuer, sie werden
trotzdem in größerer Anzahl bei Satelliten verwendet. Ihre
Vorteile hohe Speicherfähigkeit (ca. 50 Wh/kg), extreme
Zyklenfestigkeit (über 5000) und Unempfindlichkeit gegen
wiederholte Tiefentladungen.
• Wasserstoffhydrid-Speicher, also Legierungen bestimmter
Metalle, absorbieren Wasserstoff als Hydrid und ermöglichen
die Wasserstoffspeicherung bei niedrigem Druck. Die dabei
erreichten Speicherkapazitäten sind hoch und können Mengen
entsprechen, die im gleichen Volumen als verflüssigter
Wasserstoff gespeichert werden. Anfang der siebziger Jahre
wurden solche Legierungen auf Titan-Basis für Fahrzeuge mit
Wasserstoff-Verbrennungsmotoren entwickelt. In Batterien
werden heute meist Legierungen aus Lanthan und seltenen Erden
verwendet.
Die Nickel-Metallhydrid-Batterie kombiniert beide Systeme. Bei ihr
entwickelt sich auch im geladenen Zustand nur ein geringer
Innendruck, weil der gasförmige Wasserstoff von der Legierung
aufgenommen wird, die zugleich negative Elektrode und
Wasserstoffspeicher ist.
In Nickel-Metallhydrid-Batterien lassen sich etwa 50 bis 60 Wh/kg,
in größeren Zellen mit mehr als 10 Ah Kapazität sogar über 80
Wh/kg, speichern, ein Wert der um mehr als 50 Prozent über dem
von Nickel-Cadmium-Batterien liegt. Die Zyklenfestigkeit beider
Systeme ist gleich. Nachteile bestehen aber bei tiefen Temperaturen,
weil das verzögerte Entweichen des Wasserstoffs die Effizienz eines
hohen Entladungsflusses verschlechtert.
Die Vorteile dieses Systems haben viele Hersteller zu intensiven
Weiterentwicklungsmaßnahmen angeregt. Außerdem kann auf das
für die Entsorgung verbrauchter Batterien ungünstige Cadmium
verzichtet werden. Obwohl sie gerade erst 1992 auf dem Markt
eingeführt wurden, werden diese Batterien heute schon in großem
Umfang als Knopf-, Rund- oder prismatische Zellen eingesetzt. Sie
ersetzen die Nickel-Cadmium-Batterien ohne weiteres und sind für
die herkömmlichen Ladegeräte und -verfahren geeignet.
Quelle: Varta AG (Hrsg.), Spezial Report, Die Entwicklung der Batterie, Juli 1998, S. 1 -11.
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Hintergrund 3 Einsatzorte
Bleibatterie-Speicherkraftwerke
Der Einsatz einer großen Zahl von zusammengeschalteten Bleibatterien zur Speicherung von elektrischer
Grundlast und zur Erzeugung von Spitzenlast ist seit etwa 100 Jahren bekannt. Solche Batteriespeicher
wurden mit der Verwirklichung kontinentweiter Verbundnetze fast überall überflüssig. Doch dank moderner
Leistungselektronik und pflegeleichten Batterien erlebt das Konzept vor allem in den USA eine Renaissance.
Ein Energieversorgungsunternehmen kann sich nicht mehr einfach mit der Erzeugung und dem Anbieten von
elektrischer Energie begnügen. Die Kunden verlangen nicht nur die quantitative Deckung ihrer Bedürfnisse,
sondern qualitativ hochwertige Elektrizität. Diese muß ununterbrochen verfügbar sein, und in bezug auf
Spannung und Frequenz eine hohe Konstanz aufweisen. Es sollten auch keine niederfrequenten, parasitären
Schwingungen im Netz auftreten. Sie werden zwar von dem Kunden kaum wahrgenommen, doch können sie
zu Schäden, im Extremfall sogar zum Zusammenbruch von Verbundnetzen führen. Um die verlangte
Stabilität ihres Produkts zu gewährleisten, müssen die Energieversorgungsunternehmen eine Reihe von
technischen und administrativen Maßnahmen treffen; dazu kann u. a. der Bau von Batteriespeichern gehören.
[...] Der Sprung zu einer Leistung von über 10 MW wurde 1986 in Berlin gemacht. Die vom Rest der
Bundesrepublik damals abgeschnittene Stadt von über 2 Mio. Einwohnern mußte im Inselbetrieb mit
elektrischer Energie versorgt werden. Zur Frequenzkontrolle und als sofort verfügbare Energiereserve wurde
1986 von der Berliner Kraft- und Licht AG BEWAG ein System von Röhrchenplatten-Bleibatterien mit
einer Leistung von 17 MW und einer Speicherkapazität von 14,4 MWh angeschafft. [...] Mit der
Wiedervereinigung der beiden deutschen Staaten und dem Anschluß Berlins ans europäische Netz wurde die
Batterieanlage der BEWAG unwirtschaftlich; sie ist seit 1994 stillgelegt.
Quelle: Lucien F. Trueb und Paul Rüetschi, Batterie und Akkumulatoren, Berlin 1998, S. 85f
Elektro-Straßenfahrzeuge
Anfang der siebziger Jahre entstand - u. a. als
Reaktion auf die Ölkrise - der Trend,
Straßenfahrzeuge mit Elektroantrieb auszurüsten.
Zunächst erlaubte die begrenzte Speicherfähigkeit der
Batterien nur einen eingeschränkten Aktionsradius
der Fahrzeuge. Deshalb wurden Stadtbusse und
Kleintransporter die ersten Zielgruppen: Sie legen
kurze Strecken zurück und haben zwischen den
Fahrten Zeit zum Nachladen. Als Energiespeicher
dienten meist große Bleibatterien, bei denen
automatische Wassernachfüllung, Säureumwälzung
und Kühlung nötig waren. Bis heute sind die meisten
Elektro-
Straßenfahrzeuge mit Blei- oder Nickel-Cadmium-Batterien ausgerüstet. Die zukünftige Akzeptanz von
Elektro- und Hybridfahrzeugen hängt in starkem Maße von der Weiterentwicklung elektrischer
Antriebssysteme ab. Die zur Energieversorgung eingesetzten Batteriesysteme nehmen dabei eine
Schlüsselrolle ein.
Quelle: Varta AG (Hrsg.), Spezial Report, Die Entwicklung der Batterie, Juli 1998, S. 12.
Die Autobatterie
Der größte Teil der 8 Millionen in der Bundesrepublik
jährlich verkauften Bleiakkumulatoren, findet als Starter-
Akkus Seite -21-
Alterung. Obwohl der Bleiakkumulator nach dem Start
von der Lichtmaschine wieder geladen wird, besitzt er nur
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Hintergrund 3 Einsatzorte
batterie in Kraftfahrzeugen Verwendung.
Aufbau und Herstellung. Damit die Batterie beim Startvorgang
kurzzeitig einen sehr hohen Strom liefern kann,
müssen die Elektrodenflächen möglichst groß sein. Daher
baut man in die Batterie viele dünne Elektrodenplatten ein.
Die Platten bestehen aus einem Trägergitter und dem
elektrochemisch aktiven Material. Da reines Blei weich
und leicht verformbar ist, verwendete man für die Gitter
lange Zeit Hartblei, eine Legierung aus Blei und 4% bis
10% Antimon. Der Antimonzusatz verbessert zwar die
Festigkeit der Gitter und die Eigenschaften der Schmelze
beim Gießen, er bringt aber Nachteile für das elektrochemische
Verhalten des Akkus beim Betrieb. Man verwendet
daher heute für die Gitter antimonarme Bleilegierungen
(bis 1,7% Antimon) mit Zusätzen von Arsen (0,1%),
Kupfer (0,03%), Zinn (0,01%) und Selen (0,02%).
Zur Herstellung des aktiven Materials geht man ausschließlich
von reinem Blei (Weichblei) aus. Geschmolzenes
Blei wird in feinen Tröpfchen an der Luft so weit oxidiert,
bis ein Gemisch von etwa gleichen Anteilen Blei und
Bleioxid entstanden ist. Dann wird das Material zu Pasten
angerührt. Um an den negativen Platten eine feinste
Verteilung des Bleis mit einer großen Oberfläche zu
erhalten, werden der Paste Bariumsulfat, Ruß und Lignin
als Spreizmittel zugesetzt. Die Paste für die positiven
Platten erhält normalerweise keine Zusätze. Die Pasten
werden in die Gitter gestrichen und anschließend
getrocknet. Dann werden die Platten für den Minuspol und
den Pluspol elektrochemische hergestellt: Bleioxid wird zu
Blei reduziert bzw. Bleioxid und Blei werden zu
Bleidioxid oxidiert.
Die Platten einer Akkuzelle werden zu negativen und
positiven Plattensätzen verschweißt. Für die stromführenden
Teile und die Pole verwendet man sogenanntes
Schweißblei, das ist Hartblei mit 3% bis 6% Antimon. Um
12 V Spannung zu erreichen, schaltet man sechs
Akkuzellen hintereinander. Die Schwefelsäure wird erst
kurz vor Gebrauch eingefüllt, denn mit diesem Zeitpunkt
setzt auch die Alterung der Batterie ein.
eine begrenzte Lebensdauer. Dafür sind Veränderungen an
den Platten verantwortlich. An den negativen Platten kann
das feinkörnige Blei (Schwammblei) rekristallisieren, es
wird kompakter und verliert seine große aktive
Oberfläche. Mit der Zeit kann auch das beim Entladen
entstandene Bleisulfat auf den Platten größere Kristalle
bilden, die beim Laden nicht mehr vollständig gelöst
werden.
An den positiven Platten kann beim Laden und Entladen
ein Teil des porös aufgetragenen Bleidioxids die Haftung
ans Gitter verlieren und abschlammen. Wird der Akku
längere Zeit nicht voll geladen oder wird er tiefentladen,
kommt es zu Korrosionsvorgängen an den Gittern der
positiven Platten. Teile des Gitters, und damit auch Bleidioxid
platzen ab. All diese Vorgänge führen dazu, daß die
Leistung und die Kapazität des Bleiakkumulators während
des Betriebs zunehmend geringer werden.
Moderne Batterien sind wartungsfrei Durch die Verwendung
antimonarmer Bleilegierungen für die Gitter wird das
Gasen beim Laden verhindert. Somit braucht kein
elektrolytisch zersetztes Wasser mehr nachgefüllt zu
werden.
Soll ein Motor bei tiefen Temperaturen gestartet werden,
kann es vorkommen, daß die Leistung der Batterie nicht
mehr ausreicht. Der Motor benötigt hauptsächlich wegen
des bei tiefen Temperaturen zähflüssigen Motoröls eine
höhere Startleistung. Aber durch die geringere
lonenbeweglichkeit und die Verlangsamung der Reaktionen
nimmt der Innenwiderstand der Batterie zu. So sinkt
bei fallenden Temperaturen die Arbeitsspannung der
Batterie und die entnehmbare Strommenge. Eine Faustregel
besagt, daß man ausgehend von 27°C pro Grad
Temperaturerniedrigung mit einer Kapazitätsminderung
von etwa 1,3% rechnen muß.
Über 90% der ausgedienten Bleiakkus werden wiederaufgearbeitet.
Aus den Platten gewinnt man Hartblei zurück.
Die Kunststoffbehälter verarbeitet man zu Granulat,
aus dem sich neue Gegenstände fertigen lassen.
Quelle: MANFRED JÄCKEL U. A. (HRSG.), Chemie heute Sekundarbereich II, Schroedel, Hannover 1998, S. 177.
Frühe Verwendungen: Zugbeleuchtung, Boots- und Traktionsbatterien
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Hintergrund 3 Einsatzorte
Schon l882 wird der Pullman-Zug zwischen London und Brighton elektrisch beleuchtet. Die vier Wagen
haben gemeinsam eine Pufferbatterie. Das erste Elektroboot bringt v Jacobi in Petersburg bereits 1838 auf
die Newa. Es hat einen Motor mit Permanentmagneten, der aus Primärelementen gespeist wird. Dann folgt
eine lange Pause. Am 13.9. 1886 fährt die Barkasse Volta in acht Stunden von Dover nach Calais, eine
Entfernung von 33 km. Sie hat einen Elektromotor als Antrieb, der seine Energie aus einer Bleibatterie
erhält: 61 Zellen mit etwa 220 Ah (zehnstündig), Gewicht rund 2000 kg. Daraus errechnet sich
für die Batterie eine Energiedichte von 12 Wh/kg. Das Boot fuhr mit einer mittleren Geschwindigkeit von
2,2 Knoten. In Frankfurt a. M. wird während der großen Ausstellung 1890/91 das 1886 gebaute Boot
„Electra“ von Siemens vorgeführt. [...] Der Antrieb von Tauchbooten mit Primärbatterien wird
schon 1842 vorgeschlagen. Die ersten U-Boote mit Bleiakkumulatoren werden etwa 1885 in England und
Frankreich gebaut. Sie müssen noch am Pier geladen werden. [...]
Da es noch nicht überall elektrische Anschlüsse gibt, werden geladene Akkumulatoren zu den Verbrauchern
transportiert. In London gibt es dafür Fuhrbetriebe mit Pferdewagen: Abnehmer sind z. B. Krankenhäuser,
wo der Batteriestrom schon früh zur Endoskopie und zum Kauterisieren verwendet wird. Andere Abnehmer
sind feuergefährdete Betriebe, aber auch viele reiche Privathäuser. Kleine tragbare Akkumulatoren dienen als
Feuerzeug mit Glühdraht und Kerze. Solche Anlagen gibt es auch zum Anzünden der Kerzen in großen
Lüstern. [...]
Der erste Versuch, ein Schienenfahrzeug mit Akkumulatoren anzutreiben, scheint [...] schon 1882 in einer
französischen Leinwandbleicherei gemacht worden zu sein. Von 1883 ab entstehen an vielen Orten
Straßenbahnlinien mit Antrieb durch Akkumulatoren, zuerst in den USA, in England und Belgien, später
auch in Deutschland, in Berlin, Hamburg und Hagen. Etwa um die Jahrhundertwende werden die
Akkumulatoren durch die Oberleitung abgelöst.
Etwas länger werden die Verfahren zum elektrischen Löten und Schweißen mit Hilfe von Akkumulatoren
angewendet [...]. Das Verfahren ist zum Schweißen von Schienen noch 1925 benutzt worden, zum Bleilöten
bis in die dreißiger Jahre. 1892 geht auf Zeche Bonifacius in Essen-Kray die erste elektrische
Grubenlokomotive mit Akkumulator in Betrieb. Ab 1893 werden die Akkumulator-Triebwagen der
deutschen Staatsbahnen entwickelt.
Quelle: Kurt Jäger (Hrsg.) Geschichte der Elektrotechnik Bd. 13: Gespeicherte Energie, Berlin Offenbach 1994, S. 32f.
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Hintergrund 4 Der „richtige“ Umgang mit Akkumulatoren
Anregung
Vergleichen sie die verschiedenen Quellen miteinander. Achten sie dabei auch darauf, wer der
jeweilige Urheber ist.
Quelle 1: Richtiger Umgang mit Akkumulatoren
Akkumulatoren oder Akkus können wieder aufgeladen werden und sparen so eine entsprechende Anzahl an
herkömmlichen Primärzellen ein. Dies gilt jedoch nur, wenn sie fachgerecht gelagert, genutzt und wieder aufgeladen
werden. Der mehrmalige Gebrauch macht Akkus auf der einen Seite zu einem umweltentlastenden Produkt. Auf der
anderen Seite enthalten die heute überwiegend eingesetzten Nickel-Cadmium-Akkumulatoren große Mengen (bis zu 20
Gewichtsprozent) des giftigen Cadmiums.
Hersteller versprechen für Akkumulatoren 500 bis zu 1000 Wiederaufladezyklen, jedoch hängt diese lange Lebensdauer
entscheidend von dem richtigen Gebrauch der Akkus, also von Ihnen als Nutzer ab. Untersuchungen haben ergeben,
daß z.B. in der Schweiz die Nutzer durchschnittlich nur 30 Ladezyklen pro Akku erreichten, wodurch die Umwelt- und
Kostenvorteile eines wiederaufladbaren Akkus nicht mehr gegeben sind.
Akkus entladen sich bei Nichtbenutzung wesentlich schneller als Primärbatterien: Lassen Sie einen geladenen Akku
ungenutzt liegen, so sinkt seine Spannung ab. Gute Ladegeräte haben deshalb eine sogenannte
Erhaltungsladungsfunktion, in der die Akkus so lange verbleiben können, bis sie mit voller Leistung wieder in Betrieb
gehen. Dies bedingt in der Regel aber einen ständigen Stromverbrauch des Ladegerätes, der höher sein kann als der für
die eigentliche Akkuladung benötigte Stromverbrauch.
Eine Besonderheit ist bei den Nickel-Cadmium-Akkus zu beachten. Diese können durch den sogenannten „Memory-
Effekt“ entscheidend in ihrer Lebensdauer einbüßen: Werden die Akkus bereits wieder aufgeladen, bevor sie ihren
optimalen Entladezustand erreicht haben, so „merkt“ sich die Zelle diese Stellung und kann nun durch Wiederaufladung
nicht mehr die volle Kapazität erreichen. Der „nicht entladene Teil“ des Akkus kann somit nicht mehr reaktiviert werden.
Der Akku ist bei erneutem Gebrauch dann sehr bald wieder entladen. Sie werden dann schnell bereit sein, den Akku
wegzuwerfen, obwohl er unter Umständen nur wenige Ladezyklen erlebt hat.
Im Gegensatz dazu werden Akkus durch eine sogenannte Tiefentladung dauerhaft zerstört. Ein Wiederaufladen ist dann
nicht mehr möglich. Die Tiefentladung muß deshalb unbedingt vermieden werden (im Gegensatz zu der notwendigen
Entladung bis zum optimalen Entladepunkt zwecks Vermeidung des „Memoryeffektes“). Benutzen Sie einen Akku z.B. in
einem Gerät ohne Tiefentladungsschutz (Abschalten bei Unterschreitung einer bestimmten Mindestspannung), so sind er
und damit auch seine Vorteile bald zerstört.
Der richtige Entladezustand zwischen Tiefentladung und Memoryeffekt kann nur durch ein elektronisch gesteuertes
Ladegerät eingestellt werden. Es entlädt die Akkus bis zum optimalen Punkt („Entladeschlußspannung“), bevor sie
wieder aufgeladen werden. So können höhere Lebens-Zyklenzahlen erreicht werden. Gute Ladegeräte und ihre richtige
Handhabung helfen, die optimale Gebrauchstauglichkeit der Akkus über einen langen Zeitraum sicher zu stellen. Mit
geeigneten Ladegeräten ist sogar das „Auffrischen“ von Akkus möglich, die ihren Dienst bereits verweigern. Durch
kontrolliertes Entladen/ Wiederaufladen in mehreren Zyklen lernen diese Akkus wieder, ihren Dienst zu tun.
In den Betriebsanleitungen der Ladegeräte werden die möglichen Einsatzbereiche der Geräte genau beschrieben. In
Ladegeräten, die ausschließlich Akkus aufladen sollen, dürfen niemals Primärbatterien eingesetzt werden, denn es
besteht dann Explosionsgefahr. Auch dürfen sie in vielen Ladegeräten nur NiCd-Akkus und keine anderen Akkus laden.
Neuerdings sind auch Ladegeräte auf dem Markt, die damit werben, nahezu alle Batterietypen und Akkutypen
aufzuladen. Sie verfügen über eine entsprechende Elektronik und sind in einem Haushalt einsetzbar, in dem zahlreiche
verschiedene Batterien und Akkus verwendet werden. Die Hersteller werben auch mit der möglichen Ladung von Einmal-
Primärzellen. Dieses Refreshen von nicht wiederaufladbaren Primärbatterien wird jedoch im Gegensatz zum Einsatz der
wiederaufladbaren Primärbatterien den Verbraucher nicht lange zufrieden stellen, da die Batterie meist nicht die volle
Spannung wiedererlangt bzw. nur noch über eine kleine Restkapazität verfügt.
Quelle: Umweltbundesamt (UBA), a.a.O., S. 12f
Quelle 2: Vermeidung von Batterien
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Hintergrund 4 Der „richtige“ Umgang mit Akkumulatoren
Die Vermeidung von Batterien beginnt bei der Vermeidung unsinniger Produkte. Ein „leuchtendes" Beispiel
ist das „Power Rangers Laser Pop Sword", ein auf Knopfdruck leuchtender Schwert-Lolly, dessen
Lebensdauer eine halbe Stunde kaum überdauern dürfte. Natürlich ist diese Einschätzung subjektiv -
schließlich steckt dahinter ein US-Patent, eine Produktionsstätte mit Arbeitsplätzen in China, eine
Vertriebsorganisation in Spanien und als Konsumenten Millionen kleiner Power-Rangers-Fans weltweit. Das
Produkt findet seinen Markt und rechtfertigt damit seine Existenz. Grundsätzlich sollte beim Kauf
batteriebetriebener Geräte überlegt werden, ob man nicht mit batterielosen Alternativen ebensogut
zurechtkommt, wie beispielsweise mit von Hand aufziehbaren Uhren oder mit aufziehbarem Spielzeug.
Der richtige Einsatzbereich
Es gibt natürlich zahlreiche sinnvolle Einsatzbereiche für Akkus und Primärbatterien, in denen auch die
große Masse der Batterien verbraucht wird. Entscheidendes Maß für die Notwendigkeit, Batterien
einzusetzen, ist die gewünschte Mobilität eines Produktes und dessen Bedienerfreundlichkeit beim
netzunabhängigen (kabellosen) Betrieb. Batterielose Geräte sind bei stationären Betriebsweisen erste Wahl.
Auch hier gibt es Ausnahmen, wie z.B. Notstromaggregate oder Fernbedienungen für Phono- oder TV-
Geräte, die sinnvollerweise zur Zweckbestimmung oder aus Handhabungsgründen mit Akkus oder Batterien
betrieben werden.
Der Einsatz von Batterien und damit die Menge der später zu entsorgenden Sonderabfalls kann dann
vermindert oder vermieden werden, wenn grundsätzlich dem Netzbetrieb Vorrang eingeräumt wird. Strom
aus der Steckdose ist außerdem um ein Vielfaches billiger als Strom aus Batterien. [...]
Die richtige Batteriewahl
Eine wesentliche, weitere Vermeidungsmaßnahme ist die richtige Wahl des Batteriesystems für spezifische
Einsatzzwecke. Nickel-Cadmium-Akkus in gewöhnlichen Taschenlampen sind fehl am Platz. Ferngesteuerte
Spielzeugautos sollten nicht mit Primärzellen betrieben werden, oder der Preis für immer neue Batterien wird
schnell den des Autos übersteigen.[...].
Die richtige Handhabung von Batterien
Die Handhabung von Primärzellen ist einfach, auf grundsätzliches wird auf der Verpackung hingewiesen
(z.B. die richtige Polung, Temperatureinfluß). Bei Akkus ist die richtige Handhabung entscheidend für deren
Lebensdauer. Werden z.B. teilentladene Nickel-Cadmium-Akkus "vorsorglich" wieder aufgeladen, entsteht
leicht ein sogenannter Memory-Effekt, der die Betriebszeit des Akkus ganz erheblich einschränkt und ihn
schließlich unbrauchbar macht. Akkus sollten also möglichst weit entladen und dann wieder voll aufgeladen
werden. Tritt der Memory-Effekt eines Tages doch auf, bieten inzwischen sogenannte Akkuterien ihre
Dienste an. Hier wird der Akku durch Tiefentladung "rekonditioniert". Diese Behandlung lohnt sich für teure
Akku-Packs, die z.B. in Camcordern verwendet werden. Die "Auffrischung" kostet dann einen Bruchteil
(etwa 25%) eines neuen Akkus. Die richtige Wahl des Ladegerätes verhindert ebenfalls das Auftreten des
beschriebenen Effektes. Diese Ladegeräte sind mit einer Entladefunktion und einem Überladungsschutz
ausgestattet und teurer als herkömmliche Ladegeräte. Wer häufig Akkus benutzt und aufladen muß, wird
schnell eine wirtschaftlich lohnende Anschaffung mit solchen Komfort-Ladegeräten machen.
Den Memory-Effekt weisen Nickel-Metall-Hydrid-Akkus nicht auf. Obwohl hier noch keine
Langzeiterfahrungen vorliegen, dürfte die Lebensdauer gegenüber Nickel-Cadmium-Akkus wesentlich
länger sein. Ihr zur Zeit noch höherer Preis wird bei wachsendem Marktanteil mit dem traditioneller Akkus
gleichziehen.
Quelle: W. Baumann und A. Muth, Batterien, a.a.O. 1997, S. 88f
Quelle 3: Auszug aus der „Varta Akku-Fibel“
Kann ich Ni-Cd- einfach gegen Nickelmetallhydridakkus (Ni-MH-Akkus) austauschen?
Ja. Der Umstieg auf die neuere, leistungsstärkere und umweltfreundlichere Ni-MH Technologie ist problemlos möglich und
empfehlenswert. Deshalb bietet Varta Ni-MH-Akkus für alle gängigen Geräte.
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Hintergrund 4 Der „richtige“ Umgang mit Akkumulatoren
Welche Vorteile hat Ni-MH gegenüber Ni-Cd?
Ni-MH speichert - je nach Zellgröße und -art - bis zu 100% mehr Energie als Ni-Cd . Es tritt kein Memory-Effekt auf. Die
Lebensdauer ist aufgrund des weniger häufigen Ladebedarfs länger. Es ist kein Cadmium enthalten
Gibt es auch Vorteile von Ni-Cd?
Ni-Cd-Akkus sind besser geeignet für Anwendungen, die hohe Ströme benötigen (z. B. Videoleuchten) Der innere Widerstand ist bei
hohen Belastungen geringer als bei den Ni-MH-Akkus. Bei tiefen Temperaturen ist der Wirkungsgrad von Ni-Cd-Akkus höher. Sie
sind preiswerter.
Warum stellt ein wiederaufladbarer Akku plötzlich seine Funktion ein?
Die Spannung eines wiederaufladbaren Akkus bleibt während der gesamten Einsatzzeit ziemlich konstant. Wenn er aber leer ist,
verringert sich die Spannung mit einem Mal, und zwar sehr viel schneller als eine alkalische Batteriezelle, deren Entladespannung
kontinuierlich abfällt. Es reicht daher, den wiederaufladbaren Akku wiederaufzuladen.
Zu welchen Geräten passen wiederaufladbare Akkus am besten?
Die wiederaufladbaren Akkus passen gut zu fast allen Geräten, die viel Energie in wenig Zeit benötigen tragbaren Kassetten- und
CD-Geräte, Kofferradios, elektronische Spiele, motorbetriebenes Spielzeug, verschiedene Haushaltsgeräte, professionelle
Fotoapparate u.a. Die wiederaufladbaren Akkus sind nicht empfehlenswert, wenn man das Gerät nicht oft benutzt (z. B.
Personenwaage), oder wenn der Akku über längere Zeit permanent Spannung liefern soll (z.B. elektrische Wanduhr). Aufgrund der
Selbstentladung von Akkus (80 % in drei Monaten) ist hier der Einsatz einer Primärzelle vorzuziehen
Wie pflegt man einen Akku?
Das hängt vorn System ab. Ein Ni-Cd-Akku muß z B vor jedem Laden immer gründlich entladen werden. Dazu verwendet man am
besten ein Ladegerät mit Entladefunktion Allen Akkus tut gelegentliches „Zykeln" gut. Dabei werden die Akkus mehrmals
hintereinander völlig entladen und wieder aufgeladen. Dadurch wird die durch Memory-Effekt und Lazy Battery-Effekt
eingeschränkte Leistungsfähigkeit wiederhergestellt.
Kann man beim Aufladen etwas falsch machen?
Allerdings. Aufladen in minderwertigen Ladegeräten ohne Ladekontrolle und Abschaltung kann Ihre Akkus zerstören oder in der
Kapazität beeinträchtigen.
Können Akkus wirklich 1000mal wiederaufgeladen werden?
Ja. Jedoch meist nur unter Laborbedingungen, die in der Realität oft nicht erreicht werden können.
Wie lange darf ich meine Akkus im Ladegerät lassen?
Bei modernen, elektronisch gesteuerten Ladegeräten besteht keine Gefahr, wenn Sie die Akkus z. B über mehrere Tage im Gerät
lassen. Sie schalten bei Volladung ab oder schalten auf eine geringe Erhaltungsstromstärke um. In einem Ladegerät ohne
zuverlässige Abschaltung können die Akkus beschädigt oder zerstört werden, wenn sie nicht rechtzeitig herausgenommen werden
Spielt die Umgebungstemperatur beim Laden eine Rolle?
Ja. Akkus sollten idealerweise bei Raumtemperatur geladen werden. Wir empfehlen den Temperaturbereich von 15 bis 30°C
einzuhalten.
Wie merke ich, daß mein Akku bald geladen werden muß?
Bei Geräten mit Ladeanzeigen, z B. bei den meisten Handys, ist das kein Problem. Ohne Ladeanzeige gibt es jedoch keinen Hinweis
auf das Erreichen der sogenannten Geräteabschaltspannung, bei der Ihr Gerät den Betrieb einstellt. Akkus geben ihre Leistung im
Gegensatz zu Batterien über die gesamte Entladezeit gleichmäßig ab, sind dann aber ziemlich plötzlich „am Ende“. Es empfiehlt sich
also, immer einen zweiten, geladenen Akku griffbereit zu haben
Soll man den Akku bei längerer Nichtbenutzung aus dem Gerät nehmen?
Ja Auch im ausgeschalteten Gerät kann ein geringer Strom fließen, der nach längerer Zeit zu einer Tiefentladung führt, die dem
Akku schadet und ihn im Extremfall zerstört.
Ist der Akku nach einer Tiefentladung kaputt?
Nicht unbedingt. In vielen Fällen kann er durch mehrfaches „Zykeln“ wieder zum Leben erweckt werden.
Was ist eine intelligente Ladeschaltung?
Eine intelligente Ladeschaltung erkennt präzise das Ladeende und schaltet auf Erhaltungsladung um.
Wie hoch ist die Selbstentladung eines Akkus?
In der Regel verlieren Akkus innerhalb von drei Monaten etwa 80 % ihrer Ladung. Die Selbstentladung hängt von der
Umgebungstemperatur ab Je höher die Temperatur, desto größer ist die Selbstentladung über die Zeit.
Soll ich einen verbrauchten Akku in den Hausmüll werfen?
Nein Nickel-Cadmium- und Bleiakkumulatoren sollen zum Händler oder zu kommunalen Sammelstellen, alle anderen Akkus zu den
kommunalen Sammelstellen gebracht werden
Vgl.: VARTA AG (Hrsg.), Die Varta Akku-Fibel, Alles über Akkus, 11/97, S. 40-49
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Hintergrund 4 Der „richtige“ Umgang mit Akkumulatoren
Quelle 4: Information des Südwestfunks (aus dem Internet)
Batterien und Akkus
Wegwerfen verboten
Vom 1. Oktober 1998 an muß der Handel alle von ihm verkauften Batterien nach Gebrauch
unentgeltlich zurücknehmen. Das klingt sehr gut, denn schließlich handelt es sich jährlich um rund
850 Millionen Stück.
• Pfand für Autobatterie
Keine Rücksicht auf die Umwelt. Die Autobatterie einfach in der Umwelt zu entsorgen, kann sich
rächen. Denn mit der Autobatterie ist es bald wie bei einem Sprudelkasten: für verbrauchtes
Leergut gibt es künftig Pfand. So mancher wird sich noch wundern. Wer dann eine neue
Autobatterie kauft und keine „gebrauchte“ dafür abliefert, muß bezahlen. Ab 1. Oktober 1998 zahlt
der Kunde 15.- DM Pfand.
Viele Händler geben zusätzlich einen Wertbon aus, den der Kunde bei Rückgabe vorlegen muß.
• Rückgabe auch bei kleinen Batterien
Doch es geht auch ohne Pfand voran. Auch wer kleinere Batterien verbraucht, etwa für Spielzeug
oder zum Fotografieren, muß die Zellen künftig zurückgeben. Bisher war es erlaubt, Batterien in
den normalen Hausmüll zu werfen. So darf es aber ab Oktober 1998 nicht mehr laufen. Batterien,
die unsortiert im Hausmüll landen sind Gift für die Umwelt!
Und der Handel muß jetzt fleißig sammeln. Viele Geschäfte sind darauf schon eingestellt. Was
bisher freiwillig war, wird jetzt Pflicht. Ob Knopfzelle, Akku oder Normalbatterie spielt keine Rolle
mehr.
Vorteil für den Kunden:
Er muß nicht vorsortieren.
Verbrauchte Zellen kann er aber auch weiter zu kommunalen Sammelstellen bringen.
Keine Ausreden mehr. Auch der Umweltrowdy kann es streßfrei haben. Einfach den alten Müll
beim nächsten Batteriekauf mitbringen. Denn verbrauchte Batterien sollten ab in die Kiste!
(Sendedatum: 7. September 1998)
SÜDWESTRUNDFUNK
Infomarkt
Postfach 10 60 40
70049 Stuttgart
Email: infomarkt@swr-online.de © SWR 1999
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