Bleiakkus

Quelle: VARTA

Aufbau

Stromableiter bestehen aus Reinblei oder Bleilegierungen
- Aufbau meist als Gitterplatte oder Panzerplatte
- Reinblei ist weich, und kann deswegen nur in gewicktlten Zellen verwendet werden. Der Vorteil ist die gute Korrosionsbeständigkeit. Allerdings kann an der positiven Elektrode eine Passivierungsschicht entstehen, welche den Kontakt zum Aktivmaterial verschlechtert. Die Zyklenfestigkeit des Positiven Gitters ist sehr schlecht.
- Bleilegierungen
  - Blei-Antimon: erhöhung der mechanischen Stabilität, verbesserung der Zyklenlebensdauer, höherer Wasserverbrauche, nicht für verschlossene Batterien geeignet.
  - Blei-Zinn: Verbessert die Eigenschaften als positives Gitter. Ladbarkeit nimmt zu, Korrosion und Passivierung wurd reduziert. Ab 0.8% Zinn nimmt die Korrosion wieder zu.
  - Blei-Calcium-Zinn: Calcium hat nur in der Produktion einen Vorteil, da die Legierung beim Gießen schneller aushärtet. Calcium verschlechtert allerdings die Korrosionseigenschaften, was durch Zugabe von etwa 1.2% Zinn wieder ausgeglichen wird.
Negative Elektrode (Anode) besteht aus Blei
- zur erhöhung der Leitfähigkeit wir das Aktivmaterial mit bis zu 3% Kohlenstoff versetzt.
- Additive (Lignin) zur erhöhung der Porösität und stabilisierung der porösen Struktur bei der Zyklisierung -> Expander
Positive Elektrode (Kathode) besteht aus Bleidioxid
- zumischung von Fasern die für die poröse Struktur sorgen.
Elektrolyt ist verdünnte Schwefelsäure
- Das Elektrolyt ist an der Hauptreaktion beteiligt, deswegen ändert sich die Konzentration mit dem Ladestand.
- Die Säurekonzentration ist mit geringem Ladestand kleiner, was den Gefrierpunkt angebt und die Kaltstarteigenschaften verschlechtert.
- Die Benötigte Menge an Elektrolyt ist durch die Bleikapazität festgelegt.
- bei verschlossen Akkus wird das Elektrolyt in Vlies oder Gel gebunden.
  - Gaskanäle gewährleisten den Sauerstoffkreislauf.
Separator
- hohe Ionenleitfähigkeit
- feine Poren um das Wachstum von Dentriten (Metallische Auswüchse die zu Kurzschlüssen führen könne) zu hemmen.

Reaktionenn

Lade- / Entladereaktion

Entladereaktionen Negativer Pol:

Pb + SO₄^2- -> PbSO₄ + 2e^-

Positiver Pol:

PbO₂ + SO₄^2- + 4 H₃O⁺ + 2e^- -> PbSO₄ + 6H₂O

Beim Laden laufen die Vorgänge in Gegenrichtung ab.

Die Gesamtreaktion:

Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄ -> 2PbSO₄ + 2H₂O + elektrische Energie

Nach rechts findet unter Energieabgabe die Entladung des Bleiakkus statt, nach links unter Energiezufuhr die Aufladung.

Aus der elektrochemischen Spannungsreihe kann man nun die Potentialdifferenz, also letztlich die elektrische Spannung, die entsteht, berechnen.

Pb + SO₄^2- -> PbSO₄ + 2e^- | -0,36V PbO₂ + SO₄^2- + 4H₃O⁺ + 2e^- -> PbSO₄ + 6H₂O | +1,67V E⁰_Ges = 1,68V - (-0,36V) = 2,04V

Selbstentladung:

2PbO₂ + 2H₂SO₄ -> 2PbSO₄ + 2H₂O + O₂

Alterung

Mechanismus	Beschreibung	Folge	Ursachen
Korrosion des positiven Ableiters	durch eletrochemische oxidation beim Laden und der Wechselwirkung zwischen Ableiter und Aktivmaterial korrodiert das Ableiter-Gitter.	- ohmscher Widerstand nimmt zu - Ableiter bricht - schlechter Kontakt zwischen Ableiter und Aktivmasse	- hohe Ladesannung - hohe Temperatur - geringe Säuredichte - Säureschichtung
Erweichung der Aktivmasse	Durch mechanischen Stress in der Aktivmasse kommt es zum Verlust an elektrischer und mechanischer Kontaktierung	- Ausfall der Aktivmasse - Abschlammung - Kapazitätsberlust - Kurzschluss	- mechanischer Stress beim Zyklisieren - hohe Stromdichten beim Entladen - hohe Ladespannungen und somit starke Gasung - Tiefentladung und Umpolung - Säureschichtung
Sulfation der positiven und negativen Platte	Es bilden sich große Bleisulfatkristalle die sich auch durch längeres Laden nicht mehr umwandeln lassen	- Kapazitätsverlust - Erhöhung des Innenwiderstands - Verringerung der Säuredichte	- lange Standzeiten - Tiefentladung - unzureichendes laden - Säureschichtung
Verbleiung der positiven und negativen Platte	Verlust der Expander in der negativen Aktivmasse; dadurch verdichtet sich das aktive Material, die zur Verfügung stehende Oberfläche verringert sich.	Veringerung der Kapazität	- hoher Ladungsdurchsatz - hohe Temperaturen - häufig und starkes Gasen - Umpolung der Zelle
Gitterwachstum	Die Korrosionsprodukte nehmen größeres Volumen als die Ausgangsprodukte ein.	kurzschluss zwischen den Platten	- Alle Ursachen der Korrosion - ungünstige Gitterlegierungen
Dentritenwachstum	Dentriten enstehen immer dann, wenn nicht genug Kristallisationskeime zur Verfügung stehen oder wenn die Löslichkeit von Bleisulfat sehr hoch ist.	- kurzschluss zwischen den Platten - Abschlammung	- hohe Stromdichte beim Entladen - Tiefentladung - Säureschichtung
zerstörung des Separators	durch die mechanische beanspruchung und die zersetzung des Separators erfolgt dessen Zersetzung.	Kurzschluss	- Gitterwachstum - Dentritenwachstum - Oxidation des Separators

Optimaler Betrieb von Bleiakkus

Zur Erzielung möglichst langer Lebensdauern ist folgendes zu beachten:

Bleibatterien dürfen nur so tief wie nötg entladen werden.
Vor dem Laden sollten Bleibatterien nicht erst vollständig entladen werden.
Nach dem Entladen sollten Bleibatterien so schnell wie möglich wieder aufgeladen werden.
Bei Zyklischem Betrieb und mittleren Ladestäden ist eine regelmäßige Volladung sinnvoll.
Die Lebensdauer steigt mit sinkender Temperatur. Ab -5°C kann allerdings das Elektrolyt einfrieren.
Die Lagerung sollte immer im voll geladenen Zustand erfolgen. Eine regelmäßige Nachladung ist alle 3-6 Monate abhängig von der Lagertemperatur nötig.

Eigenschaften von Bleiakkus

Grundlegende Eigenschaften

Zellspannung: ca. 2V
theoretische Spezifische Energie: ca. 161 Wh/kg
- Verluste: (35% begrenzte Aktivmassenutzung, 14% Säureverdünnung, 13% Säureüberschuss, 14% Stromableiter, 5% Gehäuse etc.)
praktische Spezifische Energie: ca. 35 Wh/kg
Spezifische Leistung: 100-200 W/kg (kurzzeitig bis zu 1000 W/kg)
Preis: ca. 50 €/kWh

Vorteile

Hohe Zellspannung
Hohe Sicherheit auch bei flascher Verwendung
Hohe Lebensdauer möglich (insbesondere im Erhaltungsladungsbetrieb)
Recycling einfach möglich

Nachteile

geringe spezifische Energie
geringe Zyklenfestigkeit
schlechte Lagerfähigkeit

Anwendungsbereiche von Bleiakkus

Traktionsanwendungen wie z.B. Gabelstapler (Blei-Antimon wegen guter Zyklenfestigekeit mit dem Nachteil der generellen Alterung)
Starterbatterien
USV-Batterien und Alarmanlagen (Erhaltungsladung)