Bleiakkumulator

Chemie Bleiakkumulator

Elektrische Zelle

Grunddefinition :

Elektrische Zelle, Vorrichtung zur Umwandlung von chemischer Energie in Elektrizität. Batterien bestehen meist aus flüssigem, pastenartigem oder festem Elektrolyt sowie positiver und negativer Elektrode. Der Elektrolyt ist ein Ionenleiter. Mit einfachen Worten ausgedrückt, zersetzt sich eine der beiden Elektroden unter Elektronenabgabe, während die andere Elektronen aufnimmt. Werden beide Elektroden durch einen elektrischen Leiter verbunden, so fließt ein elektrischer Strom.

Man unterteilt Batterien nach ihrer Funktionsweise in zwei Formen: Primär- oder galvanische Elemente und Akkumulatoren (wiederaufladbare Batterien). Bei den Primärelementen können die chemischen Stoffe, die die Energieumwandlung herbeiführen und sich dabei selbst verändern, nicht wieder zurückgebildet werden. Genau dies gelingt bei Sekundärelementen, wenn man elektrischen Strom in entgegengesetzter Richtung durch sie hindurchleitet.

Die Frühzeit des Bleiakkumulators

Emile Alphonse Faure entwickelte um 1880 ein Verfahren, bei dem beide Seiten eines Bleiblechs mit einer Paste aus Bleipulver und Schwefelsäure bedeckt wurden. Dadurch konnten die Platten bereits nach der ersten

Aufladung, der sogenannten "Formation", eine besonders hohe Kapazität erreichen. Dies war ein wesentlicher Durchbruch, der direkt zur industriellen Herstellung von Bleiakkumulatoren führte. Es entstand eine Reihe von spezialisierten Betrieben, darunter die S. A. La Force et la Lumière, in der William Thomson, der spätere Lord Kelvin of Largs, als Techniker mitarbeitete. Nach ihm wurde die absolute Temperaturskala benannt.

Anfangs dachte man an große Stromspeicher im Netz. So stammt z. B. von W. Thomson ein Plan, die Stadt Buffalo mit Strom von den Niagara-Fällen zu versorgen. Mit 80.000 Volt Spannung sollte dieser erzeugt und nach Buffalo in eine Batterie mit 40.000 Zellen eingespeist werden. Abgriffe über jeweils 50 Zellen sollten die Haushalte mit 100 Volt Netzspannung versorgen.

Die Faure-Zellen, in denen positive und negative Elektroden spiralförmig aufgewickelt waren, erwiesen sich allerdings als wenig haltbar und versagten schon nach wenigen Lade-/Entladezyklen. Daran scheiterten die ersten Versuche zur industriellen Herstellung.

Sellon meldete 1881 ein Verfahren zum Patent an, bei dem die Paste nicht auf ein glattes sondern auf ein perforiertes Blech geschmiert wurde. Er erzielte damit eine wesentlich bessere Haftung als Faure. Als Werkstoff setzte Sellon Antimon-Legierungen ein. Zur gleichen Zeit entwickelte Volkmar ein ähnliches Verfahren, bei dem er ein Bleigitter verwendete. Damit war die Gitterplatte erfunden, die bald in einer Reihe von Varianten erprobt und eingesetzt wurde. Ebenfalls 1881 wurde von C. Brush eine großflächige Bleielektrode mit gerippter Oberfläche zum Patent angemeldet. Diese war der Vorläufer der heute noch üblichen Großoberflächenplatten.

Auch ein anderer Plattentyp, der bis heute eine große Rolle spielt, stand damit zur Verfügung: die Röhrchen- oder Panzerplatte. Bei dieser Plattenkonstruktion liegt im Zentrum eines Röhrchens von (üblicherweise) 8 mm Durchmesser ein Bleistab, der als Stromableiter dient. Die mechanische Stützung des aktiven Materials wird durch eine äußere Hülle erreicht. Zur Stromableitung und zur mechanischen Stabilisierung dienen also verschiedene Bauteile. Resultat dieser Bauform: viele Entlade/Auflade-Zyklen und ein hoher Ausnutzungsgrad des aktiven Materials. Anfangs stellte man die Röhrchen aus geschlitztem Hartgummi

her. Nach dem zweiten Weltkrieg führte man geflochtene Glasfasern, gewebtes Material aus Glas und Kunststoffasern bzw. Gewebe oder Vlies aus reinem Kunststoff (Polyester) als Röhrchenmaterial ein.

Bleiakkumulator (Anwendungsgebiet und Aufbau)

Das Hauptanwendungsgebiet :

des Bleiakkumulators ist die Autobatterie. Ebenso wird diese Zelle auch in Schiffen, Flugzeugen und im Modellbau verwendet.

Der Aufbau :

Flache Platten aus Blei mit einem Überzug aus Bleidioxid, umgeben von 27%iger Schwefelsäure. Die Platten bestehen aus einem leitfähigen Trägermaterial und dem eigentlichen porösen Blei und Bleidioxid. Durch diesen Aufbau kann in kürzester Zeit eine riesige Energiemenge umgesetzt werden (z.B. beim Anlassen eines Autos).

Bleiakkumulator (Chemisch)

Der Bleiakkumlator besteht aus einer Bleianode und einem Gitter aus Blei, das mit Bleidioxid beschichtet ist, als Kathode. Als Elektrolyt dient Schwefelsäure. Das Zellenpotential beträgt etwa 2V und eine Reaktionserwärmung von 348kj; in einer Batterie mit 12V sind sechs Zellen in Serie geschaltet. Die Elektrodenreaktionen im Bleiakkumulator können durch Anlegen einer äußeren Gegenspannung umgekehrt werden, so dass der Akkumulator wieder geladen werden kann. Während der Akkumulator Strom abgibt, wird Schwefelsäure verbraucht, weshalb man aus der Schwefelsäurekonzentration auf den Ladungszustand schließen kann; die Konzentration lässt sich leicht durch Dichtemessung ("Spindeln" mit einem Aräometer) feststellen.

Die Anfangsdichte beträgt 1,16-1,25g/ccm bei 2V, diese kann unkritisch bis auf 1,11-1,22g/ccm bei 1,85V sinken. Falls bei dieser Dichte nicht nachgeladen wird, wird der Akkumulator zerstört. Danach kann er dann keinen Umkehrprozeß (Ladung) mehr aushalten. Die Bleiplatten wurden zerstört.

Bei der Ladung beträgt die Ladespannung 2,1-2,3V. Diese erhöht sich auf bis zu 2,8V, wobei dann Gasentwicklung einsetzt und dies bedeutet, das Wasser zersetzt wird und der Akkumulator vollgeladen ist.

Chemische Prozesse in der Formelschreibweise :

An der Anode : Pb + SO42- => PbSO4 + 2e-

An der Kathode : 2e- + PbO2 + SO42- + 4H+ => PbSO4 + 2H2O

Allgemeiner chemischer Ablaufprozeß :

PbO2 + 2 H2O + Pb 2 PbSO4 + 2H2O

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