Bleiakku

Der Blei-Säure-Akku ist eines der ältesten Sekundärelemente. Die heutigen Bleiakkus basieren auf dem Bleiakku, welcher 1859 von Gaston Planté entwickelt wurde. Verwendet wird dieser unter anderem in Kommunikationsgeräten, Elektrowerkzeugen, Kraftfahrzeugen und Notbeleuchtungssystemen. Die breite Verwendung dieser Akkus ist auf ihren niedrigen Preis zurückzuführen.

Bleiakku – Aufbau

Bleiakkus bestehen aus mehreren Einzelzellen, die in Reihe geschaltet sind. Jede Einzelzelle besteht aus einer positiven Elektrode aus Bleidioxid und einer negativen Elektrode aus porösem Blei. Als Elektrolyt dient bei dem Blei-Säure-Akku die Schwefelsäure. Daher wird für den Akku ein säurebeständiges Gehäuse benötigt. Je nach Bleiakku liegt der Elektrolyt als Lösung oder als Gel vor.

Als letzte Komponente für den Akku wird ein Separator zwischen den Elektroden gebraucht, damit es zu keinen Kurzschlüssen kommt. Diese besteht aus mikroporösem Kunststoff (z. B. PVC).

Abb.1: Schema einer Einzelzelle des BleiakkusQuelle: Eigenes Werk

Bleiakku – Funktionsweise

Im folgenden Abschnitt werden Dir die Funktionsweisen des Bleiakkus während des Entlade- und Ladeprozesses genauer erklärt.

Die Redoxreaktion im Akku während des Entladeprozesses

Der Entladeprozess des Akkus basiert auf eine spontanen Redoxreaktion, bei dem die chemische Energie, die im Blei, Bleidioxid, sowie der Schwefelsäure gespeichert ist, in elektrische Energie umgewandelt wird. Somit handelt es sich bei dem Bleiakku um ein galvanisches Element. Während des Entladens wird die negative Elektrode, die Anode, des Akkus oxidiert, wobei zwei Elektronen pro Bleiatom über den externen Stromleiter zur positiven Elektrode, der Kathode, des Akkus wandern und diese reduzieren.

Die chemische Gleichung der Oxidation der negativen Elektrode im Akku

Oxidation an der Anode im Akku:

$\mathrm{Pb}\to {\mathrm{Pb}}^{2+}+2{\mathrm{e}}^{-}$

Die Bleiionen im Akku reagieren mit den Sulfationen der Schwefelsäure zu Bleisulfat. Dieses Bleisulfat lagert sich an die Anode des Akkus an.

${\mathrm{Pb}}^{2+}+{\mathrm{SO}}_4^{2-}\to {\mathrm{PbSO}}_4$

Die chemische Gleichung der Reduktion der positiven Elektrode im Akku

Reduktion an der Kathode im Akku:

${\mathrm{PbO}}_2+4{\mathrm{H}}^{+}+2{\mathrm{e}}^{-}\to {\mathrm{Pb}}^{2+}+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Die Bleiionen reagieren mit den Sulfationen des Elektrolyts zu Bleisulfat. Dieses lagert sich an die Kathode des Akkus an.

${\mathrm{Pb}}^{2+}+{\mathrm{SO}}_4^{2-}\to {\mathrm{PbSO}}_4$

Die Gesamtreaktion des Entladeprozesses im Akku

$\mathrm{Pb}+{\mathrm{PbO}}_2+4{\mathrm{H}}^{+}+2{\mathrm{SO}}_4^{2-}\to 2{\mathrm{PbSO}}_4+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Die Redoxreaktion im Akku während des Ladeprozesses

Beim Aufladen des Akkus wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und gespeichert. Dabei handelt es sich sozusagen um einen Elektrolyseprozess. Durch die Aufladbarkeit unterscheidet sich der Bleiakku von einfachen Batterien und somit ist der Bleiakku ein sekundäres galvanisches Element. Beim Ladeprozess wandern nun Elektronen über das Ladegerät in die negative Elektrode, die jetzt die Kathode ist. Hier kommt es zur Reduktion von Bleisulfat zu Blei.

An der positiven Elektrode, der Anode, des Akkus werden durch das Ladegerät Elektronen entzogen. Das Blei im Bleisulfat dieser Elektrode wird durch Wasser oxidiert, wobei Bleidioxid entsteht.

Die chemischen Gleichungen der Redoxreaktion im Akku

Reduktion an der negativen Elektrode im Akku:

${\mathrm{PbSO}}_4+2{\mathrm{e}}^{-}\to \mathrm{Pb}+{\mathrm{SO}}_4^{2-}$

Oxidation an der positiven Elektrode im Akku:

${\mathrm{PbSO}}_4+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to {\mathrm{PbO}}_2+4{\mathrm{H}}^{+}+{\mathrm{SO}}_4^{2-}+2{\mathrm{e}}^{-}$

Die Gesamtreaktion des Ladeprozesses im Akku

$2{\mathrm{PbSO}}_4+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to \mathrm{Pb}+{\mathrm{PbO}}_2+4{\mathrm{H}}^{+}+2{\mathrm{SO}}_4^{2-}$

Mit den beiden Gesamtreaktionen des Lade- und Entladeprozesses kann man nun folgende Gesamtreaktion für einen Lade- und Entladezyklus des Akkus aufstellen:

$\mathrm{Pb}+{\mathrm{PbO}}_2+2{\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4\rightleftarrows 2{\mathrm{PbSO}}_4+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Die Reaktion nach rechts ist dabei der Prozess während der Entladung und die Reaktion nach links ist der Prozess des Aufladens.

Bleiakku – Tiefentladung und Überladung

Alles über die Tiefenentladung sowie die Überladung bei Bleiakkus erfährst Du im folgenden Abschnitt.

Die Überladung des Bleiakkus

Wenn der Akku vollgeladen ist und die Elektrodenmaterialien wieder hergestellt sind, übersteigt die Zellspannung durch weiteres Aufladen die Gasungsspannung, wodurch die Überladungsreaktion beginnt.

Dabei wird im Akku an der negativen Elektrode Wasserstoff und an der positiven Elektrode Sauerstoff gebildet. Dieser Prozess nennt sich Gasung. Da es sich bei dem Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch um Knallgas handelt, kann es durch z.B. Funken zu einer Explosion kommen.

Negative Elektrode des Akkus: $2{\mathrm{H}}^{+}+2{\mathrm{e}}^{-}\to {\mathrm{H}}_2$

Positive Elektrode des Akkus: ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to \frac{1}{2}{\mathrm{O}}_2+2{\mathrm{H}}^{+}$

Sicherheitsvorkehrungen in wartungsfreien VRLA-Akkus

Bei diesen Akkus gibt es zwei Bauarten. Eines sind die offenen Zellen und das andere sind die verschlossenen sogenannten VRLA-Akkus (valve-regulated lead-acid battery). Die VRLA-Akkus funktionieren nach dem Prinzip der Sauerstoffrekombination.

Der Sauerstoff, der an der positiven Elektrode des Akkus gebildet wird, kann bei dieser Bauart zur negativen Elektrode diffundieren, wo er in Gegenwart der Schwefelsäure zu Wasser reagiert. Das nennt man internen Sauerstoffkreislauf.

$$\begin{gathered} \mathrm{Pb}+\frac{1}{2}{\mathrm{O}}_2+{\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4\to {\mathrm{PbSO}}_4+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} \\ {\mathrm{PbSO}}_4+2{\mathrm{H}}^{+}+2{\mathrm{e}}^{-}\to \mathrm{Pb}+{\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4 \end{gathered}$$

Weitere Aspekte der VRLA-Akkus

Des Weiteren besitzen VRLA-Akkus, wie der Name impliziert, ein Überdruckventil, welches bei erhöhtem Druck öffnet und die Zelle in den Entgasungskanal entgast. Hier wird der Elektrolyt gebunden in Glasfasermatten (AGM) oder als Gel eingesetzt.

Die offenen Zellen

Neben den VRLA-Akkus gibt es auch die sogenannten gefluteten bzw. offenen Zellen. Hier wird der Elektrolyt bis über die Elektrodenplatten gefüllt. Die einzelnen Zellen sind durch einen Verschlussstopfen geschlossen.

Hier können die Gase entweichen, wodurch es zwar bei Überladung zu keinem Druckanstieg kommt, allerdings entweichen so Elektrolytkomponenten. Daher muss man in diese Zellen regelmäßig destilliertes Wasser nachfüllen und darf sie außerdem nur aufrecht betreiben, damit der Elektrolyt nicht ausläuft.

Die Tiefentladung des Bleiakkus

Wenn Akkus unter die Entladeschlussspannung (hier: 1,8 V) hinaus entladen wird, tritt die Tiefentladung ein. Bei einer Tiefentladung von Bleiakkus kommt es zur Sulfatierung. Dabei bilden sich Bleisulfat-Kristalle an den Elektroden, wodurch die Oberfläche der Elektroden verringert wird. Damit geht auch eine schlechtere Reaktionsfähigkeit einher.

Schwere Tiefentladung

Bei einer schweren Tiefentladung kann das Bleisulfat in Lösung gehen. Wenn man nun den Akku wieder auflädt, wandeln sich das Wasser und die Sulfationen im Bleisulfat in Schwefelsäure um und es bildet sich ein Bleiniederschlag im Separator. Das kann zu Kurzschlüssen und infolgedessen zum Ausfall der Zelle führen.

Bleiakku – Verwendung

Am häufigsten werden Bleiakkus als Starterbatterie für das Starten, Beleuchten und Zünden von Autos und anderen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren verwendet und werden daher auch SLI-Batterie bezeichnet (starting, lighting and ignition).

Auch werden diese Akkus als sogenannte Traktionsbatterien (Antriebsbatterien) in älteren oder preiswerteren Elektrofahrzeugen eingesetzt. Weitere Anwendungsbeispiele sind die Verwendung von Bleiakkus als Pufferbatterien bei Notstromversorgung, Notbeleuchtung und Alarmanlagen.

Bleiakku Vor- und Nachteile

*vgl. eine Autobatterie von 12 V mit einer Kapazität von 90 Ah hat eine Energie von 1,08 kWh.