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.

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Inhaltsangabe

    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).

    Bleiakku Einzelzelle Aufbau StudySmarterAbb.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.

    Anode:

    • An der Anode findet die Oxidation einer Redoxreaktion statt.
    • Bei der Elektrolyse am Pluspol angeschlossen.
    • Bei der galvanischen Zelle der Minuspol (OMA-Regel).

    Kathode:

    • An der Kathode findet die Reduktion einer Redoxreaktion statt.
    • Bei der Elektrolyse am Minuspol angeschlossen.
    • Bei der galvanischen Zelle der Pluspol.

    Galvanische Zellen: OMA = Oxidation, Minuspol, AnodeBei der Elektrolyse werden nur die Pole getauscht, der Rest bleibt gleich!

    Die chemische Gleichung der Oxidation der negativen Elektrode im Akku

    Oxidation an der Anode im Akku:

    Pb Pb2+ + 2 e-

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

    Pb2+ + SO42- PbSO4

    Die chemische Gleichung der Reduktion der positiven Elektrode im Akku

    Reduktion an der Kathode im Akku:

    PbO2 + 4 H+ + 2 e- Pb2+ + 2 H2O

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

    Pb2+ + SO42- PbSO4

    Die Gesamtreaktion des Entladeprozesses im Akku

    Pb + PbO2 + 4 H+ + 2 SO42- 2 PbSO4 + 2 H2O

    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:

    PbSO4 + 2 e- Pb + SO42-

    Oxidation an der positiven Elektrode im Akku:

    PbSO4 + 2 H2O PbO2 + 4 H+ + SO42- + 2 e-

    Die Gesamtreaktion des Ladeprozesses im Akku

    2 PbSO4 + 2 H2O Pb + PbO2 + 4 H+ + 2 SO42-

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

    Pb + PbO2 + 2 H2SO4 2 PbSO4 + 2 H2O

    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 H+ + 2 e- H2

    Positive Elektrode des Akkus: H2O 12 O2 + 2 H+

    Die Gasungsspannung ist die Spannung, bei dem Wasser elektrolytisch in Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt wird. Beim Bleiakku beträgt diese Spannung etwa 2,39 V pro Zelle. Bei einem Akku von 12 Volt hat man 6 Zellen. Damit ergibt sich eine Gasungsspannung von etwa 14,4 Volt.

    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.

    Pb + 12 O2 + H2SO4 PbSO4 + H2OPbSO4 + 2 H+ + 2 e- Pb + H2SO4

    Beim internen Sauerstoffkreislauf entlädt sich der Sauerstoff chemisch an der negativen Elektrode. Dadurch verschiebt sich das Potential zu einem positiveren Wert, wodurch die Bildungsrate von Wasserstoff sinkt.

    Da die negative Elektrode gleichzeitig aufgeladen wird, wird das Entladungsprodukt sofort elektrochemisch zu Blei reduziert und das chemische Gleichgewicht der Zelle ist wiederhergestellt.

    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.

    Pufferbatterien sind Ersatzenergiequellen für den Fall, dass die Hauptstromversorgung ausfällt.

    Bleiakku Vor- und Nachteile

    Vorteile des AkkusNachteile des Akkus
    • Kostengünstiges Sekundärelement (ca. 240 € pro kWh*)
    • Verfügbar in großen Mengen und in verschiedenen Größen und Modellen
    • gute Leistung bei niedrigen und hohen Temperaturen
    • Wirkungsgrad von über 70 %
    • hohe Zellspannung (ca. 2 V)
    • leicht zu recyclen
    • hohe Stromstärke in kurzer Zeit
    • geringe Energiedichte (30–40 Wh/kg)
    • lange Lagerungen im entladenen Zustand kann zur irreversiblen Polarisation der Elektroden führen
    • kleine Zellen sind schwer zu produzieren
    • Blei ist giftig und umweltschädlich
    • Selbstentladung

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

    Bleiakku - Das Wichtigste

    • Die positive Elektrode eines Bleiakkus besteht aus Bleidioxid, die negative Elektrode besteht aus porösem Blei
    • Als Elektrolyt wird in diesem Akku Schwefelsäure verwendet
    • Es gibt offene Akkus und VRLA-Akkus
    • Beim Entladen des Akkus wird die negative Elektrode zu Bleisulfat oxidiert, während die positive Elektrode zu Bleisulfat reduziert wird
    • Beim Aufladen des Akkus wird das Bleisulfat der negativen Elektrode zu Blei reduziert, während das Bleisulfat der positiven Elektrode zu Bleidioxid oxidiert wird
    • Verwendet werden diese Akkus vor allem als SLI-Batterien in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren
    Häufig gestellte Fragen zum Thema Bleiakku

    Ist eine Autobatterie ein Bleiakku? 

    Starterbatterien (auch SLI-Batterien) von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren sind Bleiakkus. 

    Kann man einen Bleiakku überladen?

    Beim Übersteigen der Gasungsspannung beginnt die Überladung des Bleiakkus. Dabei bilden sich Wasserstoff und Sauerstoff. 

    Was kostet ein Bleiakku?

    Ein Bleiakku kostet in etwa 240€ pro kWh. 

    Wo wird der Bleiakku verwendet?

    Verwendet werden Bleiakkus am häufigsten als Starterbatterie für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren. Auch als Traktionsbatterien sind sie in älteren oder preiswerten Elektrofahrzeugen zu finden. Zudem kommen sie als Pufferbatterien für Notbeleuchtungssysteme o.ä. zum Einsatz. 

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