Blei-Säure-Batterien – Funktionsweise
Blei-Säure-Batterien sind sekundäre (wiederaufladbare) Batterien, die aus einem Gehäuse, zwei Bleiplatten oder Plattenverbänden, einer als positive und einer als negative Elektrode, sowie einer Füllung aus 37% Schwefelsäure (H2SO4) als Elektrolyt bestehen. Diese Batterien enthalten flüssigen Elektrolyten in einem nicht versiegelten Behälter, was erfordert, dass sie aufrecht gehalten werden und der Bereich gut belüftet ist, um eine sichere Verteilung des Wasserstoffgases zu gewährleisten, das sie während der Überladung produzieren. Blei-Säure-Batterien weisen typischerweise Coulombsche Effizienzen von 85% und Energieeffizienzen in der Größenordnung von 70% auf.
Chemie der Blei-Säure-Batterien
Blei und Bleioxid, die aktiven Materialien auf den Platten der Batterie, reagieren mit Schwefelsäure im Elektrolyt, um Bleisulfat zu bilden. Das Bleisulfat bildet sich zunächst in einem fein verteilten, amorphen Zustand und kehrt leicht zu Blei, Bleioxid und Schwefelsäure zurück, wenn die Batterie aufgeladen wird.
Prinzip der Blei-Säure-Batterie
Das Funktionsprinzip der Blei-Säure-Batterie kann durch die chemischen Prozesse illustriert werden, die während des Ladens und Entladens stattfinden. Während der Entladung findet am Anoden der Prozess Pb + SO42- → PbSO4 + 2e– statt. Blei wird mit dem Elektrolyten zu Bleisulfat oxidiert, wobei zwei Elektronen freigesetzt werden. Bleisulfat bildet sich auch an der Kathode durch: PbO2 + SO42- + 4H+ + 2e– → PbSO4 + 2H2O. In dieser Reaktion findet jedoch eine Reduktion von Bleioxid statt. Das gebildete Bleisulfat lagert sich als Beschichtung auf den Elektroden und in gewissem Maße auch auf dem Boden des Gehäuses ab.
Da Schwefelsäure während des Entladeprozesses verbraucht wird, kann der Ladezustand (SoC) durch Messen der Dichte des Elektrolyten bestimmt werden. Beim Laden laufen die Prozesse in umgekehrter Richtung ab, sodass das während des Entladens gebildete Bleisulfat zu Blei und reduziertem Bleioxid oxidiert wird. Wird das Bleisulfat vollständig verbraucht und der Ladevorgang nicht gestoppt, beginnt die Elektrolyse des Elektrolyten.
Überladung und Gasbildung
Eine Überladung mit hohen Ladespannungen erzeugt Sauerstoff- und Wasserstoffgas durch Elektrolyse von Wasser, das aufsteigt und verloren geht. Versiegelte Batterien haben Katalysatoren (Pd, Pt) über dem Ventil, wo das Knallgas zu Wasser rekombinieren kann. Die resultierende Zellspannung kann aus der galvanischen Reihe abgeleitet werden. Die Gesamtspannung der Redoxreaktion beträgt somit: E0 = 1,68V – (-0,36V) = 2,04V.
