Zusammensetzung von Blei-Säure-Batterien
Blei-Säure-Batterien sind sekundäre (wiederaufladbare) Batterien, die aus einem Gehäuse, zwei Bleiplatten oder Gruppen von Platten bestehen. Eine dieser Platten dient als positive Elektrode, die andere als negative Elektrode. Die Füllung besteht aus 37% Schwefelsäure (H2SO4) als Elektrolyt. Die Batterie enthält flüssigen Elektrolyten in einem nicht versiegelten Behälter, was erfordert, dass sie aufrecht gehalten wird und die Umgebung gut belüftet ist, um eine sichere Zerstreuung des Wasserstoffgases zu gewährleisten, das bei Überladung entsteht.
Blei-Säure-Batterien weisen typischerweise Coulombische Effizienzen von 85% und Energieeffizienzen in der Größenordnung von 70% auf. Blei und Bleidioxid, die aktiven Materialien auf den Platten der Batterie, reagieren mit Schwefelsäure im Elektrolyten, um Bleisulfat zu bilden. Das Bleisulfat bildet sich zunächst in einem fein verteilten, amorphen Zustand und wandelt sich leicht zurück in Blei, Bleidioxid und Schwefelsäure, wenn die Batterie aufgeladen wird.
Eigenschaften und Anwendungen
Die Blei-Säure-Batterie ist relativ schwer für die Menge an elektrischer Energie, die sie liefern kann. Ihre niedrigen Herstellungskosten und ihre hohen Spitzenstromwerte machen sie dort verbreitet, wo ihre Kapazität (über etwa 10 Ah) wichtiger ist als Gewicht und Handhabung. Ein Nachteil dieser Batteriechemie ist ihre hohe Empfindlichkeit gegenüber Tiefentladungen im Vergleich zu anderen Batteriesystemen. Aufgrund der hohen Dichte von Blei ist die spezifische Energie der Batterien recht gering.
Die meisten Blei-Säure-Batterien weltweit sind für das Starten, Beleuchten und Zünden (SLI) von Automobilen vorgesehen, mit geschätzten 320 Millionen Einheiten, die 1999 ausgeliefert wurden. 1992 wurden etwa 3 Millionen Tonnen Blei zur Herstellung von Batterien verwendet. Industrielle Anwendungsfelder für Blei-Säure-Batterien sind als Traktionskraft für Bergbaufahrzeuge, Gabelstapler und als stationäre Energiequellen wie Notstromversorgung (USV) und Signalstationen für Eisenbahnen und Telekommunikation.
Aufbau einer Blei-Säure-Batterie
Die negative Elektrode einer Blei-Säure-Batterie besteht aus schwammigem oder porösem Blei. Das Blei ist porös, um die Bildung und Auflösung von Blei zu erleichtern. Die positive Elektrode besteht aus Bleioxid. Beide Elektroden sind in einer elektrolytischen Lösung aus Schwefelsäure und Wasser eingetaucht. Falls die Elektroden durch physische Bewegungen der Batterie oder Änderungen in der Dicke der Elektroden miteinander in Kontakt kommen, trennt eine elektrisch isolierende, aber chemisch durchlässige Membran die beiden Elektroden. Diese Membran verhindert auch einen elektrischen Kurzschluss durch den Elektrolyten.
Die Nennspannung einer Zelle beträgt etwa 2 V, aber die Spannung variiert zwischen etwa 1,75 V und 2,4 V, abhängig vom Ladezustand (SoC) und dem Lade- oder Entladestrom. Blei-Säure-Batterien können hohe Ströme über kurze Zeiträume liefern und haben eine hohe Leistungsdichte. Blei-Säure-Batterien können eine recht lange Lebensdauer von mehreren Jahren erreichen. Jedoch ist die Spannungsregulierung hierbei entscheidend. Insbesondere in Autos als Starterbatterie ist dies oft unzureichend genau, so dass nur 2 bis 4 Jahre Nutzung typisch sind. Antriebsbatterien oder Speicherbatterien können eine Lebensdauer von 5 bis 15 Jahren erreichen, abhängig von Qualität und Beanspruchung. Diese Batterien unterscheiden sich jedoch erheblich von Autobatterien. Wenn Blei-Säure-Batterien gleicher Kapazität und Größe, aber unterschiedlichen Gewichts vorliegen, hält in der Regel die schwerere Batterie länger, da die Bleirahmen stärker sind. Die Leistungsbewertung bei Neu ist davon nicht direkt betroffen, da eine schwächere Bleistruktur auch mit einer großen aktiven Oberfläche gestaltet werden kann.
Das Altern von Blei-Säure-Batterien wird hauptsächlich durch interne Korrosion der Bleistruktur der Elektroden, die Bildung feiner Kurzschlüsse und durch Sulfatierung des Bleis verursacht.
