Wie funktioniert die Blei-Säure-Batterie? | DE

Erfunden vom französischen Arzt Gaston Planté im Jahr 1859 war die Blei-Säure-Batterie die erste wiederaufladbare Batterie für den kommerziellen Gebrauch. Trotz ihres fortgeschrittenen Alters wird die Blei-Chemie heute immer noch weit verbreitet eingesetzt. Es gibt gute Gründe für ihre Beliebtheit; Blei-Säure ist zuverlässig und kostengünstig im Verhältnis zur Leistung pro Watt. Es gibt nur wenige andere Batterien, die Bulk-Leistung so preiswert liefern wie Blei-Säure, und das macht die Batterie kostengünstig für Automobile, Golfwagen, Gabelstapler, Marine- und unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV).

Die Gitterstruktur der Blei-Säure-Batterie besteht aus einer Bleilegierung. Reines Blei ist zu weich und würde sich nicht selbst tragen, daher werden kleine Mengen anderer Metalle hinzugefügt, um die mechanische Festigkeit zu erhalten und die elektrischen Eigenschaften zu verbessern. Die häufigsten Zusätze sind Antimon, Calcium, Zinn und Selen. Diese Batterien sind oft als "Blei-Antimon" und "Blei-Calcium" bekannt.

Die Zugabe von Antimon und Zinn verbessert das Tiefentladen, erhöht jedoch den Wasserverbrauch und verstärkt die Notwendigkeit der Ausgleichsladung. Calcium reduziert die Selbstentladung, aber die positive Blei-Calcium-Platte hat den Nebeneffekt des Wachstums aufgrund der Gitteroxidation bei Überladung. Moderne Blei-Säure-Batterien verwenden auch Dotiermittel wie Selen, Cadmium, Zinn und Arsen, um den Antimon- und Calciumgehalt zu senken.

Blei-Säure ist schwer und weniger langlebig als Nickel- und Lithium-basierte Systeme bei tiefen Zyklen. Eine vollständige Entladung verursacht Belastungen, und jeder Entladungs-/Ladezyklus beraubt die Batterie dauerhaft einer kleinen Menge Kapazität. Dieser Verlust ist gering, solange die Batterie in gutem Betriebszustand ist, aber das Verblassen nimmt zu, sobald die Leistung auf die Hälfte der nominalen Kapazität abfällt. Diese Verschleißcharakteristik trifft in unterschiedlichem Maße auf alle Batterien zu.

Je nach Tiefe der Entladung bietet Blei-Säure für Anwendungen mit tiefem Zyklus 200 bis 300 Entladungs-/Ladezyklen. Die Hauptgründe für ihre relativ kurze Lebensdauer sind die Gitterkorrosion auf der positiven Elektrode, die Erschöpfung des aktiven Materials und die Ausdehnung der positiven Platten. Dieses Alterungsphänomen wird bei erhöhten Betriebstemperaturen und bei hohen Entladeströmen beschleunigt.

Das Laden einer Blei-Säure-Batterie ist einfach, aber die richtigen Spannungsgrenzen müssen beachtet werden. Die Auswahl einer niedrigen Spannungsgrenze schützt die Batterie, führt jedoch zu schlechter Leistung und verursacht eine Ansammlung von Sulfatierung auf der negativen Platte. Eine hohe Spannungsgrenze verbessert die Leistung, führt jedoch zu einer Gitterkorrosion auf der positiven Platte. Obwohl Sulfatierung rückgängig gemacht werden kann, wenn rechtzeitig gewartet wird, ist Korrosion dauerhaft.

Blei-Säure eignet sich nicht für schnelles Laden, und bei den meisten Typen dauert eine volle Ladung 14-16 Stunden. Die Batterie muss immer in vollständig aufgeladenem Zustand gelagert werden. Eine niedrige Ladung verursacht Sulfatierung, eine Bedingung, die der Batterie Leistung entzieht. Die Zugabe von Kohlenstoff auf der negativen Elektrode reduziert dieses Problem, senkt jedoch die spezifische Energie.

Blei-Säure hat eine moderate Lebensdauer, ist jedoch nicht dem Memory-Effekt von Nickel-basierten Systemen unterworfen, und die Ladungsrückhaltung ist am besten unter den wiederaufladbaren Batterien. Während NiCd ungefähr 40 Prozent ihrer gespeicherten Energie in drei Monaten verliert, entlädt sich Blei-Säure in einem Jahr um die gleiche Menge. Die Blei-Säure-Batterie funktioniert gut bei kalten Temperaturen und ist Lithium-Ionen überlegen, wenn sie bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt betrieben wird. Laut RWTH, Aachen, Deutschland (2018) beträgt der Preis für die geflutete Blei-Säure etwa 150 US-Dollar pro kWh, einer der niedrigsten in Batterien.

Geschlossene Blei-Säure

Die erste geschlossene oder wartungsfreie Blei-Säure entstand Mitte der 1970er Jahre. Ingenieure argumentierten, dass der Begriff "geschlossene Blei-Säure" irreführend sei, weil keine Blei-Säure-Batterie vollständig geschlossen werden könne. Um das Entweichen während stressiger Ladungen und schneller Entladungen zu kontrollieren, wurden Ventile hinzugefügt, die Gase freisetzen, wenn der Druck steigt. Anstatt die Platten in einer Flüssigkeit zu tauchen, wird der Elektrolyt in einem befeuchteten Separator imprägniert, ein Design, das an Nickel- und Lithium-basierte Systeme erinnert. Dies ermöglicht den Betrieb der Batterie in jeder physischen Ausrichtung ohne Leckage.

Die geschlossene Batterie enthält weniger Elektrolyt als der geflutete Typ, daher der Begriff "säurearm". Vielleicht der wichtigste Vorteil von geschlossener Blei-Säure ist die Möglichkeit, Sauerstoff und Wasserstoff zu Wasser zu kombinieren und ein Austrocknen während des Zyklus zu verhindern. Die Rekombination erfolgt bei einem mäßigen Druck von 0,14 bar (2 psi). Das Ventil dient als Sicherheitsventil, wenn sich der Gasdruck erhöht. Wiederholtes Entlüften sollte vermieden werden, da dies letztendlich zu Austrocknung führt. Laut RWTH, Aachen, Deutschland (2018) beträgt der Preis für VRLA etwa 260 US-Dollar pro kWh.

Mehrere Arten von geschlossener Blei-Säure sind entstanden, und die gebräuchlichsten sind Gel, auch bekannt als ventilgeregelte Blei-Säure (VRLA), und absorbierende Glasmatte (AGM). Die Gelzelle enthält ein Gel aus Kieselsäure, das den Elektrolyten in einer Paste suspendiert. Kleinere Packs mit Kapazitäten von bis zu 30 Ah werden oft als SLA (geschlossene Blei-Säure) bezeichnet. Diese Batterien werden in einem Kunststoffbehälter geliefert und werden für kleine USVs, Notbeleuchtung und Rollstühle verwendet. Aufgrund des niedrigen Preises, des zuverlässigen Service und der geringen Wartung bleibt die SLA die bevorzugte Wahl für die Gesundheitsversorgung in Krankenhäusern und Pflegeheimen. Die größere VRLA wird als Stromreserve für Mobilfunktürme, Internet-Hubs, Banken, Krankenhäuser, Flughäfen und mehr verwendet.

Das AGM suspendiert den Elektrolyten in einer speziell gestalteten Glasmatte. Dies bietet mehrere Vorteile gegenüber Blei-Säure-Systemen, einschließlich schnellerer Ladung und sofortiger hoher Lastströme auf Abruf. AGM funktioniert am besten als Batterie im mittleren Bereich mit Kapazitäten von 30 bis 100 Ah und eignet sich weniger für große Systeme wie USVs. Typische Anwendungen sind Starterbatterien für Motorräder, Start-Stopp-Funktion für Mikrohybridautos sowie Marine- und Wohnmobile, die einige Zyklen benötigen.

Mit Zyklus und Alter nimmt die Kapazität von AGM allmählich ab; Gel hingegen hat eine kuppelförmige Leistungskurve und bleibt länger im Bereich hoher Leistung, fällt dann aber am Ende des Lebenszyklus plötzlich ab. AGM ist teurer als geflutet, aber billiger als Gel. (Gel wäre für den Start-/Stoppgebrauch in Autos zu teuer.)

Im Gegensatz zum gefluteten Typ ist die geschlossene Blei-Säure-Batterie mit einem niedrigen Überlastpotential konzipiert, um zu verhindern, dass die Batterie während des Ladevorgangs ihr gaserzeugendes Potenzial erreicht. Überschüssiges Laden verursacht Gasbildung, Entlüftung und anschließende Wasserentleerung und Austrocknung. Folglich können Gel und teilweise auch AGM nicht bis zu ihrem vollen Potenzial aufgeladen werden, und die Ladespannungsgrenze muss niedriger als die eines gefluteten Typs eingestellt werden. Dies gilt auch für die Float-Ladung bei voller Ladung. In Bezug auf das Laden sind Gel und AGM keine direkten Ersatzteile für den gefluteten Typ. Wenn kein spezielles Ladegerät für AGM mit niedrigeren Spannungseinstellungen verfügbar ist, trennen Sie das Ladegerät nach 24 Stunden Ladezeit. Dies verhindert die Gasbildung aufgrund einer zu hohen Schwimmspannung.

Die optimale Betriebstemperatur für eine VRLA-Batterie beträgt 25°C (77°F); Jeder 8°C (15°F) Anstieg über diesen Temperaturschwellenwert halbiert die Batterielebensdauer. Blei-Säure-Batterien sind bei einer Entladerate von 5 Stunden (0,2C) und 20 Stunden (0,05C) bewertet. Die Batterie funktioniert am besten bei langsamer Entladung; die Kapazitätsmessungen sind bei langsamerer Entladung wesentlich höher als bei der 1C-Rate. Blei-Säure kann jedoch hohe Impulsströme von mehreren C liefern, wenn dies nur für einige Sekunden erfolgt. Dies macht die Blei-Säure sehr gut als Starterbatterie, auch bekannt als Starterlichtzündung (SLI). Der hohe Bleigehalt und die Schwefelsäure machen Blei-Säure umweltschädlich.

Blei-Säure-Batterien werden im Allgemeinen in drei Verwendungen eingeteilt: Automobil (Starter oder SLI), Antriebskraft (Traktion oder Tiefzyklus) und stationär (USV).

Starterbatterien

Die Starterbatterie ist darauf ausgelegt, einen Motor mit einer kurzzeitigen Hochleistungsbelastung von etwa einer Sekunde anzukurbeln. Für ihre Größe kann die Batterie einen hohen Strom liefern, kann jedoch nicht tiefentladen werden. Starterbatterien sind nach Ah oder RS (Reservekapazität) klassifiziert, um die Energiespeicherfähigkeit anzuzeigen, sowie nach CCA (Kaltstartstrom) für den Strom, den eine Batterie bei kalter Temperatur liefern kann. SAE J537 legt 30 Sekunden Entladung bei –18°C (0°F) bei den bewerteten CCA-Ampere fest, ohne dass die Batteriespannung unter 7,2 Volt fällt. RC spiegelt die Laufzeit in Minuten bei einer konstanten Entladung von 25% wider.

Starterbatterien haben einen sehr niedrigen Innenwiderstand, der durch Hinzufügen zusätzlicher Platten für maximale Oberfläche erreicht wird. Die Platten sind dünn und das Blei wird in einer schwammartigen Form aufgetragen, die das Aussehen von feinem Schaum hat und die Oberfläche weiter vergrößert. Die Plattendicke, die für eine Tiefzyklusbatterie wichtig ist, ist weniger wichtig, weil die Entladung kurz ist und die Batterie während der Fahrt wieder aufgeladen wird. Der Schwerpunkt liegt auf Leistung statt Kapazität.

Tiefzyklus-Batterie

Die Tiefzyklusbatterie ist darauf ausgelegt, kontinuierlich Strom für Rollstühle, Golfwagen, Gabelstapler und mehr bereitzustellen. Diese Batterie ist auf maximale Kapazität und eine vernünftig hohe Zykluszahl ausgelegt. Dies wird durch dickere Bleiplatten erreicht. Obwohl die Batterie für den Zyklus ausgelegt ist, verursachen volle Entladungen immer noch Stress, und die Zykluszahl steht im Zusammenhang mit der Entladetiefe (DoD). Tiefzyklusbatterien sind nach Ah oder Minuten Laufzeit markiert. Die Kapazität wird normalerweise als Entladung von 5 Stunden und 20 Stunden bewertet.

Eine Starterbatterie kann nicht durch eine Tiefzyklusbatterie oder umgekehrt ausgetauscht werden. Auch wenn ein einfallsreicher Senior versucht sein mag, eine Starterbatterie anstelle der teureren Tiefzyklusbatterie in seinen Rollstuhl einzubauen, um Geld zu sparen, würde die Starterbatterie nicht lange halten, da die dünnen schwammartigen Platten mit wiederholtem Tiefzyklieren schnell verschwinden würden.

Es gibt Kombinations-Starter/Tiefzyklus-Batterien für Lastwagen, Busse, Sicherheits- und Militärfahrzeuge, aber diese Einheiten sind groß und schwer. Als einfache Richtlinie gilt: Je schwerer die Batterie ist, desto mehr Blei enthält sie, und desto länger hält sie. Tabelle 3 vergleicht die typische Lebensdauer von Starter- und Tiefzyklusbatterien bei tiefen Zyklen.

Blei-Säure oder Li-Ion in Ihrem Auto?

Seit Cadillac 1912 den Startermotor eingeführt hat, dienten Blei-Säure-Batterien gut als Batterie der Wahl. Thomas Edison versuchte, Blei-Säure durch Nickel-Eisen (NiFe) zu ersetzen, aber Blei-Säure setzte sich aufgrund ihrer robusten und verzeihenden Natur sowie ihres niedrigen Preises durch. Nun wird die Blei-Säure, die als Starterbatterie in Fahrzeugen dient, von Li-Ion herausgefordert.

Blei ist giftig, und Umweltschützer möchten die Blei-Säure-Batterie durch eine alternative Chemie ersetzen. Europa hat es geschafft, NiCd aus Verbraucherprodukten herauszuhalten, und ähnliche Bemühungen werden mit der Starterbatterie unternommen. Die Auswahlmöglichkeiten sind NiMH und Li-Ion, aber der Preis ist zu hoch und die Leistung bei niedrigen Temperaturen ist schlecht. Mit einer Recyclingrate von 99 Prozent stellt die Blei-Säure-Batterie kaum eine Umweltgefahr dar und wird wahrscheinlich die Batterie der Wahl bleiben.

Hier sind die Vor- und Nachteile der gebräuchlichsten Blei-Säure-Batterien aufgeführt. Die Tabelle enthält nicht die neuen Blei-Säure-Chemien.