Blei-Säure-Batterie - Lead–acid battery

Blei-Säure-Batterie
Foto-AutoBattery.jpg
Blei-Säure-Autobatterie
Spezifische Energie 35–40 Wh / kg
Energiedichte 80–90 Wh / L
Spezifische Leistung 180 W / kg
Lade-/Entladeeffizienz 50–95 %
Energie-/Verbraucherpreis 7 ( sld ) bis 18 ( fld ) Wh /US$
Selbstentladungsrate 3–20 %/Monat
Zyklushaltbarkeit <350 Zyklen
Zellnennspannung 2,1 V
Ladetemperaturintervall Mindest. −35 °C, max. 45 °C

Die Blei-Säure-Batterie ist eine Art wiederaufladbarer Batterie, die erstmals 1859 vom französischen Physiker Gaston Planté erfunden wurde . Es ist der erste Akkutyp, der jemals entwickelt wurde. Blei-Säure-Batterien haben im Vergleich zu modernen Akkus eine relativ geringe Energiedichte. Trotzdem haben die Zellen aufgrund ihrer Fähigkeit, hohe Stoßströme zu liefern , ein relativ großes Leistungsgewicht . Diese Merkmale machen sie zusammen mit ihren geringen Kosten für den Einsatz in Kraftfahrzeugen attraktiv, um den von Anlassermotoren benötigten hohen Strom bereitzustellen .

Da sie im Vergleich zu neueren Technologien kostengünstig sind, werden Blei-Säure-Batterien häufig verwendet, auch wenn Stoßstrom nicht wichtig ist und andere Designs höhere Energiedichten bieten könnten . Im Jahr 1999 machten die Verkäufe von Blei-Säure-Batterien 40–50% des weltweit verkauften Batteriewerts (ohne China und Russland) aus, was einem Marktwert von etwa 15 Milliarden US-Dollar entspricht. Großformatige Blei-Säure-Designs werden häufig für die Speicherung in Notstromversorgungen in Mobilfunkmasten , Hochverfügbarkeitsumgebungen wie Krankenhäusern und eigenständigen Stromversorgungssystemen verwendet . Für diese Rollen können modifizierte Versionen der Standardzelle verwendet werden, um die Lagerzeiten zu verbessern und den Wartungsaufwand zu reduzieren. Gel-Zellen und absorbierte Glasmatten- Batterien sind in diesen Rollen üblich, zusammenfassend als VRLA-Batterien (valve-regulierte Blei-Säure) bekannt .

Im geladenen Zustand wird die chemische Energie der Batterie in der Potentialdifferenz zwischen dem reinen Blei auf der negativen Seite und dem PbO 2 auf der positiven Seite plus der wässrigen Schwefelsäure gespeichert . Die elektrische Energie einer sich entladenden Blei-Säure-Batterie kann auf die Energie zurückgeführt werden, die freigesetzt wird, wenn die starken chemischen Bindungen von Wassermolekülen ( H 2 O ) aus H + -Ionen der Säure und O 2− -Ionen von PbO 2 gebildet werden . Umgekehrt fungiert der Akku beim Laden als Wasserspalter .

Geschichte

Der französische Wissenschaftler Nicolas Gautherot beobachtete 1801, dass Drähte, die für Elektrolyseexperimente verwendet wurden, selbst nach dem Abklemmen der Hauptbatterie einen kleinen "Sekundärstrom" lieferten. Im Jahr 1859 war die Blei-Säure-Batterie von Gaston Planté die erste Batterie, die durch Durchleiten eines Rückstroms aufgeladen werden konnte. Das erste Modell von Planté bestand aus zwei durch Gummistreifen getrennten und zu einer Spirale aufgerollten Bleiblechen. Seine Batterien wurden zuerst verwendet, um die Lichter in Eisenbahnwaggons mit Strom zu versorgen, während sie an einem Bahnhof anhielten. 1881 erfand Camille Alphonse Faure eine verbesserte Version, die aus einem Bleigitter bestand, in das eine Bleioxidpaste gepresst wurde, um eine Platte zu bilden. Dieses Design war einfacher in der Massenproduktion. Ein früher Hersteller (ab 1886) von Blei-Säure-Batterien war Henri Tudor .

Diese Batterie verwendet einen Gelelektrolyt anstelle einer Flüssigkeit, wodurch die Batterie in verschiedenen Positionen verwendet werden kann, ohne auslaufen zu müssen. Gelelektrolytbatterien für jede Position wurden erstmals in den 1930er Jahren verwendet, und in den späten 1920er Jahren ermöglichten tragbare Kofferfunkgeräte die Zelle aufgrund des Ventildesigns vertikal oder horizontal (aber nicht umgekehrt). In den 1970er Jahren wurde die ventilgeregelte Blei-Säure-Batterie (VRLA, oder "versiegelt") entwickelt, einschließlich moderner Absorptionsglasmatten (AGM)-Typen, die den Betrieb in jeder Position ermöglichen.

Anfang 2011 wurde entdeckt, dass Blei-Säure-Batterien tatsächlich einige Aspekte der Relativitätstheorie nutzen, um zu funktionieren, und in geringerem Maße auch Flüssigmetall- und Schmelzsalzbatterien wie Ca-Sb und Sn-Bi nutzen diesen Effekt.

Elektrochemie

Entladen

Eine Blei-Säure-Zelle mit zwei Bleisulfatplatten.
Vollständig entladen: zwei identische Bleisulfatplatten und verdünnte Schwefelsäurelösung

Im entladenen Zustand werden sowohl die positive als auch die negative Platte zu Blei(II)sulfat ( PbSO
4
) und der Elektrolyt verliert viel von seiner gelösten Schwefelsäure und wird hauptsächlich zu Wasser. Der Entladungsprozess wird durch die ausgeprägte Energiereduktion angetrieben, wenn 2 H + (aq) (hydratisierte Protonen) der Säure mit O 2− -Ionen von PbO 2 reagieren , um die starken OH-Bindungen in H 2 O zu bilden (ca. −880 kJ pro 18 g Wasser). Dieser stark exergonische Prozess kompensiert auch die energetisch ungünstige Bildung von Pb 2+ (aq)-Ionen oder Bleisulfat ( PbSO
4
(S)).

Negative Plattenreaktion
Pb(s) + HSO
4
( wässrig ) → PbSO
4
(s) + H+
(aq) + 2e

Durch die Freisetzung zweier leitender Elektronen wird die Bleielektrode negativ geladen.

Wenn sich Elektronen ansammeln, erzeugen sie ein elektrisches Feld, das Wasserstoffionen anzieht und Sulfationen abstößt, was zu einer Doppelschicht nahe der Oberfläche führt. Die Wasserstoffionen schirmen die geladene Elektrode von der Lösung ab, was die weitere Reaktion begrenzt, es sei denn, die Ladung kann aus der Elektrode fließen.

Positive Plattenreaktion
PbO
2
(s) + HSO
4
(wässrig) + 3 H+
(aq) + 2e PbSO
4
(s) + 2 H
2
O
(l)

Ausnutzung der metallischen Leitfähigkeit von PbO
2
.

Die Gesamtreaktion kann geschrieben werden als
Pb (s) + PbO
2
(s) + 2 H
2
SO
4
( wässrig ) → 2 PbSO
4
(s) + 2 H
2
O
(l)

Die freigesetzte Nettoenergie pro Mol (207 g) Pb(s), umgewandelt in PbSO
4
(s), ist ca. 400 kJ, entsprechend der Bildung von 36 g Wasser. Die Summe der Molekülmassen der Reaktanten beträgt 642,6 g/mol, theoretisch kann also eine Zelle aus 642,6 g Reaktanten zwei Faradays Ladung (192.971 Coulomb ) erzeugen, oder 83,4 Amperestunden pro Kilogramm (oder 13,9 Amperestunden pro Kilogramm für eine 12-Volt-Batterie) für eine 2-Volt-Zelle. Das sind 167 Wattstunden pro Kilogramm Reaktanden, aber in der Praxis liefert eine Blei-Säure-Zelle aufgrund der Masse des Wassers und anderer Bestandteile nur 30–40 Wattstunden pro Kilogramm Batterie.

Aufladen

Vollständig aufgeladen: Bleidioxid-Positiv-Platte, Blei-Negativ-Platte und konzentrierte wässrige Schwefelsäurelösung

Im voll geladenen Zustand besteht die negative Platte aus Blei und die positive Platte aus Bleidioxid . Die Elektrolytlösung hat eine höhere Konzentration an wässriger Schwefelsäure, die den Großteil der chemischen Energie speichert.

Beim Überladen mit hohen Ladespannungen entsteht durch Elektrolyse von Wasser Sauerstoff und Wasserstoffgas , das aussprudelt und verloren geht. Das Design einiger Arten von Blei-Säure-Batterien ermöglicht es, den Elektrolytstand zu überprüfen und mit reinem Wasser aufzufüllen, um so verloren gegangene Batterien zu ersetzen.

Einfluss des Ladezustands auf den Gefrierpunkt

Aufgrund der Gefrierpunktserniedrigung gefriert der Elektrolyt in einer kalten Umgebung eher, wenn die Batterie eine geringe Ladung und eine entsprechend niedrige Schwefelsäurekonzentration hat.

Ionenbewegung

Während der Entladung H+
an den negativen Platten entsteht, wandert in die Elektrolytlösung und wird dann an den positiven Platten verbraucht, während HSO
4
wird auf beiden Platten verzehrt. Das Umgekehrte geschieht während des Ladevorgangs. Diese Bewegung kann ein elektrisch angetriebener Protonenfluss oder ein Grotthuss-Mechanismus sein , oder durch Diffusion durch das Medium oder durch den Fluss eines flüssigen Elektrolytmediums. Da die Elektrolytdichte größer ist, wenn die Schwefelsäurekonzentration höher ist, neigt die Flüssigkeit dazu, durch Konvektion zu zirkulieren . Daher neigt eine Flüssigmedium-Zelle dazu, sich schnell zu entladen und schneller aufzuladen, und zwar effizienter als eine ansonsten ähnliche Gelzelle.

Ladezustand messen

Mit einem Aräometer kann das spezifische Gewicht jeder Zelle als Maß für ihren Ladezustand gemessen werden.

Da der Elektrolyt an der Lade-Entlade-Reaktion teilnimmt, hat diese Batterie gegenüber anderen Chemien einen großen Vorteil: Der Ladezustand lässt sich relativ einfach durch die Messung des spezifischen Gewichts des Elektrolyten bestimmen ; das spezifische Gewicht sinkt, wenn sich die Batterie entlädt. Einige Batterieausführungen beinhalten ein einfaches Hydrometer mit farbigen schwimmenden Kugeln unterschiedlicher Dichte . Beim Einsatz in dieselelektrischen U - Booten wurde regelmäßig das spezifische Gewicht gemessen und im Kontrollraum auf eine Tafel geschrieben, um anzuzeigen, wie lange das Boot noch unter Wasser bleiben konnte.

Die Leerlaufspannung der Batterie kann auch zur Messung des Ladezustands verwendet werden. Sind die Verbindungen zu den einzelnen Zellen zugänglich, kann der Ladezustand jeder Zelle ermittelt werden, was einen Hinweis auf den Gesundheitszustand der Batterie insgesamt geben kann, ansonsten kann die Gesamtbatteriespannung bewertet werden.

Spannungen für den allgemeinen Gebrauch

Die IUoU-Batterieladung ist ein dreistufiges Ladeverfahren für Blei-Säure-Batterien. Die Nennspannung einer Blei-Säure-Batterie beträgt 2 V pro Zelle. Für eine einzelne Zelle kann die Spannung von 1,8 V bei voller Entladung bis 2,10 V im offenen Stromkreis bei voller Ladung reichen.

Die Erhaltungsspannung variiert je nach Batterietyp (dh geflutete Zellen, gelierter Elektrolyt, absorbierte Glasmatte ) und reicht von 1,8 V bis 2,27 V. Ausgleichsspannung und Ladespannung für sulfatierte Zellen können von 2,67 V bis fast 3 V reichen. ( nur bis ein Ladestrom fließt) Spezifische Werte für eine bestimmte Batterie hängen von den Konstruktions- und Herstellerempfehlungen ab und werden normalerweise bei einer Basistemperatur von 20 °C (68 °F) angegeben und müssen an die Umgebungsbedingungen angepasst werden.

Konstruktion

Platten

Innenansicht einer kleinen Blei-Säure-Batterie eines mit Elektrostart ausgestatteten Motorrads

Die Blei-Säure-Zelle kann mit Bleiblechplatten für die beiden Elektroden demonstriert werden. Allerdings erzeugt eine solche Konstruktion nur etwa ein Ampere für ungefähr postkartengroße Platten und nur für wenige Minuten.

Gaston Planté hat einen Weg gefunden, eine viel größere effektive Oberfläche bereitzustellen. Bei Plantés Entwurf wurden die positiven und negativen Platten aus zwei Spiralen aus Bleifolie gebildet, die mit einem Tuch getrennt und aufgerollt wurden. Die Zellen hatten anfangs eine geringe Kapazität, so dass ein langsamer Prozess des "Formens" erforderlich war, um die Bleifolien zu korrodieren, Bleidioxid auf den Platten zu erzeugen und sie aufzurauen, um die Oberfläche zu vergrößern. Anfangs wurde bei diesem Verfahren Strom aus Primärbatterien verwendet; Als nach 1870 Generatoren verfügbar wurden, sanken die Kosten für die Herstellung von Batterien stark. Planté-Platten werden immer noch in einigen stationären Anwendungen verwendet, bei denen die Platten mechanisch gerillt werden, um ihre Oberfläche zu vergrößern.

Im Jahr 1880 patentierte Camille Alphonse Faure ein Verfahren zum Beschichten eines Bleigitters (das als Stromleiter dient) mit einer Paste aus Bleioxiden, Schwefelsäure und Wasser, gefolgt von einer Härtungsphase, in der die Platten einer sanften Hitze ausgesetzt wurden Umgebung mit hoher Luftfeuchtigkeit. Der Härtungsprozess verwandelte die Paste in eine Mischung aus Bleisulfaten, die an der Bleiplatte haftete. Dann wurde während der anfänglichen Ladung der Batterie (genannt "Formation") die ausgehärtete Paste auf den Platten in elektrochemisch aktives Material (die "aktive Masse") umgewandelt. Das Verfahren von Faure reduzierte den Zeit- und Kostenaufwand für die Herstellung von Blei-Säure-Batterien erheblich und führte zu einer erheblichen Kapazitätssteigerung im Vergleich zu der Batterie von Planté. Die Methode von Faure wird noch heute verwendet, mit nur schrittweisen Verbesserungen der Pastenzusammensetzung, der Aushärtung (die immer noch mit Dampf durchgeführt wird, aber jetzt ein sehr streng kontrollierter Prozess ist) und der Struktur und Zusammensetzung des Gitters, auf das die Paste aufgetragen wird.

Das von Faure entwickelte Gitter bestand aus reinem Blei mit rechtwinkligen Pleueln aus Blei. Im Gegensatz dazu sind heutige Gitter für verbesserte mechanische Festigkeit und verbesserten Stromfluss strukturiert. Neben unterschiedlichen Gittermustern (im Idealfall sind alle Punkte auf der Platte gleich weit vom Stromleiter entfernt) werden bei modernen Verfahren auch ein oder zwei dünne Glasfasermatten über das Gitter gelegt, um das Gewicht gleichmäßiger zu verteilen. Und während Faure für seine Gitter reines Blei verwendet hatte, wurden diese innerhalb eines Jahres (1881) durch Blei- Antimon- Legierungen (8-12 %) ersetzt, um den Strukturen zusätzliche Steifigkeit zu verleihen. Antimonreiche Netze haben jedoch eine höhere Wasserstoffentwicklung (die sich auch mit zunehmender Alterung der Batterie beschleunigt) und damit eine stärkere Ausgasung und höhere Wartungskosten. Diese Probleme wurden in den 1930er Jahren von UB Thomas und WE Haring in den Bell Labs identifiziert und führten schließlich 1935 zur Entwicklung von Blei- Kalzium- Gitterlegierungen für Standby-Batterien im US-Telefonnetz. Entsprechende Forschungen führten einige Jahre später zur Entwicklung von Blei- Selen- Gitterlegierungen in Europa. Sowohl Blei-Kalzium- als auch Blei-Selen-Gitterlegierungen fügen noch Antimon hinzu, wenn auch in viel geringeren Mengen als die älteren Hochantimon-Gitter: Blei-Kalzium-Gitter haben 4–6% Antimon, während Blei-Selen-Gitter 1–2% haben. Diese metallurgischen Verbesserungen verleihen dem Gitter mehr Festigkeit, wodurch es mehr Gewicht tragen kann, dh mehr aktives Material, und so können die Platten dicker sein, was wiederum zur Lebensdauer der Batterie beiträgt, da mehr Material zum Abwerfen zur Verfügung steht, bevor die Batterie unbrauchbar wird . Hochantimonlegierungsgitter werden immer noch in Batterien verwendet, die für häufige Zyklen bestimmt sind, z. B. bei Motorstartanwendungen, bei denen eine häufige Ausdehnung/Kontraktion der Platten ausgeglichen werden muss, die Ausgasung jedoch nicht signifikant ist, da die Ladeströme niedrig bleiben. Seit den 1950er Jahren weisen Batterien, die für seltene Zyklenanwendungen ausgelegt sind (z. B. Standby-Batterien), zunehmend Gitter aus Blei-Kalzium- oder Blei-Selen-Legierungen auf, da diese eine geringere Wasserstoffentwicklung und somit einen geringeren Wartungsaufwand aufweisen. Gitter aus Blei-Kalzium-Legierung sind billiger in der Herstellung (die Zellen haben daher niedrigere Vorlaufkosten), haben eine geringere Selbstentladungsrate und geringere Wettanforderungen, haben jedoch eine etwas schlechtere Leitfähigkeit, sind mechanisch schwächer (und benötigen daher mehr Antimon .) zu kompensieren) und sind stärker korrosionsanfällig (und damit eine kürzere Lebensdauer) als Zellen mit Blei-Selen-Legierungsgittern.

Der Leerlaufeffekt ist ein dramatischer Verlust der Batterielebensdauer, der beobachtet wurde, als Antimon durch Calcium ersetzt wurde. Es wird auch als antimonfreie Wirkung bezeichnet.

Moderne Paste enthält Ruß , Blanc fixe ( Bariumsulfat ) und Ligninsulfonat . Der Blank fixe fungiert als Impfkristall für die Blei-zu- Bleisulfat- Reaktion. Der Blanc Fixe muss vollständig in der Paste dispergiert sein, damit er wirksam ist. Das Ligninsulfonat verhindert, dass die negative Platte während des Entladungszyklus eine feste Masse bildet, sondern ermöglicht stattdessen die Bildung langer nadelförmiger Dendriten . Die langen Kristalle haben mehr Oberfläche und werden beim Laden leicht in den ursprünglichen Zustand zurückversetzt. Ruß wirkt der durch die Ligninsulfonate verursachten bildungshemmenden Wirkung entgegen. Sulfoniertes Naphthalin- Kondensat-Dispergiermittel ist ein wirksamerer Expander als Lignosulfonat und beschleunigt die Bildung. Dieses Dispergiermittel verbessert die Dispergierung von Bariumsulfat in der Paste, verringert die Hydroset-Zeit, erzeugt eine bruchfestere Platte, reduziert feine Bleipartikel und verbessert dadurch die Handhabungs- und Pasteneigenschaften. Es verlängert die Batterielebensdauer, indem es die Ladeschlussspannung erhöht. Sulfoniertes Naphthalin benötigt etwa ein Drittel bis die Hälfte der Menge an Ligninsulfonat und ist gegenüber höheren Temperaturen stabil.

Nach dem Trocknen werden die Platten mit geeigneten Separatoren gestapelt und in einen Zellbehälter eingesetzt. Die abwechselnden Platten bilden dann abwechselnd positive und negative Elektroden und werden später innerhalb der Zelle (negativ zu negativ, positiv zu positiv) parallel miteinander verbunden. Die Separatoren verhindern, dass sich die Platten gegenseitig berühren, was sonst einen Kurzschluss darstellen würde. Bei Flut- und Gelzellen sind die Separatoren isolierende Schienen oder Noppen, früher aus Glas oder Keramik, jetzt aus Kunststoff. In AGM-Zellen ist der Separator die Glasmatte selbst, und das Plattengestell mit den Separatoren wird vor dem Einsetzen in die Zelle zusammengedrückt; Einmal in der Zelle dehnen sich die Glasmatten leicht aus und fixieren die Platten effektiv. Bei mehrzelligen Batterien werden die Zellen dann in Reihe miteinander verbunden, entweder durch Verbinder durch die Zellwände oder durch eine Brücke über die Zellwände. Alle Verbindungen zwischen den Zellen und zwischen den Zellen bestehen aus der gleichen Bleilegierung, die in den Gittern verwendet wird. Dies ist notwendig, um galvanische Korrosion zu verhindern .

Zyklenfeste Batterien haben eine andere Geometrie für ihre positiven Elektroden. Die positive Elektrode ist keine flache Platte, sondern eine Reihe von nebeneinander aufgereihten Bleioxid-Zylindern oder -Röhren, daher wird ihre Geometrie als röhrenförmig oder zylindrisch bezeichnet. Dies hat den Vorteil einer vergrößerten Kontaktfläche zum Elektrolyten mit höheren Entlade- und Ladeströmen als eine Flachzelle gleichen Volumens und gleicher Ladetiefe. Röhrenelektrodenzellen haben eine höhere Leistungsdichte als Flachzellenzellen. Dadurch eignen sich Rohr-/Zylindergeometrieplatten besonders für Hochstromanwendungen mit Gewichts- oder Platzbeschränkungen, wie zum Beispiel für Gabelstapler oder zum Anlassen von Schiffsdieselmotoren. Da Röhrchen/Zylinder jedoch bei gleichem Volumen weniger aktives Material aufweisen, haben sie auch eine geringere Energiedichte als Flachzellen. Und weniger aktives Material an der Elektrode bedeutet auch, dass weniger Material zur Verfügung steht, das abgestoßen werden kann, bevor die Zelle unbrauchbar wird. Rohrförmige/zylindrische Elektroden sind auch komplizierter einheitlich herzustellen, was sie tendenziell teurer macht als Flachplattenzellen. Diese Kompromisse begrenzen den Anwendungsbereich, in dem röhrenförmige/zylindrische Batterien sinnvoll sind, auf Situationen, in denen nicht genügend Platz vorhanden ist, um Flachplatteneinheiten mit höherer Kapazität (und damit größeren) zu installieren.

Etwa 60 % des Gewichts einer Blei-Säure-Batterie des Automobiltyps mit einer Nennleistung von etwa 60 Ah besteht aus Blei oder inneren Teilen aus Blei; der Rest ist Elektrolyt, Separatoren und das Gehäuse. Ein typischer 14,5 kg (32 lb)-Akku enthält beispielsweise etwa 8,7 kg (19 lb) Blei.

Trennzeichen

Trennstege zwischen positiver und negativer Platte verhindern Kurzschlüsse durch physischen Kontakt, meist durch Dendriten ("Treeing"), aber auch durch Ablösen des Aktivmaterials. Separatoren ermöglichen den Ionenfluss zwischen den Platten einer elektrochemischen Zelle, um einen geschlossenen Kreislauf zu bilden. Zur Herstellung von Separatoren wurden Holz, Gummi, Glasfasermatten, Zellulose und PVC oder Polyethylen- Kunststoff verwendet. Holz war die ursprüngliche Wahl, aber es zersetzt sich im sauren Elektrolyten.

Ein wirksamer Abscheider muss eine Reihe von mechanischen Eigenschaften besitzen; wie Permeabilität , Porosität, Porengrößenverteilung, spezifische Oberfläche , mechanisches Design und Festigkeit, elektrischer Widerstand , Ionenleitfähigkeit und chemische Kompatibilität mit dem Elektrolyten. Im Betrieb muss der Separator eine gute Säure- und Oxidationsbeständigkeit aufweisen . Die Fläche des Separators muss etwas größer als die Fläche der Platten sein, um Materialkurzschlüsse zwischen den Platten zu vermeiden. Die Separatoren müssen über den Betriebstemperaturbereich der Batterie stabil bleiben .

Absorbierende Glasmatte (AGM)

Bei der absorbierenden Glasmattenausführung, kurz AGM, werden die Separatoren zwischen den Platten durch eine mit Elektrolyt getränkte Glasfasermatte ersetzt . Die Matte enthält nur genug Elektrolyt, um sie nass zu halten, und wenn die Batterie durchbohrt wird, fließt der Elektrolyt nicht aus der Matte. Das Ersetzen von flüssigem Elektrolyt in einer gefluteten Batterie durch eine halbgesättigte Glasfasermatte dient hauptsächlich dazu, den Gastransport durch den Separator wesentlich zu erhöhen; Wasserstoff- oder Sauerstoffgas, das während des Überladens oder Ladens (wenn der Ladestrom zu groß ist) erzeugt wird, kann ungehindert durch die Glasmatte strömen und die gegenüberliegende Platte reduzieren bzw. oxidieren. In einer gefluteten Zelle schweben die Gasblasen an der Oberseite der Batterie und gehen an die Atmosphäre verloren. Dieser Mechanismus für die Rekombination des erzeugten Gases und der zusätzliche Vorteil einer halbgesättigten Zelle, die kein wesentliches Auslaufen von Elektrolyt beim physischen Durchstechen des Batteriegehäuses bewirkt, ermöglicht eine vollständige Abdichtung der Batterie, was sie in tragbaren Geräten und ähnlichen Rollen nützlich macht. Außerdem kann die Batterie in beliebiger Ausrichtung eingebaut werden, aber wenn sie verkehrt herum eingebaut wird, kann Säure durch die Überdruckentlüftung herausgeblasen werden.

Um die Wasserverlustrate zu verringern, wird Calcium mit den Platten legiert, jedoch bleibt die Gasbildung ein Problem, wenn die Batterie tief oder schnell geladen oder entladen wird. Um einen Überdruck des Batteriegehäuses zu verhindern, enthalten AGM-Batterien ein Einweg-Abblasventil und werden oft als "ventilregulierte Blei-Säure"- oder VRLA-Konstruktionen bezeichnet.

Ein weiterer Vorteil des AGM-Designs besteht darin, dass der Elektrolyt zum Separatormaterial wird und mechanisch stark ist. Dadurch kann der Plattenstapel im Batteriegehäuse zusammengedrückt werden, wodurch die Energiedichte im Vergleich zu Flüssig- oder Gelversionen leicht erhöht wird. AGM-Batterien zeigen beim Bau in üblichen rechteckigen Formen aufgrund der Ausdehnung der positiven Platten oft eine charakteristische "Ausbeulung" in ihren Schalen.

Die Matte verhindert auch die vertikale Bewegung des Elektrolyten innerhalb der Batterie. Wenn eine normale Nasszelle in entladenem Zustand gelagert wird, neigen die schwereren Säuremoleküle dazu, sich am Boden der Batterie abzusetzen, wodurch sich der Elektrolyt schichtet. Wenn die Batterie dann verwendet wird, fließt der Großteil des Stroms nur in diesem Bereich, und die Unterseite der Platten neigt dazu, schnell zu verschleißen. Dies ist einer der Gründe, warum eine herkömmliche Autobatterie ruiniert werden kann, wenn sie über einen längeren Zeitraum gelagert und dann verwendet und wieder aufgeladen wird. Die Matte verhindert diese Schichtung erheblich und macht es unnötig, die Batterien regelmäßig zu schütteln, zu kochen oder eine "Ausgleichsladung" durch sie laufen zu lassen, um den Elektrolyten zu mischen. Durch die Schichtung werden auch die oberen Schichten der Batterie fast vollständig zu Wasser, das bei Kälte gefrieren kann, AGMs sind durch den Einsatz bei niedrigen Temperaturen deutlich weniger anfällig für Schäden.

Während AGM-Zellen keine Bewässerung zulassen (normalerweise ist es unmöglich, Wasser hinzuzufügen, ohne ein Loch in die Batterie zu bohren), wird ihr Rekombinationsprozess durch die üblichen chemischen Prozesse grundsätzlich eingeschränkt. Wasserstoffgas diffundiert sogar direkt durch das Kunststoffgehäuse selbst. Einige haben festgestellt, dass es rentabel ist, einer AGM-Batterie Wasser hinzuzufügen, dies muss jedoch langsam erfolgen, damit sich das Wasser durch Diffusion durch die Batterie mischen kann. Wenn eine Blei-Säure-Batterie Wasser verliert, erhöht sich ihre Säurekonzentration, was die Korrosionsrate der Platten erheblich erhöht. AGM-Zellen haben bereits einen hohen Säuregehalt, um die Wasserverlustrate zu senken und die Standby-Spannung zu erhöhen, was im Vergleich zu einer Blei-Antimon-gefluteten Batterie zu einer kürzeren Lebensdauer führt. Wenn die Leerlaufspannung von AGM-Zellen deutlich höher als 2,093 Volt oder 12,56 V für eine 12-V-Batterie ist, dann hat sie einen höheren Säuregehalt als eine geflutete Zelle; Während dies für eine AGM-Batterie normal ist, ist dies für eine lange Lebensdauer nicht wünschenswert.

AGM-Zellen, die absichtlich oder versehentlich überladen werden, zeigen je nach Wasserverlust (und erhöhter Säurekonzentration) eine höhere Leerlaufspannung. Eine Amperestunde Überladung wird 0,335 Gramm Wasser pro Zelle elektrolysieren; ein Teil dieses freigesetzten Wasserstoffs und Sauerstoffs wird rekombinieren, aber nicht alles.

Gelierte Elektrolyte

In den 1970er Jahren entwickelten Forscher die versiegelte Version oder Gel-Batterie , die dem Elektrolyten ein Silikagel-Geliermittel beimischt ( Silikagel- basierte Blei-Säure-Batterien, die in tragbaren Radios aus den frühen 1930er Jahren verwendet wurden, waren nicht vollständig versiegelt). Dadurch wird das ehemals flüssige Innere der Zellen in eine halbsteife Paste umgewandelt, die viele der gleichen Vorteile der AGM bietet. Solche Konstruktionen sind noch weniger anfällig für Verdunstung und werden oft in Situationen verwendet, in denen keine oder keine regelmäßige Wartung möglich ist. Gelzellen haben außerdem einen niedrigeren Gefrierpunkt und höhere Siedepunkte als die flüssigen Elektrolyte, die in herkömmlichen Nasszellen und AGMs verwendet werden, was sie für den Einsatz unter extremen Bedingungen geeignet macht.

Der einzige Nachteil des Geldesigns besteht darin, dass das Gel eine schnelle Bewegung der Ionen im Elektrolyten verhindert, was die Trägermobilität und damit die Stoßstromfähigkeit verringert. Aus diesem Grund werden Gelzellen am häufigsten in Energiespeicheranwendungen wie Off-Grid-Systemen verwendet.

„Wartungsfrei“, „versiegelt“ und „VRLA“ (ventilgeregelte Bleisäure)

Sowohl Gel- als auch AGM-Designs sind versiegelt, erfordern keine Bewässerung, können in jeder Ausrichtung verwendet werden und verwenden ein Ventil zum Abblasen des Gases. Aus diesem Grund können beide Ausführungen als wartungsfrei, abgedichtet und VRLA bezeichnet werden. Es ist jedoch durchaus üblich, Ressourcen zu finden, die besagen, dass sich diese Begriffe speziell auf das eine oder andere dieser Designs beziehen.

Anwendungen

Die meisten Blei-Säure-Batterien der Welt sind Auto-Starter-, Beleuchtungs- und Zündbatterien (SLI) mit geschätzten 320 Millionen verkauften Einheiten im Jahr 1999. 1992 wurden etwa 3 Millionen Tonnen Blei bei der Herstellung von Batterien verwendet.

Nasszellen-Standby-(stationäre) Batterien für Tiefentladung werden häufig in großen Notstromversorgungen für Telefon- und Rechenzentren, Netzenergiespeichern und netzunabhängigen Haushaltsstromsystemen verwendet. Blei-Säure-Batterien werden in der Notbeleuchtung und zur Stromversorgung von Sumpfpumpen bei Stromausfall verwendet .

Traktionsbatterien (Antriebsbatterien) werden in Golfwagen und anderen batterieelektrischen Fahrzeugen verwendet . Große Blei-Säure-Batterien werden auch verwendet, um die Elektromotoren in dieselelektrischen (konventionellen) U-Booten unter Wasser zu versorgen, und werden auch als Notstrom auf Atom-U-Booten verwendet . Ventilregulierte Blei-Säure-Batterien können ihren Elektrolyten nicht verschütten. Sie werden eingesetzt in Reservestrom (; UPS insbesondere in unterbrechungsfreien Stromversorgungen) und für die Versorgung für Alarm und kleinere Computersysteme Elektroroller , elektrische Rollstühle , elektrifizierten Fahrräder , Marineanwendungen, Batterien für Elektrofahrzeuge oder Mikrohybridfahrzeuge und Motorräder. Viele elektrische Gabelstapler verwenden Blei-Säure-Batterien, bei denen das Gewicht als Teil eines Gegengewichts verwendet wird. Blei-Säure-Batterien wurden verwendet, um die Glühfadenspannung (Heizung) zu liefern, mit 2 V, die in frühen Vakuumröhren- (Ventil-)Funkempfängern üblich ist.

Tragbare Batterien für Kopflampen von Bergleuten haben typischerweise zwei oder drei Zellen.

Fahrräder

Starterbatterien

Blei-Säure-Batterien zum Anlassen von Kraftfahrzeugmotoren sind nicht für Tiefentladung ausgelegt. Sie verfügen über eine große Anzahl dünner Platten, die auf maximale Oberfläche und damit maximale Stromabgabe ausgelegt sind, die durch Tiefentladung leicht beschädigt werden können. Wiederholte Tiefentladungen führen zu Kapazitätsverlusten und letztendlich zu einem vorzeitigen Ausfall, da die Elektroden aufgrund mechanischer Belastungen durch Zyklen zerfallen . Starterbatterien, die auf Dauererhaltungsladung gehalten werden, erleiden eine Korrosion der Elektroden, was ebenfalls zu einem vorzeitigen Ausfall führt. Starterbatterien sollten daher im offenen Kreislauf gehalten , aber regelmäßig (mindestens alle zwei Wochen) aufgeladen werden, um eine Sulfatierung zu vermeiden .

Starterbatterien sind leichter als zyklenfeste Batterien gleicher Größe, da die dünneren und leichteren Zellplatten nicht bis zum Boden des Batteriegehäuses reichen. Dadurch kann loses zerfallenes Material von den Platten fallen und sich am Boden der Zelle sammeln, was die Lebensdauer der Batterie verlängert. Wenn dieser lose Schmutz genügend hochsteigt, kann er die Unterseite der Platten berühren und zum Ausfall einer Zelle führen, was zu einem Verlust der Batteriespannung und -kapazität führt.

Zyklenfeste Batterien

Speziell entwickelte Deep-Cycle-Zellen sind viel weniger anfällig für eine Verschlechterung durch Zyklen und werden für Anwendungen benötigt, bei denen die Batterien regelmäßig entladen werden, wie z. B. Photovoltaikanlagen , Elektrofahrzeuge ( Gabelstapler , Golfwagen , Elektroautos und andere) und unterbrechungsfreie Stromversorgung liefert . Diese Batterien haben dickere Platten, die weniger Spitzenstrom liefern können , aber häufigen Entladungen standhalten.

Einige Batterien sind als Kompromiss zwischen Starter (Hochstrom) und Deep Cycle konzipiert. Sie können stärker entladen werden als Autobatterien, aber weniger als zyklenfeste Batterien. Sie können als "Boots-/Wohnmobilbatterien" oder "Freizeitbatterien" bezeichnet werden.

Schnelles und langsames Laden und Entladen

Der Ladestrom muss der Fähigkeit der Batterie entsprechen, die Energie aufzunehmen. Die Verwendung eines zu großen Ladestroms bei einer kleinen Batterie kann zum Sieden und zum Entlüften des Elektrolyten führen. In diesem Bild hat sich ein VRLA-Batteriegehäuse aufgrund des hohen Gasdrucks, der während der Überladung entwickelt wurde, aufgebläht.

Die Kapazität einer Blei-Säure-Batterie ist keine feste Größe, sondern variiert je nachdem, wie schnell sie entladen wird. Der empirische Zusammenhang zwischen Entladungsrate und Kapazität ist als Peukertsches Gesetz bekannt .

Beim Laden oder Entladen einer Batterie sind zunächst nur die reagierenden Chemikalien betroffen, die sich an der Grenzfläche zwischen Elektroden und Elektrolyt befinden. Mit der Zeit verteilt sich die in den Chemikalien an der Grenzfläche gespeicherte Ladung, die oft als "Grenzflächenladung" oder "Oberflächenladung" bezeichnet wird, durch Diffusion dieser Chemikalien über das gesamte Volumen des aktiven Materials.

Stellen Sie sich eine vollständig entladene Batterie vor (z. B. wenn das Autolicht über Nacht eingeschaltet bleibt, eine Stromaufnahme von etwa 6 Ampere). Wird es dann nur für wenige Minuten schnell geladen, laden sich die Batterieplatten nur in der Nähe der Grenzfläche zwischen den Platten und dem Elektrolyten auf. In diesem Fall kann die Batteriespannung auf einen Wert nahe der Ladespannung ansteigen; Dadurch sinkt der Ladestrom deutlich. Nach einigen Stunden verteilt sich diese Grenzflächenladung auf das Volumen von Elektrode und Elektrolyt; Dies führt zu einer so geringen Schnittstellengebühr, dass sie möglicherweise nicht ausreicht, um das Auto zu starten. Solange die Ladespannung unter der Gasungsspannung (ca. 14,4 Volt bei einer normalen Blei-Säure-Batterie) bleibt, ist eine Beschädigung der Batterie unwahrscheinlich, und die Batterie sollte mit der Zeit wieder in einen nominal geladenen Zustand zurückkehren.

Ventilgeregelt (VRLA)

In einer ventilregulierten Blei-Säure-Batterie (VRLA) rekombinieren der in den Zellen produzierte Wasserstoff und Sauerstoff weitgehend zu Wasser. Die Leckage ist minimal, obwohl immer noch etwas Elektrolyt entweicht, wenn die Rekombination mit der Gasentwicklung nicht Schritt halten kann. Da VRLA-Batterien keine regelmäßige Überprüfung des Elektrolytstands erfordern (und unmöglich machen), werden sie als wartungsfreie Batterien bezeichnet . Dies ist jedoch etwas irreführend. VRLA-Zellen müssen gewartet werden. Wenn Elektrolyt verloren geht, "trocknen" VRLA-Zellen aus und verlieren an Kapazität. Dies kann durch regelmäßige interne detektiert wird Widerstand , Leitfähigkeit oder Impedanz - Messungen. Regelmäßige Tests zeigen, ob aufwändigere Tests und Wartungen erforderlich sind. Kürzlich wurden Wartungsprozeduren entwickelt, die eine "Rehydratation" ermöglichen, wobei oft erhebliche Mengen an verlorener Kapazität wiederhergestellt werden.

VRLA-Typen wurden um 1983 bei Motorrädern populär, da der Säureelektrolyt vom Separator absorbiert wird, so dass er nicht auslaufen kann. Der Separator hilft ihnen auch, Vibrationen besser standzuhalten. Aufgrund ihres geringen Platzbedarfs und ihrer Installationsflexibilität sind sie auch in stationären Anwendungen wie Telekommunikationsstandorten beliebt.

Sulfatierung und Desulfatierung

Sulfatierte Platten aus 12 V 5 Ah Batterie

Blei-Säure-Batterien verlieren aufgrund der Sulfatierung , der Kristallisation von Bleisulfat, bei zu langer Entladung die Ladungsaufnahmefähigkeit . Sie erzeugen Elektrizität durch eine chemische Doppelsulfatreaktion. Blei und Bleidioxid, die aktiven Materialien auf den Platten der Batterie, reagieren mit der Schwefelsäure im Elektrolyten zu Bleisulfat . Das Bleisulfat bildet sich zunächst in einem feinteiligen, amorphen Zustand und wandelt sich beim Aufladen der Batterie leicht in Blei, Bleidioxid und Schwefelsäure um. Während Batterien zahlreiche Entladungen und Ladungen durchlaufen, rekombiniert ein Teil des Bleisulfats nicht in Elektrolyt und wandelt sich langsam in eine stabile kristalline Form um, die sich beim Aufladen nicht mehr auflöst. Somit wird nicht das gesamte Blei zu den Batterieplatten zurückgeführt und die Menge an nutzbarem Aktivmaterial, die für die Stromerzeugung benötigt wird, nimmt mit der Zeit ab.

Sulfatierung tritt in Blei-Säure-Batterien auf, wenn sie während des normalen Betriebs unzureichend geladen werden. Es behindert das Aufladen; Sulfatablagerungen dehnen sich schließlich aus, brechen die Platten und zerstören die Batterie. Schließlich kann ein so großer Teil der Batterieplattenfläche keinen Strom liefern, dass die Batteriekapazität stark reduziert wird. Außerdem wird der Sulfatanteil (des Bleisulfats) nicht als Schwefelsäure in den Elektrolyten zurückgeführt. Es wird angenommen, dass große Kristalle den Elektrolyten physikalisch daran hindern, in die Poren der Platten einzudringen. Bei Batterien mit durchsichtigen Gehäusen oder nach dem Zerlegen der Batterie kann eine weiße Beschichtung auf den Platten sichtbar sein. Sulfatierte Batterien weisen einen hohen Innenwiderstand auf und können nur einen kleinen Bruchteil des normalen Entladestroms liefern. Sulfatierung beeinflusst auch den Ladezyklus, was zu längeren Ladezeiten, weniger effizientem und unvollständigem Laden und höheren Batterietemperaturen führt.

SLI-Batterien (Starten, Zünden, Zünden; zB Autobatterien) erleiden die stärkste Verschlechterung, da Fahrzeuge normalerweise relativ lange Zeit nicht benutzt werden. Zyklen- und Antriebsbatterien werden regelmäßig kontrolliert überladen und versagen schließlich eher aufgrund von Korrosion der positiven Plattengitter als durch Sulfatierung.

Eine Sulfatierung kann vermieden werden, wenn die Batterie unmittelbar nach einem Entladezyklus wieder vollständig aufgeladen wird. Es gibt keine bekannten, unabhängig verifizierten Möglichkeiten, die Sulfatierung umzukehren. Es gibt kommerzielle Produkte, die behaupten, eine Desulfatierung durch verschiedene Techniken wie Impulsladung zu erreichen , aber es gibt keine von Experten begutachteten Veröffentlichungen, die ihre Ansprüche verifizieren. Die Sulfatierungsprävention bleibt die beste Vorgehensweise, indem die Blei-Säure-Batterien regelmäßig vollständig geladen werden.

Schichtung

Eine typische Blei-Säure-Batterie enthält eine Mischung mit unterschiedlichen Konzentrationen von Wasser und Säure. Schwefelsäure hat eine höhere Dichte als Wasser, wodurch die beim Laden an den Platten gebildete Säure nach unten fließt und sich am Boden der Batterie sammelt. Schließlich wird die Mischung durch Diffusion wieder eine einheitliche Zusammensetzung erreichen , aber dies ist ein sehr langsamer Prozess. Wiederholte Zyklen des teilweisen Ladens und Entladens erhöhen die Schichtung des Elektrolyten und verringern die Kapazität und Leistung der Batterie, da der Mangel an Säure oben die Plattenaktivierung einschränkt. Die Schichtung fördert auch die Korrosion an der oberen Hälfte der Platten und die Sulfatierung an der Unterseite.

Periodische Überladung erzeugt gasförmige Reaktionsprodukte an der Platte, die Konvektionsströme verursachen, die den Elektrolyten vermischen und die Schichtung auflösen. Mechanisches Rühren des Elektrolyten hätte denselben Effekt. Auch Batterien in fahrenden Fahrzeugen unterliegen beim Beschleunigen, Bremsen und Wenden in den Zellen Schwappen und Spritzern.

Explosionsgefahr

Auto-Blei-Säure-Batterie nach Explosion mit Sprödbruch in den Gehäuseenden

Übermäßiges Aufladen verursacht Elektrolyse , wobei Wasserstoff und Sauerstoff freigesetzt werden. Dieser Vorgang wird als "Begasung" bezeichnet. Nasszellen haben offene Belüftungsöffnungen, um das erzeugte Gas freizusetzen, und VRLA-Batterien sind auf Ventile angewiesen, die an jeder Zelle angebracht sind. Für geflutete Zellen sind katalytische Kappen erhältlich, um Wasserstoff und Sauerstoff zu rekombinieren. Eine VRLA-Zelle rekombiniert normalerweise jeglichen in der Zelle produzierten Wasserstoff und Sauerstoff , aber eine Fehlfunktion oder Überhitzung kann zur Bildung von Gas führen. In diesem Fall (zB bei Überladung) entlüftet das Ventil das Gas und normalisiert den Druck, wodurch ein charakteristischer Säuregeruch entsteht. Ventile können jedoch versagen, wenn sich beispielsweise Schmutz und Ablagerungen ansammeln, wodurch sich Druck aufbauen kann.

Angesammelter Wasserstoff und Sauerstoff entzünden sich manchmal bei einer internen Explosion . Die Wucht der Explosion kann dazu führen, dass das Gehäuse der Batterie platzt oder die Oberseite wegfliegt, wobei Säure und Gehäusefragmente verspritzt werden. Eine Explosion in einer Zelle kann jedes brennbare Gasgemisch in den verbleibenden Zellen entzünden. Ebenso kann in einem schlecht belüfteten Bereich das Anschließen oder Trennen eines geschlossenen Stromkreises (z.

Einzelne Zellen innerhalb einer Batterie können auch kurzschließen und eine Explosion verursachen.

Die Zellen von VRLA-Batterien schwellen normalerweise an, wenn der Innendruck ansteigt, und warnen so Benutzer und Mechaniker. Die Verformung variiert von Zelle zu Zelle und ist an den Enden am größten, wo die Wände nicht von anderen Zellen getragen werden. Solche unter Überdruck stehenden Batterien sollten sorgfältig isoliert und entsorgt werden. Personal, das in der Nähe von explosionsgefährdeten Batterien arbeitet, sollte seine Augen und exponierte Haut vor Verbrennungen durch versprühte Säure und Feuer schützen, indem es einen Gesichtsschutz , Overalls und Handschuhe trägt. Die Verwendung einer Schutzbrille anstelle eines Gesichtsschutzes opfert die Sicherheit, da das Gesicht möglicherweise fliegender Säure, Gehäuse- oder Batteriefragmenten und der Hitze einer möglichen Explosion ausgesetzt ist.

Umfeld

Umweltsorgen

Laut einem Bericht von 2003 mit dem Titel "Getting the Lead Out" von Environmental Defense and the Ecology Center of Ann Arbor, Michigan, enthielten die Batterien von Fahrzeugen auf den Straßen schätzungsweise 2.600.000 Tonnen (2.600.000 Tonnen lang; 2.900.000 Tonnen kurz) Blei . Einige Bleiverbindungen sind extrem giftig. Eine langfristige Exposition gegenüber selbst kleinsten Mengen dieser Verbindungen kann bei Kindern zu Hirn- und Nierenschäden, Hörstörungen und Lernproblemen führen. Die Automobilindustrie verwendet jedes Jahr über 1.000.000 Tonnen Blei (980.000 Tonnen lang; 1.100.000 Tonnen kurz) Blei, wobei 90 % für konventionelle Blei-Säure-Fahrzeugbatterien verwendet werden. Während das Bleirecycling eine gut etablierte Branche ist, landen jedes Jahr mehr als 40.000 Tonnen (39.000 Tonnen lang; 44.000 Tonnen kurz) auf Deponien. Laut dem bundesstaatlichen Toxic Release Inventory werden weitere 70.000 Tonnen (69.000 Long-Tonnen; 77.000 Short-Tonnen) im Bleiabbau- und Herstellungsprozess freigesetzt.

Es werden Versuche unternommen , Alternativen zu entwickeln (insbesondere für den Einsatz im Automobil) aufgrund von Bedenken über die Umweltauswirkungen der unsachgemäßen Entsorgung und Bleischmelzvorgänge, unter anderen Gründen. Es ist unwahrscheinlich, dass Alternativen sie für Anwendungen wie Motorstart oder Notstromsysteme ersetzen, da die Batterien, obwohl sie schwer sind, kostengünstig sind.

Recycling

Ein Arbeiter, der geschmolzenes Blei in einer Batterierecyclinganlage recycelt

Laut Battery Council, einer Industriegruppe, ist das Recycling von Blei-Säure- Batterien eines der erfolgreichsten Recyclingprogramme der Welt. In den Vereinigten Staaten wurden zwischen 2014 und 2018 99% des gesamten Batteriebleis recycelt.

Dokumente der US- Umweltschutzbehörde haben jedoch seit 1982 Raten angegeben, die zwischen 60 % und 95 % schwanken.

Blei ist für den Menschen hochgiftig, und sein Recycling kann zu einer Verschmutzung und Kontamination von Menschen führen, was zu zahlreichen und dauerhaften Gesundheitsproblemen führen kann. Ein Ranking nennt das Recycling von Blei-Säure-Batterien als den tödlichsten industriellen Prozess der Welt in Bezug auf die verlorenen Lebensjahre nach Behinderung – was zu geschätzten 2.000.000 bis 4.800.000 verlorenen Lebensjahren einzelner Menschen weltweit führt.

Blei-Säure-Batterie-Recycling-Standorte selbst sind zu einer Quelle der Bleiverschmutzung geworden, und bis 1992 hatte die EPA 29 solcher Standorte für ihre Superfund- Säuberung ausgewählt , von denen 22 auf ihrer nationalen Prioritätenliste standen.

Ein wirksames System zur Kontrolle der Umweltverschmutzung ist eine Notwendigkeit, um Bleiemissionen zu verhindern. Kontinuierliche Verbesserung der Batterierecyclinganlagen und Ofenkonstruktionen erforderlich zu halten mit dem Tempo - Emissionsnormen für Bleihütten.

Additive

Seit die Blei-Säure-Batterie zu einem kommerziellen Gegenstand wurde, wurden chemische Zusätze verwendet, um die Ansammlung von Bleisulfat auf den Platten zu reduzieren und den Batteriezustand zu verbessern, wenn sie dem Elektrolyten einer belüfteten Blei-Säure-Batterie zugesetzt werden. Solche Behandlungen sind selten, wenn überhaupt, wirksam.

Zwei für solche Zwecke verwendete Verbindungen sind Bittersalz und EDTA . Bittersalz verringert den Innenwiderstand einer schwachen oder beschädigten Batterie und kann eine geringfügig längere Lebensdauer ermöglichen. EDTA kann verwendet werden, um die Sulfatablagerungen stark entladener Platten aufzulösen . Das gelöste Material steht dann jedoch nicht mehr für den normalen Lade-Entlade-Zyklus zur Verfügung, so dass eine vorübergehend mit EDTA wiederbelebte Batterie eine reduzierte Lebenserwartung hat. Restliches EDTA in der Blei-Säure-Zelle bildet organische Säuren, die die Korrosion der Bleiplatten und internen Anschlüsse beschleunigen.

Die aktiven Materialien ändern während des Ladens/Entladens die physikalische Form, was zu einem Wachstum und einer Verformung der Elektroden und zum Ablösen von Elektroden in den Elektrolyten führt. Sobald das aktive Material aus den Platten gefallen ist, kann es durch keine chemische Behandlung wieder in Position gebracht werden. Ebenso können interne physikalische Probleme wie gebrochene Platten, korrodierte Anschlüsse oder beschädigte Separatoren chemisch nicht behoben werden.

Korrosionsprobleme

Korrosion der äußeren Metallteile der Blei-Säure-Batterie entsteht durch eine chemische Reaktion der Batteriepole, Stecker und Anschlüsse.

Korrosion am Pluspol wird durch Elektrolyse verursacht, aufgrund einer Fehlanpassung von Metalllegierungen, die bei der Herstellung des Batteriepols und des Kabelsteckers verwendet werden. Weiße Korrosion besteht normalerweise aus Blei- oder Zinksulfatkristallen . Aluminiumverbinder korrodieren zu Aluminiumsulfat . Kupferverbinder erzeugen blaue und weiße Korrosionskristalle. Die Korrosion der Pole einer Batterie kann durch Beschichten der Pole mit Vaseline oder einem handelsüblichen Produkt, das für diesen Zweck hergestellt wurde, verringert werden.

Wenn die Batterie mit Wasser und Elektrolyt überfüllt ist, kann die Wärmeausdehnung einen Teil der Flüssigkeit aus den Batterieöffnungen auf die Oberseite der Batterie drücken. Diese Lösung kann dann mit dem Blei und anderen Metallen im Batteriestecker reagieren und Korrosion verursachen.

Der Elektrolyt kann aus der Kunststoff-Blei-Versiegelung sickern, wo die Batteriepole das Kunststoffgehäuse durchdringen.

Säuredämpfe, die durch die Entlüftungskappen verdampfen, häufig verursacht durch Überladung, und unzureichende Belüftung des Batteriekastens können dazu führen, dass sich die Schwefelsäuredämpfe ansammeln und mit den freiliegenden Metallen reagieren.

Siehe auch

Verweise

Allgemein

  • Batterieplattensulfatierung (MagnaLabs) [1]
  • Batteriedesulfatierung [2]
  • Blei-Säure-Batterien [3]
  • Gleichstromversorgung! (April 2002) [4]
  • Einige technische Details zu Blei-Säure-Batterien [5]

Externe Links