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Akkumulatoren
sind wiederaufladbare galvanische Elemente
(Sekundärelemente).
Aufbau und Funktionsweise des
Bleiakkumulators
Aufbau:
Bleiakkus
bestehen aus einzelnen galvanischen Zellen, wobei jede Zelle für
sich eine Spannung von 2V besitzt. Meist werden 3 oder 6 solcher
Zellen hintereinander geschaltet, um 6V oder 12V Gesamtspannung zu
erreichen.
Eine
Einzelzelle besteht aus einer Bleigitterelektrode, die mit fein
verteiltem metallischen Blei und einer Bleigitterelektrode, die mit
Blei-(IV)-oxid befüllt ist. Zwischen den Platten sind Trennwände,
die sogenannten Separatoren.
Die Elektroden tauchen in
20-40%ige Schwefelsäure (H2SO4).
Funktionsweise:
Entladen:
Bei der
Stromentnahme fließen Elektronen vom Blei (Minuspol) zum
Blei-(IV)-oxid (Pluspol). Blei wird dabei zu Pb2+
oxidiert, Blei-(IV)-oxid zu Pb2+ reduziert. Die an
beiden Elektroden entstandenen Pb2+- Ionen reagieren mit
den Säurerestionen der Schwefelsäure
(SO42-, Sulfat-Ionen) zu
schwerlöslichem, weißen PbSO4, das sich an den Elektroden
oder als Bodenkörper absetzt.
Minuspol:
Pb(s) + SO42-(aq) -> PbSO4(s) +
2 e-
Pluspol: PbO2(s) +
SO42-(aq) + 2 e- + 4
H3O+(aq) -> PbSO4(s) + 6
H2O(l)
_________________________________________________________________
Pb(s) +
PbO2(s) + 2 SO42-(aq) + 4
H3O+(aq) -> 2 PbSO4(s) + 6
H2O(l)
Das
Entladen ist eine freiwillig verlaufende Redoxreaktion.
Schwefelsäure wird verbraucht und es entsteht Wasser. Die Dichte der
Säure sinkt bei diesem Prozess von ca. 1,26 g/cm3 auf ca.
1,18 g/cm3. Man ist demnach in der Lage, den
Ladungszustand des Akkus mit Hilfe der Säuredichte zu bestimmen.
Laden:
Der
Ladevorgang ist ein erzwungener Prozess, bei dem man Spannung an die
Elektroden anlegt und so die Stromrichtung und die beim Entladen
stattfindenden elektrochemischen Prozesse umkehrt.
Minuspol: PbSO4(s) +
2 e- -> Pb(s) +
SO42-(aq)
Pluspol: PbSO4(s) + 6
H2O(l) -> PbO2(s) +
SO42-(aq) + 2 e- + 4
H3O+(aq)
_________________________________________________________________
2 PbSO4(s) + 6 H2O(l) -> PbO2(s)
+ Pb(s) + 2 SO42-(aq) + 4
H3O+(aq)
Wenn
man bei einer Säuredichte von 1,15 g/cm3 nicht nachlädt,
wird der Akku irreversibel beschädigt.
Der
Akku ist erschöpft, wenn das gesamte Bleioxid reduziert
wurde.
Altern des
Akkumulators
Das
Laden und Entladen ist theoretisch unbegrenzt wiederholbar.
Praktisch ist dies jedoch nicht möglich, weil unter anderem
die Raumbeanspruchung von Bleisulfat größer ist, als die von
Bleioxid oder Blei. Dadurch lockert sich im Laufe des Betriebs die
aktive Masse immer mehr auf und verliert allmählich an Festigkeit.
Masseteilchen der Platten brechen aus und nehmen nicht mehr am
aktiven Batterieleben teil. Bei Starterbatterien füllen sie als
Bleischlamm den Schlammraum am Boden des Akkus. Ist soviel Blei zu
Boden gesunken, dass der Schlamm die Plattenunterkante berührt,
kommt es zum Kurzschluss. Die Batterie ist "platt", und das
geschieht meist zu Beginn des Winters über
Nacht.
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Im Jahr 1859
entwickelte der französische Chemie Experte Planté den ersten
aufladbaren Bleiakku. Die "geladene Energie" konnte jedoch
noch nicht gelagert werden. Nach Jahren weiterer Entwicklung
und vielen Experimenten ist es dann 1868 gelungen, die
elektrische Energie zu lagern und wieder nutzbar zu machen, so
wie wir es heute kennen, als Autobatterie.
1899 entwickelte
Junger den bestehenden Akku weiter. Er verwendete Nickel als
positive Elektrode, Cadmium als negative Elektrode und
Kalilauge als Elektrolyt. Der Alkaline-Akku war geboren. Zwei
Jahre später produzierte Edison einen Nickel/Cadmium- und
einen Nickel/Eisen-Akku.
Weil die Materialen
für Alkaline-Akkus im Vergleich zu den normalen Bleiakkus
teuer waren, waren die Alkaline-Akkus nur für spezielle
(militärische) Nutzung vorgesehen. Nach einigen Jahren aber,
weil immer mehr Elektrogeräte in Gebrauch waren und längere
Benutzungszeiten gefragt waren, wurde die Entwicklung schnell
vorangetrieben. Im Jahre 1932, die Elektroexperten Schlecht
und Ackermann entwickelten die ersten Verbesserungen, wurde
die interne Konstruktion der Zelle drastisch geändert, so dass
damit mehr Energie gelagert und aufgenommen werden konnte.
1961 aber kam der richtige Durchbruch! Neumann realisierte
eine komplett geschlossene Nicad-Zelle, die nicht das
bisherige Problem hatte, beim Laden und Entladen viel
Flüssigkeit (Elektrolyt) zu verlieren und dazu ein viel
stabileres Benutzungsverhalten aufwies. Es war die japanische
Firma Sanyo die diese Entwicklung im gleichen Moment nutzte
und als erste mit einer Massenproduktion der sogenannten
Cadnica-Zelle aufwartete, natürlich gefolgt von vielen anderen
Herstellern wie Panasonic.
Durch diese großen
Verbesserungen sind aufladbare Akkus in unserer Zeit nicht
mehr wegzudenken. So sind z.B. Handys, Laptops, Bohrmaschinen,
und ferngesteuerte Modelle auf Akkus angewiesen. Aber die
Entwicklung geht weiter! Die Zellen werden durch die Nutzung
von neuen Techniken und besseren Materialen immer kleiner und
leichter und können mehr Energie speichern.
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Vorteile des Bleiakkumulators:
-
Relativ hohe Spannung
-
Vergleichsweise geringer Preis(50-70 Euro)
-
Relativ hohe Belastbarkeit
-
Fast vollständig wiederverwertbar
-
Wenig Pflege notwendig
Nachteile des
Bleiakkumulators:
-
Hohes Gewicht
-
Empfindlich gegenüber hohen Temperaturen
(Elektrolyttemperatur über 45°C)
-
Relativ lange Ladezeit
-
Zustand der totalen Entladung wirkt sich schlecht auf den
Akku aus
-
Entsorgung über den Sondermüll (Säure- und
Bleigehalt)
-
Durchschnittliche Lebensdauer ca. 4 Jahre
Besonderheiten des
Bleiakkumulators:
-
Beide Elektroden aus dem selben Material
-
Verwendung: Starter-, Antriebs- und Versorgungsbatterien
(Notstrom)
-
Anzahl der produzierten Starterbatterien zwischen 50-100
Mio. in Deutschland pro Jahr
-
70% des vorhandenen Bleis in Akkumulatoren
Quellen:
(1)
Elemente Chemie, Unterrichtswerk für Gymnasien, Ausgabe Bayern, 11.
Schuljahr, Grunewald und Scharf, Ernst Klett Schulbuchverlag,
Stuttgart 1994
(2) Universität Bielefeld
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