Nahezu jedes tragbare und tragbare Gerät besteht aus einer Batterie. Die Batterie ist ein Speichermedium, in dem Energie gespeichert wird, um bei Bedarf Strom zu liefern. In der modernen Elektronikwelt gibt es verschiedene Arten von Batterien, darunter Bleibatterien, die häufig für eine hohe Stromversorgung verwendet werden. Normalerweise sind Blei-Säure-Batterien größer und haben eine harte und schwere Konstruktion. Sie können eine große Menge an Energie speichern und werden im Allgemeinen in Autos und Wechselrichtern verwendet.

Auch nachdem sie mit Li-Ionen-Batterien konkurrieren, steigt die Nachfrage nach Blei-Säure-Batterien von Tag zu Tag, da sie im Vergleich zu Li-Ionen-Batterien billiger und einfach zu handhaben sind. Laut einer Marktstudie wird der indische Markt für Bleibatterien in den Jahren 2018-24 mit einer CAGR von über 9% wachsen. Es besteht also eine große Marktnachfrage in den Bereichen Automatisierung, Automobil und Unterhaltungselektronik. Obwohl die meisten Elektrofahrzeuge mit Lithium-Ionen-Batterien ausgestattet sind, gibt es immer noch viele elektrische Zweiräder, die Blei-Säure-Batterien verwenden, um das Fahrzeug anzutreiben.

Im vorherigen Tutorial haben wir über Lithium-Ionen-Batterien gelernt, hier werden wir die Funktionsweise, den Aufbau und die Anwendungen von Blei-Säure-Batterien verstehen. Wir werden auch etwas über die Lade-/Entladeleistung, die Anforderungen und die Sicherheit von Blei-Säure-Batterien lernen.

Konstruktion von Blei-Säure-Batterien

Was ist eine Blei-Säure-Batterie? Wenn wir den Namen Blei-Säure-Batterie aufbrechen, erhalten wir Blei, Säure und Batterie. Blei ist ein chemisches Element (Symbol Pb und die Ordnungszahl 82). Es ist ein weiches und verformbares Element. Wir wissen, was eine Säure ist; sie kann ein Proton abgeben oder ein Elektronenpaar aufnehmen, wenn sie reagiert. Eine Batterie, die aus Blei und wasserfreier Bleisäure (manchmal fälschlicherweise als Bleiperoxid bezeichnet) besteht, wird also als Bleisäurebatterie bezeichnet.

Wie ist nun der innere Aufbau?

Eine Blei-Säure-Batterie besteht aus den folgenden Dingen, die wir in der folgenden Abbildung sehen können:

Eine Blei-Säure-Batterie besteht aus Platten, Separator und Elektrolyt, Hartplastik mit einem Hartgummigehäuse.

In den Batterien gibt es zwei Arten von Platten, positive und negative. Die positive Platte besteht aus Bleidioxid und die negative aus Bleischwamm. Diese beiden Platten sind durch einen Separator getrennt, der ein isolierendes Material ist. Die gesamte Konstruktion befindet sich in einem Hartplastikgehäuse mit einem Elektrolyt. Der Elektrolyt besteht aus Wasser und Schwefelsäure.

Das Hartplastikgehäuse ist eine Zelle. Eine einzelne Zelle speichert normalerweise 2,1 V. Aus diesem Grund besteht eine 12V-Blei-Säure-Batterie aus 6 Zellen und liefert 6 x 2,1V/Zelle = 12,6V.

Wie hoch ist nun die Ladungsspeicherkapazität?

Sie ist stark abhängig vom aktiven Material (Elektrolytmenge) und der Größe der Platte. Sie haben vielleicht gesehen, dass die Speicherkapazität von Lithiumbatterien in mAh oder Milliamperestunden angegeben wird, aber bei Blei-Säure-Batterien ist es eine Amperestunde. Wir werden dies in einem späteren Abschnitt beschreiben.

Arbeitsweise der Bleibatterie

Bei der Arbeit der Bleibatterie dreht sich alles um Chemie und es ist sehr interessant, darüber Bescheid zu wissen. Beim Laden und Entladen der Blei-Säure-Batterie sind zahlreiche chemische Prozesse im Spiel. Die Moleküle der verdünnten Schwefelsäure H2SO4 zerfallen in zwei Teile, wenn sich die Säure auflöst. Es entstehen positive Ionen 2H+ und negative Ionen SO4-. Wie bereits erwähnt, sind zwei Elektroden als Platten verbunden, Anode und Kathode. Die Anode fängt die negativen Ionen auf und die Kathode zieht die positiven Ionen an. Diese Verbindung zwischen Anode und SO4- und Kathode mit 2H+ tauscht Elektronen aus, die dann mit H2O oder Wasser reagieren (verdünnte Schwefelsäure, Schwefelsäure + Wasser).

Die Batterie hat zwei Zustände der chemischen Reaktion, Aufladen und Entladen.

Blei-Säure-Batterie Aufladen

Wie wir wissen, müssen wir zum Aufladen einer Batterie eine Spannung bereitstellen, die größer ist als die Klemmenspannung. Um eine 12,6V-Batterie aufzuladen, können also 13V angelegt werden.

Aber was passiert eigentlich, wenn wir eine Bleibatterie aufladen?

Nun, die gleichen chemischen Reaktionen, die wir zuvor beschrieben haben. Wenn die Batterie an das Ladegerät angeschlossen wird, zerfallen die Schwefelsäuremoleküle in zwei Ionen, positive Ionen 2H+ und negative Ionen SO4-. Der Wasserstoff tauscht Elektronen mit der Kathode aus und wird zu Wasserstoff. Dieser Wasserstoff reagiert mit dem PbSO4 in der Kathode und bildet Schwefelsäure (H2SO4) und Blei (Pb). Andererseits tauscht SO4- mit der Anode Elektronen aus und wird zu SO4-Radikal. Dieses SO4 reagiert mit dem PbSO4 der Anode und bildet das Bleiperoxid PbO2 und Schwefelsäure (H2SO4). Die Energie wird durch die Erhöhung der Schwerkraft der Schwefelsäure und die Erhöhung der Zellenspannung gespeichert.

Wie oben erklärt, finden während des Ladevorgangs folgende chemische Reaktionen an Anode und Kathode statt.

An der Kathode

PbSO4 + 2e- => Pb + SO42-

An der Anode

PbSO4 + 2H2O => PbO2 + SO42- + 4H- + 2e-

Kombiniert man die beiden obigen Gleichungen, so ergibt sich folgende chemische Gesamtreaktion

2PbSO4 + 2H2O => PbO2 + Pb + 2H2SO4 

Es gibt verschiedene Methoden zum Laden von Blei-Säure-Batterien. Jede Methode kann für eine bestimmte Bleisäurebatterie für bestimmte Anwendungen verwendet werden. Bei einigen Anwendungen wird die Konstantspannungs-Lademethode verwendet, bei anderen die Konstantstrom-Methode, wobei in einigen Fällen auch die Kitzelladung nützlich ist. Normalerweise gibt der Batteriehersteller die richtige Lademethode für die jeweiligen Blei-Säure-Batterien vor. Die Konstantstrom-Ladung wird in der Regel nicht zum Laden von Blei-Säure-Batterien verwendet.

Die am häufigsten verwendete Lademethode für Blei-Säure-Batterien ist die Konstantspannungs-Lademethode, die in Bezug auf die Ladezeit ein effektiver Prozess ist. Bei einem vollen Ladezyklus bleibt die Ladespannung konstant und der Strom nimmt allmählich ab, je höher der Ladezustand der Batterie ist.

Entladung einer Bleibatterie

Die Entladung einer Bleibatterie ist wiederum mit chemischen Reaktionen verbunden. Die Schwefelsäure liegt in verdünnter Form vor, typischerweise im Verhältnis 3:1 mit Wasser und Schwefelsäure. Wenn die Verbraucher über die Platten angeschlossen werden, zerfällt die Schwefelsäure wieder in positive Ionen 2H+ und negative Ionen SO4. Die Wasserstoff-Ionen reagieren mit dem PbO2 und bilden PbO und Wasser H2O. PbO beginnt mit H2SO4 zu reagieren und bildet PbSO4 und H2O.

Auf der anderen Seite tauschen SO4-Ionen Elektronen von Pb aus und bilden SO4-Radikale, aus denen wiederum PbSO4 entsteht, das mit Pb reagiert.

Wie oben erläutert, finden während des Entladungsvorgangs an Anode und Kathode folgende chemische Reaktionen statt. Diese Reaktionen sind genau entgegengesetzt zu den Ladereaktionen:

An der Kathode

Pb + SO42- => PbSO4 + 2e-

An der Anode:

PbO2 + SO42- + 4H- + 2e- => PbSO4 + 2H2O

Kombiniert man die beiden obigen Gleichungen, so ergibt sich folgende chemische Gesamtreaktion:

PbO2 + Pb + 2H2SO4 => 2PbSO4 + 2H2O

Durch den Elektronenaustausch zwischen Anode und Kathode wird das Elektronengleichgewicht zwischen den Platten gestört. Die Elektronen fließen dann durch die Ladung und die Batterie wird entladen.

Während dieser Entladung sinkt die Schwerkraft der verdünnten Schwefelsäure. Gleichzeitig sinkt auch die Potentialdifferenz der Zelle.

Risikofaktor und elektrische Werte

Die Bleibatterie ist schädlich, wenn sie nicht sicher gewartet wird. Da die Batterie während des chemischen Prozesses Wasserstoffgas erzeugt, ist sie sehr gefährlich, wenn sie nicht in einem belüfteten Bereich verwendet wird. Außerdem wird die Batterie durch ungenaues Laden schwer beschädigt.

Was sind die Standardwerte für Blei-Säure-Batterien?

Jede Blei-Säure-Batterie ist mit einem Datenblatt für Standard-Ladestrom und Entladestrom versehen. Typischerweise kann eine 12V-Blei-Säure-Batterie, die für die Automobilanwendung geeignet ist, zwischen 100Ah und 350Ah liegen. Dieser Wert ist definiert als der Entladestrom bei einer Zeitspanne von 8 Stunden.

Zum Beispiel könnte eine 160Ah-Batterie einen Versorgungsstrom von 20A für die Last für 8 Stunden der Spanne liefern. Es kann mehr Strom entnommen werden, aber es ist nicht ratsam, dies zu tun. Wenn man mehr Strom als den maximalen Entladestrom für 8 Stunden entnimmt, wird der Wirkungsgrad der Batterie beschädigt und der Innenwiderstand der Batterie könnte sich ebenfalls ändern, was die Temperatur der Batterie weiter erhöht.

Andererseits sollte man während der Ladephase auf die Polarität des Ladegeräts achten, das richtig mit der Polarität der Batterie verbunden sein sollte. Eine Verpolung ist für das Laden von Blei-Säure-Batterien gefährlich. Das fertige Ladegerät verfügt über ein Messgerät für Ladespannung und Ladestrom mit einer Kontrollmöglichkeit. Wir sollten eine höhere Spannung als die Batteriespannung bereitstellen, um die Batterie zu laden. Der maximale Ladestrom sollte dem maximalen Versorgungsstrom bei einer Entladezeit von 8 Stunden entsprechen. Wenn wir das gleiche Beispiel von 12V 160Ah nehmen, dann ist der maximale Versorgungsstrom 20A, also ist der maximale sichere Ladestrom 20A.

Wir sollten den Ladestrom nicht erhöhen oder einen großen Ladestrom zur Verfügung stellen, da dies zu Hitze und erhöhter Gasentwicklung führt.

Wartungsregeln für Blei-Säure-Batterien

1. Wasser ist die am meisten vernachlässigte Wartungsfunktion von gefluteten Blei-Säure-Batterien. Da durch Überladung der Wassergehalt sinkt, müssen wir ihn häufig überprüfen. Weniger Wasser führt zu Oxidation in den Platten und verkürzt die Lebensdauer der Batterie. Fügen Sie bei Bedarf destilliertes oder ionisiertes Wasser hinzu.
2. Prüfen Sie die Entlüftungsöffnungen, sie müssen mit Gummikappen perfektioniert werden, oft kleben die Gummikappen zu fest an den Löchern.
3. Laden Sie Blei-Säure-Batterien nach jedem Gebrauch auf. Ein langer Zeitraum ohne Aufladung sorgt für Sulfatierung in den Platten.
4. Die Batterie nicht einfrieren oder laden Sie es mehr als 49-Grad-Celsius. In kalten Umgebungen müssen Batterien voll aufgeladen werden, da voll geladene Batterien sicherer sind als leere Batterien in Bezug auf das Einfrieren.
5. Die Batterie darf nicht tiefer als 1,7 V pro Zelle entladen werden.
6. Um eine Bleibatterie zu lagern, muss sie vollständig aufgeladen werden, dann muss der Elektrolyt abgelassen werden. Dann wird die Batterie trocken und kann über einen langen Zeitraum gelagert werden.