Infos
über Batterien
(C) MDvP 2000 |
Inhalt
Technischer Aufbau
Allgemeiner Aufbau
Positive Platte
Negative Platte
Separation
Elektrolyt
Eigenschaften
Ruhespannung
Chemische Umwandlung beim Entladen
Chemische Umwandlungen beim Laden
Physikalische Vorgänge bei Laden und Entladen
Kapazität
Lade- und Entladevorgänge
Gasung
Einfrieren
Tiefentladung
Ständige Teilentladung
Laden mit zu hohem Strom
Überladen mit geringem Strom
Wartungsfreie Batterien
Plattenschluß
Sonstiges
Wie macht man's richtig
Tips
Literatur
Allgemeiner Aufbau
- Gitter der negativen Platte
- Gewellter, mikroporöser Scheider
- Positive Platte
- Negative Platte
- Anschlußpole der Platten
- Polbrücke
- Plattenstapel
- Plattenpacket einer Zelle
- Zellenverbinder
- Befestigungsleiste
- Gehäuse
- Verschlußstopfen
- Endpol
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| Inhalt
Positive Platte
- Wirksame Masse Bleidioxid PbO2 wird auf elektrochemischem Wege
(Formation, anodische Reaktion) aus Blei, Bleiglätte (PbO) und Mennige
(Pb3O4) hergestellt. Bleidioxid hat eine schwarzbraune Farbe.
- Aufbau der Platte als Großoberflächen-, Panzer- oder Gitterplatte.
Bei Starterbatterien meist als Gitterplatte. Dazu wird ein Gitter aus
Hartblei (Blei-Antimon-Legierung) mit einer Paste aus Bleioxiden
bestrichen und diese durch Formation in PbO2 gewandelt.
Inhalt
Negative Platte
- wirksame Masse ist fein verteiltes schwammiges Blei. Das Schwammblei
entsteht durch katodische Reaktion von Bleiverbindungen.
- Aufbau als Kastenplatte oder Gitterplatte.
Inhalt
SeparationUm Kurzschlüsse zu verhindern werden die Platten mit
mikroporösen Scheidern getrennt. Üblich sind gerippte oder gewellte Gummi-
oder Kunststoffscheider. Bei Starterbatterien ist die Einfachseparation
üblich.
Inhalt
Elektrolyt
Als Elektrolyt wird verdünnte Schwefelsäure (H2 SO4)
mit einer Dichte von 1.26 (~38%ig) verwendet. Die Säureleitfähigkeit
liegt damit im Bereich des Maximalwerts und greift das
Plattenmaterial chemisch nicht an. Reines Blei wird von starker
Schwefelsäure rein chemisch in Bleisulfat verwandelt, von schwacher
jedoch nicht. Die rein chemische Reaktion beginnt bei einer
Säuredichte von 1.3 bis 1.35. Bleidioxid wird weder von schwacher,
noch von starker Schwefelsäure angegriffen, nur von konzentrierter.
Achtung: Batteriesäure ist stark ätzend und hinterläßt
nette Löcher in den Klamotten. Säurespritzer auf Haut oder Klamotten
sofort mit viel klarem Wasser abwaschen. Bei Spritzern in die
Augen (besser sollte man eine Schutzbrille tragen) ebenfalls
sofort mit sehr viel Wasser auswaschen und schnellstens einen
Augenarzt aufsuchen.
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| Inhalt
Ruhespannung der Zellen
Die Ruhespannung hängt von der Dichte der Säure ab.
Als Faustregel gilt: Die Ruhespannung ist die Dichte der Säure +
0.84 Volt. Bei einer Säuredichte von 1.26 liefert die Zelle also
1.26 + 0.84 = 2.1 Volt. Eine voll geladene 12 V-Batterie hat also
eine Ruhespannung von 12.6 V. Eine leere Batterie hat eine
Säuredichte von ca. 1.1 und liefert etwa eine Ruhespannung von 11.8
V (hier stimmt es nicht ganz mit der Faustformel überein)
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| Inhalt
Chemische Umwandlungen beim Entladen
- Positive Platte: PbO2 + H2SO4 + 2 H + 2 e ==> PbSO4 + 2 H2O
Bleidioxid und Schwefelsäure werden also unter Aufnahme von 2
Elektronen in Bleisulfat und Wasser verwandelt.
- Negative Platte: Pb + SO4 ==> PbSO4 + 2 e
Das Schwammblei
wird unter Aufnahme von Säure in Bleisulfat gewandelt und gibt zwei
Elektronen ab.
Inhalt
Chemische Umwandlungen beim LadenBeim Laden werden die Vorgänge
umgedreht: also
- positive Platte: PbSO4 + 2 H2O + SO4 ==> PbO2 + 2 H2SO4 + 2 e
- negative Platte: PbSO4 + 2 H + 2 e ==> H2SO4 + Pb
Inhalt
Physikalische Vorgänge bei Laden und Entladen
Die wirksame Masse der Platten besteht aus einzelnen,
miteinander verketteten Körnchen, zwischen denen sich Hohlräume
(Poren) befinden. In der negativen Platte sind auch inerte Partikel
eingelagert, die die Schwammbleikörnchen voneinander trennen. Nur
die Säure, die sich in diesen Poren befindet trägt zur
elektrochemischen Umwandlung bei. Sie wird als innere
Säure bezeichnet. Der Dichteausgleich zwischen innerer und
äußerer Säure geschieht durch Diffusion und ist daher stark
Temperaturabhängig. Die Grafik zeigt die Temperaturabhängigkeit der
Säureviskosität für verschiedenen Säuredichten. Sowohl an der
positiven, als auch an der negativen Platte entsteht Bleisulfat. Da
Bleisulfat ein Isolator ist, kann nicht die gesamte wirksame Masse
ungewandelt werden. Bleisulfat hat zudem ca. das
eineinhalbfache Volumen von Bleidioxid und das
dreifache des Bleischwamms! Daher setzen sich die Poren bei
der Entladung zu und behinderen den Säureausgleich. Bei
Tiefentladung kann der Volumenzuwachs sogar so groß werden, daß sich
die Platten krümmen und zerbröseln oder sie Separation beschädigen
=> Exitus der Batterie!
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| Inhalt
Kapazität
Wird in Amperestunden (Ah) gemessen und gibt die
Ladung an, die ein Akku bei Entladung mit konstantem Strom bis zum
Erreichen einer vorgegebenen Spannung (Entladeschlußspannung) in
bestimmter Zeit abgeben kann. Die Kapazität ist nicht
konstant! sondern von der Temperatur und der Höhe des Stroms
abhängig. So ist die Kapazität ca doppelt so hoch, wenn statt mit
einstündigem Strom mit 20-stündigem entladen wird. Angegeben wird
immer eine Nennkapazität bei vorgeschriebenen Randbedingungen
(üblicherweise 20°C, 10-stündiger Strom). Die obere Grafik zeigt die
Kapazität eine 45Ah-Batterie in Abhängigkeit des Entladestroms.
Markiert sind die 100%-Kapazität bei 10-stündigem Strom. Die
geringere Kapazität bei hohen Strömen beruht hauptsächlich auf dem
Konzentrationsgefälle zwischen innerer und außerer Säure. So ist
die Kapazität auch bei niedrigen Temperaturen geringer, da die
Viskosität der Säure ansteigt und die Diffusion behindert. Die
untere Grafik zeigt die Abhängigkeit der Kapazität von der
Temperatur.
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| Inhalt
Lade- und Entladevorgänge
Bei der Entladung sinkt die Zellenspannung und zwar
zuerst stark, dann erholt sie sich wieder ein bischen. Dieser
Spannungssack entsteht durch das Konzentrationsgefälle zwischen
innerer und äußerer Säure. Wird die Entladung unterbrochen, so
erholt sich die Spannung wieder, da der Diffusionsprozess ja weiter
läuft. Beim Entladen mit hohem Strom kann die Dichte der inneren
Säure auf 1 anfallen, d.h. es ist nur noch Wasser im inneren der
Platten, die weitere Umwandlung findet daher nur an den Oberflächen
der Platten statt und bildet eine Sulfatschicht. Daher den Starter
niemals zu lange laufen lassen, sondern Pausen machen. In vielen
Fällen tritt auch beim Laden zu Beginn ein Spannungsberg auf. Seine
Ursache ist jedoch eine vorübergehende Erhöhung des ohmschen
Widerstands, hervorgerufen durch die schlecht leitende harte
Sulfatschicht auf der Oberfläche der positiven Platte. Beim Laden
mit großen Stromstärken (Schnelladung, Starthilfe) kann hierbei
sogar die Gasungsspannung überschritten werden. Die Gasungsspannung
liegt bei ca. 2.35-2.4 V. Bis zu dieser Spannung wird der Strom
praktisch verlustlos für die Umwandlung von Bleisulfat in Blei bzw.
Bleidioxid umgesetzt. Erst mit Beginn der Gasentwicklung wird ein
Teil des Stroms für die Wasserzersetzung verbraucht. Bei
Unterbrechung/Beendung des Ladevorgangs fällt die Spannung sofort
auf ca. 2.2V ab und von da ab langsam auf den Wert: -Dichte der
Säure +0.84-. Da die innere Säuredichte bei Laden immer höher ist,
kann bei zu schnellem Laden die Dichte einen Wert erreichen, der den
Bleischwamm der negativen Platte chemisch in Bleisulfat wandelt.
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| Inhalt
GasungDer Ladestrom wird im Elektrolyt durch Ionen transportiert.
Das sind zum einen die Säureionen H+ und SO4--, zum anderen liegt auch das
Wasser z.T. dissoziiert als H+ und OH- vor. Die Ionenkonzentration des
Wassers ist aber im Vergleich zur Säure extrem gering. Für beide gilt aber
der Faraday, der da sagt, daß der Umsatz an den Platten proportional zum
Strom ist. Die Säureionen können ihre Ladung an den Platten aber nur durch
die Reaktion Bleisulfat ==> Blei, bzw. Bleisulfat ==> Bleidioxid los
werden, das Wasser dagegen durch Gasentwicklung. Solange die Säureionen
also einen Reaktionspartner finden sind die Wasserionen entsprechend ihrer
Konzentration kaum am Strom beteiligt. Bei einer 12 V Batterie setzt
eine starke Gasung bei ca. 13,8 V - 14,4 V ein. Spätestens bei dieser
Spannung sollte der Regler abregeln. Bei Stationärbatterien ist ein
leichtes Gasen beim Ladevorgang erwünscht, da die aufsteigenden Gasblasen
ein Absetzen der Säure (Säureschichtung) verhindern. Bei Fahrzeugbatterien
ist das nicht nötig, da sie ja mechanisch genug geschüttelt werden.
Inhalt
Einfrieren
Die Gefriertemperatur der Säure hängt von ihrer
Dichte und somit dem Ladezustand der Batterie ab.
Folgende
Tabelle gibt Aufschluß:
Tabelle:
Gefriertemperatur |
Ladezustand |
Säuredichte |
Spannung |
Gefriertemperatur |
0% |
1,05 |
11,80 V |
-7,7°C |
25% |
1,12 |
11,90 V |
-10,8°C |
50% |
1,16 |
12,10 V |
-17,9°C |
75% |
1,21 |
12,36 V |
-31,7°C |
100% |
1,26 |
12,60 V |
-56,5°C |
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| Inhalt
TiefentladungDie Platten haben normalerweise einen Überschuß an
Masse. Wird die Zelle zu tief entladen, so wird mehr Masse umgesetzt.
Durch die übermäßige Volumenvergrößerung wird das Gefüge der Platten
ungünstig beeinflußt. Die positiven Platten krümmen sich und die wirksame
Masse zerbröselt. Bei der negativen Platte fallen die inerten Stoffe aus
und die Platte versintert beim Laden.
Inhalt
Ständige TeilentladungWird eine Zelle ständig zu knapp geladen,
so wird die wirksame Masse nich vollständig in Blei, bzw. Bleidioxid
gewandelt. Es tritt eine Sulfatation ein, die mit einer geringeren Dichte
der Säure und einem Kapazitätsverlust verbunden ist.
Inhalt
Laden mit zu hohem Strom
Bis zur Gasungsspannung eher unkritisch, jedoch kann
die innere Säure eine so hohe Dichte erreichen, daß die Umwandlung
von Bleisulfat in Bleischwamm gestoppt wird und die Platte
versintert. Die Gasungsspannung wird außerdem sehr viel schneller
erreicht, wie ein Vergleich der Kurven für 3-stündigen und
10-stündigen Strom zeigt. Bei Überschreiten der Gasungsspannung
reißen die Gasblasen Bleioxidteilchen von der positiven Platte ab.
Diese Teilchen fallen zu Boden und wandern zum Teil zur negativen
Platte, wo sie in Bleischwamm umgewandelt werden. Diese
Oberflächenablagerungen können Kurzschlüsse verursachen. Außerdem
wird die Lebensdauer der positiven Platte stark verringert
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| Inhalt
Überladen mit geringem StromWird die Zelle zu lange geladen, so
nutzt sich wie beim Laden mit zu hohem Strom die positive Platte stark ab
und es besteht Kurzschlußgefahr durch Ablagerungen an der negativen
Platte.
Inhalt
Wartungsfreie BatterienEs gibt zwei verschiedene Typen von
wartungsfreien Batterien: gekapselte und Gelbatterien. Bei Gelbatterien
ist die Säure mittels Silicagel gebunden und diese Batterien können in
beliebigen Einbaulagen verwendet werden. Beide Typen sind gasdicht
verschlossen und besitzen ein Überdruckventil, das bei starker
Gasentwicklung ein Platzen verhindert. Üblicherweise enthalten diese
Batterien auch einen Katalysator, der enstehendes Knallgas in Wasser
zurückverwandelt. Einfacherer Varianten haben nur ein größeres
Puffervolumen an Säure, so daß der Wasserverlust im Rahmen der Lebensdauer
die Platten nicht trocken werden läßt. All diese Batterien sollten
nicht oberhalb der Gasungsspannung geladen werden.
Inhalt
PlattenschlußExitus der Batterie => wegschmeißen! (bzw.
natürlich zurückgeben) Es gibt mehrere Möglichkeiten für einen
Plattenschluß.
- Mechanisch, durch einen Stoß, können sich die Aufhängungen der
Platten verbiegen (Blei ist recht weich).
- Durch Tiefentladung wachsen die Platten zu stark an (Bleisulfat hat
ca. das eineinhalbfache Volumen von Bleidioxid und das dreifache des
Bleischwamms), krümmen sich und beschädigen die Separation.
- Bei Überschreiten der Gasungsspannung reißen die Gasblasen
Bleioxidteilchen von der positiven Platte ab. Diese Teilchen fallen zu
Boden (Bleischlamm) und wandern zum Teil zur negativen Platte, wo sie in
Bleischwamm umgewandelt werden. Diese Oberflächenanlagerungen können
Kurzschlüsse verursachen.
Bei einem Plattenschluß wird eine
Zelle inaktiv, die Ruhespannung der Batterie sinkt also um die einer
Zelle. Aber die Batterie bekommt einen sehr hohen Innenwiderstand, da
Bleisulfat ein Isolator ist. Bei dem Versuch Strom zu entnehmen, bricht
daher die Spannung ein, da sie am Innenwiderstand abfällt.
Inhalt
Aber wie macht man's nun richtig
- Laden mit konstanter Spannung über einen festen Widerstand - ist ok,
aber nach erreichen der Gasungsspannung sollten Pausen eingelegt werden
(Pöhlerschalter).
- Strom- und spannungsbegrenztes Laden mit maximal 2.4V / Zelle (14.4
V) ist optimal für schnelles, akkuschonendes Laden. Eine Schaltung dazu
gibt's auf Phil Herzogs Schrauberseite.
- Elektronische Pulslader laden mit einem kurzen Puls und hohem Strom.
Danach wird die Batterie kurzzeitig mit geringem Strom entladen, so daß
sich nach dem Ladepuls innere und äußere Säure ausgleichen können. Nach
dem Puls ist der Dichtegradient recht hoch, so daß der Diffusionsprozeß
schneller abläuft. Zusätzlich beseitigt ein solches Laden eventuelle
Oberflächensulfatisation der Platten. Die isolierende Sulfatschicht auf
den Platten wird beim Gleichstromladen nicht vollständig wieder in Blei
bzw. Bleidioxid umgesetzt. Der kapazitive Widerstand bewirkt aber beim
Wechselstrom des Pulsladers, daß durch die Schicht Strom fließen kann
und auch hier ein Ladevorgang stattfindet.
- Dauerladen - sollte mit einer Spannung erfolgen, die 0.1 V über der
Ruhespannung der Zellen liegt (also ca. 13,2V bei einer Moppedbatterie).
Nachladen - mit niedrigem Strom, wobei noch Ruhepausen eingelegt
werden sollten.
- Neuformation der Platten - dient zur Auffrischung des Akkus und soll
die Platten regenerieren: Entladen mit niedrigem Strom (<20
stündigem) mit Ruhepausen und bis ca. 80% der Nennkapazität entnommen
sind. Danach mit <20 stündigem Strom aufladen, ebenfalls mit Pausen.
- Beseitigung hartnäckiger Sulfation - für ganz schwere Fälle, falls
die Batterie kaum Strom aufnimmt:
Um den Ausgleich zwischen innerer
und äußerer Säure zu erleichtern senkt man die Dichte ab. Man saugt
einen Teil der Säure ab und ersetzt ihn durch Wasser. Danach lädt man
die Zellen mit geringem Strom auf (Pausen!) und führt danach eine (oder
mehrere) Neuformationen durch. Nach der letzten Volladung (und einer
Wartezeit) ersetzt man die Säure. Achtung: Bei einem Elektrolytwechsel
oder einem Spülen der Batterie können u.U. mechanische Schäden oder
Kurzschlüsse (Bleischlamm) hervorgerufen werden. Oder man erhöht die
Ladespannung um die Sulfatschicht zu "cracken".
Dazu ein Tip aus
de.rec.motorrad von Wolfgang Horejsi:
"Also du benoetigst: 1 Gluehlampe 230V ca. 60 Watt mit passender
Fassung, oder eine Stehlampe, Nachttischlampe usw. 1
Bruecken-Gleichrichter 250 V 1A (kostet als Rundbruecke etwa 0,50 DM).
Du schliesst 1 Leitung von der Steckdose direkt an einen Pol den Lampe
an, dann sind noch 2 Draehte frei, einer von der Steckdose und 1 von der
Lampe. Die beiden schliesst du an den Gleichrichter an, und zwar an die
beiden mit Wellenlinie gekennzeichneten Wechselstromeingaenge. An die
Plus und Minusleitung des Gleichrichters schliesst du die Batterie an.
Das Problem bei dieser einfachen Schaltung: an allen Komponenten,
einschliesslich der Batterie liegen lebensgefaehrliche Spannungen an.
Falls du also Kinder, grosse Hunde, kleine Katzen im Haus hast, vergiss
es. Nach 24 Stunden ist die Motorrad-Batterie entweder ausreichend
geladen, oder es gibt wirklich keine Moeglichkeit die Batterie zu
retten, nicht dass sie durch das Aufladen Schaden nimmt, sie war dann
schon vorher hin. Hinweis: Solltest du jemand anders den Tip
weitergeben, dann bitte nicht ohne ausreichende Sicherheitsbelehrung,
und mit genau diesem Hinweis. Denk bitte dran: Strom kennt keine
Freunde."
- Alte, tote Batterien niemals wegschmeißen, sondern im Laden
zurückgeben!
Bleibatterien enthalten zum einen starke Umweltgifte,
zum anderen recyclebare Rohstoffe. Das Recyclen lohnt sich daher sowohl
für die Umwelt, als auch für den Geldbeutel. Häufig wird daher beim
Batteriekauf ein Pfand verlangt, oder aber ein Rabatt bei Rückgabe einer
alten Batterie gewährt.
Inhalt
Tips für den Gebrauch von Akkus
- Niemals Tiefentladen (also nie unter 11.8 V noch versuchen Strom zu
entnehmen)
- möglichst immer voll lagern. "Bleibatterien sind am glücklichsten,
wenn sie voll sind."
- Säurestand öfters mal kontrollieren. Säure nur bei Lecks nachfüllen,
sonst nur destilliertes Wasser
- Neue Batterien sollten erst noch mal geladen werden. Nach dem
Einfüllen der Säure bringt sie nur etwa 70% ihrer Kapazität auf. Das
liegt vor allem daran, daß die Säure nur sehr langsam in den Bleischwamm
vordringt. Das Laden erleichtert den Diffusionsvorgang. Das merkt man
auch daran, daß nach dem Laden der Säurestand etwas gefallen ist. In
diesem Fall muß der Pegel mit Säure (nicht mit Wasser) wieder auf
Maximum gebracht werden. Wird eine neue Batterie gleich nach dem Füllen
belastet (z.B. durch den Starter) bildet sich hauptsächlich auf den
Plattenoberflächen Bleisulfat, das die Kapazität noch weiter
einschränkt. Die volle Kapazität erreicht man dann nur noch durch
aufwendige Neuformation.
- Normales Laden sollte möglichst mit einen spannungs- und
strombegrenzten Ladegerät erfolgen. Eine Schaltung für ein solches
Ladegerät gibt's auf Phil Herzogs Schrauberseite.
Der Ladestrom sollte maximal auf ca. 10-stündigen Strom eingestellt, die
Ladespannung auf ca. 14V - 14,4V begrenzt werden.
- Schnelladen sollte man möglichst vermeiden. Wenn es aber unbedingt
nötig ist, dann nur bis zu Gasungsspannung (ca. 14.4 V)
- Um hohe Anfangsströme zu vermeiden sollte man Starthilfe mit einer
Dose möglichst mit der Ruhespannung der Geberbatterie geben (Motor des
Geberfahrzeugs läuft nicht). Vorrausgesetzt natürlich, daß die
Geberbatterie einen entsprechenden Kapazitätsüberschuß hat. Bei sehr
schlapper Moppedbatterie kann es sogar besser sein in mehreren kurzen
Intervallen die Kabel abschließen bis die Batterie eine Teilladung
erreicht hat. Erst dann die Kabel anschließen (auf guten Kontakt achten)
und starten.
- Säuredichte bzw. Ruhespannung nach dem Laden und einer angemessenen
Diffusionszeit messen
(Die Säuredichte sollte 1.26 sein, bzw. 12.6 V
Ruhespannung)
- Bei längeren Standzeiten:
- Erhaltungsladen (Dauerladen) mit konstanter Spannung von
Ruhespannung + 0.1 V / Zelle (also 13.2 V)
- oder mit niedrigem Strom bis zur Entladeschlußspannung (11.8 V, ja
nicht länger) entladen und mit geringem Strom wieder aufladen. Dabei
evtl. auch Pausen einlegen.
- Bei (fast) toter Batterie:
- Neue kaufen (Alte zurückgeben!)
ODER
- Desulfatisieren
ODER
- mit erhöhter Spannung die Sulfatschicht
knacken
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Literatur
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