Infos über Batterien

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.

Negative Platte:

• wirksame Masse ist fein verteiltes schwammiges Blei. Das Schwammblei entsteht durch katodische Reaktion von Bleiverbindungen.
• Aufbau als Kastenplatte oder Gitterplatte.

Separation:

Um Kurzschlüsse zu verhindern werden die Platten mit mikroporösen Scheidern getrennt. Üblich sind gerippte oder gewellte Gummi- oder Kunststoffscheider. Bei Starterbatterien ist die Einfachseparation üblich.

Elektrolyt:

Als Elektrolyt wird verdünnte Schwefelsäure (H₂SO₄) verwendet. 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.

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).

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.

Chemische Umwandlungen beim Laden:

Beim 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

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.
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!

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 vor allem von 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 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.

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.

Gasung

Bei einer 12 V Batterie setzt die Gasung bei ca. 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.

Einfrieren

Die Gefriertemperatur der Säure hängt von ihrer Dichte und somit dem Ladezustand der Batterie ab. Folgende Tabelle gibt Aufschluß:
 

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

 Grafische Version

Tiefentladung

Die 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.

Ständige Teilentladung

Wird 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.

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. 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.

Überladen mit geringem Strom

Wird 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.

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 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.
• Ausgleichsladen - 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 der Sulfation - für ganz schwere Fälle: 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 ein (oder mehrere) Ausgleichsladen durch. Nach der letzten Volladung (und einer Wartezeit) ersetzt man die Säure.

Tips für den Gebrauch von Akkus:

1. Niemals Tiefentladen (also nie unter 11.8 V noch versuchen Strom zu entnehmen)
2. Schnelladen sollte man möglichst vermeiden. Wenn es aber unbedingt nötig ist, dann nur bis zu Gasungsspannung (ca. 14.4 V), z.B. bei Starthilfe mit einer Dose mit der Ruhespannung der Geberbatterie (Motor des Geberfahrzeugs läuft nicht,  damit der Spannungsberg am Anfang der Ladung nicht ganz so groß wird). 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.
3. möglichst immer voll lagern
4. Säure nur bei Lecks nachfüllen, sonst nur destilliertes Wasser
5. Säuredichte nach dem Laden und einer angemessenen Diffusionszeit messen (sollte 1.26 sein, bzw. 12.6 V Ruhespannung)
6. 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.
7. 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 aufwendiges Ausgleichsladen.
8. Bei schlapper Batterie:
•  Wegschmeißen, neue kaufen, ODER
•  Desulfatisieren, d.h.
•   Säuredichte reduzieren (Säure teilweise absaugen, mit dest. Wasser auffüllen)
•   mit sehr niedrigem Strom und vielen Pausen entladen
•   mit sehr niedrigem Strom und vielen Pausen laden
•   Entlade- /Ladevorgänge evtl. wiederholen, bis Nennkapazität erreicht ist.
•   Nach der letzten Volladung die Säure ersetzen

Literatur

W. Garten  "Bleiakkumulatoren", Varta Batterie AG, Hannover 1974, ISBN 3-18-41 9035-8
 Varta Homepage
 Yuasa Homepage
 Yuasa Material Safety Data Sheet for Lead Acid Battery Products