Wissenswertes über Akkumulatoren:
Akkumulatoren wandeln chemische in elektrische Energie in einem reversiblen Prozess um (Sekundärelemente). Bei den Primärelementen können die chemischen Stoffe, die die Energieumwandlung herbeiführen und sich dabei selbst verändern, nicht wieder zurückgebildet werden. Genau dies gelingt bei Sekundärelementen, wenn man elektrischen Strom in entgegengesetzter Richtung durch sie hindurchleitet.

Begriff- Erläuterung:
Rund um Akkumulatoren werden einige wenige Fachbegriffe benötigt. Zum Beispiel die Akkukapazität. Darunter versteht man das physikalische Maß für die Energiemenge, die man einem vollgeladenen Akku maximal entnehmen kann. Die Einheit Ah (Amperestunden) bzw. mAh (Milliamperestunden) wird gebildet aus der Stromstärke (Ampere) multipliziert mit der Zeit (h).
Ein Akku mit 1 Ah Kapazität kann mit einem Ampere eine Stunde lang entladen werden, bis er leer ist.
Der Begriff „Ladung“ besitzt die gleiche Einheit (Ah).
Während die Akkukapazität eine Kenngröße für das „Strom-Fassungsvermögen“ des Akkus ist, wird der Begriff Ladung verwendet, um zu beschreiben, wieviel Energie eingespeist bzw. entnommen wurde oder wieviel Ladung der Akku noch besitzt.

Wenn man einem vollgeladenen 1-Ah-Akku eine Ladung von 200 mAh (0,2 Ah) entnimmt, besitzt dieser eine Restladung von 0,8 Ah. Den Unterschied zwischen Kapazität und Ladung kann man an einem Meßzylinder verdeutlichen: Die Kapazität gibt an, wieviel Flüssigkeit hineinpaßt, während der Begriff Ladung eine Menge beschreibt, die entweder entnommen, hineingekippt oder noch vorhanden ist.

Selbstentladung beschreibt die unerwünschte Eigenschaft eines Akkumulators im Laufe der Zeit an Ladung zu verlieren. Beim Beispiel des Messzylinders verdampft täglich ein Teil der Flüssigkeit, so daß dieser nach einiger Zeit leer ist, ohne daß auch nur einen Quäntchen entnommen wurde. Beim Akku stehen durch interne chemische Reaktionen Elektronen nicht mehr für die Stromabgabe zur Verfügung, da diese in einer gebildeten chemischen Substanz (z.B. Bleisulfat) festgelegt werden..

Die Nennspannung: Die Spannung eines Akkus ist nicht immer konstant, im vollgeladenen Zustand ist sie am höchsten und geht bei Entladung stetig zurück, bevor sie bei einer Tiefentladung schlagartig auf 0 V zusammenbricht. Die Nennspannung ist ein künstlich gewählter Wert, mit dem die mittlere Spannung beschrieben wird. Ein Autoakku besitzt eine nominale Nennspannung von 12 V. Bei Volladung erreicht er in Abhängigkeit von der Temperatur eine Spannung von bis zu 14,4 V, während -je nach Temperatur- eine Spannung von 11 V noch keinen leeren Akku indiziert.

Die Tiefentladung eines Akkus bezeichnet einen Entladevorgang bis dieser überhaupt keinen Strom mehr abgeben kann. Die Spannung sinkt bis auf 0 V ab. Wird dieser Zustand beibehalten, werden im Akku chemische Reaktionen an den Elektroden (Platten) initialisiert  die den Akku nahezu vollständig unbrauchbar machen. Das Ergebnis ist ein massiv an Kapazität verlierender Akku, der sich im Extremfall nicht wieder aufladen lässt. Darum ist die Entladeschlussspannung unbedingt einzuhalten.
Werden parallel geschaltete Akkus entladen ist irgendwann die Akkuzelle mit der geringsten Kapazität leer (auch bei Zellen gleicher Kapazität besteht eine kleine Toleranz), während eine geringfügig kapazitiv größere noch Strom liefern kann. Diese Akkuzelle wird dann zunächst tiefentladen und anschließend noch durch den Strom der anderen Zellen aufgeladen, aber fatalerweise mit falscher Polung (der Strom fließt umgekehrt). Dadurch wird diese irreversibel geschädigt. Selbst wenn es gelingt, sie sofort wieder richtig herum aufzuladen, hat sie einen großen Teil ihrer Kapazität eingebüßt, so dass sie beim nächsten Entladevorgang noch schneller umgepolt würde.

Aufbau:

Der positive Pol eines Bleiakkumulators besteht aus Bleidioxid, der negative aus fein verteiltem, porösem Blei. Als Elektrolyt dient 20- 38%ige Schwefelsäure.
Im entladenen Zustand bestehen beide Pole aus Bleisulfat, welches fest auf den Platten haften sollte.


Die Nennspannung einer Zelle beträgt im Mittel 2 Volt und schwankt jedoch je nach Ladezustand bzw. Lade-/Entladestrom zwischen 1,75- 2,4 Volt.
Die Säuredichte stellt gleichzeitig ein Maß für den Ladezustand dar. Sie beträgt bei vollem Akku ca. 1,28 g/cm³ und bei entladenem Akku 1,10 g/cm³. Die Säure wird somit zum größten Teil als Bleisulfat festgelegt.
Bei Blei-Gel-Akkumulatoren wird die Schwefelsäure mit Kieselsäure zu einer gelatineartigen Masse verfestigt . Der erstarrte Elektrolyt wird in einem Vlies zwischen den Bleiplatten eingeschlossen, deshalb sind sie lageunabhängig einsetzbar.
Eine Tiefentladung führt zu einer irreversiblen Schädigung der Bleiplattenstruktur durch die Bildung von „losem“ Bleisulfat, das beim Laden nicht wieder zu Blei und Säure reagiert, sondern auf den Boden des Akkus fällt und diesen kurz schließt. Hierdurch wird den Platten Material entzogen, was zusätzlich noch zu einer mechanischen Instabilität und einem Verlust der Leitfähigkeit führt.

Entladung:
Positiver Pol: PbO 2 + SO 4 2- + 4 H 3 O + + 2 e - -> PbSO 4 + 6 H 2 O
Negativer Pol: Pb + SO 4 2 - -> PbSO 4 + 2 e -
Beim Laden laufen die Vorgänge in Gegenrichtung ab.

Unterschieden werden Akkus nach Puffer- und Traktionsakkumulatoren, wobei die Starterbatterie bei Fahrzeugen eine Abwandlung des Pufferakkumulators ist.
Bleiakkumularen werden in den folgenden häufigsten Bauformen gefertigt:

Die 2V Akkus für stationäre Anlagen bestehen aus massiven positiven „Panzerplatten“ und negativen Gitterplatten, deren Lebenserwartung bis zu 15 Jahre beträgt und eine hohe Zyklenzahl erlauben.

Bei der Entladung von Bleiakkus entsteht Schwefelsäure, die schwerer als Wasser ist und sich bei völligem Stillstand des Akkus am Boden absetzt, so dass die Säurekonzentration nicht gleichmäßig verteilt ist. Es bildet sich ein Gradient vom Boden zur Oberfläche. Dieses Konzentrationsgefälle führt zu einer stärkeren Zersetzung der Platten im unteren Bereich. Man kann dem entgegenwirken in dem der Elektrolyt gelegentlich durch von unten zugeführte Druckluft durchmischt wird. Also, ein dünnes Röhrchen bis auf den Boden jeder Zelle führen und in Abständen Luft hindurchsprudeln lassen. Dies bewirkt eine ausgeglichene Elektrolytdichte. Für die Durchmischung wird in der Literatur auf eine Ladung mit erhöhter Spannung verwiesen um eine Gasung hervorzurufen, die eine Durchmischung mit sich führt. Hiervon ist jedoch abzuraten, da eine gasende Ladung ersten Wasserstoff (Knallgas) produziert und den Batterieraum explosionsartig „neu gestalten“ kann, zu einer übermäßigen Erwärmung führt und die Bleiplatten durch Materialabtrag schädigt.

In einem wartungsfreiem, geschlossenem Akku wird der entstehende Sauerstoff über den festgelegten Elektrolyten der negativen Elektrode zugeführt, wo er mit dem Wasserstoff zu Wasser reagiert.

Lebensdauer:
Wenn Bleiakkumulatoren immer im geladenen Zustand gelagert werden und die maximale Ladungsentnahme nicht mehr als 30 % beträgt sind bis zu 1500 Ladezyklen erreichbar (in der Praxis sollte nicht mehr als 20% der Nennkapazität zwischen den Ladungen entnommen werden).
Die Lebensdauer hängt von der Entladetiefe ab. Typische Werte sind ( bezogen auf die Nennkapazität):
80% = 400- 450 Zyklen
50% = 700-800 Zyklen
30% = 1200-1500 Zyklen.

Temperaturen über 45 °C sollten vermieden werden. Unterhalb von –15 °C ist mit erheblichen Kapazitätseinbußen zu rechnen. Die Höhe der Belastung ist bezüglich der Lebensdauer praktisch ohne Bedeutung. Sehr schädlich hingegen ist eine Ladung mit zu hoher Spannung oder dauernde Überladung (Gasung).
Das Lebensende des Akkus ist bei etwa 60% der Nennkapazität erreicht.

Selbstentladung:
Die Selbstentladung liegt bei ca. 0,1% pro Tag bei 20 °C.
Eine Selbstentladung auf 50% erfolgt in den folgenden Zeiträumen:
bei 20 °C ...18 Monate
bei 30 °C ...  9 Monate
bei 40 °C ...  4,5 Monate

 

 

Leerlaufspannung Restkapazität
12,8-13,0V 100%
12,6-12,8V   80%
12,3-12,5V   60%
11,9-12,2V   40%
11,7-12,0V   20%
11,2-11,8V     0%

Leerlaufspannung und Restkapazität (am Beispiel eines 12V Akkus):

Eine Entladung unter 1,75V pro Zelle sind tödlich für jeden Bleiakku, da irreversible chemische Schädigung eintritt.

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