Blei-Säure
Blei - Säure -System
Dieses System wurde in seinen Grundzügen von Josef Sinsteden bereits etwa um 1850 als aufladbares Batteriesystem erkannt. Gaston Planté brachte es in eine technisch nutzbare Form, die jedoch erst nach der Erfindung des elektrischen Generators (1866) durch Werner von Siemens zur breiteren Anwendung gelangte.
A.C. Faure und unabhängig von ihm E. Volckmar, entwickelten um 1881 die Gitterplatte mit einpastierter aktiver Masse. Hiermit war die Basis geschaffen für die Produktion von leistungsfähigen, leicht formierbaren Akkumulatoren mit guter Spannungslage unter hoher Belastung.
In seinen Grundzügen wird dieses System seit mehr als 100 Jahren industriell gefertigt und in einem weiten Anwendungsspektrum genutzt. In dieser Zeit sind eine Unzahl von patentierten Verbesserungen an den Zellen erfolgt, die den Bleiakkumulator zum wirtschaftlichen und in der Praxis ideal nutzbaren Sekundärbatteriesystem werden ließ, das neben einer hohen Zyklenzahl eine hohe Zuverlässigkeit bei hoher Gebrauchsdauererwartung aufweist.
Aufbau des Bleiakkumulators
Die klassische Blei – Batterie besteht aus Blei – Oxid (PbO2) in der positiven Elektrode, Blei (Pb) in der negativen Elektrode und als Elektrolyt Schwefelsäure gelöst im Wasser. Aufgrund der niedrigen Wasserzersetzungsspannung des Wassers und einer wesentlich höheren Ruhespannung der Batterie ist ein ständiger Zerfallsprozess des Wassers in der Batterie vorhanden.
Die relativ leichte Anpassbarkeit des Systems an das Anwendungsprofil führte über die Entwicklungsjahre zu einer Vielzahl unterschiedlicher Batteriekonstruktionen mit unterschiedlichsten Elektrodenarten sowohl als geschlossene als auch als verschlossene Batterie.
Chemische Reaktion
Die folgende Gleichung zeigt die chemischen Reaktionen als sogenannte Gesamtreaktion für die Entladung und Ladung:
Während der Entladung wird das Blei der negativen Elektrode (aktive Masse) ebenso wie das Bleidioxid der positiven Elektrode in Bleisulfat umgewandelt. Die Schwefelsäure ist daran in Form von Sulfat-Ionen beteiligt. Das entstehende Wasser zeigt an, daß sie sich dabei verbraucht und verdünnt. Die Dichte der Schwefelsäure sinkt.Beim Laden laufen die Prozesse in umgekehrter Richtung ab.
geschlossene Bauarten (früher offene Bauarten)
Bei geschlossenen Zellen/Batterien steht der Elektrolyt direkt oder über die Stopfen in den Schraubstopfen mit der Atmosphäre in Verbindung. Die Baugröße der Zellen und ihre Ausführung werden bestimmt durch die Anwendung (z.B. Dieselstart oder Kernkraftwerke), die sie abdecken müssen. Ebenso beeinflusst der Betriebsort - mobil (Bereich Antriebsbatterien) oder ortsfest (stationäre Anwendungen) - entscheidend die konstruktive Auslegung.
Im Zellentrog befindet sich neben dem Elektrolyt der Plattensatz. Der Plattensatz ist entweder mittels an den einzelnen Platten angegossenen Fahnen (HOPPECKE GroE) in den Trog eingehängt oder er steht auf Stegen/Prismen, die in den Gehäuseboden eingearbeitet sind. Der dadurch gebildete Schlammraum nimmt die im Laufe der Zeit abgelöste, aktive Masse auf, damit kein Plattenkurzschluss verursacht wird.
Großoberflächenplatte
Die Großoberflächenplatte ist die schwerste Plattenausführung und wird als Positive verwendet. Die Elektrode ist eine gegossene, vielrippige Weichbleiplatte, ähnlich wie ein Kühler bei einem Auto. Die aktive Masse wird durch elektrochemische Behandlung (K-Formation) aus dem Blei der gegossenne Platte gebildet, wobei ein massiver Bleikern als Masseträger verbleibt. Im Laufe der Zeit wird er auch in aktive Masse verwandelt. Durch die große Oberfläche der Rippen wird der Zutritt der Säure zur aktiven Masse und damit die chemische Umsetzung erleichtert.
Gitterplatte
Die Gitterplatte wird als Positive (bei HOPPECKE OSP.HC, OSP.XC, OGi bloc bei geschlossenen Batterien und bei HOPPECKE net.power, power.com SB, power.com HC, trak® bloc bei verschlossenen Batterien) wie auch als Negative ausgeführt. Heutzutage sind alle negativen Platten bei Blei – Säurebatterien als Gitterplatten ausgeführt. Die Gitterstruktur aus Bleilegierungen mit Antimon bei geschlossenen Batterie oder mit Kalzium bei verschlossenen Batterien gegossen - dient der Aufnahme der aktiven Masse. Die aktive Masse (Paste) wird maschinell in die Ausschnitte der Gitterstruktur eingestrichen (pastiert) Das Gitter selbst dient dabei als Stromkollektor. Der Antimonzusatz bzw. Kalziumzusatz verleiht dem Blei eine größere mechanische Widerstandsfähigkit und eine deutlich höhere Korrosionsbeständigkeit. Negative Gitterplatten werden wie die Positiven gefertigt. Als letzter Produktionsschritt im Herstellungsverfahren werden die Platten einer Formationsladung, gleichzusetzen mit einer Aktivierung der eingebrachten Masse, unterzogen. Diese kann vor der Einbringung in das Zellen- oder Batteriegehäuse in separaten Formationströgen erfolgen (Trogformation) oder erst nach der Endmontage in der fertigen Batterie.
Röhrchenplatte / Panzerplatte
Die Röhrchenplatte oder auch Panzerplatte wird immer als positive Elektrode in einem Blei – Säure - System (HOPPECKE max.power, OPzS, power.bloc OPzS, solar.power, bei allen trak® Zellen / Batterien als geschlossene Batterien und bei HOPPECKE OPzV und power.bloc OPzV als verschlossene Batterien) verwendet. In säuredurchlässigen, gewobenen Röhrchentaschen aus Polyethylen wird zentrisch ein Stromkollektor in Form eines Bleidrahtes (Bleiseele) eingebracht. Der verbliebene Zwischenraum wird mit aktiver Masse ausgefüllt. Am unteren Ende sind die Röhrchen mit Kunststoffstopfen verschlossen oder stehen in einer Kunststoff-Abschlussleiste.
Als letzter Produktionsschritt im Herstellungsverfahren werden die Platten einer Formationsladung, gleichzusetzen mit einer Aktivierung der eingebrachten Masse, unterzogen.
Separator
Zum Trennen der positiven und negativen Platten werden mikroporöse, säurefeste und mechanisch stabile Kunststoffscheider, auch Separatoren genannt, verwendet.
Der Zellendeckel der Zelle/Batterie wird mit dem Gehäuse verklebt oder verschweißt. Durch den Deckel werden die elektrischen Anschlüsse (Pole mit Einlage) geführt. Die einzelnen Zellen werden anschließend mit vollisolierten Kupferverbindern (flexibel oder starr) miteinander Verbunden.
Ebenfalls im Deckel befindet sich die Füllöffnung, durch die zum einen der Elektrolyt bzw. das zu ergänzende Wasser eingebracht werden und zum anderen die beim Laden/Entladen freiwerdende Wasserstoff-/Sauerstoffgemisch entweichen kann.
Die Füllöffnung wird bei stationären Zellen durch einen Stopfen (Labyrinthstopfen, Keramikstopfen oder mit HOPPECKE AquaGen®-Rekombinationsstopfen) verschlossen. Der Labyrinthstopfen ist im Inneren mit Labyrinthgängen ausgestattet, die das Mitreißen von Säureteilchen beim Gasen weitgehend unterbinden. Die Keramikstopfen sind mit flammenhemmenden, porösen Kunststoffschutz versehen, der das Rückschlagen von Flammen oder heißen, zündfähigen Gasen in den Innenraum der Zelle im Falle einer äußeren Verpuffung verhindern. Beim Einsatz des HOPPECKE AquaGen®-Rekombinationssystems werden die während der Wasserzersetzung entstehenden Gase Wasserstoff und Sauerstoff in den AquaGen®-Stopfen geleitet. Mittels eines integrierten Katalysators werden diese Gase rekombiniert in Form von Wasserdampf. Der Wasserdampf kondensiert an den Wänden des HOPPECKE AquaGen®-Stopfens. Die sich bildenden Wassertropfen fließen nach unten, und werden in die Batterie zurückgeführt. Der Wirkungsgrad dieser Rekombination beträgt bis zu 98%. Durch diese Effizienz wird der Aufwand für das Nachfüllen von Wasser drastisch reduziert, bis hin zur Wartungsfreiheit.
Bei Antriebsbatterien werden die Füllöffnungen mit Klappdeckelstopfen oder mit HOPPECKE Aquafill-Stopfen verschlossen. Das HOPPECKE Aquafill - System besteht aus besonderen Zellenstopfen, die über ein Ventil mit Schwimmerbetätigung verfügen. Alle Stopfen sind über ein Schlauchsystem miteinander verbunden. Durch den speziell auf den jeweiligen Zellentyp abgestimmten Schwimmer wird beim Nachfüllen mit destilliertem Wasser der vom HOPPECKE vorgeschriebene Elektrolytstand automatisch eingestellt. Ein Überfüllen und Überlaufen einzelner Zellen ist somit ausgeschlossen. Im Stopfen ist eine Anzeige integriert, die den Elektrolytstand der jeweiligen Zelle anzeigt und somit das Öffnen jedes Zellenstopfens zur Elektrolytstandsinspektion erübrigt. Durch HOPPECKE Aquafill System ist ein zentrales anwenderfreundliches Befüllen aller Zellen innerhalb kürzester Zeit möglich, wodurch die Servicezeiten erheblich verkürzt werden.
