Aufbau und Funktionsweise von Bleiakkus

Man unterscheidet grundsätzlich zwischen zwei Bauformen von Bleiakkus.

• Offene Bauform, ist die ursprüngliche Form, bei der verdünnte Schwefelsäure als Elektrolyt vorkommt. Diese Akkus, dürfen nur stehend gelagert und betrieben werden, da sind die Säure austreten kann. Ebenso muss in den meisten Fällen, von Zeit zu Zeit destilliertes Wasser nachgefüllt werden.
• Geschlossene Bauform, sind die heutigen Blei-Gel-Akkus, welche dicht verschlossen sind. Die Zellen sind zugeschweißt, es existiert lediglich ein Überdruckventil und der Elektrolyt ist festgelegt also nicht mehr flüssig.

Chemische Prozesse

Offener Bleiakku

Bei einem offenen Bleiakkumulator (kurz Bleiakku oder auch fälschlicherweise Bleibatterie) handelt es sich um eine Ausführung des Akkumulators, bei der die Elektroden im geladenen Zustand aus Blei und Bleidioxid und der Elektrolyt aus verdünnter Schwefelsäure besteht. Die nachfolgende Abbildung, zeigt den Schematischen Aufbau des Bleiakkumulators.

Offene Bleiakkumulatoren bestehen am positiven Pol aus Blei(IV)-oxid (PbO2), am negativen aus fein verteiltem, porösem Blei (Bleischwamm). Als Elektrolyt wird 20- bis 40-prozentige Schwefelsäure (verdünnte Schwefelsäure, H2SO4) verwendet. Sie zeichnen sich durch das kurzzeitige Zulassen hoher Stromstärken, die zum Beispiel für Fahrzeug- bzw. Starterbatterien notwendig sind, aus. Im entladenen Zustand bestehen beide Pole aus Blei(II)-sulfat (PbSO4).

Ein Bleiakkumulator kann gasen, wenn er, vor allem durch Edelmetalle, verunreinigt wird. Dieses Gas kann explodieren, weshalb Batterie- oder Akkuräume stets korrekt belüftet und überwacht werden müssen. Bei diesem Prozess lagern sich Teile des Edelmetalls an der Bleielektrode an und verringern so die Überspannung des Wasserstoffs, so kann Knallgas entstehen, das sich durch Funken beim Abklemmen der Batterieanschlüsse oder elektrostatischer Aufladung z.B. des Kunststoffgehäuses durch Reiben, entzünden kann.

Mittlerweile haben Bleiakkus durch weitergehenden Fortschritt eine sehr hohe Lebensdauer. Trotzdem altern die Bleiakkus. Das liegt in erster Linie an der Sulfatierung des Bleisulfats.

Diese Sulfatierung bewirkt, dass sich die PbSO4-Kristalle zu immer größeren Verbünden zusammenschließen. So verringert sich die Oberfläche des PbSO4. Durch diese kleinere Oberfläche löst sich das PbSO4 immer schlechter, so dauert es sehr lange bis eine hinreichend hohe Konzentration an Pb2+ vorliegt.

Geschlossener Bleiakku

Wie bereits weiter oben beschrieben, gibt es noch die geschlossene Bauform, bei der der Elektrolyt feststeht. Der Elektrolyt kann auf zwei Arten festgelegt werden:

• Durch Zusatz von Kieselsäure zur Schwefelsäure erstarrt der Elektrolyt zu einem Gel. Dieser Typ wird als Gelakku bezeichnet.
• Zwischen die Elektroden wird ein Glasfasergewebe eingebracht, das den Elektrolyten vollkommen aufsaugt. Dieser Typ wird Vliesakku genannt.

Durch den festgelegten Elektrolyt ist es möglich, verschlossene Bleiakkus lageunabhängig zu betreiben. Bei Gelakkus tritt praktisch keine Säureschichtung auf, in Vliesakkus ist sie gegenüber geschlossenen Akkumulatoren vermindert.

Der Innenwiderstand von verschlossenen Bleiakkus ist höher als bei vergleichbaren geschlossenen Bleiakkus. Sie sind daher weniger geeignet hohe Ströme zu liefern, wie sie bei der Anwendung als Starterbatterie erforderlich sind.

Da die Zellen verschweißt sind, ist es nicht möglich, die Batterie zu öffnen, um beispielsweise Wasser nachzufüllen. Dies ist auch nicht erforderlich, da verschlossene Bleibatterien deutlich weniger gasen als herkömmliche Bleibatterien. Durch den festgelegten Elektrolyten hindurch bilden sich Gaskanäle aus. Der durch die Nebenreaktion an der positiven Elektrode gebildete Sauerstoff kann daher direkt zur negativen Elektrode wandern und dort zu Wasser rekombinieren.

Bei Überladung der verschlossenen Bleibatterie (d.h. wenn die Spannung zu hoch ist) wird ein Überschuss an Sauerstoff erzeugt, der nicht mehr rekombinieren kann. Im gleichen Maße wird an der negativen Elektrode Wasserstoff erzeugt. In diesem Fall entweichen die Gase durch das Überdruckventil und die Batterie kann mit der Zeit austrocknen.

Da ein Nachfüllen des Elektrolyten nicht möglich ist, erfordern verschlossene Bleibatterien ein angepasstes Ladeverfahren. Es muss vermieden werden, dass die Batterie über längere Zeit bei einer zu hohen Spannung geladen wird, die mit starker Gasung verbunden ist.

Eine andere Möglichkeit ist, ein wenig eines katalytisch aktiven Materials beizufügen, an dem der Wasser- und der Sauerstoff zurück zu Wasser reagieren können.

Zusätzlich besteht bei der Ladung mit einer überhöhten Spannung bei verschlossenen Bleibatterien die Gefahr des Thermal Runaway. Der interne Sauerstoffkreislauf erwärmt die Batterie. Eine Erhöhung der Batterietemperatur führt bei konstanter Spannung zu einem erhöhten Ladestrom. Dieser führt zu einer vermehrten Gasentwicklung und der Sauerstoffkreislauf wird verstärkt. Dieser Selbstverstärkende Prozess kann die Batterie überhitzen und zerstören.

Die meistens bekannten Blei-Gel-Akkus sind die 12V Typen mit 7,2 Ah, 12 Ah und mit 18 Ah. Diese sind in fast allen Notstomanlagen Standard und in großen Stückzahlen auch allen Arten von Einbruch-Meldeanlagen und Fluchtweg Not-Leuchten im Einsatz.