Einführung
Es gibt im Wesentlichen zwei Bauarten von Blei-Säure-Batterien: geflutet (offen) und versiegelt. Diese unterscheiden sich auch in ihrer Funktionsweise. Alle Blei-Säure-Batterien erzeugen während des Ladevorgangs durch Elektrolyse Wasserstoff- und Sauerstoffgas. Bei gefluteten Zellen entweichen diese Gase, während versiegelte Zellen so konstruiert sind, dass die Gase eingeschlossen und rekombiniert werden. Wasserstoffgas ist in der Luft ab einem Volumenanteil von 4% explosiv. Die Unterschiede zwischen gefluteten und versiegelten Blei-Säure-Batterien werden in den folgenden Abschnitten erläutert.
Geflutete Blei-Säure-Batterien
Geflutete Zellen sind solche, bei denen die Elektroden in Elektrolyt eingetaucht sind. Da die während des Ladevorgangs entstehenden Gase entweichen, muss gelegentlich destilliertes Wasser nachgefüllt werden, um den Elektrolytstand zu halten. Ein bekanntes Beispiel für eine geflutete Blei-Säure-Zelle ist die 12-V-Autobatterie.
Geflutete Blei-Säure-Autobatterie
Versiegelte Blei-Säure-Batterien
Diese Batterien halten den Elektrolyt zurück und verfügen über ein Ventil, das Gase entweichen lässt, wenn der interne Druck einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. Während des Ladevorgangs wird an der positiven Elektrode Sauerstoffgas erzeugt.
Versiegelte Blei-Säure-Batterien sind so konzipiert, dass der während des Ladevorgangs erzeugte Sauerstoff in der Batterie aufgefangen und rekombiniert wird. Dies wird als Sauerstoff-Rekombinationszyklus bezeichnet und funktioniert gut, solange die Ladegeschwindigkeit nicht zu hoch ist. Eine zu hohe Ladegeschwindigkeit kann zu Gehäusebruch, thermischem Durchgehen oder internen mechanischen Schäden führen.
Die ventilgesteuerte Batterie ist der häufigste Typ der versiegelten Batterie. Sie wurde für stationäre und Telekommunikationsanwendungen entwickelt. Diese Batterien haben ein federkontrolliertes Ventil, das Gase bei einem vorbestimmten Druck entlüftet. Typische Druckschwellen liegen zwischen 2 und 5 psig, abhängig vom Batteriedesign. Obwohl der Begriff "ventilgesteuert" oft synonym verwendet wird, um versiegelte Blei-Säure-Batterien zu beschreiben, sind nicht alle versiegelten Batterien ventilgesteuert. Einige Designs verwenden austauschbare Entlüftungsstopfen oder andere Mechanismen, um überschüssigen Druck abzubauen. Versiegelte Batterien wurden entwickelt, um den Wartungsaufwand zu reduzieren. Da die Elektrolytstände durch das Einfangen und Rekombinieren von Abgasen erhalten bleiben, sollte es während der Lebensdauer der Batterie nicht notwendig sein, destilliertes Wasser hinzuzufügen. Diese Batterien werden oft fälschlicherweise als "wartungsfrei" bezeichnet. Tatsächlich sind alle Wartungspraktiken, die für nicht versiegelte Batterien gelten, auch für versiegelte Batterien anwendbar. Die einzige Ausnahme ist, dass die Elektrolytstände nicht gewartet werden können und nicht gewartet werden müssen.
Versiegelte Batterien werden oft aus mehreren Gründen für Anwendungen als Notstromquelle vermieden. Ein Grund ist, dass der Ladezustand von versiegelten Batterien nicht durch die übliche spezifische Dichtemessung ermittelt werden kann. Zuverlässige alternative Methoden zur Messung des Ladezustands für versiegelte Batterien sind in Entwicklung. Ein weiterer Grund ist ihre Empfindlichkeit gegenüber hohen Temperaturen.
Batteriekomponenten und Betrieb
Zellen vs. Batterien
Eine Batterie ist ein Gerät, das die chemische Energie, die in seinen aktiven Materialien enthalten ist, durch eine elektrochemische Reaktion in elektrische Energie umwandelt. Während der Begriff "Batterie" oft verwendet wird, bezieht sich das grundlegende elektrochemische Element auf die Zelle. Eine Batterie besteht aus zwei oder mehr in Reihe geschalteten Zellen, um eine Einheit zu bilden. Im allgemeinen Sprachgebrauch werden die Begriffe "Batterie" und "Zelle" synonym verwendet.
Primär- und Sekundärzellen und -batterien
Batterien sind entweder primär oder sekundär. Primärbatterien können nur einmal verwendet werden, da die chemischen Reaktionen, die den elektrischen Strom liefern, irreversibel sind. Sekundär- (oder Speicher-) Batterien können verwendet, geladen und wiederverwendet werden. In diesen Batterien sind die chemischen Reaktionen, die den elektrischen Strom liefern, leicht umkehrbar, sodass die Batterie geladen wird.
Primärbatterien sind weit verbreitet, da sie kostengünstig und einfach zu verwenden sind. Bekannte Anwendungen von Primärbatterien sind in Taschenlampen, Uhren, Spielzeugen und Radios. Die häufigste Verwendung für Sekundär- (Speicher-) Batterien ist das Starten, Beleuchten und Zünden (SLI) in Autos und Motor-Generator-Sätzen. Andere Anwendungen umfassen unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USVs) für Not- und Backup-Strom, Elektrofahrzeuge (Traktion), Telekommunikation und tragbare Werkzeuge. Der Rest dieses Artikels wird sich nur mit Speicherbatterien befassen, außer wenn allgemeine Betriebseigenschaften von Batterien diskutiert werden.
Batteriekomponenten
Eine Zelle hat fünf Hauptkomponenten, wie im Bild unten gezeigt.
Hauptkomponenten einer Zelle
Die negative Elektrode liefert Elektronen an den externen Stromkreis (oder die Last) während der Entladung. In einer vollständig geladenen Blei-Säure-Speicherbatterie besteht die negative Elektrode aus Schwammblei (Pb).
Die positive Elektrode nimmt Elektronen von der Last während der Entladung auf. In einer vollständig geladenen Blei-Säure-Batterie besteht die positive Elektrode aus Bleidioxid (PbO2). Es sollte beachtet werden, dass die Elektroden in einer Batterie aus unterschiedlichen Materialien bestehen müssen, da die Zelle sonst kein elektrisches Potenzial entwickeln und somit keinen elektrischen Strom leiten kann.
Der Elektrolyt vervollständigt den internen Stromkreis in der Batterie, indem er Ionen an die positiven und negativen Elektroden liefert. Verdünnte Schwefelsäure (H2SO4) ist der Elektrolyt in Blei-Säure-Batterien. In einer vollständig geladenen Blei-Säure-Batterie besteht der Elektrolyt zu etwa 25% aus Schwefelsäure und zu 75% aus Wasser.
Der Separator wird verwendet, um die positiven und negativen Elektroden elektrisch zu isolieren. Wenn die Elektroden in Kontakt kommen, wird die Zelle kurzgeschlossen und unbrauchbar, da beide Elektroden das gleiche Potenzial haben würden. Die Art des verwendeten Separators variiert je nach Zelltyp. Materialien, die als Separatoren verwendet werden, müssen den Ionentransfer zwischen Elektrolyt und Elektroden ermöglichen. Viele Separatoren bestehen aus einem porösen Kunststoff- oder Glasfasermaterial.
Die oben genannten Komponenten sind in einem Behälter untergebracht, der allgemein als Gehäuse bezeichnet wird.
Zell- und Batteriespannung
Damit eine Zelle oder Batterie elektrischen Strom an einen externen Stromkreis liefern kann, muss ein Potenzialunterschied zwischen den positiven und negativen Elektroden bestehen. Der Potenzialunterschied (normalerweise in Volt gemessen) wird allgemein als Spannung der Zelle oder Batterie bezeichnet. Eine einzelne Blei-Säure-Zelle kann unter Last einen maximalen Potenzialunterschied von etwa 2 V entwickeln. Eine vollständig entladene Blei-Säure-Zelle hat einen Potenzialunterschied von etwa 1,75 V, abhängig von der Entladerate.
Kapazität und Batteriebewertungen
Im Allgemeinen ist die Kapazität einer Zelle/Batterie die verfügbare Ladungsmenge, ausgedrückt in Amperestunden (Ah). Ein Ampere ist die Maßeinheit für elektrischen Strom und wird definiert als ein Coulomb Ladung, das in einer Sekunde durch einen elektrischen Leiter fließt. Die Kapazität einer Zelle oder Batterie hängt von der Menge der aktiven Materialien, der Menge des Elektrolyts und der Oberfläche der Platten ab. Die Kapazität einer Batterie/Zelle wird durch Entladen bei konstantem Strom gemessen, bis sie ihre Endspannung erreicht (normalerweise etwa 1,75 Volt). Dies geschieht normalerweise bei konstanter Temperatur unter Standardbedingungen von 25°C (77°F). Die Kapazität wird berechnet, indem der Entladestromwert mit der Zeit multipliziert wird, die erforderlich ist, um die Endspannung zu erreichen.
Der gebräuchlichste Begriff zur Beschreibung der Fähigkeit einer Batterie, Strom zu liefern, ist ihre Nennkapazität. Hersteller geben häufig die Nennkapazität ihrer Batterien in Amperestunden bei einer bestimmten Entladerate an. Zum Beispiel bedeutet dies, dass eine Blei-Säure-Batterie mit einer Nennkapazität von 200 Ah (für eine 10-Stunden-Rate) 20 Ampere Strom für 10 Stunden unter Standardtemperaturbedingungen (25°C oder 77°F) liefert. Alternativ kann eine Entladerate durch ihre Ladungsrate oder C-Rate angegeben werden, die als Vielfaches der Nennkapazität der Zelle oder Batterie ausgedrückt wird. Zum Beispiel kann eine Batterie eine Bewertung von 200 Ah bei einer C/10-Entladerate haben. Die Entladerate wird durch die folgende Gleichung bestimmt:
C/10-Rate (Ampere)= 200 Ah/10 h = 20 Ampere
Batteriekapazität variiert mit der Entladerate. Je höher die Entladerate, desto niedriger die Zellkapazität. Niedrigere Entladeraten führen zu höherer Kapazität. Die Literatur der Hersteller zu Batterien gibt normalerweise mehrere Entladeraten (in Ampere) zusammen mit der zugehörigen Entladezeit (in Stunden) an. Die Kapazität der Batterie für jede dieser verschiedenen Entladeraten kann wie oben beschrieben berechnet werden.
Die Nennkapazität für Blei-Säure-Batterien wird normalerweise bei den 8-, 10- oder 20-Stunden-Raten (C/8, C/10, C/20) angegeben. USV-Batterien sind auf 8-Stunden-Kapazitäten und Telekommunikationsbatterien auf 10-Stunden-Kapazitäten ausgelegt.
Serien- und Parallelschaltungen
Zellen und Batterien können in Serie, parallel oder Kombinationen aus beidem geschaltet werden. In Serie geschaltete Zellen oder Batterien haben den positiven Anschluss einer Zelle oder Batterie mit dem negativen Anschluss einer anderen Zelle oder Batterie verbunden. Dies hat den Effekt, die Gesamtspannung zu erhöhen, aber die Gesamtkapazität bleibt gleich. Zum Beispiel enthält die 12-V-Blei-Säure-Autobatterie 6 in Serie geschaltete Zellen, wobei jede Zelle einen Potenzialunterschied von etwa 2 V hat. Ein weiteres Beispiel für in Serie geschaltete Zellen oder Batterien ist im Bild unten gezeigt.
In parallel geschaltete Zellen oder Batterien haben ihre gleichartigen Anschlüsse miteinander verbunden. Die Gesamtspannung bleibt gleich, aber die Kapazität wird erhöht. Zum Beispiel, wenn zwei 12-V-Autobatterien parallel geschaltet werden, bleibt die Gesamtspannung der Batterien bei 12 V. Die verbundenen Batterien hätten jedoch die doppelte Kapazität einer einzelnen 12-V-Batterie. Ein weiteres Beispiel für in parallel geschaltete Zellen oder Batterien ist im Bild unten gezeigt.
Zellen in Serie geschaltet
Zellen parallel geschaltet
Batterien können auch in einer Serien/Parallel-Kombination geschaltet werden. Batterien werden in Serie hinzugefügt, bis die gewünschte Spannung erreicht ist, und parallel, bis die Batteriebank die Kapazitätsanforderungen erfüllt. Es sollten nur gleichartige Zellen oder Batterien miteinander verbunden werden. Das Verbinden von Zellen oder Batterien mit unterschiedlichen Bewertungen oder Herstellern kann unerwünschte oder sogar gefährliche Ergebnisse erzeugen.
Wie Blei-Säure-Batterien funktionieren
Zusätzliche Ressourcen
https://electrical4u.com/zinc-carbon-battery
https://britannica.com/technology/battery-electronics/Lithium-batteries
https://batteryuniversity.com/learn/article/lead_based_batteries