Zuletzt aktualisiert am 20. August 2007
Original unter www.batteryfaq.org
2.1. Wie wird eine Batterie hergestellt?
2.2. Wie funktioniert eine Batterie?
2.3. Wie gehen Batterien kaputt?
2.4. Warum ist die Masse mit dem negativen Pol verbunden?
Eine Bleibatterie (auch "Bleiakkumulator") ist ein sekundäres (wiederaufladbares) elektrochemisches Element, das chemische Energie speichert und sie bei Bedarf als elektrische Energie freisetzt. Wenn eine Batterie an ein externes Gerät wie einen Motor angeschlossen wird, wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt und Gleichstrom fließt durch den Stromkreis. An der Gesamtzahl produzierter Bleiakkus haben Starterbatterien einen Anteil von etwa 88%. Das Ganze gliedert sich in 65% Auto-, 23% andere Starterbatterien (Motorräder etc.), 8% zyklenfeste Antriebsbatterien [Traktionsbatterien] (Rollstühle, Golfwagen, Gabelstapler etc.) und 4% stationäre zyklenfeste Batterien (Backup, USV, Standby etc.) auf.
BATTERIEPRODUKTION
Der Wichtigkeit nach geordnet sind die vier Hauptzwecke einer Auto- oder "SLI"-Batterie (Starting, Lighting and Ignition / Anlassen, Licht, Zündung), wie man sie in der Batterieindustrie nennt:
Eine gute Autobatterie wird zwischen $50 und $100 kosten und wenn sie richtig instand gehalten wird, sollte sie fünf oder mehr Jahre halten. 1927 kostete eine Autobatterie meist $70. Mit einer zusammengesetzten Wachstumsrate von 5% macht der weltweite Verkauf von Bleiakkus etwa 63% der geschätzten 30 Milliarden Dollar aus, die jedes Jahr für Batterien ausgegeben werden. Für Nordamerika berichtet das BCI, daß 2001 106,6 Millionen Autobatterien verkauft wurden, von denen ungefähr 80% zum Ersatz und 20% für die Erstausstattung waren. Für 2003 schätzt Eurobat, daß in Westeuropa 58,5 Millionen Autobatterien verkauft werden und 71% zum Ersatz (Anschlußmarkt) und 29% OEM sein werden (Original Equipment Manufacturer / Originalteilgerätehersteller). Auf der Robert W. Baird Industrial Technology Conference berichtete Johnson Controls, daß 2004 weltweit ungefähr 350 Millionen Starterbatterien hergestellt werden würden. Davon ist Johnson Controls mit 34% an der Gesamtmenge der größte Hersteller, gefolgt von Exide mit 14%, GS Yuasa (bevorstehende Fusion von Yuasa mit Japan Storage Battery) mit 10%, Matsushita mit 4%, East Penn mit 3% und alle anderen mit 35%. In einer anderen Marketingstudie von Recharge war der weltweite Batteriemarkt mit annähernd $30 Milliarden angegeben, davon 30% SLI- (Auto-) und 15,3% Industriebatterien (zyklenfest).
Der Zweck von zyklenfesten Batterien ist die Stromlieferung für Rollstühle, Elektrobootsmotoren (Trolling-Motoren), Golfwagen, Boote, Gabelstapler, unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) und anderes Zubehör für Schiffs-, Wohnmobil-, gewerbliche und stationäre Anwendungen. Eine zyklenfeste Qualitätsnaßbatterie (oder "Freizeitbatterie") wird zwischen $50 und $300 kosten und bei richtiger Wartung und Nutzung hat man mindestens 200 Tiefentlade-/Ladezyklen. Für Unterschiede zwischen Auto- und zyklenfeste Batterien siehe Abschnitt 7.1.8. Angeblich sind Exide und EnerSys die zwei größten Hersteller von zyklenfesten Batterien.
2.1. Wie wird eine Batterie hergestellt?
Ein 12-Volt-Bleiakkumulator wird aus sechs Zellen hergestellt, jede Zelle produziert etwa 2,11 Volt. Sie werden in Reihe vom POSITIVEN (+) Pol der ersten Zelle an den NEGATIVEN (-) Pol der zweiten Zelle und so weiter verbunden. Jede Zelle besteht aus einem Element, das positive Platten enthält, die alle miteinander verbunden sind, und negativen Platten, die auch alle verbunden sind. Sie werden einzeln durch dünne Schichten aus elektrisch isolierendem, porösen Material bestehende "Hüllen" oder "Separatoren" (im Schaubild unten) getrennt, die als Abstandhalter zwischen den positiven (meist hellgelben) und negativen (meist schiefergrauen) Platten dienen, damit sie nicht kurzgeschlossen sind. Die Platten (im Schaubild unten) in einer Zelle wechseln sich mit einer positiven, einer negativen usw. ab.
AUFBAU AUTOBATTERIE
[Quelle: VARTA]
AUFBAU ZYKLENFESTE BATTERIE
(1) Verbundpol; (2) Vliestasche um negative Elektrode; (3) elastische Rohrtaschen; (4) Verbinder
[Quelle: Hoppecke]
Am häufigsten werden heutzutage Platten aus einem Metallgitter genutzt, das als Träger für die aktive poröse Masse dient, die "draufgekleistert" (pastiert) wird. Nach der chemischen Behandlung ("curing") der Platten werden sie zu Zellen zusammengestellt und die Zellen in eine widerstandsfähige Polypropylen- oder Hartgummihülle mit hoher Dichte gesteckt. Die positiven Platten werden mit dem externen POSITIVEN (+) Pol in Reihe geschalten und die negativen Platten in jeder Zelle werden mit dem externen NEGATIVEN (-) Pol verbunden. Anstatt aus pastiertem Bleioxid bestehen einige Batterien aus teureren massiven Bleistäben (spiralförmig gewickelt); Manchester- oder "Manchex"- (buttons inserted into the grid); röhrenförmigen; oder prismatischen (flachen) massiven (Großoberflächenplatten [Planté]) positiven Bleiplatten. Das Gehäuse wird verschlossen und mit einem verdünnten Schwefelsäureelektrolyt gefüllt. Die Batterie wird das erstemal geladen, oder "formiert", um das aktive gelbe Bleioxid (PbO oder Bleiglätte) in den positiven Platten (Kathode) in Bleiperoxid (PbO2) umzuwandeln, welches üblicherweise dunkelbraun oder schwarz ist. Die aktive Masse in den negativen pastierten Platten (Anode) wird zu Bleischwamm (Pb), aber mit einer sehr porösen Struktur, die schiefergrau ist. Wenn man etwas Hartes an Bleischwamm reibt, wird er silberfarben. Zur Erhöhung der Leistung und Lebensdauer werden den Platten oft Antimon (Sb), Calcium (Ca) oder andere Legierungen beigesetzt. Der Elektrolyt wird ersetzt und die Batterie wird zum Abschluß aufgeladen. Eine gefüllte geladene Batterie (GuG) ist ein Bleiakku, der mit Elektrolyt in der Batterie ausgeliefert wird, und eine trocken vorgeladene Batterie (TV) wird ohne Elektrolyt ausgeliefert. Wenn trocken vorgeladene Batterien verkauft werden, wird noch Elektrolyt (Batteriesäure) eingefüllt, damit sich die Platten vollsaugen und die Batterie geladen (oder "formiert") und in Betrieb genommen werden kann. Dadurch wird vermieden, daß man die Batterien warten muß, bis man sie verkauft.
PASTIERTE PLATTE
[Quelle: BCI]
FLACHE PLATTE UND RÖHRCHENPLATTE
GROSSOBERFLÄCHENPLATTE
[Quelle: US Department of Energy]
WICKELZELLE
[Quelle: US Department of Energy]
Zwei wichtige Gesichtspunkte bei der Batterieherstellung sind Porosität und Diffusion. Porosität sind die Löcher und Kanäle in der Platte, durch die die Schwefelsäure in das Innere der Platte gelangen kann. Diffusion ist die Ausbreitung, Vermengung und Vermischung einer Flüssigkeit mit einer anderen. Wenn Sie Ihre Batterie benutzen, muß die frische Säure in Kontakt mit dem Plattenmaterial sein und das entstehende Wasser muß von der Platte abgeführt werden. Je größer die Poren oder je wärmer der Elektrolyt, desto besser die Diffusion.
[Quelle: Varta]
Es gibt eine exzellente detaillierte Beschreibung, wie man Batterien herstellt, der dazu benutzten Ausrüstung und Qualitätssicherung auf der Best Manufacturing Practices-Webseite unter http://www.bmpcoe.org/library/books/navso%20p-3676/index.html. Wenn Sie lieber ein Quick-Time-Video sehen wollen, werden Sie bei Surrette fündig: http://www.surrette.com/rolls/video/video.htm.
2.2. Wie funktioniert eine Batterie?
ENTLADEVORGANG
PbO2 + Pb + 2H2SO4 → 2PbSO4 + H2O
LADEVORGANG (Umkehrung des Entladevorgangs)
2PbSO4 + H2O → PbO2 + Pb + 2H2SO4
Eine Batterie wird durch Abwechseln zweier verschiedener Metalle wie Bleidioxid (PbO2), den positiven Platten, und Bleischwamm (Pb), den negativen Platten, hergestellt. Die Platten werden dann in verdünnte Schwefelsäure (H2SO4), den Elektrolyt, getaucht. Die Metallarten und der Elektrolyt bestimmen die Leistung einer Zelle. Eine typische, voll geladene Bleibatterie liefert ungefähr 2,11 Volt pro Zelle. Die chemische Reaktion zwischen den Metallen und dem Elektrolyt (Batteriesäure) liefert die elektrische Energie. Energie fließt von der Batterie, sobald ein elektrischer Verbraucher angeschlossen wird, zum Beispiel ein Startermotor, der den Stromkreis zwischen dem Pluspol, der mit den negativen Platten verbunden ist, und dem Minuspol schließt, der mit den negativen Platten verbunden ist. Elektrischer Strom fließt als geladene Teilchen der Säure (Ionen) zwischen den Batterieplatten und als Elektronen durch den äußeren Schaltkreis. Die Reaktion der Blei-Säure-Batterie wird durch die verwandten Chemikalien, den Ladezustand, die Temperatur, Porosität, Diffusion und Last bestimmt. Ein Zyklus wird definiert als eine Entladung und eine Wiederaufladung der Batterie.
Eine detailliertere Beschreibung, wie eine Batterie funktioniert, findet man auf der BCI-Website unter http://www.batterycouncil.org/works.html.
2.3. Wie gehen Batterien kaputt?
Wenn die aktive Masse in den Platten keinen Entladestrom mehr aufrechthalten kann, ist die Batterie leer. Normalerweise "altert" eine Auto- (oder Starter-)batterie, wenn die positive aktive Masse wegen normaler Ausdehnung und Kontraktion abgeht (oder abblättert), die während der Entlade- und Ladezyklen auftreten. Das führt zum Verlust an Kapazität und einer braunen Ablagerung, "Schlamm" genannt, die sich am Gehäuseboden ansammelt und die Platten einer Zelle kurzschließen kann. Sobald ein solcher Kurzschluß auftritt, geht die Batterie kaputt. In heißen Gebieten sind zusätzliche Ausfallursachen Gitterwachstum (positives Gitter), Metallkorrosion am positiven Gitter, Schrumpfung des negativen Gitters, Verbiegung der Platten und Wasserverlust. Tiefentladungen, Hitze, Vibration, Schnelladen und Überladen beschleunigen allesamt den "Alterungs"prozeß. Etwa 50% der frühzeitigen Ausfälle bei den Autobatterien werden durch Wasserverlust verursacht, bei normalem Wiederaufladen durch mangelnde Wartung und durch Verdunstung bei großer Hitze unter der Motorhaube, oder durch Überladung. Gitterwachstum und Unterladen, welches Sulfatierung verursacht, können auch frühzeitige Ausfälle verursachen.
Für gewöhnlich gehen gut gewartete und korrekt geladene zyklenfeste Batterien auf natürlichem Wege an Korrosion des positiven Gitters kaputt, wodurch eine offene Verbindung entsteht. Das Abgehen der aktiven Masse ist auch eine Ursache. Wenn eine zyklenfeste Batterie für eine längere Zeit entladen bleibt, können Kurzschlüsse durch Dentriten auftreten, wenn die Batterie wieder aufgeladen wird. Die niederohmige Verbindung in der kurzgeschlossenen Zelle heizt sich auf und kocht den Elektrolyt aus der Zelle heraus, es entstehen große Mengen Wasserstoff und Sauerstoff. Deswegen sind gute Be- und Entlüftung beim Wiederaufladen von Batterien so wichtig. Etwa 85% der frühzeitigen Ausfälle bei zyklenfesten Batterien und Starterbatterien, die nicht regelmäßig geladen werden, werden durch Anlagerung von Sulfatierung verursacht. Sulfatierung entsteht, wenn der Batterieladezustand für lange Zeit oder beim Laden unter 100% fällt. Harte Bleisulfatkristalle verstopfen die Poren und bedecken die Platten. Siehe Abschnitt 16 zur Sulfatierung. Der Versuch des Wiederaufladens einer sulfatierten Batterie läßt sich mit Händewaschen vergleichen, wenn man dabei Handschuhe trägt.
Für heißes Klima, der rauhesten Umgebung für eine Batterie, hat eine von Johnson Controls druchgeführte Untersuchung von Altbatterien ergeben, beträgt die durchschnittliche Lebensdauer einer Autobatterie 37 Monate. Aus einer eigenen Untersuchung des BCI geht eine durchschnittliche Lebensdauer von 48 Monaten hervor. In einer Untersuchung von Interstate Batteries beträgt die Lebenserwartung in extremer Hitze 30 Monate. Wenn Ihre Batterie mehr als drei Jahre alt ist und Sie in einem heißen Gebiet leben, macht es Ihre Batterie wohl nicht mehr lange. Unnatürlich langes Starten, besonders an kalten Tagen, ist ein weiteres Zeichen, daß sich der Zustand Ihrer Batterie verschlechtert. Sie sollte von außen wiederaufgeladen, die Oberflächenladung abgeleitet und ein Belastungstest durchgeführt werden. Batterien sind fast immer zum ungünstigsten Zeitpunkt leer. Leicht kann dann eine Starthilfe, ein Abschleppseil oder eine Taxifahrt so teuer werden wie eine neue Batterie.
Die meisten der "defekten" Batterien, die in der Garantiezeit an den Hersteller zurückgeschickt werden, sind in Ordnung. Da liegt es doch nahe, daß einige Verkäufer von Neubatterien nicht wissen, wie man Batterien richtig wiederauflädt, oder sich nicht die Zeit dazu nehmen. Die Lage verbessert sich mit dem weitverbreiteten Gebrauch einfach zu bedienender Batterietester wie denen von Cadex, Midtronics und Argus. Mit ihnen kann man die Kapazität der Batterien vorhersagen, ohne sie voll aufladen zu müssen.
2.4. Warum ist die Masse mit dem negativen Pol verbunden?
Die beste Erklärung zu dieser Frage kommt aus einem Wartungshandbuch des Rolls-Royce Enthusiasts' Club aus dem Jahre 1978.
"...es hat sich herausgestellt, daß positiv verbundene Autos eher zu Korrosion an Fahrgestell und Karosserie neigen als negativ verbundene. Der Grund ist ganz einfach, weil Metallkorrosion ein elektrolytischer Prozeß ist, bei dem die Anode oder positive Elektrode selbstverzehrend bis zur Kathode korrodiert. Das Phänomen wird sich beim "kathodischen Korrosionsschutz" bei Stahlrumpfschifffen und unterirdischen Rohrleitungen zunutze gemacht, wo ein weniger 'edeles' oder elektronegativeres Metall wie Magnesium oder Aluminium selbstverzehrend bis zum Stahl korrodieren kann und so seine Korrosion hemmt."...
Für weitere Informationen über kathodischen Korrosionsschutz lesen Sie bitte Roger Alexanders Artikel An idiots guide to cathodic protection oder Chris Gibsons Artikel What is Galvanic Erosion, is it serious and can it be prevented? für metallische Bootsrümpfe. 1956 hatten alle in Nordamerika hergestellten Autos und Lkw, außer der Metropolitan, negative Massung. Für genauere Informationen über in nordamerikanischen Fahrzeugen verwandte Massungssysteme siehe Antique Automobile Radios Tabelle unter http://www.antiqueautomobileradio.com/battery.htm.
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