Technischer Lehrgang Starterbatterien

53 Pages·1992·6.407 MB·German

by  (auth.)

VARTA
Batterie AG
Postfach 210540
Am Leineufer 51
D-3000 Hannover 21
UrsprOnglich veroffentiicht in der Reihe "Technische leergangen"
unter dem litel .. Startbatterijen"
von Educatieve en technische uitgeverij DELTA PRESS BV,
Overberg, gem. Amerongen, Niederlande.
© 1990 by Educatieve en technische uitgeverij DELTA PRESS BV,
Overberg, gem. Amerongen, Niederlande
Zusammengestellt durCh Ing. J. C. F. van der Meer
Aile Rechte vorbehalten
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH,
Braunschweig / Wiesbaden, 1992
Der Verlag Vieweg ist ein Unternehmen der Verlagsgruppe
Bertelsmann International.
Das Werk und aile seine Teile sind urhe
berrechtlich geschOtzt. Jede Verwertung
in anderen als den gesetzlich zugelasse
nen Hillen bedarf deshalb der schriftli
chen Einwilligung des Verlages.
ISBN-13: 978-3-528-04825-9 e-ISBN-13: 978-3-322-86800-8
DO I: 10.1007/978-3-322-86800-8
Elektrochemische Spannungs-Quellen
Um elektrische Maschinen, Gerate und Stecker fur trag bare Gerate, die in dieser Welt
Beleuchtung mit elektrischer Energie zu versor unentbehrlich sind, ziemlich unpraktisch.
gen, gibt es ein Stromnetz, das die elektrische Fur jeden dieser Faile bietet die Gruppe der
Energie uber Stromkabel aus den Kraftwerken elektrochemischen Spannungsquellen eine Lb
in unsere Haushalte leitet. An dieses Netz sind sung. Sie funktionieren unabhangig vom Strom
Beleuchtung und Kraftanlagen angeschlossen; netz und versorgen Notstromeinrichtungen mit
auBerdem ist es mbglich, uber Steckdosen eine Strom, wenn das Stromnetz ausfallt, sie versor
Vielzahl mobiler Gerate zu betreiben. Aber gen tragbare Gerate und mobile Maschinen mit
dieses Energienetz ist nicht immer und uberall Energie, und schlieBlich liefern sie die benbtigte
verfugbar. Startenergie fur Verbrennungsmotoren zum
Beispiel von Autos, Traktoren, Schiffen, Aggre
gaten und Flugzeugen. Es wurden verschiede
ne Systeme entwickelt, einerseits abhangig vom
Energiebedarf (kleiner Energiebedarf: zum Bei
spiel fur Uhren, Fotogerate, Hbrgerate und
Herzschrittmacher; groBer Energiebedarf: zum
Beispiel fUr elektrische Gabelstapler, Telefon
zentralen und Autos), andererseits abhangig
von der Einschaltdauer (Dauerbetrieb oder nur
im Notfall).
Man unterscheidet Systeme, die man neu laden
kann, und Einweg-Systeme. In diesem Lehr
gang wollen wir uns mit der ersten Gruppe
befassen, den aufladbaren Batterien. Wir
besprechen wegen ihrer groBen Bedeutung die
Auto-Batterie.
Eine Teleskop-Antenne der Bundespost in Raisting.
In dieser Anlage sind als Notstromeinrichtung fOr die elektrischen Steuer
motoren VARTA-Batterien installiert.
Wenn die Netzspannung ausfallt, kann das in
Tunneln, bffentlichen Gebauden, Krankenhau
sern und der Industrie zu Komplikationen fUh
reno Der Telefonverkehr wurde ausfallen, Ope
rationen wurden miBlingen, Panik, Diebstahle,
Schaden und Unfalle usw. wurden zweifellos die
Foige sein. AuBerdem ist ein langes Kabel mit
2
In hall
1 Geschichtlicher Oberblick 3 7 Abnutzungserscheinungen 29
1.1 1m Altertum 3 7.1 Korrosion 29
1.2 Experimente 3 7.2 Ausfall der aktiven Masse 29
1.3 Die erste einsatzfahige Batterie 4 7.3 Sulfatieren 30
1.4 Der alkalische Akkumulator 5 7.4 Storungen und Defekte 30
7.5 Zusammenfassung 30
2 Wie funktioniert die BaHerie 6
2.1 Die Energieumwandlung 6 8 Normen 31
2.2 Chemische Reaktionen 7 8.1 Ubersicht genormter Eigenschaften von Starter-
2.3 Die Potentialdifferenz 8 batterien nach IEC-, DIN- und SAE-Normen 32
2.4 Zusammenfassung 9 8.2 Die Typenbezeichnung 33
8.3 Zusammenfassung 33
3 Konstruktion 10
3.1 Der Einsatz von Blei als Basismaterial 10 9 Was ist beim Einsatz einer BaHerie
3.2 Bleiverbindungen 10 zu beachten 34
3.3 Die Batterieplatten 11 9.1 Die Startkapazitat 34
3.4 Separatoren 12 9.2 Die Berechnung der Batteriekapazitat 37
3.5 Batteriegehause 12
10 Einsatz und Wartung einer BaHerie 38
3.6 Batteriedeckel 13
10.1 Transport und Lagerung 38
3.7 Zeilenverbinder und Pole 13
10.2 Die Inbetriebnahme 38
3.8 Die Endpole 13
10.3 Der Einbau einer Batterie im Fahrzeug 38
3.9 Die Masse der Batterie 13
10.4 Laden der Batterie 38
3.10 Zusammenfassung 14
10.5 Das Laden von zwei parallel geschalteten
4 BaHerietechnische GroBen und Begriffe 15 Batterien 39
4.1 Chemische Stoffe 15 10.6 Laden mit einem Ladegerat 39
4.2 Molekule und Atome 15 10.7 Parallel und in Reihe geschaltete Batterien 39
4.3 Chemische Verbindungen 15 10.8 Explosionsgefahr 39
4.4 Die elektrische Ladung 15 10.9 Alte Batterien 40
4.5 Elektronen 15
11 Der BaHerietest 41
4.6 Der elektrische Strom 15
11.1 Der Ladezustand 41
4.7 Die Kapazitat 15
11.2 Belastbarkeitsmessungen 42
4.8 Urspannung oder elektromotorische Kraft 15
11.3 Entdecken der Fehler 43
4.9 Die Spannung 16
11.4 Wie man Ladegerate testen kann 43
4.10 Die Reihenschaltung 16
11.5 Ubersicht uber Storungen und Defekte 44
4.11 Die elektrische Energie 16
4.12 Die elektrische Leistung 16 12 Neue Entwicklungen und ZukunHsperspektiven 45
4.13 Der Elektrolyt 16 12.1 Wie man Batterien optimieren kann 45
4.14 Die spezifische Masse 17 12.2 Geschlossene Batterien 46
4.15 Der Kalteprufstrom 17 12.3 Alternative Systeme 47
4.16 Der Innenwiderstand 17 12.4 Theoretische Plane fur Superbatterien 50
4.17 Zusammenfassung 17 12.5 Zusammenfassung 50
5 EigenschaHen einer BaHerie, wenn sie entladen
wird 18
5.1 Die Kapazitat 18
5.2 Faktoren, die die Batteriekapazitat beeinflussen 18
5.3 Die Spannungskennlinie 19
5.4 Selbstentladung 20
5.5 Zyklische Belastungen der Batterie 20
5.6 Der Kaltstart 22
6. Das Laden von Batterien 23
6.1 Lademethoden 25
6.2 Die Wahl des Batterieladegerates 25
6.3 Ladekennlinien 25
6.4 Der Ladestrom 27
6.5 Die Ladespannung 27
6.6 Ladungsaufnahme 28
Geschichtlicher Oberblick 3
1 Geschichllicher Oberblick
1.1 1m Altertum - Die Leidener Flasche ist der Vorlaufer bilden mit der Flussigkeit ein sogenanntes
des jetzigen Kondensators und wurde Galvanisches Element.
Das Phanomen Elektrizitat war schon in von dem Niederlander Mussenbroeck Das Volt (V), die Einheit der elektrischen
prahistorischer Zeit bekannt. Wir meinen im Jahre 1745 entwickelt. Spannung, wurde nach ihm benannt.
damit nicht die geheimnisvolle Naturer Jeder, der ein VoltmeBgerat besitzt, kann
scheinung des Blitzes, die eine groBe Die Erfindungen des Italieners Galvani das Experiment von Volta seiber einfach
elektrische Entladung darstellt, sondern von 1789 nahern sich hier schon eher nachvollziehen, indem man eine kleine
die Prozedur, mit der man im Altertum mit unserem Thema. Er entdeckte, daB sich Kupferscheibe, ein in einer Salzlbsung
Hilfe von primitiven elektrischen Span mit Kupferdraht aufgehangte Frosch getranktes Stuck Papier und eine Nickel
nungsquellen Schmuck vergoldet hat. schenkel zusammenzogen, wenn sie sei scheibe aufeinander legt. Zwischen den
Ausgrabungen der Parter aus dem Jahre nen Balkon aus Eisen beruhrten. Diese beiden Platten kann man eine Spannung
2000 vor Christus weisen eindeutig darauf beiden Metalle in Kombination mit Wasser von ungefahr 60 mV (0,06 V) messen.
hin, daB die Parter dieses Phanomen in dem Gewebe des Froschschenkels Ersetzt man die Kupferplatte durch eine
schon kannten. Bemerkenswert ist, daB erzeugen zusammen eine elektrische Eisenplatte, miBt man eine Spannung, die
schon die Griechen nach 600 vor Christus Spannungs-Quelle. viel hbher liegt (0,2 V). Ersetzt man das
die Eigenschaft von Bernstein, leichte Volta (1745-1827), ein Gymnasial-Lehrer, StUck Papier durch ein in Essig getranktes
Gegenstande anzuziehen, wenn man ihn der spater Universitats-Professor wurde Stuck Papier, wird man eine Spannung
vorher mit einem Staubtuch reibt, ent und noch spater in den Adelsstand beru von mehr als 0,5 V messen.
deckten. Diese Erscheinung fuhrte spater fen wurde, entwickelte zehn Jahre spater Ais man spater bessere Kombinationen
zu dem Wort" Elektrizitat". Denn Bernstein mit Hilfe von Galvanis Erfindung die herausfand, kam man zur ersten Batterie
bedeutet in der altgriechischen Sprache beruhmte Saule Voltas. Sie ist aus kleinen (das Galvanische Element), die ein elektri
"ELEKTRON" . Metallplatten, zwischen denen sich in sches Gerat betreiben kann, bis die akti
Saure getrankte Scheiben befinden, auf ven Stoffe der Batterie verbraucht sind.
gebaut. Denn Volta hatte entdeckt, daB Solche Batterien sind nicht zum Laden
1.2 Experimente geeignet.
Es wurde viel mit den ersten Batterien
Die statische Elektrizitat, die erzeugt wird, experimentiert und untersucht, wie zum
indem man bestimmte Stoffe aneinander Beispiel die Elektrolyse, eines der vie len
reibt, ist schon seit Jahrhunderten Gegen elektrischen Phanomene. Sie ist die Zerle
stand vieler Experimente. Hbhepunkte aus gung einer chemischen Verbindung
dieser Zeit sind zum Beispiel: durch den elektrischen Strom. Bei Galva
- das Elektroskop, ein Gerat, mit dem nischen Elementen wie diesen ersten Bat
man mit zwei kleinen, sich voneinander terien tritt die Entstehung von Wasserstoff
abstoBenden Metallstreifen statische gas und Sauerstoffgas aus Wasser auf.
Elektrizitat nachweisen kann. Es wurde In einem Behalter mit Salzwasser werden
von einem Englander namens William zwei Metallstabe oder Platten gestellt, Sie
Gilbert (1540-1603) entwickelt. werden mit einer Gleichspannungsquelle
- Die Reibungs-Elektrisiermaschine wur (damals eine primare Batterie) verbunden.
de von. dem Deutschen Otto von Gue Es entstehen an beiden Metallteilen (Elek
ricke (1602-1686) entwickelt. troden) Gasblasen. Wir unterscheiden
Volta (1745-1827) entwickelte die ersle eleklro
chemische Spannungsquelle: "Die Voltasche
Saule".
zwei verschiedene Metalle eine elektrische
Spannung erzeugen, wenn sie mit einer
Salzlbsung oder einer Saure kombiniert
werden. Er hat diese Erscheinung aus
fuhrlich untersucht und kam zu der Ober
zeugung, daB das Entstehen der Elektrizi
tat sich in der Grenzschicht zwischen
Metall und Flussigkeit abspielt. Er experi
mentierte mit verschiedenen Verbindun
gen, darunter auch verschiedenen Metal
len, und stellte fest, daB die elektrische
Spannung von der Kombination der
Galvani entdeckte 1789 die elektrochemischen Johan Riner (1n6-1810) enldeckte eine Span
Phanomene. Metalle abhangig ist. Die beiden Metalle nungsquelle, die man mehrmals laden konnle.
4 Geschichtlicher Oberblick
Sauerstoff an der positiven Elektrode und
Wasserstoff an der negativen Elektrode.
Wahrend eines ahnliches Experimentes
entdeckte ein Medizinstudent aus Jena,
Johann Ritter (1776-1810), daB, nach
dem die Gleichspannungsquelle (eine
Volta-Saule) zwischen den Metallteilen
des Elektrolysegerats entkoppelt wurde,
eine Spannung gemessen werden konn
te. Das Gerat war jetzt seiber eine Span
nungsquelle geworden.
Dies war vorher nicht der Fall, offenbar
hatte sich das Elektrolysegerat geladen.
Nach diesem System entwickelte er die
"Saule von Ritter". In dieser Saule waren
aile Metallscheiben aus demselben Mate
rial (Kupfer), und dazwischen befanden
Bild 1: Beim Experiment von Plante wird eine Bleiballerie von ~ei primiiren Zellen gel aden.
(Pb02) und an der anderen Platte Blei Camille Faure (1881), die Bleiplatten mit
(Pb). Bleiverbindungen uberzog. Dazu gehor
Es stellte sich heraus, daB die chemische ten auch die Zelle von Charles Brush, der
Reaktion der beiden aktiven Stoffe mit der die Platten mit Rippen modifizierte, die die
Schwefelsaure diesen Strom verursach Bleiverbindungen auf den Platten besser
ten. Bis jetzt war in einer Zelle noch nie festhalten sollten, und die Zelle von Volck
eine Spannung von 2 V gemessen wor mar, der eine Bleirasterplatte erstellte und
den. Die Batterie entwickelte sich jetzt die Locher mit einer Bleipaste zuschmier
schneller als bisher. 1859 entwickelte der te. Die letzte Bauart ist der Vorlaufer der
Franzose Gaston Plante einen Akkumula jetzigen Gitterplatte.
tor indem er die Bleiplatten, die durch
Gummistreifen voneinander getrennt wur
den, wie eine Spirale aufrollte. 1860 fuhrte 1.3 Die erste einsatzfahige
er diese Plante-Zelle an der Universitat Batterie
von Paris vor. Die Batterie, die Zusammen
schaltungen von mehreren galv. Elemen Es stellte sich heraus, daB in der Praxis
ten, hatte jedoch noch immer nur eine eine Platte mit groBer Oberflache am
wissenschaftliche Bedeutung. Erst als Sie gunstigsten is!. Diese Platte wurde 1881
mens den Dynamo erfand, wurde die von dem Luxemburger Henri Tudor ent
Josef Sinsteden forschte 1854 als erster mit Anwendung der Batterie interessant. Es wickel!. Er baute eine positive Bleiplatte mit
einer Kombination von Blei und Schwelelsiiure.
wurden verschiedene Bauarten von Zel kleinen feinen Rippen auf der Oberflache,
len erdacht, darunter auch die Zelle von die dafur sorgten, das beim Laden und
sich in einer Salzlosung getrankte Papier
platten. Bei der Saule von Volta (Primar
element) kann die frei werdende Energie DDDDD
unmittelbar in Form elektrischer Energie
entnommen werden; die Saule von Ritter DDDDD
- -
(Sekundarelement) kann elektrische
DDDDD
Energie speich ern.
Jahre spater wurde die Entdeckung von
DDDD ~
keinem mehr beachte!. Wahrscheinlich,
'"'-
weil keiner mit der Erfindung etwas anzu
DDDDD ::::;::
fangen wuBte. Erst 1854 wurde wieder
eine interessante Erfindung auf diesem .~
-
Gebiet durch Jozef Sinnsteden, einem
Arzt, gemacht. Er stellte zwei groBe Blei
platten in einen Behalter mit verdunnter
::5
Schwefelsaure. Auf der Oberflache der
Platten bildete sich eine Schicht Bleisulfat.
Wurde diese Anordnung jetzt geladen,
Bild 2: Zwei einfache Plattenkonstruktionen: b - Eine Platte mit Rippen, die von Brush ent
entstand an der einen Platte Bleidioxid a - Eine von Volckmar entwickelte Gitterplatte. wickelt wurde.
Geschichtlicher Oberblick 5
1924 -In den Fahrzeugbatterien wird die
positive Elektrode, die aus Rohrplatten
besteht, eingebaut. Die Rbhrchen sind aus
Hartgummi und mit kleine Rillen versehen.
1926 - Pbhler entwirft ein Ladegerat fur
Fahrzeugbatterien.
Bild 6: Die Energieversorgung der Beleuchtung
des Hofzuges des deutschen Kaisers aus dem
Jahr 1896 (VARTA-Museum in Hagen).
1930 - VARTA entwickelt den "MIPOR"
Separator auf der Basis von Latex.
1935-Nickel-Cadmium-Batterien, die gro
Be Spitzenbelastungen aushalten, wenn
sie mit Sinterelektroden ausgerustet sind.
1953 - Fur Fahrzeugbatterien wurden von
VARTA Panzerbleche mit Rbhrchen aus
Kunststoffaser entwickelt.
1959 - Die Entwicklung neuer Konservie
rungstechniken von "dry charged" Star
terbatterien.
1967 - Der Einsatz von neuen korrosions
festen Legierungen mit einem niedrigen
Antimongehalt und Selen. Sie wird, als
wartungsfreie Batterie, von VARTA beim
Patentamt hinterlegt.
1982 - Experimente mit Polymerbatterien,
auf der Basis leitfahiger Kunststoffe, zum
Beispiel Poly-Acetylen und Poly-Pyrrol.
Bilder 3,4,5: Versuche mit verschledenen Bauarten fur BleibaHerien (VARTA-Museum in Hagen).
1987 - Es werden vbllig geschlossene
Batterien von VARTA nach dem "Liqui
fix" -System eingefuhrt.
Entladen (Formieren) nach dem Plante 1.4 Der alkalische Akkumulator
System, sich an der Oberflache eine
Schicht Bleidioxid, auch aktives Material Einige wichtige Meilensteine in der
genannt, bildete. An der negativen Platte Geschichte der Batterie:
wurde das System von Faure und Brush 1890 - Die Gitterplatte wurde entwickelt
verwendet. und produziert nach dem Prinzip von
1887 entwickelte Adolf Muller, der G ru nder Faure.
von VARTA, ein Patent und begann in dem 1905 - Die ersten Autobatterien werden als
gleichen Jahr mit der Produktion in Euro Stromversorgung fur die Beleuchtung am
pa. Spater sollten auch in den USA nach Auto eingesetzt.
dieser Lizenz durch ESB (Electric Storage 1914 - Entwicklung des Anlassers und der
Batteries) Bleibatterien produziert werden. Einsatz der Autobatterie als Starterbatterie.
6 Wie funktioniert die Batterie
2 Wie funklionierl die BaHerie
2.1 Die Energieumwandlung
Das Wort Akku oder Akkumulator bedeu
tet "Sammler". Ein Akku sammelt (spei
chert) die elektrische Energie, damit er,
wenn notig, die Energie zu einem anderen
Zeitpunkt oder an einer anderen Stelle
wieder abgeben kann. Es ist moglich,
elektrische Energie als Ladung mit einem
. Kondensator zu speichern, aber diese
Methode ist nur fur kleine Energiemengen
brauchbar.ln einem Akku wird die Energie
in einer anderen Form gespeichert, nam
lich als chemische Energie.
Wenn chemische Stoffe miteinander rea
gieren, tritt immer eine Energieubertra
gung auf: eine chemische Reaktion nimmt
Energie auf oder setzt Energie frei. Man
nennt diese Art Energie die sogenannte
"Reaktionsenergie". Wenn man zum Bei
spiel mit einem Streichholz ein Gas zun
det, reagiert das Gas, weil die Reaktions
o
temperatur erreicht wurde. Wenn auBer
dem Sauerstoff (in der Luft) anwesend ist,
. wird das Gas mit dem Sauerstoff che
misch reagieren: diese Form nennt man
Verbrennung. Es bilden sich wahrend der
Reaktion neue Stoffe, namlich Oxide, wie
zum Beispiel Kohlendioxid (C02) und
Wasser (H20).
Die Verbrennungsreaktion erzeugt immer
Energie, die man Warme nennt. Die Reak
tionen in einer elektrochemischen Span
nungsquelle sind den Verbrennungsreak
tionen ahnlich. Der Unterschied ist aber,
daB die Reaktionsenergie nicht als Warme
austritt, sondern als elektrische Energie.
Ein Akku ist also eigentlich ein Energie
wandler. Er kann chemische Energie wah
An7l"n""n~
rend der Entladung in elektrische Energie
umwandeln, und umgekehrt kann er elek
trische Energie wieder in chemische Ener
Bild 7a und 7b: Unter bestimmten Verhiillnissen ionisieren Sauerstollatome. In diesem Fall wird die
gie umwandeln.
Ladung des Wasserstollatoms reduziert. Die lonen sind jetzt in der Lage, eine neue chemische Ver
Wie konnen wir uns dieses Phanomen bindung zu bilden.
erklaren? Wie allgemein bekannt ist, sind
Stoffe aus Molekulen aufgebaul. die wie
der aus Atomen aufgebaut sind. Atome
bestehen aus einem Atomkern und einer Atomkern mit 8 Protonen, aber auch 8 Ionisation tritt auf, wenn Sauren, Salze
Elektronenhulle. In der Elektronenhulle Elektronen in der Atomhulle. und Laugen (Elektrolyten) in Wasser los
befinden sich die um den Kern kreisenden Ein Wasserstoffatom ist viel kleiner; der lich sind. In verdunnter Schwefelsaure (die
Elektronen. Der Atomkern besteht aus Wasserstoffkern besitzt ein Proton und Flussigkeit in Bleibatterien) zum Beispiel,
Protonen und Neutronen (Nukleonen). hat darum nur ein Elektron in der Atom teilt sich ein Teil der Schwefelsauremole
Die Protonen im Atomkern haben immer hulle. Es gibt jedoch Situationen, in denen kule (chemische Formel H2S04) in drei
eine positive elektrische Ladung; ein Elek ein Atom oder ein Molekul ein Elektron lonen, namlich zwei Wasserstoffionen, mit
tron hat dagegen eine negative elektri abgibt oder aufnimmt. einer positiven Ladung (H+) und ein
sche Ladung. Die Ladung eines Atom Diesen Vorgang nennt man, Ionisation. Saurerest oder 8ulfation, mit einer doppel
kerns und der Elektronen sind zusammen, lonen sind negativ geladen, wenn das ten negativen Ladung (804- -). Also
unter normalen Umstanden, neutral. Dies negative Ladungsverhaltnis uberwiegt. H2S04 -> H+ + H+ + H804--.
bedeutet, daB die positive Ladung eines Wenn sie zu wenig Elektronen haben, Man nennt diese Reaktion "Dissozia
Atomkerns die negativen Ladungen der ist die Ladung positiv. lonen sind tion".
Elektronen neutralisiert. elektrisch geladene Atome oder Moleku
Ein Sauerstoffatom hat zum Beispiel einen Ie.
Wie funktioniert die Batterie 7
Ole elektrochemischen Ablaufe In einer Blelbatterle (schematlsch dargestellt) .
..... - +- +-
Wn (11) SaufJrnolt 101 Sul ·lOn (so I
n'
Bild 8: Elektrochemische Prozesse in elner Blel-BaUerie.
In Flussigkeiten sind lonen sehr beweg die, wie wir schon festgestellt haberl', auch
+
lich, auch wenn eine elektrische Ladung, Ladungstrii,ger sind, geschlossen. Weil es
also eine Kraft, auf die lonen wirkt. Elek zwei Arten lonen gibt, positive und nega
trolytische Flussigkeiten sind darum lei ELEKTRONEN tive, treten eigentlich zwei lonenstrbme in
tend. Wenn sich nun lonen mit einer entgegengesetzter Richtung auf (siehe
entgegengesetzten Ladung nahern, zie Schema). Wahrend der Entladung strb
hen sie sich gegenseitig an und bilden men die geladenen Teilchen in derselben
dann eine neue chemische Verbindung. Richtung.
Wenn dies zum Beispiel bei Wasserstoff Die Zelle liefert uns also einen "Gleich
(H+) und Sauerstoff-Ionen (0- -) auft ritt, strom".
wird sich Wasser (H20) bilden.
Die Ionisation tritt in elektrochemischen 2.2 Chemische Reaktionen
Spannungsquellen auf. Die" freien" Elek
tronen bewegen sich in einem auBeren Die Stoffe, die bei der chemischen Reak
Strom kreis, uber ein Stromkabel von einer tion in der Batterie eine Rolle spielen,
Elektrode zur anderen (Elektronenlei nennt man aktive Stoffe. Man findet sie in
tung). Die lonen reagieren miteinander den Elektroden (Platten) und in der Bat
und bilden eine neue chemische Verbin terieflussigkeit (Elektrolyt). Die Stoffe sind
dung. (wenn die Batterie gel aden ist):
Dabei entsteht Reaktionsenergie in Form positive Elektrode: Bleidioxid Pb0
2
eines elektrischen Stroms: die Elektronen negative Elektrode: Blei Pb
bewegen sich durch die Elektroleitungen Blld 9: Der 'Strom flieBt, wiihrend die BaUerie Elektrolyt: Schwefelsaure H2S04.
und die dazugehbrenden elektrischen entladen wlrd, im iiuBeren Stromkreis vom posl An der Oberflache der Elektroden, dort wo
Gerate. Ein elektrischer Strom ist nichts tlven Pol zum negatlven Pol (techn. Stromrlch der lonenstrom in einen Elektronenstrom
tung) der BaUerie. Die Elektronen bewegen sich
anderes als eine elektrische Ladungsver ubergeht, reagieren bei der Entladung
entgegengesetzt zum Strom (Elektronen haben
schiebung. elne negative Ladung). In der BaUerie schlieBen und Ladung die chemischen Stoffe in der
die lonen den Inneren Stromkreis der BaUerle. Zelle miteinander. An der positiven Elek
1m auBeren Stromkreis sind die Elektronen dDiiee nloengeantl vbeenw leogneenn sbicehw ezguer np ossicHhlv zeunr Pnleagnaet, ivuennd trode wird Bleidioxid (Pb02) zu Bleisulfat
die Ladungstrager. Der Stromkreis wird PlaUe. (PbS04). Dies bedeutet, daB wahrend der
durch die lonen in der Flussigkeit der Zelle, Reaktion 2 Elektronen vom Atom aufge-
8 Wie funktioniert die Batterie
und dem Elektrolyt ein Potentialunter
Sch ma d r R kt n schied entsteht. Wenn dieser gleiche Vor
gang wiederholt wird, mit dem Unter
PbO H~O 2H 2e PbS04 2H 0 schied, daB man statt einer Bleielektrode
eine andere Elektrode aus einem anderen
Pb SO PbSO 2e Matecial einsetzt, wird auch hier ein Poten
tial zwischen dieser Elektrode und dem
G mt PbO 2e 2 PbSO 2 H 0 2e Elektrolyt entstehen. Das Potential hat
aber in diesem Fall einen anderen Wert,
weil wir ja auch ein anderes Material
verwendet haben. Indem beide Potentiale
nommen werden. An der negativen Elek Wenn eine ganz oder nur teilweise leere voneinander subtrahiert werden, ergibt
trode wird Blei (Pb) zu Bleisulfat (PbS04), Batterie an eine andere Spannungsquelle sich die Potentialdifferenz oder der Span
wobei 2 Elektronen vom Atom abgegeben angeschlossen wird (und zwar Plus an nungsunterschied zwischen den beiden
werden. Plus und Minus an Minus), dann wird ein Elektroden.
Die freien Elektronen an der negativen Strom entgegengesetzt zum Entladestrom In der Praxis nennt man die Potentialdif
Elektrode (2e-) bewegen sich in dem flieBen, vorausgesetzt, daB die andere ferenz die "Spannung", mit der Einheit
auBeren Stromkreislauf zur positiven Elek Spannungsquelle eine hbhere Spannung "Volt" (V). Die Spannung einer elektri
trode. Dort werden sie wahrend der Reak hat als die Batterie. Wahrend dieser "La schen Zelle ist von den aktiven Stoffen in
tion wieder vom Atom aufgenommen. dung" werden die chemischen Stoffe in der Zelle abhangig. Die Kombination
Bemerkenswert ist fur Chemiker, daB Blei umgekehrter Reihenfolge reagieren. Bleidioxid/Blei/Schwefelsaure hat einen
Spannungsunterschied von ungefahr 2 V.
Diese Spannung ist die Summe aus den
zwei Teilspannungen zwischen der positi
ven Elektrode, der negativen Elektrode
und dem Elektrolyt. Diese Elektroden
spannungen kann man mit einer Cadmi
Pb PbSO. PbSO PbQ
8 G um-Hilfselektrode ("Cadmiumspannun
gen") feststellen.
Diese Spannungen sind abhangig von
8
der Konzentration des Elektrolyts (Schwe
felsauregehalt = spezifische Masse SM).
Pb Sie kann mit der nachfolgenden Formel
. ~ errechnet werden:
/ ' 'W
positive Teilspannung
Pb '0;:= 2e Pb • = 1,20 V + 0,8 V/(kg/I) x SM [kg/I]
negative Teilspannung
I
= 0,36 V - 0,2 V/(kg/I) x SM [kg/I]
Spannu ngsdifferenz
= 0,84 V + 1 V/(kg/I) x SM [kg/I].
Bild 10: Die chemische Reaklion an den Eleklroden, wenn die Balterie geladen is!.
Wenn die spezifische Masse 1,28 kg/I ist,
An den zwei Elektroden teilt sich Bleisulfat in Pb2+ und in SO,'-, wobei an der einen Platte das Blei-Ion
oxydiert, indem zwei Elektronen freigesetzt werden und Bleidioxyd (Pb02) bilden. An der anderen Platte re ist die Spannung der Zelle (wenn die Zelle
duziert das Blei-Ion seine Ladung, indem es zwei Elektronen aufnimmt und sich reines Blei (Pb) bildet. Die geladen ist) 2,12 V. Mit der Zellenspan
Wasserstoff-Ionen (H+) reagieren mit dem Saurerest (S04'-) und bilden Schwefelsaure (H2S04). nung ist die Spannung gemei[lt, die
gemessen wird, wenn die Zelle unbelastet
ist. Wie sich aus der chemischen Reaktion
verschiedene Valenzen hat. Das bedeutet, 2.3 Die Potentialdifferenz ergibt, reduziert sich wah rend der Entla
daB das Atom verschiedene Bindungs dung die Menge der Schwefelsaure. Sie
mbglichkeiten mit anderen Atomen hat. Wenn man die richtige Elektrode, wie zum bindet sich als Sulfat an den beiden
Blei bindet sich zum Beispiel mit Sauerstoff Beispiel eine Bleiplatte, in einen Elektrolyt, Elektroden. AuBerdem entsteht wahrend
(Pb02). In dieser Verbindung ist Blei tetra zum Beispiel verdunnte Schwefelsaure, der Reaktion Wasser (H20). Wahrend der
valent, weil es mit dem bivalenten Sauer stellt, treten an der Oberflache der Platte Entladung verringert sich die Konzentra
stoff (0--) zwei Verbindungen hat. 1m Phanomene auf, die fur diesen Aufbau tion beziehungsweise die spezifische Mas
Bleisulfat ist Blei jedoch bivalent, denn es typisch sind. Das Blei gibt in einem Elek se der Zellenflussigkeit. Dadurch sinkt
hat nur eine Verbindung mit der bivalenten trolyt positive lonen ab, die sich in der (wenn man obengenannte Formel be
Sulfatgruppe (S04 - -). Einfaches Blei hat Flussigkeit frei bewegen. Die Elektrode hat trachtet) die Zellenspannung. Fur den
dagegen eine Valenz gleich Null. Diese dann zu viele und der Elektrolyt zu wenig Fall, daB die Zelle ganz entladen ist, ist die
Eigenschaft, daB Blei mehrere Valenzen Elektronen (die Blei-Ionen in der Lbsung spezifische Masse der Zellenflussigkeit
haben kann, ist im Hinblick auf seine verursachen eine Ladungsverschiebung). 1,12 kg/I. Der Wert der Zellenspannung ist
Einsatzf8.higkeit in Batterien sehr wichtig. Die Foige ist, daB zwischen der Elektrode in diesem Fall O,84V + 1,12V = 1,96V.
Wie funktioniert die Batterie 9
und Elektroden. Der Gesamtspannungs
v unterschied ist ungefahr 2 V. Weil Gerate
eine bestimmte Spannung brauchen, wer
den in der Praxis Zellen in Reihe geschal
tet. In der Industrie nennt man diese
Schaltung eine Batterie oder Akku. In der
Automobilindustrie wird sie Batterie ge
nannt. Der Begriff Akku wird selten
22
gebraucht.
o
8
!
I
o 1 I
j
-
1 1 3
Bild 11: Zwischen den zwei Elektroden und dem Elektrolyt befindet sich ein elektrisches Potential.
Das Potential ist von der Saurekonzentration (spezifische Masse) abhangig. Die Klemmenspannung (zwi
schen den Polen) ist die Summe des positiven Potentials mit dem negativen Potential.
2.4 Zusammenfassung tronen. Die Batterie liefert eine Gleich
spannung. Die elektrische Spannung
Eine Batterie ist ein Energieumformer. Sie einer Batterie ergibt sich aus zwei Teil
kann elektrische Energie, die sie aufge spannungen, namlich aus den beiden
nom men hat, in chemische Energie Elektrodenpotentialen zwischen Elektrolyt
umwandeln und umgekehrt. Wahrend
dieser Energieumwandlung treten chemi-
sche Reaktionen auf. 1m Gegensatz zu
einer normalen chemischen Reaktion wird
in einer Batterie die Reaktionsenergie als
elektrische Energie freigesetzt.
Die aktiven Stoffe in den Elektroden sind
Bleidioxid (Pb02) und Blei (Pb). Die ver
dunnte Schwefelsaure (H2S04 + H20)
beteiligt sich auch an der chemischen
Reaktion. Es bildet sich wah rend der
Entladung an beiden Elektroden Bleisul
fat. Deswegen sinkt die Konzentration der
Schwefelsaure.
Wenn die Batterie geladen wird, reagieren
die Stoffe in umgekehrter Reihenfolge. Die
Anfangssituation wird wieder erreicht. Die
Schwefelsaurekonzentration steigt wie
der. Der elektrische Strom, der wah rend
der Entladung und Ladung flieBt, wird
durch einen geschlossenen Stromkreis
geleitet. In der Flussigkeit der Batterie
stellen die lonen die Ladungstrager dar,
die einen Elektrizitatstransport in der
Lbsung ermbglichen.lonen sind Teilchen,
Atome oder Molekule, die zu viele oder
zu wenige Elektronen haben. 1m auBer- Bild 12: Ortsfeste BaHerien fiir die NOlstromversorgung und die Signalverarbeitung.
en Stromkreislauf flieBen die Elek- SM-Messung zur Kontrolle des Ladezustandes.