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Blei-Säure- Batterie

Geschichte



Geschichte der Blei-Säure-Batterie

GitterplatteDie ersten Blei-Batterien bauten Sinsteden und Plante in den fünfziger Jahren des vorigen Jahrhunderts und nutzten sie zur Stromspeicherung für telegrafische Experimente. Als Elektroden setzten beide Bleiplatten ein, die durch mehrfaches Laden und Entladen eine gewisse Kapazität erhielten. Für die industrielle Fertigung waren diese Zellen natürlich noch nicht geeignet.
Die industrielle Produktion begann etwa 1880, als Faure ein Patent zur Herstellung pastierter Platten für Blei-Akkumulatoren anmeldete. Er bedeckte beide Seiten eines Bleiblechs mit einer Paste aus Bleipulver und Schwefelsäure. Damit erreichte er schon nach der ersten Aufladung eine recht hohe Kapazität.
Die Fauré-Zellen, in denen positive und negative Elektroden spiralförmig aufgewickelt waren, erwiesen sich allerdings als wenig haltbar und versagten schon nach wenigen Lade /Entladezyklen. Dieses war ein erstes Hindernis für die industrielle Batterieherstellung. Außerdem besaßen sie nur eine kleine Kapazität, da die Menge der gespeicherten Energie von der Menge der Elektrodenmaterialien, die an der Zellreaktion teilnehmen, abhängt.
Eine deutliche Verbesserung brachte 1881 J Scudamore Sellons Idee, die Paste nicht auf ein glattes, sondern in ein perforiertes Blech zu schmieren, um bessere Haftung zu erreichen. Er war der erste Metallkundler, der Antimon-Legierungen als Gittermaterial benutzte, was später so wichtig sein sollte. Ernest Volckmar entwickelte im gleichen Jahr ebenfalls ein Bleigitter, wobei offen ist, wie weit der eine vom anderen wusste. Damit war die schon bald in vielen Varianten bekannte "Gitterplatte" erfunden.

Charles F. BrushEbenfalls 1881 wurde von Charles F. Brush eine großflächige Bleielektrode mit gerippter Oberfläche zum Patent angemeldet - der Vorläufer heute noch üblicher Großoberflächenplatten.
Zwei Plattentypen, die immer noch eine große Rolle spielen, waren damit schon vorhanden. Auch die Röhrchenplatte ("Panzerplatte"), die vor allem in Europa und Japan für Antriebs- wie stationäre Anwendungen häufig verwendet wird, blickt auf eine lange Entwicklung zurück. S. C. Currie erfand die Grundform 1881. Bei dieser Plattenkonstruktion liegt im Zentrum eines Röhrchens von etwa 8 mm Durchmesser ein Bleistab, der heute als Leiterelement benutzt wird. Die mechanische Stützung des aktiven Materials wird durch eine äußere Hülle aus gewebtem oder nicht gewebtem Stoff erreicht. Röhrchenelektroden nutzen das aktive Material sehr gut aus und garantieren eine hohe Zyklenstabilität. Die Röhrchen bestanden anfangs aus geschlitztem Hartgummi. Nach dem Zweiten Weltkrieg wurden geflochtene Glasfasern, gewebtes Material aus Glas und Kunststofffasern bzw. Gewebe oder Filz aus reinem Kunststoff (Polyester) als Röhrchenmaterial eingeführt.
Eine weitere Bauform, neben den Flachzellen (mit verschiedenen Plattentypen) ist die zylindrische Zelle. Hierbei wird ein zentraler Stab oder Draht in ein Band aus dem aktiven Material gewickelt. Der Elektrodenseparator wird aus dem elektrolytporösen Isolator gefertigt, und die ganze Konstruktion wird in ein isolierendes Gehäuse eingegossen.
Die Einführung der ventilregulierten Blei-Säure-Batterie verminderte den Wartungsaufwand erheblich. Sie arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie die gasdichte Nickel-Cadmium-Batterie: Der beim Überladen an der positiven Elektrode entstehende Sauerstoff verlässt die Zelle nicht, sondern wird an der negativen Elektrode wieder zu Sauerstoff-Ionen (O2-) reduziert, die zusammen mit Wasserstoff-Ionen (H+) Wasser bilden. Die Entwicklung von Sauerstoff, die durch das Überladen der positiven Elektrode verursacht wird, wird also durch die Verminderung dieses Sauerstoffs an der negativen Elektrode ausgeglichen. Bei perfektem Ablauf des internen Sauerstoffkreislaufs tritt kein Wasserverlust auf.

Versuche, feststehende Elektrolyten aus Gel zu entwickeln, wurden schon Ende des 19. Jahrhunderts unternommen. Wie bei "Trockenbatterien" sollte ein Verschütten, auch bei Gehäusebruch, ausgeschlossen sein. Damals erlangte diese Methode für Blei-Batterien noch keinerlei Bedeutung. Erneut wurde das Verfahren nach dem Zweiten Weltkrieg, Ende der fünfziger Jahre, von Sonnenschein aufgegriffen, zunächst in kippsicheren Kleinakkumulatoren, die mit Ventilen ausgerüstet wurden und damit die charakteristischen Merkmale der ventilregulierten Blei-Säure-Batterie hatten.
Die Einführung von Mikroglasvliesen mit Durchmessern im µm-Bereich sorgte in den siebziger Jahren für ein breites Anwendungsgebiet der ventilregulierten Blei-Säure-Batterie. Die Fähigkeit dieses ursprünglich für Feinstfilter entwickelten Materials, den schwefelsauren Elektrolyten aufzusaugen, erlaubte dessen Einsatz als Separator, der zugleich kurze Zyklen zwischen den Elektroden verhindert und den Elektrolyten aufnimmt. Ein Vorteil solcher absorbierender Glasmatten-Separatoren ist, dass mit ihnen Batterien auf den üblichen Fertigungsanlagen hergestellt werden können. Außerdem hat der Glasmatten-Separator einen so geringen Widerstand, dass der Batterie hohe Entladeströme mit gutem Wirkungsgrad entnommen werden können. Das führte Ende der siebziger Jahre zur Einführung von ventilregulierten Starterbatterien für Kraftfahrzeuge, die jedoch niemals wirklich am Markt Erfolg verzeichnen konnten. Sehr erfolgreich war auf der anderen Seite die Entwicklung einer solchen Batterie für Telefonanlagen, die den Trend auslöste, verschlossene Blei Batterien für viele ortsfeste Anwendungen einzusetzen. So werden heute Anlagen zur unterbrechungsfreien Stromversorgung überwiegend mit ventilregulierten Blei-Säure-Batterien ausgerüstet. Das geschieht nicht nur wegen des geringeren Wartungsaufwands und der niedrigen Wasserstoff-Gas-Entwicklung, sondern auch wegen der Möglichkeit, diese Batterien unmittelbar neben den elektronischen Bauelementen aufzustellen, da keine Gefahr besteht, dass korrosive Dämpfe aus der Batterie austreten.

Auch bei den ventilregulierten Blei-Batterien mit geliertem Elektrolyten ist die Entwicklung weitergegangen und hat in den siebziger Jahren dazu geführt, das Prinzip auf größere Batterien zu übertragen. Heute werden ventilregulierte Batterien mit geliertem Elektrolyten bis zur Kapazität von 3000 Ampère/Stunde (Ah) pro Zelle angeboten; auch sind verschiedene Baureihen von Antriebsbatterien auf dem Markt.
Neben den beschriebenen speziellen Entwicklungen hat es bei allen Blei-Batterien im Laufe der Jahrzehnte erhebliche Neuerungen gegeben. Für Batteriegefäße traten nach dem zweiten Weltkrieg Kunststoffe zunehmend an die Stelle von Glas oder Hartgummi. Zur Trennung der Elektroden kamen zunächst Abstandhalter aus Hartgummi oder dünne Holzbrettchen zur Anwendung. 1915 wurde in den USA ein poröser Separator auf Gummibasis patentiert, in Deutschland 1924 ein ähnlicher mit Latex als Ausgangsmaterial. In beiden wurde ein definiertes Porensystem aus Dehnmitteln und Füllstoffen erzielt. Sie werden mit gewissen Abwandlungen noch heute verwendet. Nach dem Zweiten Weltkrieg dienten verstärkt Kunststoffe als Material für Separatoren, vor allem PVC und Polyäthylen.

Immer perfektere elektronische Bauteile erlaubten eine verbesserte Ladetechnik. So ließ sich bei Kfz-Starterbatterien der mittlere Ladezustand erhöhen und die Lebensdauer verlängern. Ortsfeste Batterien waren besser zu überwachen, was unerwartete Ausfälle verhinderte. In den letzten Jahren hat sich dieser Trend fortgesetzt. Heute werden Geräte zur kontinuierlichen Überwachung der Batterie (Monitoring) angeboten.

Batterien für Elektro-Straßenfahrzeuge sind meist mit einem "Management-System" verbunden, das nicht nur Ladezustand und Temperatur der Batterie überwacht und Tiefent- und Überladung vermeidet. Wenn nötig, laden häufig einzelne Zellen oder Blöcke innerhalb der Batterie automatisch zusätzlich nach. Dieses garantiert einen gleichmäßigen Ladezustand der Zellen.


Quellen: Halaczek/Radecke: Batterien und Ladekonzepte (Franzis Verlag 1998); VARTA: Spezialreport; Die Entwicklung der Batterie


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