Station 1 - Chik.die-sinis.de

Reihe „Wenn der Strom nicht aus der Steckdose kommt... – mobile Energiespeicher“
Stationenlernen Akkumulatoren
Station 1: Strom im Auto: der Blei-Akkumulator
1.1 Aufgabenstellung
1. Führen Sie den Versuch durch!
2. Fertigen Sie ein sorgfältiges Versuchsprotokoll an:
a. schildern Sie möglichst genau alle Beobachtungen auch an den Elektroden!
b. Verwenden Sie bei der Deutung die entsprechende Fachterminologie (Anode/Kathode / Plus-
Pol/Minus-Pol / Oxidation/Reduktion)
3. Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen für die Überladung (vgl. Material und Durchführung 3.)
Begründen Sie ausführlich, warum erst bei einer Spannung von mehr als 2,5 V der zu beobachtende
Effekt eintritt. Definieren Sie mit eigenen Worten die Begriffe Überspannung, Zersetzungsspannung
und Überpotential!
4. Erklären Sie, warum sich die Elektrodenpotentiale des Blei-Akkus von den Standard-Elektroden-
Potentialen unterscheiden! Berechnen Sie die Potentiale, nehmen Sie dazu an, dass die Sulfationen-
Konzentration c(SO 4 2- ) = 0,5 mol·L -1 beträgt. (Achtung: sinnvollerweise betrachten Sie den Entladevorgang!)
5. Wie wird in der Autobatterie die Spannung von 12 V erreicht?
1.2 Versuchsanleitung
Geräte Becherglas 50 mL
2 Bleibleche
Spannungsquelle, Kabel, 2 Krokodilklemmen, Verbraucher (z.B. kleiner Elektromotor)
Chemikalien Schwefelsäure c = ca. 2 mol·L -1
(Batteriesäure, siehe Entsorgung)
C R: 35 S: 26-36/37/39-45
Durchführung
1. Es wird eine Spannung von 2,5 V für etwa 2 Minuten angelegt.
2. Nach dem Abschalten der Spannungsquelle werden die Elektroden
a. über ein Voltmeter
b. über den Verbraucher (Glühbirnchen bzw. Elektromotor)
miteinander verbunden
Der Versuch wird mehrfach wiederholt, dabei reicht es, wenn die Spannung jeweils nur
für 1 min angelegt wird.
3. Es wird für ca. 1 min eine Spannung von 4 V angelegt.
weitere Sicherheitshinweise
Die Bleibleche dürfen keinesfalls geschmirgelt werden und sollten auch nach Möglichkeit
nicht mit den Händen angefasst werden, diese sind ansonsten unmittelbar zu waschen.
Die Schwefelsäure wird in einer speziell beschrifteten Flasche (Schwefelsäure für Bleiakku)
aufbewahrt und kann immer wiederverwertet werden. Sie darf keinesfalls in den
Ausguss gegeben werden!
Entsorgung
entfällt bei Beachtung der Sicherheitshinweise

1.3 Informationen
1.3.1 Oxidationsstufen von Hauptgruppenmetallen
Die höchste Oxidationsstufe der Hauptgruppenelemente entspricht der Gruppennummer im PSE, bei den
Hauptgruppenmetallen sind vor allem die höchste und die um zwei erniedrigte Oxidationsstufe von Bedeutung,
diese niedrigere Oxidationsstufe gewinnt mit steigender Periode an Bedeutung.
1.3.2 Blei/Bleidioxid-System
(Andere Bezeichnungen: Blei-Säure-Akku, Bleiakkumulator, Lead-acid battery system)
Anwendung
Der Bleiakkumulator ist das am häufigsten angewandte Sekundärsystem. Die größten Stückzahlen
gehen in die Autoindustrie als Starterbatterie. Andere Anwendungen sind Traktionsbatterien in
Gabelstaplern, elektrisch angetriebenen Fahrzeugen und U-Booten. Notstromversorgungen für
große Anlagen werden allgemein mit Bleiakkumulatoren ausgerüstet. Batterien werden mit Kapazitäten
von 1 Ah bis zu 12.000 Ah gebaut.
Vereinfachte elektrochemische Reaktionsgleichungen
(Die Gleichungen beziehen sich auf den Ladevorgang, der Entladevorgang entspricht der Rückreaktion)
Negative Elektrode PbSO 4 + 2 H + + 2 e - Pb + H 2 SO 4
Positive Elektrode PbSO 4 + 2 H 2 O PbO 2 + 4 H + + SO 2- 4 + 2 e -
Summe 2 PbSO 4 + 2 H 2 O Pb + PbO 2 + 2 H 2 SO 4
Der Elektrolyt ist wässrige Schwefelsäure. Da die Schwefelsäure an den elektrochemischen Reaktionen
beteiligt ist, muss sie strenggenommen zu den aktiven Massen gerechnet werden. Die Säurekonzentration
kann daher als Maß für den Ladezustand des Bleiakkus verwendet werden. Da die
Säurekonzentration mit der Entladung abnimmt besteht bei einem teilentladenen Akku und tiefer
Umgebungstemperatur früher die Gefahr des Einfrierens der Elektrolytlösung. Mit eingefrorener
Elektrolytlösung kann die Batterie, durch den höheren Innenwiderstand, keinen hohen Laststrom
liefern.
Gegen Ladeschluss (nahezu alles PbSO 4 ist in PbO 2 umgewandelt), überschreitet die Zelle die Gasungsspannung
von 2,39 V und es beginnt eine Überladereaktion bei der, aus dem in der Elektrolytlösung
enthaltenen Wasser, Wasserstoff- und Sauerstoff-Gas erzeugt wird.
Achtung! Hochexplosive Gasmischung mit sehr niedriger Zündenergie und –Temperatur.
Bei einigen Bauarten wird das gebildete Knallgas über eine Katalysatorpatrone zu Wasser rekombiniert
= kein Wasserverlust, wartungsarm.
Technische Daten
• Elektrolytlösung (RT):
o Konzentration Schwefelsäure: 36,9 Gew.% = 1,28 g/cm³ voll geladener Akku,
o 7,7 Gew.% = 1,05 g/cm³ entladener Akku
o für Schwefelsäure mit 1,28 g/cm³ RT gilt:
o Leitfähigkeit: 0,7 S/cm
o Gefrierpunkt: -60 °C
o Viskosität: 2,5 Centipoise
• Leerlaufspannung : 2,08 V, Nennspannung: 2 V
• Entladeschlußspannung: 1,4 bis 1,7 V je nach Belastung

• Nennentladestrom: C/20 = 1/20 der Nennkapazität [Ah] in [A]. Bei höheren Strömen verringert
sich die entnehmbare Kapazität.
• Lagertemperatur: -25 bis 60 °C
• Betriebstemperatur: -10 bis 60 °C
Achtung! Entladene Akkus frieren durch die geringere Schwefelsäurekonzentration rasch ein.
• Theoretische spezifische Energie : 160 Wh/kg
• Praktische spez. Energie je nach Bauart: 25 bis 40 Wh/kg
• Praktische Energiedichte: 60 bis 95 Wh/l
• Energiewirkungsgrad : 70 bis 80 %
• Lebensdauer : 250 bis 1.000 Zyklen, hängt sehr stark von der Bauart und den Betriebsbedingungen
ab. Allgemein verringern folgende Faktoren die Lebensdauer: hohe Entladetiefe, Betriebstemperaturen
> 25 °C, Ladeschlußspannung > 2,30 V, lange Lagerzeit im teil- oder tiefentladenen
Zustand (gefüllte Akkus nur im geladenen Zustand lagern und regelmäßig nachladen!).
• Selbstentladung : je nach Bauart und Antimongehalt der Bleigitter bei Raumtemperatur 1 bis
20% im Monat. Bei einer Erhöhung der Lagertemperatur um jeweils 10 Grad verdoppelt sich die
Selbstentladungsrate.
• Bauarten : Vielfältige, dem jeweiligen Verwendungszweck angepasste Bauweisen. Neben den
offenzelligen Batterien mit flüssiger Schwefelsäure werden auch geschlossene Zellen mit eingedicktem
Elektrolyt (thixotrope Mischung mit Kieselsäure = SiO 2 ) hergestellt. Diese Batterien sind
lageunabhängig und werden mit einer max. Spannung von 2,35 V / Zelle geladen. Diese Betriebsweise
ergibt wartungsfreie Batterien, da beim Laden kein Wasserverlust auftritt.
Quelle: http://www.ict.fhg.de/deutsch/scope/ae/bleisystem.html (18.11.2005)
1.3.3 Aufbau
Bildquelle: Cornelsen

1.3.4 Überspannung
In der Praxis wird zur Abscheidung von
Gasen an Elektroden in Abhängigkeit
von Ionenkonzentration, Stromdichte
und Elektrodenmaterial oft eine deutlich
höhere Spannung benötigt, als nach
dem Halbzellenpotential berechnet wer
den kann. Die Differenz zwischen Abscheidespannung
und Elektroden-
Potential bezeichnet man als Überspannung.
Eine Übersicht gibt nebenstehende Tabelle.
1.3.5 Potentiale etc.
E 0 (Pb/Pb 2+ ) = - 0,13 V
E 0 (Pb 2+ /PbO 2 ) = 1,46 V
KL(PbSO 4 ) = 2·10 -8 -2
mol
2·L
Gas
Wasserstoff
Sauerstoff
Chlor
Elektrodenmaterial
Überpotentiale / V
bei einer Stromdichte
von
10 -3 A/cm² 10 -3 A/cm²
Platin (blank) - 0,12 - 0,35
Eisen - 0,40 - 0,64
Graphit - 0,47 - 0,97
Zink - 0,88 - 1,10
Quecksilber - 1,04 - 1,21
Platin (blank) 0,72 1,28
Graphit 0,53 1,09
Platin 0,008 0,05
Graphit 0,05 0,25