Die Autobatterie. der Bleiakkumulator

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1 Die Autobatterie der Bleiakkumulator

2 Übersicht Definition Geschichte Aufbau Elektrochemische Vorgänge Begriffserklärungen Autobatterie David Klein 2

3 Übersicht Definition Geschichte Aufbau Elektrochemische Vorgänge Begriffserklärungen Autobatterie David Klein 3

4 Definition Galvanische Zelle: Kombination aus zwei Halbzellen, die durch chemische Reaktionen elektrische Energie frei setzt (elektrochemischer Energiewandler) Primärelement: nicht wieder aufladbar nach Entladung sehr niedrige Selbstentladung Batterien (mehrere Zellen) Sekundärelement: wieder aufladbar nach Entladung durch Zufuhr von elektrischem Strom hohe Selbstentladung Akkumulatoren Die Autobatterie ist ein Akkumulator Autobatterie David Klein 4

5 Übersicht Definition Geschichte Aufbau Elektrochemische Vorgänge Begriffserklärungen Autobatterie David Klein 5

6 Geschichte 1789 Luigi Galvani erkannte Zusammenhang zwischen Elektrizität und Muskelaktivität bei Fröschen 1799 Alessandro Volta erfand die Voltasche Säule als erste elektrochemische Spannungsquelle (Cu und Zn) 1802 Johann Wilhelm Ritter entwickelt die Rittersche Säule (Cu und NaCl) Autobatterie David Klein 6

7 Geschichte 1859 Gaston Planté baut den ersten Blei-Akkumulator 1880 Fauré meldet ein Patent für Blei-Akkus an: Kapazität der Batterie schon nach Formation sehr hoch Metalllegierungen und Formen ( Gitterplatte ) für die Elektroden und andere Elektrolytlösung Autobatterie David Klein 7

8 Übersicht Definition Geschichte Aufbau Elektrochemische Vorgänge Begriffserklärungen Autobatterie David Klein 8

9 Aufbau Anforderungen: kurzzeitig hoher Strom Große Elektrodenflächen Viele dünne Elektrodenplatten Lange Lebensdauer Gitterplatten aus Hartblei Geringer Preis Hohe Belastbarkeit Aufladen durch Lichtmaschine Autobatterie David Klein 9

10 Aufbau = Separator: Stabilität / Vermeidung von Kurzschluss Plattensätze: zusammengefasste negative bzw. positive Platten Gitter aus Bleilegierung für bessere Festigkeit + Gitter mit aktiver Masse: Bleidioxid Gitter mit aktiver Masse: poröses Blei (Schwammblei) Autobatterie David Klein 10

11 Aufbau Autobatterie David Klein 11

12 Übersicht Definition Geschichte Aufbau Elektrochemische Vorgänge Begriffserklärungen Autobatterie David Klein 12

13 Elektrochemische Vorgänge Geladener Zustand Entladen Entladener Zustand Aufladen Autobatterie David Klein 13

14 Elektrochemische Vorgänge Geladener Zustand Entladen Entladener Zustand Aufladen Autobatterie David Klein 14

15 Geladener Zustand Blei (Pb) als aktive Masse Bleidioxid (PbO 2 ) als aktive Masse Pb PbO 2 H + SO 4 - SO 4 - H + Elektrolyt: 40 %-ige Schwefelsäure (H 2 SO 4 ) Autobatterie David Klein 15

16 Elektrochemische Vorgänge Geladener Zustand Entladen Entladener Zustand Aufladen Autobatterie David Klein 16

17 Entladen U Pb PbO 2 Pb (s) Pb 2+ (aq) + 2 e - 4 H + PbO 2 (s) + 4 H + (aq) + 2 e - SO e - Pb 2+ 2 H + 2 H 2 O Pb 2+ Pb 2+ (aq) + 2 H 2 O (l) SO H + PbSO 4 PbSO 4 Pb + PbO H 2 SO 4 2 PbSO H 2 O + el. Energie Autobatterie David Klein 17

18 Elektrochemische Vorgänge Geladener Zustand Entladen Entladener Zustand Aufladen Autobatterie David Klein 18

19 Entladener Zustand Bleisulfat (PbSO 4 ) als aktive Masse Bleisulfat (PbSO 4 ) als aktive Masse Pb PbO 2 H + SO 4 - PbSO 4 PbSO 4 Schwefelsäure (H 2 SO 4 ) mit niedrigerer Säuredichte (8%) Autobatterie David Klein 19

20 Elektrochemische Vorgänge Geladener Zustand Entladen Entladener Zustand Aufladen Autobatterie David Klein 20

21 Aufladen 2 e - U e - Pb PbO 2 Pb 2+ (aq) + 2 e - Pb (s) 4 H + Pb 2+ (aq) + 2 H 2 O (l) 2 H + 2 H 2 O PbO 2 (s) + 4 H + (aq) + 2 e - Pb 2+ 2 H + Pb 2+ SO 4 2- SO 4 2- PbSO 4 PbSO 4 2 PbSO H 2 O + el. Energie Pb + PbO H 2 SO 4 Autobatterie David Klein 21

22 Übersicht Definition Geschichte Aufbau Elektrochemische Vorgänge Begriffserklärungen Autobatterie David Klein 22

23 Begriffserklärungen Nennspannung Gasung Alterung Säuredichte Autobatterie David Klein 23

24 Begriffserklärungen Nennspannung Gasung Alterung Säuredichte Autobatterie David Klein 24

25 Nennspannung Errechnet sich aus der Potentialdifferenz nach der Spannungsreihe der Nichtmetalle Schwankt je nach Ladungszustand und Säuredichte E 0 (PbO 2 / PbSO 4 ) = + 1,69 V E 0 (Pb / PbSO 4 ) = 0,36 V E 0 = E 0 (Akzeptorhalbzelle) E 0 (Donatorhalbzelle) E 0 = + 1,69 V ( 0,36 V ) = + 2,05 V Durch Reihenschaltung von 6 Zellen erhält man ein Spannung von 12 V Autobatterie David Klein 25

26 Begriffserklärungen Nennspannung Gasung Alterung Säuredichte Autobatterie David Klein 26

27 Gasung Folge von einer zu hohen Spannung beim Aufladen Gegen Ende des Ladevorgangs ist fast kein PbSO 4 mehr vorhanden, das umgewandelt werden kann Bei einer Spannung über 2,4 V werden aus H 2 O des Elektrolyts durch Elektrolyse H 2 und O 2 abgeschieden Deshalb sollte die Ladespannung von etwas über 2 V bei einer Zelle nicht überschritten werden Bei 12 V Akkumulatoren folglich nicht viel mehr als 12 V Autobatterie David Klein 27

28 Begriffserklärungen Nennspannung Gasung Alterung Säuredichte Autobatterie David Klein 28

29 Alterung Schwammblei an negativen Platten verliert an aktiver Oberfläche Bleisulfat wird nicht mehr vollständig gelöst Bleidioxid an positiven Platten löst sich vom Gitter und schlammt ab Tiefentladung: aktive Masse platzt von den Gittern Folge: Kapazität (Ladungsmenge) und Leistung nehmen ab Autobatterie David Klein 29

30 Begriffserklärungen Nennspannung Gasung Alterung Säuredichte Autobatterie David Klein 30

31 Säuredichte Säurekonzentration als Maß für den Ladezustand 40 % beim voll geladenen Zustand (SO 42 -Ionen gelöst) 8 % beim entladenen Zustand (SO 42 -Ionen gebunden) Beim Entladen nimmt die Säurekonzentration ab Verdünnung mit entstandenem Wasser Entstehung von festem PbSO 4 Bei Kälte können entladene Autobatterien wegen der niedrigen Säurekonzentration einfrieren Autobatterie David Klein 31

32 Zusammenfassung Die Autobatterie ist ein Akkumulator Elektrochemische Reaktion mit Blei Bleidioxid Schwefelsäure Pb + PbO H 2 SO 4 Entladen Aufladen 2 PbSO H 2 O + el. Energie Nennspannung einer Zelle von 2 V, durch Reihenschaltung 12 V Säuredichte ist Maß für den Ladezustand Autobatterie David Klein 32

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