Lade-/Entladeprozesse

Zustand der geladenen / entladenen Batterie

Vorgänge beim Laden / Entladen

geladener Akku

Der Zustand eines geladenen Bleiakkus wird durchdie im Bild angegebenen Merkmale beschrieben. Die ideale Batteriesäure stellt man z.B aus 7,6L destilliertem Wasser und 2,4 L konzentrierter Schwefelsäure her. Beim Mischen sind unbedingt die Unfallverhütungsvorschriften einzuhalten, insbesondere wird immer die Säure ins Wasser gegossen, da es sonst zu extrem heftigen Reaktionen kommt. Die Dichteangabe bezieht sich auf eine Elektrolyttemperatur von 20°C. Bei abweichender Temperatur ist eine Anpassungsberechnung durchzuführen.

Das Elektrolyt besteht dann aus Wasser (H₂o) und den Ionen H⁺ sowie SO₄^--. Die Ionen entstehen durch Dissoziation der Schwefelsäuremoleküle im Wasser. Diese Teilchen sind im Wasser frei verschiebbar und unter dem Einfluss der Kraft im elektrischen Feld werden sie auch zu der jeweils entgegengesetzt geladenen Elektrode hin angezogen, bzw. von der gleichpoligen Elektrode abgestoßen, wo sie mit dem Plattenmaterial reagieren.

Akku geladen

Im geladenen Zustand besteht also das aktive Material der Plusplatten aus Bleidioxid , das der Minusplatten aus reinem Blei.
Da die Dichte von reiner Schwefelsäure größer als die von Wasser ist, wundert es nicht, dass die Dichte der Wasser- Säure- Mischung über 1 kg/L liegt. Mit zunehmender Verbreitung von wartungsfreien Akkus (ohne Verschlussstopfen) spielt diese Angabe allerdings eine immer geringer werdende Rolle, da man sie weder messen noch beeinflussen kann.

Die Ruhespannung von 12,8V ist erst nach einer gewissen Zeit nach dem Ladevorgang festzustellen, da erst noch innerhalb des aktiven Materials Ausgleichsprozesse stattfinden, bevor der Akku seinen stabilen Zustand erreicht hat. Misst man die Ruhespannung unmittelbar nachdem man das Ladegerät abgeklemmt hat, wird man eine höhere Spannung feststellen, die aber allmählich gegen den angegebenen Wert tendiert.

Im geladenen Zustand sind die Plusplatten, die Minusplatten und der Elektrolyt jeweils für sich elektrisch neutral, d.h. innerhalb des Akkus gibt es genau so viele elektrisch posuive wie negative Ladungen.

Entladeprozess

Bei der Entladung wird der Akku mit einem Verbraucher belastet. Dabei ist der Akku die Energiequelle, der Verbraucher die Energiesenke und Strom (I) fließt von der Plusklemme des Akkus über die Leitung, durch den Verbraucher, über die Masseverbindung zur Minusklemme des Akkus. Der Stromkreis schließt sich über die Innereien des Akkus.

In den Fachbüchern liest man, dass Lade- und Entladeprozesse beim Akku ziemlich verwickelte Vorgänge sind, die evtl. auch noch nicht in allen Einzelheiten durchschaut sind. Hier begnüge ich mich also mit einer groben Modellvorstellung, die wenigstens die Ergebnisse richtig wiedergibt.

Für das bessere Verständnis der Entladevorgänge betrachtet man hier die Bewegung der Elektronen, die dem Strom entgegengesetzt ist. Die Bewegungen der Teilchen werden durch die roten Linien und Pfeile dargestellt.

Ein Säurerestion (SO₄^--) bewegt sich an die Katode (Minusplatte), wo es mit einem Bleiatom zu Bleisulfat ragiert. Dabei gibt es seine beiden Überschusselektronen ab, so dass ein elektrisch neutrales Bleisulfatmolekül entsteht.
Diese beiden Elektronen wandern durch die Minusplatte an die Polklemme, durch die Masseleitung über den Verbraucher zur Plusklemme und von dort durch die Plusplatte zu einem Bleidioxidmolekül.
Ein anderes Säurerestion (SO₄^--) bewegt sich an die Anode (Plusplatte), wo es mit einem Bleidioxidmolekül ragiert. Dabei trennt es den Sauerstaff vom Blei und lagert sich dort selbst an, wobei auch hier Bleisulfat entsteht. Auch dieses Säurerestion gibt seine beiden Überschusselektronen ab, so dass ein elektrisch neutrales Bleisulfatmolekül entsteht.
An dieser Stelle der Plusplatte existieren jetzt also
1 elektrisch neutrales Bleisulfatmolekül,
zwei freie elektrisch neutrale Sauerstoffatome und
4 freie Elektronen.

Jedes Sauerstoffatom schnappt sich nun zwei der vier freien Elektronen und sucht sich im Elektrolyt zwei positiv geladenen Wasserstoffionen. Zsammen reagieren sie zu insgesamt zwei Wassermolekülen.

Auf diese Weise
wandelt sich das Material beider Platten allmählich teilweise zu Bleisulfat (grauer Belag auf den Platten im Bild),
der Batterieflüssigkeit wird Schwefelsäure entzogen
der Batterieflüssigkeit wird Wasser zugesetzt.

chemische Reaktionsgleichungen beim Entladen

an den Plusplatten (Anode):
PbO₂ + 2e^- + SO₄^-- ---> PbSO₄ + O₂ + 4e^-

an den Minusplatten (Katode):
Pb + SO₄^-- ---> PbSO₄ + 2e^-

im Elektrolyt:
2O + 4H⁺ + 4e^-- ---> 2H₂O

Gesamtreaktion:
PbO₂ + Pb + 2H₂SO₄ ---> PbSO₄ + PbSO₄ + 2H₂O

Dabei fließen 2 Elektronen über die äußere Verbindung. Es wird eine nutzbare elektrische Energie von ca. 2V * 1,6 * 10^-19As = 3,2 * 10^-19 Ws frei.

Chemische Reaktionsgleichungen sind leicht zu prüfen, wenn man folgende Spielregeln beachtet:

Sie verhalten sich ähnlich wie mathematische Gleichungen. Der Pfeil (--->) entspricht dem Gleichheitszeichen (=).
In der Chemie gehen keine Teilchen während einer Reaktion verloren und es kommen auch keine neuen Teilchen hinzu. Bei den Reaktionen ordnen sie sich nur um.
In der Chemie finden keine Atomumwandlungen statt. Sauerstoffatome bleiben Sauerstoffatome.
Die elektrische Ladung bleibt bei einem chemischen Prozess erhalten. Wenn die beteiligten Stoffe vorher insgesamt elektrisch neutral waren, so sind es die Reaktionsprodukte insgesamt auch.

Wenn die Reaktionsgleichungen allen Kriterien gnügen heißt das zwar, dass diese Reaktionen stattfinden können, ob sie es aber auch tatsächlich tun, ist damit noch nicht bewiesen.

entladener Akku

Im entladenen Zustand haben sowohl die Plus- als auch die Minusplatten einen guten Anteil von PbSO2 (Bleisulfat), bestehen aber längst nicht vollständig aus diesem Zeug. Bestünden beide Platten vollständig aus demselben Material, so gäbe es an den Polklemmen überhaupt keine Spannung mehr (siehe elektrochemische Spannungsreihe).

Der Akku darf jedoch nur bis zu seiner Entladeschlussspannung von 10,5V entladen werden, da andernfalls die Gefahr der Sulfatierung besteht, d.h. das entstehende Bleisulfat bildet immer gröbere Kristallkörner, die in einem anschließenden Ladeprozess nicht mehr oder aber nur sehr schwer reagieren. Im schlimmsten Fall ist der Akku nach einer solchen Tiefentladung leider nur noch zu entsorgen und zu recyceln.

Ladeprozess

Im Gegensatz zu den Primärelementen ist beim Akku der elektrochemische Prozess der Entladung jedoch reversibel (umkehrbar). Schließt man den entladenen Akku also an ein Ladegerät oder arbeitet der Generator im Kfz während der Fahrt, so wird der Akku wieder geladen. Im Prinzip laufen dabei die gleichen Prozesse ab wie bei der Ladung, nur in entgegengesetzter Richtung.
Beim Laden wirkt der Akku daher als Verbraucher (Energiesenke) und wird von einer externen Spannungsquelle gespeist.

chemische Reaktionsgleichungen beim Laden

an den Plusplatten (Anode):
Ein Wassermolekül dissoziiert zu 2H⁺ und ein O₂^--
PbSO₄ + O₂^-- ---> SO₄^-- + PbO₂ + 2e^-
Während dasSärerestion in Lösung geht, werden die beiden Elektronen vom Generator abgesaugt.

an den Minusplatten (Katode):
Ein anders Wassermolekül dissoziiert zu 2H⁺ und ein O₂^--
PbSO₄^-- + 2e^- ---> Pb + SO₄^--
Die beiden Elektronen werden vom Generator in die Minusplatten hineingepumpt, während das Säurerestion in Lösung geht.

im Elektrolyt:
2H₂O ---> 2O^-- + 4H⁺

Gesamtreaktion:
PbSO₄ + PbSO₄ + 2H₂O ---> PbO₂ + Pb + 2H₂SO₄,

wobei die Schwefelsäure zerfällt in die 3 Ionen SO₄^-- +H⁺ +H⁺.
Diese Teilchen sind es schließlich auch, die für die Leitfähigkeit der Batterieflüssigkeit verantwortlich sind.

geladener Akku

Damit ist der Zyklus beendet und der Akku hat wieder seinen Ausgangszustand erreicht. Diese Ladezyklen wiederholen sich mit jedem Start- / Fahr- Vorgang sowie bei günstigen / ungünstigen Betriebszuständen des Fahrzeugs:

günstig: Der Generator ist allein in der Lage das Bordnetz mit allen eingeschalteten Verbrauchern zu versorgen.
ungünstig: Der Generator ist schafft es nicht das Bordnetz mit allen eingeschalteten Verbrauchern zu versorgen so das die Batterie zubuttern muss und dadurch entladen wird.