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Flashcards in Bleibatterien Deck (19):
1

Welcher Elektrolyt findet im Allgemeinen Verwendung in Bleibatterien?

Schwefelsäure (verdünnt), H2SO4

2

Nimmt dieser Elektrolyt an der Zellreaktion in der Bleibatterie teil?

Ja, siehe Reaktionsgleichung.
Pb + H2SO4 -> PbSO4 + 2H+ + 2e-
PbO2 + 2H+ + H2SO4 +2e- -> PbSO4 + 2 H2O

3

Wie hoch ist die typische Gleichgewichtsspannung einer Bleibatteriezelle.

Gleichgewichtsspannung einer Bleibatteriezelle: U0 = 1,93 V (bei Standardbedingungen)

4

Näherung der Nernst-Gleichung. Welche Annahmen werden getroffen?

Es werden folgende Vereinfachungen getroffen:
- Die Aktivität von Reinstoffen unter Standardbedingungen ist 1
- Die Aktivität von Wasser ist 1
- Statt Aktivitäten werden Konzentrationen verwendet
Dadurch hängt die Nernst-Gleichung (Gleichgewichtsspannung) meist nur noch von der Konzentration des Elektrolyten ab.

5

Nennen Sie vier Gründe, weshalb die praktische spezifische Energie von Bleibatterien von der theoretischen spezifischen Energie abweicht.

1. Zusätzliche Aktivmasse, weil Aktivmassenutzung begrenzt ist & um die Lebensdauer zu erhöhen
2. Elektroden sind porös &
3. Elektrolytüberschuss ist notwendig
4. Additive in Elektrode und Elektrolyt sollen Performance und Lebensdauer der Batterie verbessern und erhöhen
Separator, Stromableiter, Zellgehäuse und Zellkomponenten erhöhen zusätzlich die Masse der Batterie und führen dadurch zu einer geminderten praktischen Energie

6

Nennen Sie vier Nebenreaktionen, die in Bleibatterien auftreten.

Nebenreaktionen:
An der positiven Elektrode:
1) Sauerstoffentwicklung bei U0= 1,23 V
2) Korrosion des Gitters
An der negativen Elektrode:
3) Wasserstoffentwicklung bei U0 = 0 V
4) Sauerstoffreduktion
-> insgesamt kommt es durch die Nebenreaktionen zu einem Wasserverbrauch! H2O -> ½ O2 + H2

7

Beschreiben Sie, wie die Selbstentladung einer Bleibatterie vom Ladezustand und der Temperatur abhängt.

Ladezustand (SOC):
SOC hoch: Selbstentladung hoch
SOC niedrig: Selbstentladung niedrig

Temperatur (T)
T hoch: Selbstentladung hoch
T niedrig: Selbstentladung niedrig

8

Aufgrund der Gleichgewichtsspannung der Bleibatterie (2,0 V) sowie der Gleichgewichtsspannung der Elektrolysereaktion (1,2 V) müsste sich eine Bleibatterie aus thermodynamischen Gründen unter Wasserzersetzung sofort entladen. Begründen Sie weshalb ein Bleiakkumulator dennoch funktioniert.

Thermodynamik beschreibt nur den Ruhezustand.
Bei Stromfluss spielen die Reaktionsgeschwindigkeiten und Kinetik eine Rolle.
Elektrolysereaktionen laufen wesentlich gehemmter ab als die Entladungsreaktionen des Bleiakkumulators deshalb funktioniert der Bleiakkumulator.
Zusätze in den Aktivmaterialien wirken zudem hemmend auf die Kinetik der Wasserzersetzung.
Aber: Wasserzersetzung findet stets statt. Verunreinigungen (Herstellung, Nachfüllwasser) führen in der Regel zu einer verstärkten Gasung.

9

Zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit werden in der Regel Bleilegierungen anstelle von reinem Blei als Material der Stromableiter verwendet. Nennen Sie einen Nachteil der sich hierbei ergibt.

Bleilegierungen mit Antimon oder Calcium (Zinn) führen zu: Selbstentladung steigt und Korrosionsfestigkeit sinkt.

10

Worauf ist im Betrieb von Bleibatterien bei tiefen Temperaturen zu achten?

Es kann bei niedrigen Betriebstemperaturen und tiefen Ladezuständen zu einem Einfrieren des Elektrolyten (Schwefelsäure) kommen. Ein Einfrieren des Elektrolyten verursacht eine mechanische Beschädigung des Aktivmaterials und dessen poröser Struktur.
Genauere Beschreibung:
Bei niedrigen Temperaturen laufen Diffusionsprozesse langsamer ab. Beim Entladen der Bleibatterie wird Schwefelsäure verbraucht. In den Poren nimmt somit die Schwefelsäurekonzentration ab. Durch den verlangsamten diffusiven Konzentrationsausgleich besteht die Gefahr des lokalen Einfrierens des Elektrolyten in den Poren. Die Leistungsfähigkeit der Batterie sinkt und die Porenstruktur wird beschädigt.
Deshalb ist ein Sicherheitspuffer bei der Wahl der Entladeschlussspannungen vorzusehen.

11

Maßnahmen gegen das Einfrieren des Elektrolyten in Bleibatterien

1. ein Sicherheitspuffer bei der Wahl der Entladeschlussspannungen
2. Säuredichte erhöhen auf 40-60% vermeidet das Einfrieren vollständig; aber: Leitfähigkeit nimmt dadurch ab und es kommt zu stärkeren ohm´schen Verluste
Säurevolumen erhöhen ermöglicht längere Zeit tiefere Gefrierpunkte zu halten; aber: Masse steigt und dadurch auch die Kosten (eher ungünstig)

12

Nennen Sie den Grund, weshalb im Betrieb von Bleibatterien eine Belüftung notwendig ist.

Es kommt beim Laden der Bleibatterie zu Gasungsnebenreaktionen, bei denen Wasserstoff (H2) freigesetzt wird und die Gefahr einer Wasserstoff-Explosion besteht.

13

Bestimmung des Belüftungsstroms:

Der Belüftungsstrom 𝑄 muss deshalb so gewählt werden, dass stets eine ausreichende Verdünnung (Verdünnungsfaktor v) des Wasserstoffs sichergestellt ist. Hierfür ist das 24-fache Volumen an Luft bezogen auf die entstehende Wasserstoffmenge notwendig. Außerdem wird der Luftstrom stets mit einem großzügig dimensionierten Sicherheitsfaktor 𝑠 ausgelegt.

14

Nennen Sie den Unterschied zwischen einer geschlossenen und einer verschlossenen Bleibatterie.

Geschlossene Batterie: flüssiger Elektrolyt. Es kommt zu Gasung; Wasser wird verbraucht Geschlossene Bleibatterie muss gewartet werden, durch Nachfüllen von Wasser. Überdimensionierung des Elektrolyten für Lebensdauer.

Verschlossene Batterie: festgelegter Elektrolyt, entweder in einem Vlies oder durch Gelbildung. Überdimensionierung Anode unterdrückt die Wasserstoffbildung Verbesserte Wirkungsweise des Sauerstoffkreislaufs.

15

Welchen Zusammenhang gibt die Peukert-Gleichung wider?

Abhängigkeit der Entladedauer (und somit der Kapazität) von der Entladestromstärke.

16

Nennen Sie fünf Alterungsmechanismen von Bleibatterien.

Alterungsmechanismen:
1. Gitterkorrosion: Umwandlung von Pb in PbO2 verstärkt durch höhere Temperaturen
2. Sulfatierung: Bildung immer größerer Bleisulfatkristalle führt zu verminderter Leistungsfähigkeit, verstärkt durch niedrige und mittlere Ladzustände
3. Abschlammung: Durch Gasung lösen sich Bestandteile des Aktivmaterials und sinken zu Boden, verstärkt bei höheren Ladezuständen und höheren Strömen
4. Bildung von Kurzschlüssen (auch durch Korrosion des Ableiters)
5. Säureschichtung: Beim Laden entsteht Säure hoher Dichte. Durch die Gravitation fällt die Säure nach unten dadurch hat der Elektrolyt unterhalb der Platten eine höhere Dichte, und der Elektrolyt oberhalb der Platten partizipiert nicht.

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Betriebsstrategien zur Minimierung der Alterung des Bleibatteriespeichers

1. niedrige Temperatur

2. regelmäßiges Vollladen (Ladeschlussspannung ausreichend groß)
3. Ladespannung nicht zu groß wählen, um Gasung zu reduzieren
Die oft konkurrierenden Zielstellungen können nicht alle optimal erfüllt werden, so ist für die konkrete Anwendung ein geeigneter Kompromiss zu finden.

18

Nennen Sie die Auswirkung der Säureschichtung.

- Oberer Bereich (geringere Säuredichte) wird bevorzugt geladen
- unterer Bereich (höhere Säuredichte) wird bevorzugt entladen
Auswirkungen:
- P(oben) < P(unten)
- U0(oben) < U0(unten) unterschiedliche Ruhespannungen/Gleichgewichtsspannungen

19

Wie hoch ist die erzielbare praktische spezifische Energie von Bleibatterien?

Etwa 25 bis 45 Wh/kg