mini|Bleiakkumulator für Kraftfahrzeuge Ein Bleiakkumulator (kurz Bleiakku) ist ein Akkumulator, bei dem die Elektroden aus Blei bzw. Bleidioxid und der Elektrolyt aus verdünnter Schwefelsäure bestehen.

Bleiakkumulatoren gelten aufgrund ihrer langen Lebensdauer als zuverlässig und preisgünstig. Im Vergleich mit anderen Akkumulatortypen haben sie – verglichen mit anderen Energiespeichern – im Verhältnis zum Volumen eine große Masse sowie mit etwa 0,11 MJ/kg eine geringe Energiedichte. Bezogen auf das Volumen ist die Energiedichte der anderer Akkumulatoren ähnlich. Die bekannteste Anwendung ist die Starterbatterie für Kraftfahrzeuge. Auch werden sie als Energiespeicher für Elektrofahrzeuge eingesetzt. Wegen ihrer großen Masse sind sie hierfür allerdings nur eingeschränkt verwendbar. Das hohe Gewicht kann aber auch vorteilhaft genutzt werden, beispielsweise in Gabelstaplern, bei denen der Bleiakkumulator gleichzeitig als Gegengewicht an der Hinterachse dient.

Geschichte mini|hochkant=1.25|Geöffnete historische Planté-Zelle mit spiral­förmiger Anordnung der Bleiplatten. Rechts der abgenommene Deckel mit Anschlüssen. Luigi Galvani legte durch die Entdeckung der Muskelkontraktion bei toten Fröschen durch Berührung mit Eisen und Kupfer die Grundlage zur Entwicklung der galvanischen Zelle durch Alessandro Volta im Jahre 1792. Volta erkannte, dass die zuckenden Froschschenkel in Galvanis Versuch eine physikalische Grundlage haben, er untersuchte daraufhin die Kontaktspannung verschiedener Metalle und entwickelte die elektrochemische Spannungsreihe. 1802 entwickelte Johann Wilhelm Ritter ein ähnliches System, jedoch waren Ritters Zellen – im Gegensatz zu Voltas Zellen – nach der Entladung wieder aufladbar. Dieses wiederaufladbare Sekundärsystem war eine Vorform für heute bekannte Akkumulatoren.

1854 entwickelte der Mediziner und Physiker Wilhelm Josef Sinsteden die erste Blei-Säure-Batterie, damals war der heutige Begriff Bleiakkumulator noch nicht etabliert. Sinsteden stellte zwei große Bleiplatten, die sich gegenseitig nicht berührten, in ein Gefäß gefüllt mit verdünnter Schwefelsäure. Durch Anschließen einer Spannungsquelle und häufiges Auf- sowie Entladen (Formieren) erreichte er nach einer gewissen Zeit eine messbare Kapazität. An einer der Platten bildete sich Bleidioxid und an der anderen reines Blei. 1859 wurde Sinstedens Bleiakkumulator von Gaston Planté durch eine spiralförmige Anordnung der Bleiplatten zur Planté-Zelle weiterentwickelt. Nach diesem Prinzip werden auch noch in jüngerer Zeit Akkumulatoren gebaut.

In der Industrie gab es zunächst kaum Verwendung für Strom speichernde Zellen, dies änderte sich erst 20 Jahre später. 1866 entwickelte Werner von Siemens den elektrischen Generator, und die Nachfrage nach Möglichkeiten zur Speicherung der elektrischen Energie stieg rasant an. 1880 wurde der Bleiakkumulator vom französischen Ingenieur Camille Alphonse Faure entscheidend weiterentwickelt, durch eine Beschichtung aus Bleipulver und Schwefel erreichte der Bleiakkumulator bereits nach wenigen Ladezyklen (dem Formieren) seine volle Kapazität.

Den ersten großen wirtschaftlichen Erfolg hatte Henri Tudor mit seinen Bleiakkumulatoren. Bereits 1882 soll es ihm gelungen sein, eine Gleichstromanlage unter Benutzung eines Wasserfalles zu entwerfen, die diverse Bleiakkumulatoren stetig aufladen konnte. Er verwendete hierzu das Wasserrad der Mühle auf dem Landsitz seiner Eltern, dem sogenannten Irminenhof. Er verwendete dieses System, um die elektrische Beleuchtung im Irminenhof zu realisieren. Der Irminenhof war somit eines der ersten privaten Gebäude in Europa, das durchgehend elektrisches Licht hatte. Der erste große Auftrag für Tudor war die elektrische Beleuchtung in der Stadt Echternach im Jahr 1886.

1887 wurde von Adolph Müller die erste Akkumulatorenfabrik Deutschlands gegründet, aus ihr entwickelte sich später der Konzern VARTA.

Bereits 1910 wurden 70.000 Tonnen Blei für Bleiakkumulatoren verwendet. Sie wurden als stationäre und transportable Gleichstromquellen für die Schwachstromtechnik eingesetzt.

Aufbau mini|Grün: Entladevorgänge Schwarz: Ladevorgänge mini|Schema einer 2-Volt-Zelle eines Bleiakkumulators. 6 Zellen in Reihe ergeben einen 12-V-Akkumulator. Ein Bleiakkumulator besteht aus einem säurefesten Gehäuse und zwei Bleiplatten oder Plattengruppen, von denen die eine als positiv und die andere als negativ gepolte Elektrode dienen, sowie einer Füllung von 37-prozentiger (Massenanteil) Schwefelsäure (H2SO4) als Elektrolyt. Bei der handelsüblichen Ausführung sind die Elektrodenplatten dicht ineinander geschachtelt, dazwischen befinden sich Separatoren zum Beispiel aus perforiertem, gewelltem Polyvinylchlorid (PVC), die eine direkte gegenseitige Berührung (Kurzschluss) verhindern. Die Anschlüsse und Verbindungslaschen bestehen unter anderem bei Starterbatterien aus metallischem Blei.

Im entladenen (neutralen) Zustand lagert sich an beiden Elektrodengruppen eine Schicht aus Blei(II)-sulfat (PbSO4) ab. Im aufgeladenen Zustand haben die positiven Elektroden eine Schicht aus Blei(IV)-oxid (PbO2), die negativ gepolten Elektroden bestehen aus mehr oder weniger porösem Blei (Bleischwamm).

Bleibt die Batterie längere Zeit im entladenen Zustand, lagern sich die einzeln auf der Platte fein verteilten Bleisulfatteilchen zu größeren Kristallen zusammen. Diese groben Kristalle können nur noch schwer oder gar nicht mehr in Blei bzw. Bleidioxid umgewandelt werden.

In der Praxis tritt die Sulfatierung nur bei Akkumulatoren auf, die nicht regelmäßig geladen wurden. Bei immer gut geladenen Blei-Säure-Batterien ist kaum Bleisulfat vorhanden

Bleisulfat (PbSO4) ist in Schwefelsäure nicht löslich, wohl aber in Wasser. Beim Entladen wird dem Elektrolyten Schwefelsäure entzogen. Dadurch nimmt die Säuredichte ab. Je weiter die Entladung fortschreitet, desto mehr nimmt die Säuredichte ab. Das Bleisulfat geht in dem immer wässriger werdenden Elektrolyten in Lösung. mini|Mit einem Hydrometer (Säure­heber) lässt sich der Ladungszustand über die Dichte der Batteriesäure bestimmen.

Die Säuredichte ist somit gleichzeitig ein Maß für den Ladezustand. Sie beträgt bei aufgeladenem Akkumulator etwa 1,28 g·cm−3 (100 % Ladung) und bei entladenem Akkumulator 1,10 g·cm−3 (vollständige Entladung oder gar Tiefentladung). Der Lade- oder Entladezustand ist linear mit der Elektrolytdichte verknüpft und verändert sich um etwa 5,5 % / 0,01 g·cm−3: 1,28 g·cm−3 → 100 %, 1,19 g·cm−3 → 50 %, 1,11 g·cm−3 → 5 % Restkapazität.

Wirkungsweise Die Wirkungsweise des Bleiakkumulators lässt sich anhand der bei der Ladung und Entladung bzw. der Stromentnahme ablaufenden chemischen Prozesse darstellen.

Bei der Entladung laufen folgende chemische Vorgänge ab:

Negativer Pol:

Positiver Pol:

Die Entladung besteht in einer spontanen Komproportionierung.

Beim Laden laufen die Vorgänge in Gegenrichtung ab, es handelt sich um eine erzwungene Disproportionierung.

Die Gesamtreaktion beim Entladen und Laden:

Nach rechts findet unter Energieabgabe die Entladung des Bleiakkus statt, nach links unter Energiezufuhr die Aufladung.

Aus der elektrochemischen Spannungsreihe kann man nun die Potentialdifferenz, also letztlich die elektrische Spannung, die entsteht, berechnen.

Selbstentladung:

Blei(IV)-oxid ist in schwefelsaurer Lösung unbeständig.

Die Überspannung des Wasserstoffs, die das Laden eines Bleiakkumulators überhaupt erst möglich macht, verlangsamt die elektrolytische Selbstentladung.

Gebrauchseigenschaften Die Nennspannung einer Zelle beträgt 2 V, die Spannung schwankt jedoch je nach Ladezustand, Temperatur und Lade- oder Entladestrom zwischen ca. 1,75 und 2,4 V. Die Energiedichte beträgt 0,105 bis 0,16 MJ/kg (29 bis 44 Wh/kg)berechnet aus Datenblätter aktuell (Juli 2023) erhältlicher Markenakkus mit 10 bis 50 Ah, während moderne NiMH-Zellen Werte zwischen 0,28 und 0,37 MJ/kg (80 bis 105 Wh/kg)berechnet aus Datenblätter aktuell (Juli 2023) erhältlicher Markenakkus mit 2 bis 2,7 Ah. und Lithium-Akkus Werte bis 0,95 MJ/kg (260 Wh/kg) erreichen..

Bleiakkumulatoren können kurzzeitig hohe Stromstärken abgeben, sie haben also eine hohe Leistungsdichte. Diese Eigenschaft ist zum Beispiel für Fahrzeug- und Starterbatterien notwendig und gehört zu den Stärken des Bleiakkumulators. Allerdings können mittlerweile Hochstrom-Lithiumionenakkus wesentlich höhere Stromstärken abgeben und wesentlich höhere Leistungsdichten (Faktor 8 bis 9) erreichen. Hochkapazitive Lithiumionenakkus liegen etwas oberhalb von Bleiakkus (Faktor 1,5 bis 2).Quelle: Datenblätter der Samsung 21700T und 21700E und Datenblätter von etlichen Traktions-Bleiakkus. Betriebstemperatur 20 °C

Andererseits führen Kurzschlüsse wegen dieser Eigenschaft zu extrem hohen Stromstärken, die zu Verbrennungen (Erhitzung von Werkzeugen) oder Bränden (Verkabelung) führen können. Bei einem Kurzschluss können sich die Elektroden verformen.

Zur Vermeidung von versehentlichen Kurzschlüssen sollten Starterbatterien immer erst am Masse-Pol (beim Kfz Minus-Pol) getrennt und zuletzt an diesem angeschlossen werden. Damit wird die Möglichkeit eines Kurzschlusses vermieden, der sich durch das Hantieren am Plus-Pol und gleichzeitiger Berührung des Fahrzeugchassis bei nicht abgeklemmtem Masse-Pol ergeben kann (z. B. durch Abrutschen eines leitenden Werkzeugs).

Die für das Laden des Bleiakkus notwendige Überspannung des Wasserstoffes kann durch Verunreinigungen von Edelmetallen und Eisen, Nickel und Kobalt gestört werden. Befinden sich (etwa aus verunreinigtem Blei) solche Metallsalze in der Schwefelsäure, lagern sich die entsprechenden Metalle beim Laden bevorzugt auf der Oberfläche an der Bleielektrode an und bilden dort Lokalemente, an denen die Überspannung des Wasserstoffs verringert ist. Dann entwickelt der Akku beim weiteren Laden nur noch Wasserstoff; er „gast“ aus und bildet keine Bleiüberzüge mehr. Solche Akkus lassen sich dann nicht wieder aufladen. Grundsätzlich kann bei den Ladevorgängen Knallgas entstehen. Knallgas kann auch bei Selbstentladung entstehen, insbesondere nach Reduzierung der Überspannung des Wasserstoffs durch Verunreinigungen. Bei einigen Bauarten wird das gebildete Knallgas indes über eine z. B. im Batteriedeckel vorhandene Katalysatorpatrone zu Wasser rekombiniert, so dass kein Wasser durch Gasung verloren geht und die Batterie entsprechend wartungsärmer und sicherer ist. Etwaig entweichendes Knallgas kann sich hingegen durch Funken entzünden und zu gefährlichen Verpuffungen führen. Die Gefahr der Funkenbildung besteht vor allem beim An- oder Abklemmen der Batterieanschlüsse oder bei elektrostatischer Aufladung (zum Beispiel des Kunststoffgehäuses durch Reiben) oder nach Betätigen des Anlassers durch Induktionsspannungen. Daher müssen geschlossene Räume, in denen Bleiakkumulatoren geladen werden, sicherheitshalber belüftet werden.

Pflege und Lebensdauer mini|Sulfatierte Blei-Elektroden