Chemische Reaktion der Bleibatterie
Funktionsprinzipien und Reaktionen einer Blei-Säure-Batterie
Alle Batterien sind elektrochemische Systeme, die als Quelle elektrischer Leistung und Energie dienen. Jedes System besteht aus 2 Elektroden (positiv und negativ), Elektrolyt und Separator. Die meisten elektrochemischen Systeme haben ein Metalloxid oder Sauerstoff selbst als Positiv und ein Metall als Negativ. Die Systeme können weiter in Primär- und Sekundärbatterien unterteilt werden. Die Primärbatterien sind für den einmaligen Gebrauch bestimmt, während die Sekundärbatterien mehrmals entladen und wieder aufgeladen werden können.
Einige der kommerziell etablierten und erfolgreichen Sekundärbatterien sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:
| Elektrochemisches System | Positive Elektrode | Negativ | Elektrolyt | Bemerkungen | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Blei-Säure-Batterie | Bleiperoxid PBO2 | Bleimetall in schwammiger Form | Verdünnte Schwefelsäure | Elektrolyt, der bei Reaktionen verwendet wird + leitende elektronische Ionen | ||
| Lithium-Ionen-Akku | Lithium mit Oxid von Kobalt, Nickel, Mangan, Eisen | Graphit, Silizium mit (interkaliertem) gebundenem Lithium | Organisches Lösungsmittelgemisch für Lithiumsalze | Elektrolyt zur Leitung von Lithium-Ionen zwischen 2 Elektroden - Keine chemischen Reaktionen | ||
| Nickel-Kadmium | Nickel-Oxyhydroxid Ni(O) OH | Kadmium Metall | Verdünntes Kaliumhydroxid | Elektrolyt nur zur Leitung elektronischer Ionen | ||
| Nickel-Metallhydrid | Nickel-Oxyhydroxid Ni(O) OH | In einer Metalllegierung absorbierter Wasserstoff | Verdünntes Kaliumhydroxid | Elektrolyt nur zur Leitung elektronischer Ionen | ||
Chemische Reaktion der Bleibatterie:
Die Blei-Säure-Batterie hat 3 Hauptbestandteile:
- Bleidioxid (PbO₂) bildet die poröse positive Elektrode.
- Blei in schwammigem Zustand bildet die poröse Negativelektrode.
- Als Elektrolyt dient verdünnte Schwefelsäure mit einer Dichte zwischen 1,200 und 1,280. In VRLA-Batterien ist das Volumen der Säure gering. Daher wird in der Regel ein höheres spezifisches Gewicht der Säure von 1,300 bis 1,320 verwendet, um die vorgesehene Kapazität zu erreichen.
Die Elektroden werden bei der Herstellung mit speziellen Additiven porös gemacht, um sicherzustellen, dass die Reaktionen im gesamten Bereich der Batterieplatte stattfinden. Der Batterieseparator (ein Nichtleiter) trägt dazu bei, die beiden Elektroden gegen Kurzschluss zu isolieren, lässt aber die elektronischen Ionen mit minimalem elektrischem Widerstand hindurch.
Wenn die Batterie an eine Last angeschlossen wird (Entladung), spaltet sich das Bleiatom auf der negativen Platte in Blei-Ionen (Pb²⁺) und 2 Elektronen auf. Die Elektronen, die die Grundeinheit des Stroms bilden, entstehen an der negativen Platte und fließen durch den Minuspol in den äußeren Stromkreis.
Nach dem Durchgang durch die Last gelangen die Elektronen zum Pluspol. Die Elektronen wandeln (reduzieren) das Bleidioxid in Blei-Ionen um.
Sowohl in positiven als auch in negativen Elektroden reagieren die Blei-Ionen (Pb²⁺) mit Schwefelsäure zu BLEISULFAT. (Doppel-Sulfat-Theorie von Gladstone). In anderen elektrochemischen Systemen wie Nickel-Cadmium-Batterien und Lithium-Ionen-Batterien nehmen die Elektrolyte nicht an den Reaktionen teil. Ihre Aufgabe besteht lediglich darin, die Ionen zwischen den beiden Elektroden zu leiten.
Reaktionen beim Entladen - Chemische Reaktion von Bleiakkus
Reaktionen bei der Entladung (die Hauptfunktion einer Batterie)
Pb (Negativ)
→
Pb²⁺ + 2 e- ——————————1
PbO₂(positiv) Pb⁴⁺ + 2 e-
→
Pb²⁺ —————————–2
Pb²⁺ + SO₄²- (aus Säure)
→
PbSO₄ ( in beiden Elektroden)——–3
Während des Ladevorgangs einer entladenen Bleibatterie laufen alle 3 Reaktionen in umgekehrter Richtung ab. Dies sind die vereinfachten chemischen und elektrochemischen Reaktionen, die in einer Bleibatterie ablaufen und sie zum zuverlässigsten wiederaufladbaren Batteriesystem oder SEKUNDÄRBATTERIESYSTEM machen.
Was ist der Unterschied zwischen Primär- und Sekundärbatterie? Während Primärbatterien benutzt und weggeworfen werden und nicht wieder aufgeladen werden können, sind Sekundärbatterien, oBeim Aufladen werden alle 3 Komponenten – Plus, Minus und Säure – regeneriert.
So entsteht eine wiederaufladbare oder sekundäre Zelle/Batterie. Daher auch der Name Sekundärbatterie
Interner Sauerstoffkreislauf - Chemische Reaktion der Bleibatterie
Während des Ladens der VRLA-Batterie:
An der positiven Platte entsteht O2-Gas, und es werden Protonen und Elektronen erzeugt.
2H2O → 4H+ + O2 ↑ + 4e- ……… Gl. 1
2Pb + O2 → 2PbO
2PbO + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O
——————————————————
2Pb + O2 + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O + Wärme ……… Gl. 2
—————————————————–
Da es sich jedoch um einen Aufladeprozess handelt, muss das so entstandene Bleisulfat wieder in Blei umgewandelt werden; Schwefelsäure entsteht auf elektrochemischem Weg durch Reaktion mit den Protonen (Wasserstoffionen) und Elektronen, die bei der Zersetzung von Wasser an den positiven Platten entstehen, wenn diese aufgeladen werden.
2PbSO4 + 4H+ + 4e- → 2Pb + 2H2SO4 ……… Gl. 3
Entlade- und Ladungsreaktionen - Chemische Reaktion der Bleibatterie
Die Reaktionen einer galvanischen Zelle oder Batterie sind spezifisch für das System oder die Chemie:
Ein Beispiel dafür ist die Bleisäurezelle:
Pb + PbO2 + 2H2SO4 Entladung ↔ Ladung 2PbSO4 + 2H2O E° = 2,04 V
In einer Ni-Cd-Zelle
Cd + 2NiOOH + 2H2O Entladung ↔ Ladung Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2 E° = 1,32 V
In einer Zn-Cl2-Zelle:
Zn + Cl2 Entladung ↔ Ladung ZnCl2 E° = 2,12 V
In einer Daniel-Zelle (dies ist eine Primärzelle; beachten Sie hier das Fehlen der reversiblen Pfeile)
Zn + Cu2+ Entladung ↔ Ladung Zn2+ + Cu(s) E° = 1,1 V
Was passiert bei einer Entladung und Ladung in einer Zelle? Chemische Reaktion der Bleibatterie
Elektrolyt: 2H2SO4 = 2H+ + 2HSO4‾
Negative Platte: Pb° = Pb2+ HSO4 + 2e
Pb2+ + HSO4‾ = PbSO4 ↓ + H+
⇑ ⇓
Positive Platte: PbO2 = Pb4+ + 2O2-
Pb4+ + 2e = Pb2+
Pb2++ 3H+ + HSO4‾ +2O2- =PbSO4 ¯ ↓+ 2H2O
Da Schwefelsäure ein starker Elektrolyt ist, wird sie in Wasserstoffionen und Bisulfationen (auch Hydrogensulfationen genannt) dissoziiert.
