Ursprünge der Bleibatterie
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Ursprünge der Bleibatterie

Es ist richtig, dass Batterien eine der wichtigsten Innovationen sind, die zusammen mit anderen Technologien die moderne industrielle Welt geprägt haben. Von der Industrie über den Haushalt bis hin zum privaten Gebrauch haben sie uns Freiheiten und Möglichkeiten gegeben, die ohne tragbare und stationäre Energiespeicher nicht möglich wären.

Jedem modernen Menschen ist klar, dass die Batterie in immer mehr Bereichen unseres täglichen Lebens Einzug hält, von der Einzelzelle für den Einmalgebrauch in tragbaren Geräten wie einer AA-Alkalibatterie für eine Computermaus oder einer Zink-Luft-Knopfzelle in einer Armbanduhr bis hin zu einem Batteriespeichersystem (BESS) im Megawattbereich. Trotz dieser Fülle von Chemikalien und Anwendungen ist die Blei-Säure-Batterie auch 160 Jahre nach ihrer Erfindung immer noch der produktivste Anbieter von gespeicherter Energie auf dem Planeten. Abb. 1 zeigt die Aufschlüsselung der Batterieverkäufe nach Typ und verkaufter MWh in den letzten 27 Jahren

Bleibatterie

Dies überrascht einige, die denken, dass Li-Ion die meistverkaufte Technologie ist. Das ist richtig, aber nur in Bezug auf den Wert, nicht auf die Kapazität. Aufgrund der höheren Kosten pro kWh hat die Lithium-Ionen-Batterie einen höheren Verkaufswert und größere Einnahmen als die Bleibatterie. Dies ist jedoch einer der Gründe dafür, dass die Bleibatterie (LAB) so lange in einem hart umkämpften und sich verändernden kommerziellen Umfeld überlebt hat.

In diesem Blog befassen wir uns mit der Erfindung der Bleibatterie – einer elektrochemischen Speicherbatterie – und verfolgen ihre Ursprünge im Laufe der Geschichte, von den ersten bekannten Beispielen elektrochemischer Zellen bis hin zu den modernen VRLA- und bipolaren Versionen.

Im Jahr 1749 verwendete der amerikanische Universalgelehrte Benjamin Franklin den Begriff „Batterie“ zum ersten Mal, um eine Reihe von miteinander verbundenen Kondensatoren zu beschreiben, die er für seine Experimente mit Elektrizität verwendete. Bei diesen Kondensatoren handelte es sich um Platten aus Glas, die auf jeder Seite mit Metall beschichtet waren. Diese Kondensatoren wurden mit einem statischen Generator aufgeladen und durch Berühren der Elektroden mit Metall entladen. Wenn man sie zu einer „Batterie“ verbindet, wird eine stärkere Entladung erreicht. Ursprünglich hatte der Begriff die allgemeine Bedeutung von „eine Gruppe von zwei oder mehr gleichartigen Objekten, die zusammen funktionieren“, wie in einer Artilleriebatterie, und wurde für galvanische Pfähle und ähnliche Geräte verwendet, in denen viele elektrochemische Zellen miteinander verbunden waren.

Die Bleibatterie ist ein elektrochemisches Speichermedium und hat als solches das gleiche Prinzip der Bereitstellung von elektrischem Strom und elektrischer Spannung wie alle anderen elektrochemischen Batterien, von denen einige der Einführung der Bleibatterie als Methode zur Speicherung und Lieferung von Elektrizität vorausgingen. Es war jedoch der erste Akku, der wiederaufladbar war. Dadurch konnte es viele Male verwendet und bei Bedarf wieder voll aufgeladen werden. Dadurch unterschied sie sich von anderen Batteriesystemen ihrer Zeit.

Der Zeitpunkt der Erfindung der ersten elektrochemischen Zelle ist etwas umstritten. Es gibt einen alten babylonischen Fund, von dem manche behaupten, er sei eine funktionierende elektrochemische Zelle. Abb. 2 ist ein Bild von dem, was als „Bagdad-Batterie“ bekannt geworden ist. Es besteht kein Konsens darüber, dass diese Gefäße als Batterien verwendet wurden oder einen elektrochemischen Zweck erfüllten. Wenn sie jedoch mit einem Elektrolyt wie Essigsäure gefüllt sind, erzeugen sie einen Strom und eine Spannung. Zwei ungleiche Metalle in einem Ionenleiter – wie könnten sie das nicht?

Was auch immer der Fall sein mag, wir müssen fast 3.000 Jahre vorspulen bis ins 18. Jahrhundert, als zwei Niederländer, Musschenbroek und Cunaeus, zusammen mit dem deutschen Wissenschaftler Ewald Georg von Kleist eine funktionierende Version des Leydon-Gefäßes entwickelten. Dabei handelte es sich im Wesentlichen um einen Kondensator und noch nicht um eine echte Batterie. Es war der Franzose Allesandro Volta, der im Jahr 1800 das erfand, was wir als die erste elektrochemische Zelle bezeichnen würden, die heute als Voltas Voltaischer Pfahl bekannt ist. Es handelte sich dabei im Wesentlichen um einen vertikalen Turm aus abwechselnden Kupfer- und Zinkscheiben mit einem in Salzlake getränkten Tuch dazwischen, Abb. 3

Die praktischen Probleme mit dieser ersten Batterie sind ziemlich offensichtlich (seitliche Kurzschlüsse durch auslaufenden Elektrolyt, feuchtes Tuch usw.). Dennoch wurde ein erheblicher Stromstoß erzeugt, und wenn die einzelnen Zellen in Reihe geschaltet wurden, kam es zu einem noch größeren Stromstoß. Dennoch war dies kein idealer Weg, um Strom zu speichern und zu liefern. Es wurden einige Verbesserungen an der Konstruktion vorgenommen, die es ermöglichten, Batterien durch die Verbindung von Zellen in einzelnen Gläsern herzustellen, und es war ein Schotte – William Cruickshank, der eine Kastenkonstruktion entwarf und die Platten auf die Seite legte, anstatt sie zu stapeln. Dies wurde als Trogbatterie bekannt und war in der Tat der Vorläufer fast aller modernen Batteriekonstruktionen.

Das große Problem bei diesen beiden Entwürfen war jedoch, dass sie nicht wiederaufladbar waren. Bei einer Entladung musste man neue Platten und Elektrolyt einlegen und von vorne anfangen. Das ist nicht wirklich eine praktische Lösung für die Speicherung und Bereitstellung von Strom.

Erst 1859 erfand der Franzose Gustav Planté die erste wiederaufladbare elektrochemische Zelle der Welt. Dabei handelte es sich um ein spiralförmig gewickeltes, durch einen Gummistreifen getrenntes Doppelblech aus Blei, das in einen schwefelsauren Elektrolyten getaucht war und sich in einem Glasgefäß befand (Abb.). 4.

Die Platten wurden elektrisch auf Blei und Bleidioxid aufgeladen, wobei an jedem Bleiblech Abzugsdrähte angebracht waren. Die Potentialdifferenz zwischen den Platten betrug 2 Volt. Er lieferte eine höhere Dauerspannung und einen höheren Strom als der galvanische Pfahl, aber, was noch wichtiger war, er konnte von einer elektrischen Quelle aufgeladen werden, ohne dass irgendwelche Komponenten ersetzt werden mussten. Diese Fähigkeit zur Wiederaufladung und die höhere Spannung und längere Stromdauer dieser Chemie kamen zu einem günstigen Zeitpunkt in der Industrialisierung und trugen zur Verbreitung der Telekommunikation und der Notstromversorgung bei, wo die Netzversorgung unzuverlässig war.

Die Batterie wurde zwar über Nacht zu einer Sensation in der Energieversorgungsbranche, ihre Kapazität war jedoch begrenzt. Dies blieb ein Problem, bis Camille Alphonse Fauré im Jahr 1880 der Durchbruch bei der Kommerzialisierung der Bleibatterie gelang. Um die Dauer des Stroms während der Entladung zu erhöhen, kam er auf die Idee, die Bleibleche mit einer Paste aus Bleioxiden, Schwefelsäure und Wasser zu beschichten. Er entwickelte dann das Verfahren der Aushärtung, bei dem die beschichteten Platten in eine warme, feuchte Atmosphäre gelegt wurden.

Unter diesen Bedingungen bildete die Pastenmischung basische Bleisulfate, die auch mit den Bleielektroden reagierten und eine niederohmige Verbindung bildeten. Die Platten wurden dann in Schwefelsäure eingelegt, und die ausgehärtete Paste wurde in elektrochemisch aktives Material umgewandelt. Dadurch wurde eine wesentlich höhere Kapazität als bei der ursprünglichen Planté-Zelle erreicht.

Ebenfalls im Jahr 1881 ersetzte Ernest Volkmar den Bleiblechleiter durch ein Bleigitter. Dieses Gitterdesign hatte den doppelten Vorteil, dass es mehr Platz für das aktive Material bot, was zu einer höheren Kapazität der Batterie führte und außerdem eine bessere Verbindung des aktiven Materials mit dem Gitter ermöglichte.

Diese beiden Vorteile führen zu einem geringeren Widerstand und einer robusteren Batterie mit einer höheren spezifischen Energiedichte. Scudamore Sellon verbesserte dies, indem es dem Blei Antimon hinzufügte, um das Gitter so steif zu machen, dass es mechanisch bearbeitet werden konnte, und begann, höhere Produktionsgeschwindigkeiten einzuführen. 1881 war in der Tat ein Jahr der Produktinnovation, die durch die neu entstehenden Verwendungszwecke für eine tragbare Stromversorgung angetrieben wurde, wie z. B. das erste Elektrofahrzeug, das mit wiederaufladbaren Batterien angetrieben wurde, ein dreirädriger Roller von Gustave Trouvé, der eine atemberaubende Geschwindigkeit von 12 km/h erreichte.

Ein Alptraum für die Versicherung! 1886 wurde in Frankreich das erste mit einer Bleibatterie betriebene U-Boot zu Wasser gelassen. Wir hatten auch das erste röhrenförmige Plattendesign für Bleisäurebatterien, das von S.C. Currie entwickelt wurde und eine bessere Zykluslebensdauer und Energiedichte bot.

Inzwischen waren Bleibatterien auf dem Vormarsch, und 1899 erreichte Camille Jenatzy in einem mit Bleibatterien betriebenen Elektroauto 109 km/h. Mit dem Siegeszug der Elektrizität, zu dem auch die Einrichtung des Pariser Elektrizitätsnetzes im Jahr 1882 und das Aufkommen des elektrischen Morsetelegrafen in den USA gehören, war es offensichtlich, dass die Bleibatterie in einer angemessenen kommerziellen Weise hergestellt werden musste.

Blei-Säure-Batterie Herkunft

Beginn der Modernisierung des Baus von Bleibatterien

Das bestehende Design und das Verfahren zur Herstellung von Bleioxid eigneten sich nicht ohne weiteres für die Massenproduktion. Die Nachfrage nach Bleibatterien überstieg in dieser Zeit schnell die Produktionskapazitäten. Neue produktionsfreundliche Methoden und Batteriekonzepte waren dringend erforderlich. Der erste Durchbruch gelang 1898, als George Barton ein neues und viel schnelleres Verfahren zur Herstellung des Bleioxids patentierte, das zur Herstellung des von Fauré erfundenen aktiven Materials verwendet wurde. Barton verwendete die traditionelle Methode des Schmelzens und Oxidierens von Blei mit erhitzter Luft. Seine Innovation bestand in der Erzeugung feiner Tröpfchen, die durch das Rühren von geschmolzenem Blei entstanden, das dann einem schnell fließenden, befeuchteten Luftstrom ausgesetzt wurde.

  • Dies hatte den doppelten Vorteil, dass der Prozess erheblich beschleunigt wurde und eine viel feinere Partikelgröße erzielt werden konnte als bei der herkömmlichen Methode, die eine weitere Vermahlung erforderte, um ein für batterieaktives Material geeignetes Produkt zu erhalten. Erst 30 Jahre später wurde ein alternatives Verfahren von Genzo Shimadzu von der Shimadzu Corporation erfunden.
  • Seine Methode bestand darin, kleine Bleiklumpen zu gießen und sie in eine rotierende Kugelmühle zu werfen, durch die heiße Luft geblasen wurde. Dadurch entstand Oberflächenoxid auf den Nuggets, das brüchig wurde und abblätterte und dann zu einem feinen Pulver zermahlen wurde. Die Geschwindigkeit des Luftstroms wurde so gesteuert, dass bestimmte Partikelgrößen aus der Mühle befördert und in Silos gelagert wurden, wo sie zum Mischen der Paste bereitstanden.

  • Diese frühen Methoden zur Herstellung von Bleioxid für die Batterieindustrie blieben fast ein Jahrhundert lang unangefochten. Jüngste Entwicklungen bei der Suche nach umweltfreundlicheren Methoden für das Recycling von Batterien (Ausfällung von Blei aus Bleiacetatlösungen) könnten in der Zukunft alternative Produktionsmethoden bieten, aber im Moment gibt es noch keine praktische Alternative.
    Der Entwurf von Gaston Planté war keine praktische Lösung für eine Massenbatterie. Auch die Verbesserungen von Fauré und dem Schotten William Cruickshank, der die Planté-Plattenelemente in Kastenfächern unterbrachte, um eine in Reihe geschaltete Batterie zu bilden, brachten keine Zuverlässigkeit und keine Massenproduktionsfähigkeit.

Es ist der luxemburgische Ingenieur und Erfinder Henri Owen Tudor, dem die Entwicklung des ersten praktischen Designs einer Bleibatterie im Jahr 1866 zugeschrieben wird. Er errichtete seine erste Produktionsstätte in Rosport, Luxemburg, und baute dann mit anderen Investoren Fabriken in ganz Europa auf. Der Schlüssel zu seinem Erfolg war eine robustere Batterieplatte, die länger hielt als das bisherige Design.

Blei-Säure-Batterie arbeiten

Zu dieser Zeit baute Genzo Shimadzu die erste Fabrik zur Herstellung von Bleibatterien in Japan auf und produzierte eine Bleibatterie mit geklebten Platten und einer Kapazität von 10 Ah. Dies war die Geburtsstunde des heute bekannten japanischen Unternehmens GS batteries. Beide Unternehmen leisteten Pionierarbeit bei den modernen Verfahren und verliehen den Bleibatterien eine höhere Zuverlässigkeit und Lebensdauer.

Das 20. Jahrhundert brachte viele Verbesserungen für die Bleibatterie. Die Modernisierungen begannen bei den Baumaterialien. Bis in die ersten Jahrzehnte des 20. Jahrhunderts bestanden die Behälter für Batteriezellen aus Holzkisten, die mit Gummi oder Pech ausgekleidet waren. In den frühen 1920er Jahren hatten sich die Formtechniken für Hartgummi (Ebonit) so weit verbessert, dass es möglich war, mehrzellige, auslaufsichere Hartgummikästen für die Unterbringung von in Reihe geschalteten Bleisäurezellen herzustellen. Die Verwendung von pechversiegelten Deckeln ermöglichte versiegelte, übereinander liegende Kabelverbindungen zwischen den Zellen. Diese Konstruktion, kombiniert mit hölzernen Abscheidern und sehr dicken Platten, hielt sich bis Anfang der 1950er Jahre.

Lebensdauer der Bleibatterie

Die Entwicklungen im Inneren der Batterie sind in dieser Zeit nicht ganz zum Stillstand gekommen. Zellulosefaserabscheider, die mit Harz imprägniert sind, wurden zu einer leichten und weniger widerstandsfähigen Alternative zum Holzabscheider. Diese Vorteile und die geringere Säureverdrängung boten mehr Konstruktionsmöglichkeiten, die höhere Kapazitäten und eine bessere Leistung bei hohen Entladungsraten ermöglichten. Durch die Verbesserung der Blei-Antimon-Legierungen wurde ein robusteres Gitter geschaffen, das einer stärkeren Automatisierung standhalten konnte und schließlich eine maschinelle Verklebung ermöglichte. Zusatzstoffe in der Paste, wie Kohlenstoff für die negative Platte und Zellulosefasern im aktiven Material der positiven Platte, haben die Lebensdauer der Bleibatterie erheblich verlängert.

Doch erst in den frühen 1950er Jahren, als Kunststoffe zu einem festen Bestandteil unserer modernen Lebensweise wurden, begannen sich die Batteriematerialien und die Verarbeitungsmethoden wirklich zu verändern. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften sowie die Vielfalt der verfügbaren Kunststoffe ermöglichten in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts eine tiefgreifende Änderung der Konstruktions- und Produktionsmethoden für Batterien. Zusammen mit den Fortschritten in der Metallurgie der Bleilegierungen, die für die Herstellung von Gittern verwendet werden, erlebte die Batterieindustrie in dieser Zeit eine erhebliche Beschleunigung bei der Verbesserung der Leistung und der Kosten ihrer Produkte.

Es ist wirklich schwer zu sagen, wo man mit der Aufzählung der wichtigsten Entwicklungen beginnen soll, daher wäre eine chronologische Reihenfolge vielleicht am besten geeignet. Vieles davon ist eher persönliche Erinnerung als direkte historische Tatsache, aber es ist genau genug, um eine vernünftige Darstellung der technologischen Schritte zu sein, die zu den heutigen Blei-Säure-Batterie-Konstruktionen führten. Ich denke, dass wir in den 1960er Jahren gesehen haben, wie das maschinelle Einkleben von Platten und das halbautomatische Gießen von Gittern ein höheres Niveau an Genauigkeit und Kontrolle erreicht haben.

Dies führte zu einer allmählichen Ablösung des Handgusses und der Handklebung durch die viel schnelleren Verfahren des Buchform-Gittergusses und der Kellen-Rollband-Klebung für Einzel- oder Doppelplatten. Beide Techniken ermöglichten ein höheres Produktionsniveau und eine bessere Kontrolle über die Gewichte und Abmessungen des Gitters und des aktiven Materials. Dies hatte zunächst zur Folge, dass sowohl bei den Arbeits- als auch bei den Materialkosten Kosten eingespart wurden. Die zweite Auswirkung war, dass sie den Weg für die engeren Toleranzbereiche ebnete, die für Rekombinationsbatterien erforderlich sind.

Dies war natürlich nur möglich, weil die Batteriebänder durch die Wand hindurch mit den Zellen verbunden sind. Diese Quetschschweißtechnik ist ein unbesungener Held in der Welt der Batterietechnik. Im Wesentlichen handelt es sich dabei um eine sehr clevere Vorrichtung, die den Widerstandswert der geschmolzenen, elektrogeschmolzenen Bleizwischenabnahmen nutzt, um festzustellen, wann die Zwischenzellenöffnung mit Blei gefüllt war.

Bei dieser Methode entfiel das schwere und teure Blei am oberen Ende und es konnte eine viel einfachere beheizte Spiegelplatte zum Verschließen von Kasten und Deckel verwendet werden. Dabei muss die Baugruppe nicht auf den Kopf gestellt werden, wie es bei den Harz- und Klebemethoden der Fall ist. Durch diese Montagemethode konnten nicht nur die Produktionsraten verbessert und die Kosten gesenkt werden, sondern es wurde auch eine der Hauptursachen für Garantierückgaben praktisch beseitigt: das Auslaufen von Säure.

Fortschritte in der Separatortechnologie halfen auch bei der Entwicklung besserer Produktionsmethoden und bei der Behebung einer häufigen Ausfallursache von Batterien, nämlich internen Kurzschlüssen. Die mechanische Steifigkeit der Zellulose- und dann der gesinterten PVC-Separatoren ermöglichte zunächst das automatische Stapeln von Akkupacks. Dies führte zur Entwicklung des Gussbandes und der automatischen Montage von Bleibatterien. Dies war ein großer Fortschritt. Bis zu diesem Zeitpunkt wurden die Platten immer von Hand gebrannt, wobei eine geteilte Sammelschienenform mit Schlitzen verwendet wurde, in die die Platten von Hand eingesetzt wurden. Anschließend wurden sie manuell zusammengeschweißt, indem ein Stab aus einer Bleilegierung mit einem Acetylenbrenner in die Form geschmolzen wurde.

Diese Methode wird auch heute noch angewandt, ist aber meist auf größere Industriebatterien beschränkt, die mit automatisierten Anlagen nur schwer zu handhaben sind. Abgesehen von der geringen Produktivität war dies eine der Hauptursachen für Garantieausfälle in der Industrie. Da die Platten aufrecht geschweißt sind, besteht die Möglichkeit, dass geschmolzenes Blei aus Lücken in der Sammelschienenform zwischen den Platten austritt und einen sofortigen oder zukünftigen Kurzschluss verursacht.

Diagramm einer Bleibatterie

Die Methode des Gießens am Gurt, insbesondere bei kleineren SLI-Batterien, hat das manuelle Brennen von Hand fast vollständig ersetzt. Das ist zwar eine teure Option, aber sie führt zu keiner Verbleiung, und wenn die richtige Laschenreinigung und das richtige Flussmittel verwendet werden, ergibt sich auch eine bessere Lasche mit geringerem Widerstand für die Bandschweißung. Eine weitere Verfeinerung dieses Verfahrens ist das Wrap-Stacking-Verfahren. Das Aufkommen des Polyethylen-Separators, der sehr flexibel und schweißbar ist, hat dazu geführt, dass Batterien mit vollständig isolierten Platten hergestellt werden können.

Bei dieser Methode können entweder positive oder negative Platten automatisch in einen Trennstreifen eingelegt werden, der Streifen wird gefaltet und um die Platte herum geschnitten und dann entweder durch Hitze, Ultraschall oder Crimpen vollständig um die Platte herum versiegelt. Diese Methode, kombiniert mit dem Gießen am Gurt und dem automatischen Einsetzen der Gruppe in den Batteriekasten, ermöglicht hohe Produktionsraten, niedrige Garantien und, was vielleicht am wichtigsten ist, eine deutlich geringere Bleiexposition des Bedieners.

Bis in die 1970er Jahre hatte die Bleibatterie einige gravierende Mängel. Es handelte sich um hohe Wartungskosten aufgrund von Wasserverlusten und der Bildung von Säuredämpfen und explosiven Gasen bei der Aufladung. Für viele Industriezweige, insbesondere für die Gabelstaplerindustrie, die spezielle Laderäume mit Extraktion und ständigem Wassernachfüllen benötigt, um ein Austrocknen der Batterien zu verhindern, bedeutete dies erhebliche Kosten. Die Lösung für diese Probleme zeichnete sich in den 1970er Jahren ab, als die Batteriehersteller auf antimonarme Legierungen für Autobatterien umstellten.

Typen von Bleibatterien

Ursprünglich sollten damit Kosten gespart werden, doch schon bald entdeckte man, dass sich in Verbindung mit der spannungsgesteuerten Aufladung der Lichtmaschine in einem Auto der Wasserverlust der Batterie und damit die Wartung des Nachfüllens drastisch reduzieren ließ. Schon bald wurden die Blei-Antimon-Legierungen auf 1,8 % Sb reduziert, während in der ersten Hälfte des Jahrhunderts noch 11 % verwendet wurden. Dadurch entstanden im Wesentlichen geflutete, wartungsfreie SLI-Batterien.

Die Idee, eine schwach gasende Bleilegierung zu verwenden, kam in den 80er Jahren auf, als die Blei-Säure-Batterie mit verarmtem Elektrolyt in den heute bekannten Batteriebehältern auftauchte, die die gleichen Platten und Gitter wie die Standard-Batterien mit geflutetem Elektrolyt verwenden. Es handelte sich um eine vollständig versiegelte Batterie, die weder Wasser verliert noch explosive Gase freisetzt. Wasserstoff und Sauerstoff, die an den Elektroden erzeugt werden, werden in der Batterie in einem immobilisierten Elektrolyten gespeichert und rekombinieren zu Wasser.

Die Säure wurde entweder durch Vermischen mit Siliziumdioxid zu einem GEL immobilisiert oder in einem hochkomprimierten absorbierenden Glasmattenseparator in Suspension gehalten. Obwohl die ventilgeregelte Bleibatterie bereits seit den 1960er Jahren kommerziell genutzt wurde (Sonnenschein, dann Gates), verwendeten diese Konstruktionen reines Blei für die Gitter, das sehr weich ist. Dies bedeutete, dass die Gestaltungsmöglichkeiten und Verarbeitungsmethoden begrenzt waren.

Es wurden neue Legierungen entwickelt, bei denen das Antimon vollständig entfernt und durch Kalzium als Härtemittel ersetzt wurde. Dadurch wurde das Wasserstoff- und Sauerstoffüberpotential am Blei über den Schwellenwert von 2,4 Volt pro Zelle angehoben, was eine Wiederaufladung innerhalb von 15 Stunden bzw. einen Zyklus pro Tag ermöglicht. Ernsthafte Probleme traten jedoch in den frühen 1980er Jahren auf, als massive Batterieausfälle aufgrund des so genannten vorzeitigen Kapazitätsverlusts (PCL) die meisten Batteriehersteller sehr hart trafen. Dies war in der Tat ein sehr schneller Kapazitätsverlust, den eine Bleibatterie innerhalb der ersten Wochen oder Monate nach ihrem Einsatz erlitt.

Das Problem wurde schließlich in den 1990er Jahren durch die Einführung von Zinn in die Bleilegierung gelöst. Die genaue Wirkung des Zinns auf die Schnittstelle und die Integrität des aktiven Materials ist umstritten, aber es hat sich gezeigt, dass es funktioniert. Ein Nebeneffekt war, dass ein falsches Gleichgewicht zwischen Zinn und Kalzium im positiven Gitter zu einem katastrophalen Korrosionsversagen des Gitters führen konnte. Durch die Arbeit von David Prengaman in den 90er Jahren wurde dieses Problem gelöst, und wir können uns heute über eine relativ problemlose und wartungsfreie Bleibatterie freuen.

Ventilgeregelte Bleibatterie

Bleibatterie Abb. 9 bis 12

Maschinen zur Herstellung von Bleibatterien

In den 1980er Jahren erfuhr auch die röhrenförmige Konstruktion von Blechen einige radikale Veränderungen. Von den Anfängen im Jahr 1910 bis Mitte der 60er Jahre wurden einzelne poröse Gummizylinder verwendet, die an den Stacheln des Gitters befestigt waren und das aktive Material enthielten. Dies wurde durch die Verwendung einzelner harzgetränkter Glasfaserrohre (pg) abgelöst. Aufgrund der hohen Ausschussraten und der physischen Schwierigkeit, dieses Produkt in einer Massenproduktionsumgebung zu verarbeiten, wurde die gewebte Stulpe mit mehreren Rohren entwickelt. So entstand eine einzige Einheit aus ungefülltem Gitter und aktivem Materialträger.

In den 1980er Jahren hatten die mehrröhrigen PT-Beutel den Pg-Röhrchen fast vollständig den Rang abgelaufen, die nur noch aus Kostengründen in Gebrauch waren. Der PT Bags Stulpe ermöglicht nun die Automatisierung des Gießens und des Einsetzens der Wirbelsäule bei der Plattenherstellung. Spätere Entwicklungen in den späten 80er Jahren weiteten dies auf das Füllen der Platte mit aktivem Material aus.

Es war Hadi, der den Weg zur Herstellung einer vollständig automatisierten Linie vom Gießen der Wirbelsäule bis zum Füllen, Verschließen und Trocknen/Härten der Platten ebnete. In dieser Zeit wurden auch automatisierte, entweder nasse oder mit Schlamm gefüllte Verfahren eingeführt. Diese Methoden waren unter Gesundheits- und Sicherheitsaspekten weitaus besser, da sie die Bleiprobleme in der Luft reduzierten, die bei Alternativen mit Trockenpulverfüllung auftreten.

Das zweite Jahrtausend stand im Zeichen neuer Fragestellungen für die Bleibatterie. Der Stopp-Start und einige andere Anwendungen haben Probleme für Bleisäurebatterien aufgezeigt, die in einem teilweisen Ladezustand (PSoC) arbeiten. Dabei wird das aktive Material in den Platten gröber und hat eine geringere effektive Oberfläche. Das Material ist daher weniger reaktionsfreudig, was zu geringeren Kapazitäten und einer geringeren Entladungsfähigkeit bei hohen Raten führt.

Um dem entgegenzuwirken, wird intensiv an der Entwicklung von Zusatzstoffen gearbeitet, insbesondere von Kohlenstoff in verschiedenen Formen, die diese Vergröberung verhindern und die Leitfähigkeit des aktiven Materials verbessern. Dies verbessert auch die Ladungsakzeptanz (wichtig für den Start-Stopp-Einsatz) und bietet Keime für die Ausfällung unter PSoC-Bedingungen, um eine Vergröberung der AM-Partikel zu verhindern. Es wurde über einige Erfolge berichtet, aber es gibt keine stichhaltigen Beweise dafür, dass diese teuren Zusatzstoffe allgemein angenommen wurden.

Die Lieferanten von Additiven und die Hersteller von Separatoren haben viel getan, um sowohl die PSoC- als auch die elektrische Leistung von Bleibatterien zu verbessern. Es werden neue Abscheiderkonstruktionen vermarktet, die eine Säureschichtung unter PSoC-Bedingungen verhindern, sowie Abscheider mit eingebauten Additiven, die die Vergröberung der Partikel im aktiven Material verringern. Dies wird immer wichtiger, da sich der traditionelle SLI-Markt verändert, um dem Aufkommen von Elektrofahrzeugen und ihren Hybridvarianten Rechnung zu tragen.

Anwendungen für Bleibatterien

Da der Verbrennungsmotor allmählich von unseren Straßen verschwindet und der Markt für Elektrofahrzeuge weiter expandiert, wird die Bleibatterie, obwohl sie immer noch die meistverkaufte Technologie auf den heutigen Energiespeichermärkten ist, weitere Anpassungen erfahren müssen. Neue Designs, wie die bipolare Version, bieten eine viel höhere Leistungs- und Energiedichte und niedrigere Kosten, da sie wesentlich weniger Blei für ihre Konstruktion benötigen.

Blei-Säure-Batterie Abb. 13 und 14

Das Aufkommen neuer Märkte, insbesondere der Energiespeicherung, bietet neue Chancen für Bleibatterien. Die Konzentration auf eine bessere Lebensdauer, Energieeffizienz und niedrigere Kosten wird den Unternehmen, die Systeme im Netzmaßstab installieren, eine weitaus attraktivere Kapitalrendite bescheren. Trotz des möglichen Rückgangs des SLI-Marktes aufgrund des wachsenden EV-Sektors haben Bleibatterien immer noch ein riesiges Marktpotenzial. Dies hängt jedoch ebenso sehr vom Marketing wie von der Technologie ab. Neue Batteriesysteme, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien, haben neben ihren hohen Anschaffungskosten auch noch erhebliche Umweltprobleme, da es keine Recycling- oder Entsorgungsinfrastruktur gibt.

Dies könnte einen teuren Schock am Ende der Lebensdauer bedeuten, wenn die Kosten für die Batterieentsorgung anfallen, die für viele Unternehmen mit großen Batterieinvestitionen beträchtlich sein könnten. Dies und die hohen Anschaffungskosten bedeuten, dass der ROI für Lithium-Ionen-Batterien in den meisten bestehenden und neuen Anwendungen weit weniger attraktiv ist als für Bleibatterien. Auf dem Markt für Elektrofahrzeuge wollen beispielsweise viele Besitzer von Elektro-Rikschas die Investitionskosten für eine Lithium-Ionen-Batterie nicht auf sich nehmen und sind froh, wenn sie das Gegenstück, eine Bleibatterie, verwenden können.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich die Bleibatterie immer noch weiterentwickelt, um den neuen Anwendungen und dem neuen Marktumfeld gerecht zu werden. Trotz der Entwicklung neuer, billigerer und umweltfreundlicherer Methoden für das Recycling von Bleibatterien ist sie immer noch die umweltfreundlichste, zuverlässigste und sicherste Batterie, die Sie kaufen können. Und das zu einem sehr niedrigen Preis. Denken Sie daran, wenn Sie das nächste Mal einen Vergleich zwischen konkurrierenden Batterietypen anstellen.

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