Ist die Blei-Säure-Batterie in unserer modernen Zeit noch konkurrenzfähig?

Die Antwort ist JA. Die Blei-Säure-Batterie ist die älteste wiederaufladbare Batterie, die existiert. Sie hat noch heute einen Marktanteil behalten, wo neuere Batteriechemien entweder zu teuer sind in der Herstellung oder wo der Unterhalt zu viel Aufwand benötigt. Es handelt sich vorwiegend um Applikationen, wo keine kostengünstigen Alternativen möglich sind, wie z.B. Rollstühle, Motorroller, Golf-Wagen, Personentransporter und Notstromsysteme.

Erfunden durch den französischen Physiker Gaston Planté 1859 ist die Blei-Säure-Batterie die erste wiederaufladbare Batterie für kommerzielle Anwendungen. Die flüssige Blei-Säure-Batterie hat noch heute eine dominierende Rolle in der Automobilindustrie, in Gabelstaplern und grösseren Notstromsystemen (UPS).

In der Mitte der 70er Jahre wurde eine wartungsfreie Blei-Säure-Batterie entwickelt, die in jeder Lage eingesetzt werden kann. Der flüssige Elektrolyt wurde ersetzt durch feuchte Separatoren und das Gehäuse wurde verschweisst. Dazu wurden Sicherheitsventile eingebaut um das bei Ladung und Entladung entstehende Gas austreten zu lassen.

Auf Grund von verschiedenen Marktanforderungen entstanden zwei Blei-Säure-Batteriemodelle; die kleine versiegelte Blei-Säure-Batterie (SLA), ebenfalls bekannt unter dem Produktenamen 'Gelcell', und die grosse ventil-gesteuerte Blei-Säure-Batterie (VRLA). Technisch gesehen, sind die beiden Batteriemodelle gleich (Ingenieure werden argumentieren, dass die Bezeichnung 'versiegelte Blei-Säure-Batterie' falsch sei, da keine wiederaufladbare Batterie total versiegelt sein kann).

Im Unterschied zu flüssigen Blei-Säure-Batterien, sind beide Batterietypen SLA und VRLA für ein nur kleines Überspannungspotential gebaut, um zu verhindern, das während dem Ladevorgang zu viel Gas entstehen kann. Übermässige Ladung führt zu Gasentwicklung und Feuchtigkeitsverlusten. Konsequenterweise können solche Batterien nie auf ihr volles Potential aufgeladen werden.

Das Festlegen der Grenze für die ideale Ladespannung ist kritisch. Jede Spannungsschwelle ist an sich ein Kompromiss. Eine hohe Spannungsgrenze (über 2.40V/Zelle) ergibt eine gute Batterieleistung, aber verkürzt die Lebenserwartung wegen der auftretenden Korrosion auf der positiven Platte. Die Korrosion ist permanent. Eine tiefere Spannung (unterhalb 2.40V/Zelle) ist sicher beim Laden bei höheren Temperaturen, ist aber Gegenstand von Sulfatierung der negativen Platte.

Blei-Säure haben keinen Memory-Effekt. Das Belassen einer Batterie in Schwebeladung während längerer Zeit führt zu keinen Schäden. Die Selbstentladung beträgt ca. 40% pro Jahr, eine der tiefsten bei wiederaufladbaren Batterien. Im Vergleich dazu werden Nickel-Kadmium im gleichen Masse innerhalb 3 Monaten entladen. Blei-Säure-Batterien sind vergleichsmässig günstig im Einkauf, aber die Funktionskosten können höher sein als bei Nickel-Kadmium, wenn volle Zyklen mehrmals hintereinander nötig werden.

Blei-Säure-Batterien sind nicht geeignet für Schnellladung. Eine typische Ladezeit ist 8 bis 16 Stunden. Die Batterie muss immer in geladenem Zustand gelagert werden. Belässt man eine Batterie im entladenen Zustand ergibt dies eine Sulfatierung, die zur Folge hat, dass die Batterie nur schlecht bis gar nicht mehr geladen werden kann.

Im Gegensatz zu Nickel-Kadmium-Batterien, erträgt eine Blei-Säure-Batterie keine Tiefentladungen. Eine Vollentladung ergibt zusätzlichen Stress und jeder Ladezyklus verringert ein wenig die Kapazität der Batterie. Ein solcher Verschleiss tritt in unterschiedlicher Stärke auch bei anderen Batteriechemien auf. Um zu verhindern, dass die Batterie durch wiederholte Tiefentladungen übermässig gestresst wird, wird empfohlen, eine grössere Batterie einzusetzen.

In Abhängigkeit von Tiefentladungen und Umgebungstemperatur während des Einsatzes, beträgt die Lebenserwartung einer versiegelten Blei-Säure-Batterie ca. 200 bis 300 Lade-/Entlade-Zyklen. Der hauptsächliche Grund für diese relativ kurze Lebenserwartung liegt in der Gitterkorrosion der positiven Elektrode, der Verringerung des aktiven Materials und der Ausdehnung der positiven Platten. Diese Veränderungen sind in noch stärkerem Masse bei hohen Funktionstemperaturen vorhanden. Wartungszyklen können diesen Trend weder aufhalten noch rückgängig machen.

Die optimale Funktionstemperatur für Blei-Säure-Batterien beträgt 25°C. Als Richtwert kann angegeben werden, dass eine Temperaturerhöhung von 8°C die Batterielebenserwartung halbiert. Eine ventil-gesteuerte Blei-Säure-Batterie (VRLA), welche bei 25°C 10 Jahre lang funktioniert, wird nur noch 5 Jahre einsatzfähig sein, wenn sie bei 33°C betrieben wird. Theoretisch wird dieselbe Batterie nur etwas mehr als 1 Jahr funktionieren, wenn sie bei eine (Wüsten)-Temperatur von 42°C eingesetzt wird.

Unter allen modernen wiederaufladbaren Batterien hat die Blei-Säure-Batterie die tiefste Energiedichte und ist deshalb ungeeignet für den Einsatz in tragbaren Geräten, die eine kompakte Bauart bedingen. Dazu kommt ausserdem, dass die Leistung bei tiefen Temperaturen schwach ist.

Die Entladerate einer Blei-Säure-Batterie beträgt 0,2C oder 5 Stunden. Einige Batterien werden für eine langsame 20 Stunden-Entladung eingestellt. Längere Entladezeiten führen zu höheren Kapazitätswerten. Die Blei-Säure-Batterie arbeitet gut bei starker Belastung. Während solchen kurzen Perioden können Entladewerte von über 1C belastet werden.
In Bezug auf die Entsorgung, ist die Blei-Säure-Batterie weniger schädlich als Nickel-Kadmium, aber der hohe Bleianteil und der Elektrolyt machen die Blei-Säure-Batterie Umwelt unfreundlich.

Vorteile
· Nicht teuer und einfach in der Herstellung
· Ausgereift, zuverlässig und bekannte Technologie - wenn richtig verwendet, ist eine Blei-Säure-Batterie dauerhaft und verlässlich.
· Die Selbstentladung ist bei den tiefsten unter den wiederaufladbaren Batteriesystemen.
· Kleiner Bedarf an Unterhalt - kein Memory-Effekt, kein Nachfüllen von Elektrolyt bei den versiegelten Versionen.
· Hohe Entladeströme sind möglich.

Grenzen
· Tiefe Energiedichte - Schlechtes Gewicht-zu-Energieverhältnis beschränkt den Einsatz auf ortsfeste oder fahrbare Applikationen.
· Kann nicht in entladenem Zustand gelagert werden - die Zellenspannung sollte nie unter 2,10V fallen.
· Gestattet nur eine beschränkte Anzahl Vollentladungen - gut anwendbar für Notstromanlagen, welche nur sporadisch einer Vollentladung ausgesetzt sind.
· Bleianteil und Elektrolyt machen die Batterie Umwelt unfreundlich.
· Transportbeschränkungen bei flüssigen Blei-Säure-Batterien - es bestehen Umweltschutzbedenken im Zusammenhang mit möglichem Verschütten. Thermische Kettenreaktion kann entstehen bei unsachgemässem Laden.

Über den Autor
Isidor Buchmann ist der Gründer und Geschäftsführer von Cadex Electronics Inc., in Vancouver BC. Herr Buchmann hat fundierte Basiskenntnisse in der drahtlosen Kommunikation und studierte über zwei Jahrzehnte hinweg das praktische Verhalten von wiederaufladbaren Batterien und ihre täglichen Verwendungen. Als Autor gewann er Auszeichnungen für viele Artikel und Bücher über Batterien. Herr Buchmann's technische Ausführungen gingen rund um die Welt.
Cadex Electronics ist Hersteller von fortschrittlichen Batterieladegeräten, Batterieanalysern und PC-Software. Für Produktinformationen besuchen Sie bitte www.cadex.com.