Blei-Säure Flashcards
Was sind die Anwendungsgebiete für Blei Säure Batterien ?
o Starterbatterien
o Unterbrechungsfreie Stromversorgung
o AutonomeStromversorgung
o ElektrischeTraktion(Gabelstapler,Rollstuhl,etc.) o Ideal für stationäre stand-by Anwendungen
o Hohes Gewicht nachteilig für mobile Anwendungen
Wie ist die Performance der BS Batterie (Leistungsdichte/Energiedichte)?
Bleibatterien sind in fast allen anderen Technologien unterlegen bzgl. Leistungs- und Energiedichte.
Wie ist der allgemeine Aufbau und elektrochemische Reaktion, die da stattfindet ?
In der positiven Elektrode haben wir eine „Paröses PBO2 Aktivmasse“. Inder negativen Elektrode haben wir eine „poröser Bleischwamm“. Gittermaterial aus Hardblei. Poröser Seperator und verdünnte Schwefelsäure alsElektrolyt.
Aus welcher Material ist positiver Elektrode? Kathode
Aus welcher Material ist negativer Elektrode? Anode
Aus welcher Material ist Elektrolyt?
Aus welcher Material ist -Stromabnehmer- Gitter?
poröses PbO2 Aktivmasse
Poröser Bleischwamm
Elektrolyt (verdünnte Schwefelsäure)
Hartblei
Wie ist die geladene/entladene zustanden von Anode?
o Geladen:Pb
o Entladen:PbSO4
Poröser Bleischwamm
Wie ist die geladene/entladene zustanden von Kathode?
PorösesBleidioxid
o Geladen:PbO2
o Entladen:PbSO4
Effekten durch Nutzung von Schwefelsäure Elektrolyt?
Schwefelsäure gute antifrost Mittel.
Da Schwefelsäure beim Entladen verbraucht wird, sinkt die Zellenspannung mit fortschreitender Entladung und steigt beim Laden.
Mit sinkender Schwefelsäurekonzentration (in erster Nähe linear proportional zur Säuredichte) steigt der Gefrierpunkt der Säure von rund -45°C bei vollgeladener Batterie zu Werten zwischen 0 und -10°C.
Daher sind Bleibatterien bei tiefer Umgebungstemperatur und tiefem Ladezustand gefährdet.
Je tiefer die Batterie entladen wird, desto weniger SS Molekülen befindet sich in den elektrolyt denn es bildet sich feste Bleisulfatkristalle beim entladen. Damit einhergeht ist die Senkung der Ruhespannung mit fortschreitenden Entladung.
Welche Gittertypen gibt es denn ?
Gitterplatte
Röhrchenplatte
Herstellungsmethoden für Gitter?
Schwerkraftgussverfahren -
Zwei aneinander gepresste Gussformen; □
Reingießen, aushärten, fertig!
Für Gitterplatten
die casting (Druckgussverfahren)
Ähnlich wie gravity casting
Geschmolzenes Blei wird mit Druck in die Form gepresst
Für lange Gitter; Panzerplattengitter
Punching (Ausstechen)
Electroforming
Anforderungen an Gitter?
■ Anforderungen:
□ Mechanisch stabil (dauerhaft; gilt besonders für
das Gitter der positiven Elektrode)
□ Bietet Halt für die Aktivmasse
□ Resistent gegen Korrosion
□ Niederohmig
□ Möglichst klein und schmal
Designswünsche fürs Gitter
■ Design:
□ Guter Halt für die Aktivmasse
□ Möglichst geringer Widerstand
□ Homogene Stromverteilung
□ Komplexität beschränkt durch Herstellungsprozess / Kosten
Herstellungsverfahren für Gitter erklären?
Herstellungsverfahren:
■ Gravity Casting (Fall- oder Schwerkraftguss)
□ Zwei aneinander gepresste Gussformen; heutzutage mit Heiz- und Belüftungssystem
□ Bindemittel für ‚coating‘
□ Reingießen, aushärten, fertig!
□ Für Gitterplatten
□ Komplexe Bauformen möglich
■ Pressure-die casting (Druckgussverfahren)
□ Ähnlich wie gravity casting
□ Geschmolzenes Blei wird mit Druck in die Form gepresst □ Kühlt schnell aus
□ Es entstehen viele kleine Körner
□ Für lange Gitter; Panzerplattengitter
Welche Bauformen verschiedener Gittertypen gibt es ?
Gitterplatte
Panzerplatte
Großoberflächenplatte
Was ist das „Formation“ der Platten ?
■ Erster „Ladevorgang“ wird „Formation“ genannt
■ Erstmaliges Bilden der aktiven Materialien aus Bleioxiden und basischen Sulfaten
■ Heutzutage werden positive und negative Platten überwiegend gemeinsam formiert (die Zellen
befinden sich bereits im Zellen- oder Batteriegefäß)
■ Optional: Einzelformation
■ Elektrolyt wird eingefüllt
Wie ist die Wickel Technik für Blei Säure Batterien?
■ Extrem dünne Gitter und Pastierung
■ Elektroden durch Vlies-Separator getrennt
■ Separator nimmt Elektrolyt auf
■ Separatorkonstruktion erlaubt einen Zusammenbau in kompakter Bauweise und mit Druck auf die Aktivmassen
■ Sehr hohe Leistungsdichte, gute Zyklenlebensdauer bei „Partial State of Charge (PSOC)“ durch gleichmäßigen Anpressdruck
■ Wärmeableitung aus Wickel schwierig
Welche Arten von Alterung gibt es? Wovon sind die abhängig?
Kalendarische Alterung Abhängig von:
■ Ladespannung
■ Temperatur
Zyklische Alterung
Abhängig u.a. von:
■ Zyklenzahl DOD of cycle
■ Zyklentiefe
■ Stromstärke
■ Temperatur
Welche hauptalterungseffekte für Blei Säure Batterien gibt es?
Erosion
Sulfatierung
Korrosion
Wasserverlust
Erkläre die Erosionseffekt?
-Aktive Massen werden quasi durch mechanischen Stress auseinanderfallen. Denn bei der negativen Elektrode Blei wird ja Bleisulfat um und es hat 2,4 fache Volumen als das Blei, das verkleinert sich dann wiederum beim Aufladen wenn die Sulfat in Elektrolyten geht. -abgefallene Schwamm
-Verringerung des entnehmbaren Kapazität durch Verlust der Aktivmasse aufgrund der mechanischen Expansionsstress
▪ Passiert beim hohen DODs
▪ Mechanischer Stress durch Ausdehnung des Aktivmaterials
▪ Lösen von Aktivmaterial
▪ Verringerung der entnehmbaren Kapazität
▪ Irreversibler Prozess
Erkläre die Sulfatierung?
Idealerweise haben wir kleine BleiSulfatkristalle und diese haben eine große Oberfläche, sodass Sie schnell wieder beim Aufladen in die Blei und Sulfat auflösen.
Wenn Sie sehr groß werden haben sie eine sehr geringe Vehältniss zu Masse zu Oberfläche, sodass man sehr viel Zeit braucht um sie wiederauflösen zu können.
Verlorene Aktivmaterial- Blei aus Aktivmaterial sowie Sulfat
Spezialzyklen für reversibler Auflösen der Kristalle!
Obwohl Volumen bei Kristallen gleich sind, haben die großen die Kristalle doppelte Oberfläche sodass sie schnelle auflösen.
Beziehung Sulfatierung-Temperatur-Säurekonzentration
Löslichkeit steigt bei geringen
Säurekonzentrationen
Löslichkeit steigt mit steigender Temperatur
Achtung: Wir wollen bei Ruhezustand eine schlechte Lösclichkeit der Bleisulfatkristalle haben, beim Aufladen eine hohe Löslichkeit ist gut
Wozu führt die Säureschichtung?
Eine Batterie ohne Säureschichtung ist hat eine homogenen Elektrolyt-ideal Zustand
In Praxis mit flüssiger Elektrolyt kommt es zu Säureschichtung.
Beim Aufladen wird es ja von Bleisulfat und Wasser wieder Bleioxid Blei und H2SO4 also Schwefelsäure (konzentriert) gebaut (in den Poren der Aktivmasse). Sie hat eine höhere Dichte als Wasser und sinkt und wenn Sie von den Poren rausdringt sink sie und es kommt zu Säureschichten mit unterschiedlichen Dichten zustande.
Höhere Säuredichte bedeutet eine höheres Ruhepotenzial (unten) Strom fließt und lädt die obere Teil mehr auf.
Dies führt dazu im unteren Bereich wachsen die Kristalle immer mehr und mehr und es kommt zu Sulfatierung
Was ist Doppelsulftatheorie
Doppelsulfattheorie: Bildung von Bleisulfat an beiden Elektroden bei Entladung
o Verbrauch von Schwefelsäureelektrolyt (H2SO4) bei Entladung → Elektrolyt-Konzentration sinkt
Erkläre die Korrosionseffekt der Batterie? Wovon ist Sie abhängig?
Erhöhung des Innenwiederstands -> Es fehlt die Querschnitt des Blei, statt das haben wir schlcht leitende Oxide
Irreversibler Effekt
-Korrosion beschleunigt sich mit steigender Temperatur (ca. 10 K verdoppeln die Korrosionsrate)
-Korrosionsrate ist maximal bei kleinen Säurekonzentrationen und damit bei geringen Ladezuständen
-Korrosionsrate als Funktion des Potentials der positiven Elektrode und der Säurekonzentration.
-
Wie soll die Bleibatterie gelagert werden?
Am besten in vollgeladener Zusttand, denn
höhere Säurekonz. ->geringe Korrosion
Erkläre den Alterungseffekt den Wasserverlust.
In einer Nebenreaktion bildet sich von Wasser h2 und O2 sodass es durch Gasung von der Batterie weggeht.
Verdreifachung des Gasungsstormes pro 100mV Spannungserhöhung
Verdopplung bei 10K Erhöhung
Vor und Nachteile der Wasserverlust?
Ich kann die Batterie weieterladen, sodass die Zellen die noch nicht voll sind voll werden, dh Belisulfate werden zu Blei und Bleioxid und die Zellen die schon voll sind geht die Strom in die Nebenreaktionen und es wird durch Abspalten von Wasser konsumiert.
->Selbstregelnde System zur Zellenspannungsausgleichen
-> einfac Seriezellen zu betreiben
Durch Wasserverlust verlieren wir Ah Wirkungsgrad
Explosives Gemisch von Gasen
Was benötigen doie geschlossene Batterien und warum?
Batterien mit wässrigem Elektrolyten setzen bei Überladung erhebliche Mengen an Wasserstoff
und Sauerstoffgas frei
Batterieräume für geschlossene Batterien müssen eine ausreichende Lüftung zur Vermeidung von
kritischen Knallgaskonzentrationen haben
Geschlossene Batterien benötige eine regelmäßige Nachfüllung von entionisiertem Wasser zum
Ausgleich der Gasungsverluste
Was ist das besondere an der ventilgereglten Batterien?
Die Gase die bei der Überladung entstehen können verlassen die Batterie nicht sondern reagieren überwiegend zurück zu Wasser, sodass im Prinzip eine geschlossene Wasserkreislauf besteht.
Was ist die geschlossene Batterie?
in der geschlossenen Batterie kann die gebildeten Gasen austereten und der Wasserpegel sinkt
Was ist die verschlossene -ventilgeregelte Batterie?
Dabei nutzen wir Gel oder AGM Batterie und haben den Effekt dass der Gas nicht austritt, sondern Diffusion der Sauerstoff aus der positive Elektrode and die negative Elektrode und trifft da Wasserstoff und reagieren zusammen an der negativen Elektrode zum Wasser.
Deswegen Ventil, um nicht die Rekombinierte Druck auszulassen.
Erkläre die O2 Kreislauf bei verschlossenen Batterie.
Wir haben auf der positiven Elektrode die Zersetzung des Wassers auf die O2 und H+ Ionen und elektroden.
Auf der negativen Elektrode kommt es zu Sauserstoffreduktion und bilden sich wieder Wasser zurück.
nenne die Eigenschaften von verschlossener Batterien.
Geringere Ausgasung, dadurch geringe Anforderungen an die Belüftung der Batterieräume und längere Intervalle zwischen Wassernachfüllungen
Höhere Säurekonzentration -> führt zu erhöhten Ruhespannung-> erhöhtenSelbstentladung->erhöhten Korrosion
Lange Relaxationszahlen, weil die Ruhespannung erstd dann erreicht wird wenn alle Sauerstoff rekombinert ist, langsame Diffusiuon der Sauaerstoff
gute transportmöglichkeit
Energie wird bei der Rekombination frei, kann zu Thermalrunaway führen
Technologien für verschlossene Batterien ?
Zwei Technologien für verschlossene (Blei –)
Vlies Batterien: Elektrolyt wird in einem zwischen den Elektroden liegenden Vlies gebunden, kann
Lebensdauer durch Druck auf Aktivmassen verbessern.
Gel Batterien: Der Elektrolyt wird durch Zugabe von SiO 2 geliert.
„Thermal Runaway“ bei den Bleibatterien
„Thermal Runaway“ bedeutet eine sich selbstbeschleunigende Erhitzung der Batterie
Verschlossene Batterien sind besonders anfällig, da
-Durch geringe Elektrolytmenge ist die thermische Masse kleiner als bei geschlossenen Batterien ist - weniger Wasseranteile weniger Wärmekapasität-> höhere Temp
-Zugeführte Energie vollständig in der Zelle verbleibt, da keine Energie mit den Gasen abgeführt wird
TRA wird bei beschleunigt Konstantspannungsladung, weil
-Stromaufnahme steigt mit steigender Temperatur, denn Ionische Innenwiederstand sinkt
-Bei Konstant Spannung wird dann mehr Strom geliefert
-I^2 * R Verlust, I steigt quadratisch die Temp steigt weiter
Folge ist vor allem ein hoher Wasserverlust durch starke Ausgasung und damit auch Kapazitätsverlust.
**Austrocknen von Batterie
**
Thermal Runaway durch steigenden Strom zu bemerken
Bei den Bleibatterien die zum TR führen kann vollständig von Ladegerät
Bei LI-Ion kommt es ab einer Temp Wert Slebstzersetzung der positivewn Aktivmaterials, also es kommt hauptsäclich von der chemische Materialen von der Zelle, auch wenn ich Ladegerät abmache geht die TRA weiter- in Blei nicht
Vor
–& Nachteile der Vlies Batterien (AGM
absorbed glass mat
■
Günstiger Herstellungsprozess
■
Notwendige Technologie für Wickelzellen
■
Durch Vlies wird Druck auf die Aktiv massen
aufgebaut und der Kapazitätsverlust durch
Kontakt verlust der Massen verringert
■
Bessere Hochstromfestigkeit als bei Gel
Batterien
■
Nur in Batterien mit Gitterplatten einsetzbar.
Vor
–& Nachteile der Gel Batterien
Vorteile
* In Gitter- und Röhrchenplattenelektroden einsetzbar
* Hohe Bauformen möglich
* Gute Lebensdauer
* Gute Tiefentladefestigkeit
Nachteile
* Komplizierter Befüllungsprozess → höhere Kosten
* Begrenzte Hochstromfestigkeit
Welche Ladeverfahren gibt es für BleiSäure Batterie?
Konstantstrom Konstantspannung , IU Ladung
Konstantstrom Konstantspannung mit 2 Ladeendspannungsniveaus, IUU0 Ladnung
Konstantstrom Konstantspannung Konstantstrom mit begrenzter Lademenge oder begrenzter Ladezeit,
IUIa Ladung
Für welche Anwendungen ist eine BleiSäureBattrie ideal?
Bleibatterien sind eine nahezu ideale Technologie für stationäre stand by Anwendungen. Also bei weniger Zyklsierung.
(gravimetrische Energiedichte) Wie sieht die Wh/kg bei BS Batterie
gravimetrische Energiedichte 25Wh/kg
Bei Li-Ion ca. 250Wh/kg
Recycling bei der BleiSäure Batterien?
Hoher, wirtschaftlich betreibbarer Recyclinganteil.
Sehr hohen Teil kann recykliert werden.
die IUU0 Ladeverfahren bei Bleibatterien erklären
Dabei wird zunächst mit konst Strom (schnellladen) geladen und dann auf konst spannung gewechselt und Niveu ab gewissen Ladezustand verringert, damit die Effekte wie Korrosion oder Gasung nicht viel stattfinden unter hohen spannung und die Alterungsprozess beschleunigen.
Herstellung der Paste
Welche Expander in typischen Anwendungen werden addiert in die Paste? und warum Expander?
Expander um den „schwammigen Zustand“ dauerhaft aufrecht zu erhalten (gegen Verbleiung und Sulfatierung)
Organische Komponenten (gegen Verbleiung)
Feinkristallines Graphit (bessere Leitfähigkeit)
Bariumsulfat (BaSO 4 ) (gegen Sulfatierung)
Beschleunigte Sulfatierung durch erhöhte Löslichkeit der Pb 2+ Ionen in
Schwefelsäure
Hohe Löslichkeit der Pb 2+ Ionen führt zum
……
Löslichkeit steigt bei geringen
…..
Löslichkeit steigt mit steigender ……
mit ….. Ladezustand steigt die Lösclihkeit, denn die ….. sinkt
Hohe Löslichkeit der Pb 2+ Ionen führt zum
Wachstum der Sulfatkristalle
Löslichkeit steigt bei geringen
Säurekonzentrationen
Löslichkeit steigt mit steigender Temperatur
mit abnehmender Ladezustand steigt die Lösclihkeit, denn die Säurekonzentration sinkt.
Auswirkung der Säureschictung beschrieben
Durch die Säureschichtung werden die unetere Teil der batterie eine hohe Konzentration an Säure haben und somit auch eine hohe Ruhespannung, sodass sie beimn Aufladewn weniger Strombek0ommt und beim entladen mehr abgibt soddass es zur Sulfatierung kommt, da die Sulfatkristalle sich nicht gut auflösen können und die Ah Bilanz der untere Schicht somit sinkt. (Kapasität sinkt)
Korrosion ist abhängig von:
Abhängig von Legierung, Gussbedingungen, Temperatur, Potential,
Zyklenprofil und Säurekonzentration
Zersetzung des Wassers kommt bei der ….. Elektorde vor. Denn da haben wir ddie Spannung, die größer als Wasserzersetzungspannung liegt um die 1, 23V. Der heißt dann auch …. an Kathode
An der negativen Elektrode kommt zur …. 4H+ + e-
Positiven
Wasserstoffbildung
Gasungsreaktion in der geschlossenen Blei-Säure-Batterie
Zersetzung des Wassers kommt bei der ….. Elektorde vor. Denn da haben wir ddie Spannung, die größer als Wasserzersetzungspannung liegt um die 1, 23V. Der heißt dann auch …. an Kathode
An der negativen Elektrode kommt zur …. 4H+ + e-
Positiven
Sauerstoffentwicklung
Wasserstoffbildung
- Gasungsrate ….. sich bei Spannungserhöhung von 100 mV → auf Zell- nicht Packebene!
- Gasungsrate ….. sich bei Temperaturerhöhung von 10 K
verdreifacht
verdoppelt
Kreislauf bei verschlossenen Zellen erfolgt über die ….., sodass Sie in der Zelle bleibt und …. entweicht über Ventil
Durch die Poren des Gels oder des Vlies wird Transport von .,…. möglich …..
(Effektivität nahezu 100%)
….., der an der …… Elektrode entsteht und das Gleichgewicht zum
Korrosionsstrom der positiven Platte darstellt, entweicht über das Ventil
Kreislauf bei verschlossenen Zellen erfolgt über die Sauerstoff, sodass Sie in der Zelle bleibt und Wasserstoff entweicht über Ventil
O2
Wasserstoff, der an der negativen Elektrode entsteht und das Gleichgewicht zum
Korrosionsstrom der positiven Platte darstellt, entweicht über das Ventil
Kreislauf bei verschlossenen Zellen erfolgt über die ….., sodass Sie in der Zelle bleibt und …. entweicht über Ventil
Durch die Poren des Gels oder des Vlies wird Transport von .,…. möglich …..
(Effektivität nahezu 100%)
….., der an der …… Elektrode entsteht und das Gleichgewicht zum
Korrosionsstrom der positiven Platte darstellt, entweicht über das Ventil
Kreislauf bei verschlossenen Zellen erfolgt über die Sauerstoff, sodass Sie in der Zelle bleibt und Wasserstoff entweicht über Ventil
O2
Wasserstoff, der an der negativen Elektrode entsteht und das Gleichgewicht zum
Korrosionsstrom der positiven Platte darstellt, entweicht über das Ventil
geschlossen versus verschlossen, wann welche zu benutzen?
C:\Users\engin\OneDrive - Students RWTH Aachen University\RWTH\WS_22-23\Batteriespeicher\VL\Geschlossen vs. verschlsossen.png
Entnehmbare Kapazität als Funktion der Temp. bei unterschiedlichen
Entladeratern.
Kapazität nimmt um ca. 0,6% / K ab bei abnehmender Temperatur
Auch bei einem zunehmenden Stromstärke bzw. C Rate sinkt die Kapasität
s
Warum gibt es die Spannungssack
Steigung der Sulfationenkonzentration zu Beginn, die sich ein EFeld aufbauen, bevor sie Kristallebauen.
