Blei-Säure-Batterien

Abkürzungen: Blei-Batterien, Pb-Batterien

Blei-Säure-Batterien haben mit rund 90 Prozent den größten Anteil am weltweiten Batteriemarkt. Insgesamt 478,09 GWh wurden im Jahr 2014 nachgefragt. Und Analysten gehen davon aus, dass der weltweite Bedarf weiterhin steigen wird – um etwa zwei bis drei Prozent jährlich.^1,2

Die Blei-Säure-Batterie gehört zu den ältesten sekundären Batteriesystemen überhaupt. Sie ist bereits seit Mitte des 19. Jahrhunderts bekannt.

Aufbau

In Blei-Säure-Batterien unterscheidet man bei den Anoden sogenannte Großoberflächen-, Gitter- oder Panzerplatten, deren Oberflächen so gestaltet sind, dass sie möglichst viel Bleidioxid (chemische Formel PbO₂) tragen können. Als Kathoden werden Kastenplatten oder Gitterplatten eingesetzt, in deren Maschen sich das Blei ablagern kann. Für wartungsarme Blei-Säure-Batterien werden Blei-Calcium-Zinn-Legierungen verwendet. Da bei der Aufladung an der Kathoden-Platte Blei in nahezu glatter Form mit wenig aktiver Oberfläche durch fast vollständiges Fehlen von Porosität entstehen würde, sind der aktiven Masse sogenannte Expander zugesetzt. Das sind organische und/oder anorganische Moleküle wie Lignin, Russ oder Bariumsulfat, die auf der Bleioberfläche adsorbieren und für eine geeignete Porösität und und deren Stabilisierung bei der Zyklisierung sorgen.

Zur Vermeidung von Kurzschlüssen müssen zwischen den Platten sogenannte Separatoren eingebaut sein, die heute aus speziellen mikroporösen Kunststoffscheidern bestehen.

Bauarten

Es existieren in erster Linie zwei Bauarten:

• offene Zellen: Dieser Typ ist mit verdünnter Schwefelsäure gefüllt. Er wird mit einem Verschlussstopfen geschlossen, den man öffnen kann, um regelmäßig Wasser nachzufüllen. Diese Batterien dürfen nur aufrecht betrieben werden, da sonst ätzende Säure auslaufen könnte.
• verschlossene Zellen (wartungsfreie Zellen): Diese Zellen enthalten ein Überdruckventil, welches erhöhten Betriebsdrücken standhält und nicht geöffnet werden kann. Der Elektrolyt wird dabei entweder in einem Gelkissen (Blei-Gel-Batterie) oder in ein Vlies (AGM-Batterie) eingebunden. Blei-Säure-Batterien mit der Vlies-Technologie nehmen mittlerweile die bedeutendere Marktstellung ein.

chemische Reaktion

In einer Blei-Säure-Batterie in der gebräuchlichsten Form reagieren Blei und Bleidioxid mit Schwefelsäure zu Bleisulfat, wenn sie entladen wird.

Bei der Entladung wird an der Anode vierwertiges Blei (aus Bleidioxid) in zweiwertiges umgewandelt, während an der Kathode Blei in zweiwertige Blei-Ionen übergeht. Der Entladungsvorgang ist nur möglich, weil das Blei durch das Auftreten einer Überspannung daran gehindert wird, sich unter Wasserstoff-Entwicklung in der Säure aufzulösen, wie sein negatives Standardpotential erwarten ließe. Deshalb ist auch nur sehr reines Blei als Elektrodenmaterial verwendbar.

Eigenschaften

Hohe Lebensdauern sind für Blei-Säure-Batterien möglich, insbesondere im Erhaltungsladungsbetrieb. Allerdings tritt mit der Zeit ein Verschleiß der Elektroden auf. Abhilfe schaffen hier sogenannte Blei-Gel-Batterien, in denen die verdünnte Schwefelsäure in einem dickflüssigen Gel gebunden wird. Die typischen Alterungserscheinungen können so aber auch nicht komplett vermieden werden, sodass Blei-Gel-Batterien mit rund 15 Jahren auch nur eine etwas längere Lebensdauer als Blei-Säure-Batterien besitzen. Der Verschleiß in Lithium-Ionen-Batterien ist wesentlich geringer, weshalb diese Batterietypen auch eine deutlich längere Nutzungsdauer aufweisen.

Vorteile

• hohe Zellspannung von etwa 2 V
• kann hohe Stromstärken in sehr kurzer Zeit liefern, weshalb Blei-Säure-Batterien häufig in Autos als Starter-Batterien eingesetzt werden
• hohe Sicherheit auch bei falscher Anwendung
• kein Memory-Effekt, kann also unabhängig vom Entladezustand immer wieder geladen werden.
• sehr robuster, kostengünstiger Batterietyp mit geringen Wartungskosten
• Technologie ist seit sehr langer Zeit im Einsatz. Es lässt sich deshalb recht genau planen, wieviel Strom zu welchen Kosten gespeichert werden kann. Derart lange Referenzzeiträume gibt es für junge Technologien wie Lithium-Ionen-Batterien nicht.
• Recycling einfach möglich

Nachteile

• geringe Energiedichte: Blei-Säure-Batterien sind bei gleicher Kapazität ungefähr viermal schwerer und deutlich größer als Lithium-Ionen-Batterien
• relativ schnelle Selbstentladung: je nach Batterietyp und Alter kann diese bei Temperaturen von 20 °C bis zu 30 Prozent pro Monat betragen. Dieser Effekt verstärkt sich mit steigender Temperatur. Die monatliche Selbstentladung liegt bei offenen Blei-Säure-Batterien bei etwa 5 bis 10 Prozent und bei Gel-Batterien bei etwa 3 bis 5 Prozent.
• schlechte Lagerfähigkeit: Blei-Säure-Batterien sind nicht gut für eine Lagerung geeignet – zumindest nicht ohne eine ständige Wartung und regelmäßiges Nachladen. Vor allem dürfen sie nicht lange entladen gelagert werden, sonst laufen im Inneren chemische Reaktionen ab, welche die Batterien dauerhaft zerstören.
• müssen in Räumen mit guter Belüftung untergebracht werden, da beim Laden kleinere Gasmengen entstehen, die sich in geschossenen Räumen sammeln und explodieren können
• enthalten das giftige und umweltschädliche Schwermetall Blei. Ein Recycling ist aber zu einem sehr großen Teil möglich und gut organisiert.

Anwendungen

Die wichtigsten Anwendungsmärkte für Blei-Säure-Batterien sind:

• Starter-Batterien (Automobile und Motorräder)
• Traktionsbatterien (E-Fahrräder und E-Dreiräder, langsame Elektrofahrzeuge wie Gabelstapler, automatische Transferfahrzeuge, elektrische Spezialfahrzeuge), wobei Blei-Säure-Batterien in diesen Bereichen zunehmend Konkurrenz durch Lithium-Ionen-Batterien erfahren (werden)
• unterbrechungsfreie Stromversorgung im Telekommunikations- und anderen Bereichen

Recycling

Schwermetalle wie Blei können gesundheitsschädigende Wirkungen auf Menschen, Tiere und Pflanzen haben und sich in der Nahrungskette sowie in der Umwelt anreichern. Gelangen sie etwa in Gewässer und reichern sich in Fischen an, können die Schwermetalle auf indirektem Weg über die Nahrungskette in den menschlichen Körper gelangen. Blei kann auf verschiedene Organe und das zentrale Nervensystem schädigend wirken. Es lagert sich in den Knochen ab und kann biochemische Prozesse im Körper stören. Auf Wasserorganismen wirkt es ebenfalls hochgiftig.

Blei darf in Batterien verwendet werden. Diese müssen, soweit sie mehr als 0,004 Gewichtsprozent Blei enthalten, mit dem Symbol „Pb“ (lateinisch Plumbum „Blei“) gekennzeichnet sein, damit Verbraucher sie als schwermetallhaltig erkennen können. Darüber hinaus sind Blei-Säure-Batterien grundsätzlich mit dem Symbol der durchgestrichenen Mülltonne gekennzeichnet, welches anzeigt, dass sie nicht in den Hausmüll geworfen werden dürfen, sondern entsorgt werden müssen.

Je nach Recyclingverfahren werden mehr oder weniger Inhaltsstoffe verwertet. Das Blei wird in jedem Fall recycelt und kann wieder zur Batterieherstellung verwendet werden. Die Batterien können direkt in einem Schmelzofen verwertet werden, wie dies mit vielen Fahrzeugbatterien und Kleinbleibatterien praktiziert wird. So wird mittlerweile schon der Großteil der Bleiproduktion in der EU durch das Recycling – vorwiegend aus Batterien – gedeckt. In anderen Verfahren kann auch der Großteil der verbleibenden Materialien recycelt werden, also Polypropylen, Schwefelsäure, Sulfate und weitere Kunststofffraktionen.

Erstmalig wurden im Jahr 2014 die Effizienzen der Recyclingverfahren für Altbatterien nach der Methodik der Recyclingeffizienzverordnung (EU) 493/2012 berechnet. Im Jahr 2016 lag der Wert für die Recyclingverfahren von Blei-Säure-Batterien bei durchschnittlich 84,7 Prozent ermittelt. Die Effizienz eines Recyclingverfahrens erhält man, indem die Masse der zurückgewonnenen Sekundärrohstoffe ins Verhältnis setzt zu der Masse der Altbatterien, die diesem Verfahren zugeführt wurde.³

Besonderheit „Fahrzeugbatterien“: Im Gegensatz zu den Gerätebatterien gibt es für Fahrzeugbatterien (Starterbatterien) eine Pfandpflicht. Um möglichst viele der bleihaltigen Batterien zurückzuführen, ist die Ausgabe dann pfandpflichtig (7,50 Euro), wenn bei einem Neukauf keine Altbatterie zurückgegeben wird. Für Fahrzeugbatterien, die in Fahrzeugen eingebaut sind und an Endnutzer abgegeben werden, entfällt die Pfandpflicht.

Literatur

1. Pillot, C., Lithium-Ion Battery Market: Expansion Beyond Consumer and Automotive, AABC 2015, January 26-29, Mainz
2. RnR Market Research, Lead Acid Battery Industry 2018-2021 Forecasts in New Market Research Reports, Mitteilung auf PR Newswire, 24.02.2016; Online (jüngster Zugriff 25.05.2018)
3. Umweltbundesamt, Hrsg., Altbatterien, Mitteilung vom 24.11.2017, Umweltbundesamt: Dessau-Roßlau (2017); Online (jüngster Zugriff 25.05.2018)

• GRS Batterien, Hrsg., Die Welt der Batterien, Funktion, Systeme, Entsorgung, 3. überarb. Auflage; Stiftung Gemeinsames Rücknahmesystem Batterien: Hamburg (2012)
• Holze, R.; Ensinger, W., Roempp – Stichwort Akkumulatoren, Georg Thieme Verlag KG: Stuttgart (2012); Online (jüngster Zugriff: 25.05.2018)