Dieser Artikel gehört zur Kategorie Wissen, Elektronik

Der Blei-Akku: Aufbau, Ladevorgang, Lebensdauer und technische Daten

Nicht nur für unsere Solaranlage gibt es verschiedene Akkus. Im ganzen Haushalt verwenden wir viele verschiedene Akkutechnologien. In diesem Beitrag geht es um die wohl wichtigste und meistgenutzte Technologie, dem Bleiakkumulator. Schauen wir uns den Aufbau, Lebensdauer uem an.

Die meisten nutzen in ihrer Solaranlage Bleiakkus. Dabei gibt es Unterschiede zwischen Kfz-Starterbatterien und zyklenfeste Solarakkus. Darauf gehe ich genauer in diesem Artikel ein. Ebenso etwas zum Aufbau, dem Ladevorgang, Lebensdauer Erhöhung und den technischen Daten. Auch zeige ich, welche technischen Weiterentwicklungen es zum Säureakku gibt.

Inhaltsverzeichnis:

Typen und Aufbau eines Bleiakkumulators

Egal ob das Elektrolyt flüssig ist, in Gelform oder in Vliesmatten. Der Aufbau ist bei den meisten Akkus der gleiche.

Alle einzelnen Zellen sind in Serie (Reihenschaltung - Reihenschaltung und Parallelschaltung) geschaltet. Die Anzahl der Zellen bestimmt dann die Spannung des Akkus. Ein 6V Akku hat 3 Zellen. Für einen 12V Akku werden 6 Zellen benötigt.

Ein Isolator, der die Batteriesäure von den Bleiplatten trennt, lässt nur den Ionenfluss zu. Aber nicht jeder Akkumulator besitzt einen Isolator.

Die drei häufigsten Blei-Akkus sind Blei-Vlies, Blei-Gel und Blei-Säure Akkus. Letztere Blei-Säure Akkus müssen gewartet werden: Auffüllen von destilliertem Wasser. Ebenfalls sind diese unempfindlicher bei Gasung - Blei-Vlies und Blei-Gel sind wartungsfrei und oft führt Gasung zur Zerstörung des Akkus. Dazu mehr weiter unten.

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Im nachfolgenden Bild wird der Aufbau vereinfacht dargestellt.

Bleiakku: vereinfachter Aufbau Querschnitt eines 3-zelligen Bleiakkus. Je Zelle ca. 1,5 Volt = 6V Akku. Die Kapazität hängt u.a. von der Größe, dem verwendeten Material (Blei) und des Elektrolyts ab. © Wohnen-Heimwerken.de

Bleiakku: vereinfachter Aufbau
Querschnitt eines 3-zelligen Bleiakkus. Je Zelle ca. 1,5 Volt = 6V Akku. Die Kapazität hängt u.a. von der Größe, dem verwendeten Material (Blei) und des Elektrolyts ab.

Kapazität eines Bleiakkus

Wie du sicher bereits bemerkt hast, ist die Kapazität von der Größe abhängig. Die Kapazität kann hingegen trotzdem noch je nach Bautyp variieren. Dies hängt auch vom verwendeten Material und dem Elektrolyt ab.

Die volle Kapazität eines Akkus wirst du nie nutzen können, da die Spannung immer weiter sinkt. Verschiedene Geräte funktionieren dann nicht mehr. Geht es in Richtung Tiefentladung, bei Blei-Säure Akkus fängt diese Tiefentladung ab 10,5 bis 11,8V in der Regel an (bei 12V Akkus). Der Akku kann bei tiefer Entladung beschädigt werden - die Bleiplatten nehmen dann oft Schaden. Ebenso gibt es die Sulfatierung. Weiter unten zeige ich Gegenmaßnahmen.

Verschiedene Akkutypen mit integrierten Schaltkreisen, haben ein Tiefentladeschutz. Z.b. gesicherte Lithium-Ionen Akkus, aber auch der Solarladeregler hat oft einen Tiefentladeschutz.

Wir können im Schnitt rund 30 bis 50 Prozent des (zyklenfesten) Akkus entladen, insofern er komplett voll ist. Zwar könnte man tiefer entladen, das jedoch wirkt sich extrem auf die Lebensdauer aus. Für unsere Solaranlagen sollten wir daher eine Überdimensionierung der Akkukapazitäten einkalkulieren. Die Lebensdauer verlängert sich, wenn der Akku möglichst immer vollgehalten wird. Zu jedem Akku gibt es auch ein Datenblatt, welches die mögliche Zyklenanzahl in Abhängigkeit der Entladetiefe (DOD) erläutert.


Gründe für eine Tiefentladung:
  • Akku wurde lange nicht mehr aufgeladen
  • Ende der Lebensdauer
  • Kurzschluss oder Zellenkurzschluss
  • Direkt angeschlossene Verbraucher ohne Tiefentladeschutz
  • Defekt des Ladegerätes
  • erhöhter Zelleninnenwiderstand durch Korrosion/Sulfatierung
.. um nur einige zu nennen.

Und auch das Training von Akkus ist möglich. Verschiedene Geräte helfen dabei, Ablagerungen (Sulfatierung) an den Platten zu lösen und den Akku in Sachen Kapazität und Power, fit zu bekommen.
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Dazu gab es bereits einen Artikel: Lebensdauer von Nassbatterien verlängern

Höhe der Spannung und die Kapazität

Ein kleines Diagramm was dir zeigt, bei welcher Spannung die Akkukapazität ist. Denn bei der Akkuspannung können etwaige Rückschlüsse auf die Restkapazität gezogen werden.

Bleinassakku (engl.: Sealed Lead Acid / Flooded Lead Acid Battery):
100% bei 12,70+ Volt
75% bei 12,40 Volt
50% bei 12,20 Volt
25% bei 12,00 Volt
0% bei 11,80 Volt

Gel Akku (engl.: Gel battery)
100% bei 12,85+ Volt
75% bei 12,65 Volt
50% bei 12,35 Volt
25% bei 12,00 Volt
0% bei 11,80 Volt

AGM Akku (engl.: AGM battery)
100% bei 12,80+ Volt
75% bei 12,60 Volt
50% bei 12,30 Volt
25% bei 12,00 Volt
0% bei 11,80 Volt

Laden und Entladen, Gasen und Spannung

Für jeden Akkutyp gibt es die passenden Ladegeräte oder Laderegler. Wichtig ist auch die Auswahl der passenden/richtigen Ladekennlinie. Darüber gab es bereits einen Artikel: Ladekennlinien, Akkus richtig aufladen

Bei jedem Akku gibt es eine Ladeschlussspannung und ein Ladestrom. Oft ist dies im Datenblatt des jeweiligen Akkus ersichtlich.
Insbesondere Blei-Akkus ziehen im entladenen Zustand sehr viel Strom und er wird geringer, wenn der Akkus voll wird. Ein sehr kleiner Ladestrom deutet darauf hin, dass der Akku voll ist. Am Ende fließt nur noch soviel Strom (Strom = Ampere), wie die Selbstentladung ist. Wichtig hierbei ist aber die richtige Ladeschlussspannung. Ist die Spannung beim laden (wenn er (fast) voll ist) zu hoch, wird der Akku zu kochen beginnen. Man spricht hierbei vom gasen.
Billige Ladegeräte, die mit einer hohen Spannung pulsen, können bei Blei-Vlies oder Blei-Gel schon wärend des ladens ein Gasen auslösen. Hier lieber ein Prozessorgesteuertes, hochwertiges Ladegerät nutzen. Das hilft vor allem bei der Verlängerung der Lebensdauer.

Wartungsfreie Akkus wie Blei-Gel oder Blei-Vlies, haben oftmals nicht die Möglichkeit zum auffüllen von destilliertem Wasser. Bei einigen geht dies aber - ein gasen sollte trotzdem vermieden werden. Bei Blei-Säure ist dies nicht so problematisch, da hier nachgefüllt werden kann und muss.
Bei der Gasung bildet sich Wasserstoff und Sauerstoff, da eine Elektrolyse stattfindet (Herstellung von Wasserstoff). Akkus sollten daher entweder mit geöffneten Fenster geladen werden, oder gleich draußen.
Und dem Blei-Säure Akku kommt das Gasen sogar zugute. Die Säure mischt sich dadurch und die Säureschichtung wird vermieden (Sulfatierung ebenfalls geringer).

Fülle auf keinen Fall Batteriesäure (Schwefelsäure) nach, sondern nur Destilliertes oder Ionisiertes Wasser nach. Die manchmal mitgelieferte Batteriesäure ist nur für trocken vorgeladene Nassakkus zum erstmaligen beleben gedacht.


Sicherheit beim laden
Bei einigen meiner Kollegen der Solaranlagen-Fanatiker, habe ich Blei-Säure Akkus in Kellern, Wohnung oder Schränken gesehen. Wenn hier keine ordentliche Lüftung stattfindet, entsteht Knallgas / Wasserstoff. Tipp: nehm dies bitte ernst und schaue dir die Sicherheitsbestimmungen im Datenblatt von Ladegeräten und des jeweiligen Akkus an. Wikipedia ist auch eine gute Quelle um nachzublättern.


Ladeschlussspannungen und Stromstärke:
Auf einigen Akkus ist ein Datenblatt aufgedruckt oder beigelegt. Diese zeigen, mit wie viel Strom und Spannung du laden darfst. Anbei nochmal der Hinweis zum Artikel der Ladekennlinie (Stichwort Gleichstromladung).

Bei einigen Dingen stimme ich mit der Wikipedia überein - also warum abschreiben. Lies hier mehr zum Ladeverfahren und Ladeschlussspannung.


Kleine Tabelle mit Ladeschlussspannung von Akkus:
  • NiCd, NiMH Akku: Ladeschlussspannung bei 1,45V
  • LiIon Akku (4,2V): Ladeschlussspannung bei 4,1 bis 4,2V
  • Blei-Säure Akku: Ladeschlussspannung bei 2,42V pro Zelle
  • --> 12V Blei-Säure Akku: Ladeschlussspannung bei 14,52V
  • --> 6V Blei-Säure Akku: Ladeschlussspannung bei 7,26V
Blei-Gel und Blei-Vlies sollten etwas darunter bleiben, um das Gasen zu vermeiden. 14,4V für ein 12V Blei-Gel oder -Vlies Akku sollten nicht überschritten werden.

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Und auch der Ladestrom (in Ampere) sollte nicht zu hoch ausfallen, da es die Bleiplatten schadet. Im schlimmsten Fall entsteht ein Zellenkurzschluss und damit die permanente Entladung der jeweiligen Zelle. Bei Vlies oder Gel Akkus kann das zwar nicht passieren, aber auch hier werden die Bleiplatten angegriffen.

Meide also Schnellladegeräte, die mit hohen Strömen laden. Lieber mit einem geringen Strom laden. Beispielsweise sollte mit 1/20 bis 1/10 (ein zehntel) der Kapazitätsangabe geladen werden. Für einen 7,2AH Akku also mit 360mA bis 720mA. Die Anweisungen des Herstellers haben trotzdem vorrang und oft findest du im Internet auch gut dokumentierte PDF Dateien des Herstellers zu einem Akku.

Bevor wir zum Ende kommen, hier noch den neusten Online Rechner von mir zum Thema Ladezeit von Akkus berechnen:
Ladezeit von Akkus berechnen - Online


So lade ich meine Blei-Akkus:
Dies ist kein Tipp, sondern meine Vorgehensweise.
Leere Akkus lade ich mit etwas erhöhte Spannung (ca. 10-20%) wie die Ladeschlussspannung sein sollte. Aber auch nur so lang, bis ein Teil des Akkus aufgeladen wurde. Danach wechsel ich zur Ladeschlussspannung - also der Spannung, die der volle Akku haben soll.
Das realisiere ich mit meinem selbstgebauten Ladegerät und lade damit auch verschiedene andere Batterien wie Zink-Kohle, NiMh,...
Der Vorteil ist, dass schneller geladen werden kann. Ähnliches Prinzip verwenden auch andere Ladegeräte. Die Hochstromladung perfektionieren neue Smartphones mit Schnellladefunktion für LiIon Akkus, z.b. statt 5V werden 20V angelegt. Aber, bitte nicht nachmachen, sondern einem Ladegerät überlassen!

Aus meinem Versuchslabor .. und aus dem Nähkästchen geplaudert

Vor einiger Zeit habe ich mich genauer mit verschiedenen Akkus und Batterien beschäftigt. Gern wollte ich einen eigenen Akku für meine kleine Solaranlage bauen und falls es klappt, auch fürs E-Bike.

Neben verschiedenen Materialien für Anode und Kathode, versuchte ich verschiedene Elektrolyte. Schwefelsäure, Alaun, Zucker, Salzwasser, Erde/Wasser und vieles andere mehr. Einiges sah Anfangs gut aus, aber entweder zerstörte es den Minuspol (Zersetzung) oder die Selbstentladung war sehr hoch.
Nicht erstaunt sollte man im Bastelzimmer sein, wenn ein guter Versuch nicht reproduzierbar ist. Es muss äußerst genau gearbeitet werden und verlangt auch etwas Geld für die Materialien.

Alle Versuche habe ich fürs Erste auf Eis gelegt. Zwei Projekte hingegen laufen gerade noch:
  • selbstgebauter Akku mit 18 Zellen, Blei Polen und Schwefelsäure (15V-28V schwankend), Zellen mit Toilettenpapier ausgelegt
  • umgerüstete Moped-Batterie mit 6 Zellen und Alaun-Kristall Säure (12V)
Beide Projekte halten ihr Potential und gerade der Alaun Akku scheint sich selbst immer etwas wie von Zauberhand nachzuladen, wenn er paar Tage nicht genutzt wird. Außerdem gibt es in dem Alaun-Mopedakku extremes Kristallwachstum. Seit Oktober 2017 bis heute Juni 2018 versorgt dieser ein Radio.

Ein Tipp: An den Bleiplatten muss sich eine Oxidschicht bilden. D.h. stelle ein Versuch nicht gleich ein, sondern lade den selbstgebauten Akku lange und oft. Erst dann kannst du ein richtiges Fazit ziehen. Auch gut bewährt hat sich ein kleiner, über mehrere Tage anliegender Strom. Z.b. 50mA pro Zelle. Auch kannst du dich über Joule Thiefs, Bedini und Re-EMF Charger im Internet erkundigen.

Falls du auch etwas versucht hast, schreib deine Erfahrungen in die Kommentare!

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Bisherige Kommentare:

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Marcus am 24.10.2018
Hallo Alex,
Super, dass du selbst baust und testest. Welche Materialien hast du denn genommen? Bei meinem (Blei-) Alaun Akku gibt es nach dem laden zwar eine Selbstentladung, wie bei jedem anderen auch, diese pegelt sich aber ein. Bei ca. 7Volt hängt dann die Spannung und wenn man nicht zu viel entnimmt, denn dann bricht die Spannung total ein, läd der Akku sich selbst wieder auf.
In meiner Garage ist dieser Akku an einer 12V LED Kette, die ca. 1A bei 7V zieht, nun locker 6 Wochen Tag und Nacht angesteckt. Die Spannung scheint nicht tiefer als 6 Volt zu sinken. Einen Tag mal abgeklemmt, ist für die nächsten Tage wieder ausreichend Saft vorhanden - ohne nachladen.

Gute Resultate waren auch Zink-Eisen Akkus. Zwischen der Zink- und Eisenplatte etwas Tolilettenpapier und als Elektrolyt Wasser oder Kalilauge.
Alex am 24.10.2018
Danke für Deine Interessante beiträge....
Ich Arbeite grade auch an einem Bleiakku marke Eigenbau ; natürlich im Kleinformat....
Das Problem mit der Selbstentladung kennst Du sicherlich,...
Wie hast Du das gelöst? Komme da nicht voran.... Hättest Du ein paar tips?
Gruß
ADMIN EDIT: eMail-Adresse im Kommentar entfernt