Funktion der Autobatterie

Wie funktioniert eine Autobatterie und wie ist sie aufgebaut?

Die traditionelle Funktion der Batterie im Motorraum ist hinlänglich bekannt: Ohne die Batterie kann das Fahrzeug nicht gestartet werden. Neben dem Anlasser benötigen auch die Zündkerzen, Glühkerzen, Lichter und elektronische Anwendungen elektrische Energie. Aber wie ist eine Batterie aufgebaut und wie funktioniert sie?

Blei-Säure-Batterien: Komponenten und Aufbau

Viele Autofahrer werden sich beim Kauf einer neuen Autobatterie des hohen Gewichts bewusst. Gewichte von etwa 10,5 kg bis zu 30 kg sind möglich. Der Grund dafür sind die Bleiplatten in den Batteriezellen.

Bestandteile und Aufbau einer Batteriezelle

Positive Elektrode:

• Positive Platte: In einer Blei-Säure-Batterie besteht die positiv geladene Platte (aktives Material) aus Bleioxid (PbO₂), das in einen Elektrolyten eingetaucht ist.
• Positivgitter: Das positive Gitter besteht aus einer Bleilegierung und wird zur Aufnahme des aktiven Materials und als Stromkollektor verwendet.

Negative Elektrode:

• Negative Platte: Die negativ geladene Platte (aktives Material) besteht aus reinem Blei (Pb), das ebenfalls in einen Elektrolyten getaucht ist.
• Negative Platte: Wie die positive Platte besteht auch diese aus einer Bleilegierung und dient dem gleichen Zweck.
  

Die unterschiedlich geladenen Elektroden sind durch einen Trennsack getrennt.

Der Elektrolyt ist ein Gemisch aus Schwefelsäure (H₂SO₄) und destilliertem Wasser. Dieser Elektrolyt kann in flüssiger Form (wie in herkömmlichen Nassbatterien oder in der verbesserten EFB-Technologie), in Gelform oder in einer Glasmatte gebunden sein (wie in der AGM-Technologie für neuere Start-Stopp-Anwendungen).

Mehrere positive Elektroden bilden einen positiven Plattensatz und mehrere negative Elektroden bilden einen negativen Plattensatz. Ein negativer und ein positiver Plattensatz bilden zusammen einen Plattenblock. Ein Plattenblock ist eine Batteriezelle.

Eine herkömmliche Starterbatterie besteht aus 6 in Reihe geschalteten Zellen mit einer Nennspannung von jeweils 2 V, wodurch sich bei voller Ladung eine Spannung von genau 12,72 V ergibt. Die Kapazität und die Kaltstartfähigkeit der Batterie ergibt sich aus der Anzahl der Platten pro Zelle.

Faustregel: Je mehr Platten eine Zelle enthält und damit eine größere Oberfläche bildet, desto größer ist die Kaltstartleistung (CCA), die die Batterie liefern kann. Wird der Platz in der Zelle jedoch für weniger, dafür aber dickere Platten genutzt, erhöht sich die Zyklenstabilität. Das bedeutet, dass die Batterie für einen höheren Ladedurchsatz (kontinuierlicher Lade- und Entladevorgang) ausgelegt ist.

Die Zellen befinden sich in einem Gehäuse aus säurebeständigem Kunststoff (Polypropylen). Bei einer herkömmlichen SLI-Batterie ist diese durch einen Deckel mit einem Labyrinthsystem verschlossen, das das Austreten der Batterieflüssigkeit verhindert und die Flüssigkeit von den Gasen trennt.

Frühe Batterien hatten Schraubverschlüsse, mit denen sie mit destilliertem Wasser nachgefüllt werden konnten. Moderne Batterien sind völlig wartungsfrei. Das Wasser muss und darf nicht nachgefüllt werden. Obwohl AGM-Batterien noch Einwegstecker haben, dürfen diese unter keinen Umständen geöffnet werden.

Autobatterie-Funktion: Chemische Energie wird zu elektrischer Energie

Eine Autobatterie speichert Energie in chemischer Form und wandelt sie in elektrische Energie um. Bei diesem elektrochemischen Prozess reagieren vier Stoffe miteinander:

• Wasserstoff (H)
• Sauerstoff (O₂)
• Blei (Pb)
• Schwefel (S)

Das Anschließen eines externen Verbrauchers setzt die chemische Reaktion in der Batterie in Gang:

• Der Elektrolyt, ein Gemisch aus Schwefelsäure (H₂SO₄) und destilliertem Wasser, zerfällt in positiv geladene Wasserstoff-Ionen (H⁺) und negativ geladene Sulfat-Ionen (SO₄^2-).
• Gleichzeitig wandern Elektronen (2e^–) von der negativen zur positiven Elektrode über den externen Verbraucher.
• Um diesen Elektronenfluss zu kompensieren, wandern Sulfat-Ionen aus dem Elektrolyten in die negative Elektrode, wo sie mit dem Blei (Pb) zu Bleisulfat (PbSO₄) reagieren.
• Bleisulfat entsteht auch in der positiven Elektrode: Die Bindung des Sauerstoffs (O₂) im Bleioxid (PbO₂) wird durch die Übertragung von Elektronen aufgebrochen und der Sauerstoff geht in den Elektrolyten über. Das verbleibende Blei (Pb) verbindet sich mit dem Sulfat (SO₄) des Elektrolyten.
• Dort verbindet sich der Sauerstoff mit dem Wasserstoff zu Wasser (H₂O). Da die Schwefelsäure durch die Bildung von Bleisulfat verbraucht wird, sinkt die Konzentration der Elektrolytlösung. Wenn die Konzentration der Schwefelsäure unter ein bestimmtes Niveau fällt, muss die Batterie wieder aufgeladen werden.
• Beim Laden laufen die chemischen Prozesse in umgekehrter Reihenfolge ab. Am Ende können die ursprünglichen Elemente wiedergefunden werden: Die positive Elektrode besteht aus Bleisulfat (PbSO₄), die negative Elektrode aus reinem Blei (Pb) und der Elektrolyt besteht aus verdünnter Schwefelsäure (H₂SO₄). Da dieser Umwandlungsprozess mit Verlusten verbunden ist, kann eine Batterie nur eine begrenzte Anzahl von Ladezyklen verkraften. Ihre Nutzungsdauer ist daher begrenzt. 

Probleme mit Blei-Säure-Batterien: Sulfatierung und Säureschichtung

Wird eine Batterie mit einer zu niedrigen Spannung geladen oder wird sie ständig mit einer zu niedrigen Spannung (unter 80 %) betrieben, kommt es zu einer Säureschichtung, die auch als Schichtung bezeichnet wird. Die Säure im Elektrolyten schichtet sich aufgrund der schlechten Durchmischung. Unterschiedliche Dichten führen zu einer Schichtung der Schwefelsäure am Boden und des Wassers im oberen Bereich der Batterie. Dadurch kann nur der mittlere Teil des Elektrolyten, also nur ein Drittel, für den Entlade- und Ladevorgang genutzt werden.

Eine mögliche Ursache für die Säureschichtung sind vor allem Kurzstreckenfahrten bei gleichzeitiger Nutzung einer großen Anzahl von elektrischen Verbrauchern. In diesem Fall hat die Lichtmaschine nicht genügend Zeit, die Batterie wieder aufzuladen.

Eine Folge der Säureschichtung ist die Sulfatierung. Geschieht dies in der Batterie oder wird sie nicht ständig ausreichend geladen, kristallisiert das Bleisulfat (PbSO₄) an den Elektroden aus und bildet im Laufe der Zeit größere Kristallstrukturen. Dieser Vorgang wird als Sulfatierung bezeichnet. Die Kristallisation verhindert die Rückumwandlung von Bleisulfat in die ursprünglichen Bestandteile Blei oder Bleioxid, was zu einer Verhinderung der Ladungsaufnahme und einer Verringerung der Kaltstartleistung führt.

Scharfe Kristalle können auch die Separatoren beschädigen oder Kurzschlüsse in den Zellen verursachen.

Um diesem Effekt entgegenzuwirken und ein vorzeitiges Versagen der Batterie zu verhindern, sollte eine Batterie nie über einen längeren Zeitraum einem niedrigen Ladezustand ausgesetzt werden. Dazu ist es ratsam, die Batterie regelmäßig zu testen und gegebenenfalls voll aufzuladen.

Möchten Sie mehr über dieses Thema erfahren? Wie man eine Batterie richtig lädt.

Neue Batterietechnologien: AGM und Lithium-Ionen

Bislang hatten herkömmliche Blei-Säure-Batterien einen hohen Anteil am Markt. Der Markt verändert sich jedoch schnell: Innovative Batterietechnologien für Start-Stopp-Fahrzeuge wie AGM verwenden in einer Matte gebundene Säure, um eine höhere Zyklenstabilität und eine zuverlässige Leistung in Fahrzeugen mit erhöhtem Energiebedarf zu gewährleisten. Ein weiterer Vorteil von AGM: Eine Säureschichtung ist aufgrund der gebundenen Säure nicht mehr möglich.
Eine neue Generation von Autobatterien für Mikro-Hybridfahrzeuge arbeitet mit 48 V und verwendet Zellen mit Lithium-Ionen-Technologie.