Was ist eine Batterie?
Eine Batterie ist ein Bauteil, das elektrische Energie in chemischer Form speichert und dann auf kontrollierte Art als Gleichstrom freigibt.
Alle Arten von Batterien verfügen über eine positive und eine negative, in einen Elektrolyten eingetauchte Elektrode in einem Behälter.
Bei den meisten Yuasa-Batterien handelt es sich um Blei-Säure-Batterien, sie haben positive und negative Elektroden aus Bleiverbindungen in einem Elektrolyten aus verdünnter Schwefelsäure.
Blei-Säure-Batterien sind Sekundärbatterien, sie können also nach dem Entladen erneut aufgeladen werden. Primärbatterien können nur einmal entladen werden und werden danach entsorgt, zum Beispiel Batterien in Taschenlampen oder Radios.
Wie eine Yuasa Batterie funktioniert
Die positive Elektrode besteht aus Bleidioxid und die negative Elektrode aus porösem Blei.
Wenn eine elektrische Last (zum Beispiel Scheinwerfer oder ein Anlassermotor) an die Batterie angeschlossen wird, fließt Strom durch den Elektrolyten in der Batterie und durch die externe Last. Das führt zur Entladung der Batterie, wodurch sich die chemische Zusammensetzung beider Elektroden zu Bleisulfat ändert.
Eine Batterie kann aufgeladen werden, indem Strom einer externen Stromquelle, wie Generator, Dynamo oder Ladestation, durch die Batterie fließt. Dadurch wird das Bleisulfat wieder in die Ausgangsmaterialien Bleidioxid und poröses Blei umgewandelt.
Während des Ladevorgangs der Batterie zersetzt (hydrolysiert) die Elektrizität das Wasser im Elektrolyten in die Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff, die als Gas freigesetzt werden. Darum entweichen einer Batterie während des Ladevorgangs Gase.
Woraus besteht eine Batterie?
Gitter
Da die positiven und negativen Elektroden aus schwachem Material bestehen, benötigen sie eine mechanische Halterung in Form eines Gitters aus Bleilegierung; reines Blei wäre zu weich.
Das Gitter bietet nicht nur den Elektroden (dem aktiven Material) Halt, es leitet auch Elektrizität von den Elektroden zur Außenlast.
Elektroden
Die Elektroden sind ursprünglich aus einer Mischung aus Bleioxid und Bleisulfat hergestellt. Bei der ersten Ladung wird daraus in der positiven Platte Bleidioxid und in der negativen Platte poröses Blei.
Die negative Elektrode enthält außerdem einen kleinen Anteil an Zusatzstoffen, die die Batterie mit einer guten Entladeleistung bei niedrigen Temperaturen ausstatten und so das Startverhalten verbessern.
Die Kombination aus Gitter und Elektrode wird Platte genannt.
Elektrolyt
Bei dem Elektrolyten handelt es sich um verdünnte Schwefelsäure. Er leitet elektrische Ionen zwischen den positiven und negativen Platten, wenn die Batterie geladen oder entladen wird.
Die Säure ist auch an der Entladung beteiligt, da die Sulfationen chemisch mit den Elektroden reagieren, um Bleisulfat zu erzeugen.
Separator
Der Separator ist ein Isolator, der zwischen der positiven und der negativen Platte liegt, um einen Kurzschluss zu vermeiden.
Der Separator muss mikroporös sein, mit sehr kleinen Löchern, durch die die Ionen von einer Platte zur anderen gelangen. Der Separator muss außerdem den hohen Temperaturen und stark säurehaltigen oxidierenden Bedingungen in der Batterie standhalten.
Die meisten modernen Separatoren werden aus mikroporösem Polyethylen hergestellt. Dieses Material verfügt über die richtigen Eigenschaften für die anspruchsvollen Bedingungen in der Batterie.
Behälter und Deckel
Diese beiden Bestandteile sind meistens aus Polypropylen hergestellt, einem leichten und gleichzeitig starken Kunststoff. Im Gegensatz zu anderen Kunststoffen wird Polypropylen bei Kälte nicht spröde und hält somit Stößen während der Handhabung stand. Es wird nicht von Säure angegriffen und hält auch den normal in einem Fahrzeug vorkommenden Flüssigkeiten (Benzin, Diesel, Bremsflüssigkeit, Frostschutzmittel) stand.
Wann ist eine Batterie wartungsfrei?
Vor 30 Jahren verloren Batterien in hohem Maße Wasser und Autofahrer mussten den Säurestand wöchentlich prüfen. Die modernen wartungsfreien Batterien kommen bei normalen Betriebsbedingungen während ihrer gesamten Lebensdauer ohne Wasserzugabe aus. Im Übrigen hat sich im gleichen Zeitraum die Batterielebensdauer von 2 auf 4-5 Jahre erhöht.
In der Vergangenheit bestanden Batteriegitter aus einer Bleilegierung mit 10 % Antimon. Antimon war für die Stabilität verantwortlich, da Blei alleine zu weich gewesen wäre. Leider löste sich ein Teil des Antimons in der Säure auf und führte zum Wasserverlust der Batterie.
Die Weiterentwicklung der Batterietechnologie hat es möglich gemacht, den Antimonanteil von 10 % auf 1,5 % herabzusenken. Diese Verringerung ergibt wartungsarme Batterien, die nur jährlich kontrolliert werden müssen.
Die jüngste Verbesserung ist die Verwendung von 0,1 % Kalzium in Gittern als Härtemittel anstelle von Antimon. Das führt zu weniger Verunreinigungen der Säure und viel weniger Wasserverlust. Die Batterie ist somit wartungsfrei und kommt während ihrer Nutzungsdauer ohne Wasserzugabe aus.
Betriebsprobleme
Überladung
Bei modernen Autoladesystemen gelangt nur ein kleiner Stromfluss in die Batterie, wenn sie vollständig geladen ist. Wenn bei der Lichtmaschine ein Fehler auftritt, gelangt bei laufendem Motor ein viel größerer Strom in die Batterie. Dadurch verliert die Batterie schnell an Wasser und die wartungsfreien Merkmale der Batterie werden zerstört. Außerdem wird die Lebensdauer der Batterie durch Schäden an den positiven Gittern verkürzt.
Eine dunkelbraune/schwarze Verfärbung am Boden der Ventilstopfen ist ein deutliches Zeichen für eine Überladung.
Wenn ein Generator (Fahrzeug ohne Start-Stopp-Funktion) bei normaler Temperatur eine Spannung von über 14,8 V hat, ist das meist ein Zeichen dafür, dass das Ladesystem defekt ist. Bei einem häufigen Diodenfehler im Gleichrichter kommt es zu Ladespannungen von 16,0 V an der Batterie. In dem Fall muss die Lichtmaschine sofort repariert werden, um weitere Schäden an der Batterie zu vermeiden.
Bei den neuesten Start-Stopp-Fahrzeugen mit Bremsenergie-Rückgewinnung werden höhere Spannungen (15,2 V) verwendet, um die Ladeleistungen zu maximieren und Ladezeiten der Lichtmaschine zu verringern.
Tiefentladung
Moderne Ladesysteme halten die Batterie in einem hohen Ladezustand, während das Auto läuft und während der meisten Betriebsbedingungen. Die Batterie entlädt aber bei ungünstigen Bedingungen oder wenn das Auto mit elektrischer Last, zum Beispiel bei eingeschalteten Scheinwerfern, abgestellt wird. Bei modernen Autos wird die Batterie in Parkposition ständig durch Komponenten wie Computer, Alarmsystem, Uhr usw. beansprucht und entladen. Je nach Fahrzeug kann die Entladung Wochen oder Monate dauern.
Fahrzeugbatterien wurden so entwickelt, dass sie einige Entlade-/Ladezyklen überstehen, sind aber nicht für Anwendungen geeignet, in denen sie ständig aufgeladen und entladen werden (Tiefentladung). Leisure-Batterien wurden für diese Art der Anwendung entworfen und so gefertigt, dass sie regelmäßig tiefentladen werden können.
Die ständige Tiefentladung von Fahrzeugbatterien führt zu Ausfällen, da das positive aktive Material nach und nach auf den Batterieboden fällt und die Fähigkeit der Platten, Elektrizität zu speichern, verringert.
Eine große Anzahl von kleinen schwarzen/braunen Partikeln im Elektrolyten ist ein deutliches Zeichen dafür, dass die Batterie tiefentladen wurde.
Sulfatierung
Batterie wieder aufgeladen wird, wird die Sulfatierung (Bleisulfat) wieder in aktives Material umgewandelt.
Wenn die Batterie längere Zeit entladen bleibt, ändert die Sulfatierung langsam ihre Form und kann beim Aufladen nicht mehr in aktives Material umgewandelt werden. Die Batterie hat nach dem Aufladen also nicht mehr ihre ursprüngliche Leistung. Wenn die Sulfatierung zu stark ist, wird das Auto nicht anspringen. Sulfatierung ist der für dieses Problem verwendete Begriff.
Unterladung
Unterladung bedeutet, dass die Batterie nicht ausreichend aufgeladen wird, um wieder zu einem vollständigen Ladezustand zu gelangen; dies führt langsam zu Sulfatierung. Dieses Problem kann auftreten, wenn das Auto nur gelegentlich für kurze Strecken oder Fahrten in der Stadt verwendet wird. Ungenügende Ladung tritt auch auf, wenn Ausgangsspannung der Lichtmaschine bei 13,6 bis 13,8 Volt liegt.
