Elektrochemische Vorgänge im Kfz - Starterbatterie

von kfztech.de

gehört zur Reihe Elektrotechnische Grundlagen im Kfz

Neben der elektrochemischen Korrosion in Teil 1 wurde auch das Galvanische Element in Teil 2 näher beschrieben. Dies führt uns nun unweigerlich zur Starterbatterie im Kfz.

Es ist zwar nicht ganz falsch zu sagen, dass die Batterie eine Spannung erzeugt, da ja eine Ladungstrennung stattfindet. Aber besser ist es, wenn man die Batterie als Energiewandler und Energiespeicher betrachtet, bei der chemische in elektrische Energie umgewandelt wird. Beim Entladevorgang wird die gespeicherte chemische Energie durch eine elektrochemische Reaktion in elektrische Energie umgewandelt welche von elektrischen Verbrauchern genutzt werden. Beim Aufladen der Zelle wird umgekehrt elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt.

Die Starterbatterie im Auto ist ein Akkumulator, weil hier der Entladevorgang umkehrbar ist. Man kann die Starterbatterie also wieder aufladen, sodass eine vielfache Umwandlung von chemischer in elektrische Energie und zurück möglich ist. Beim Aufladen und Entladen von Akkumulatoren wird jedoch Wärme frei, so dass nur ein Teil der zum Aufladen aufgewendeten Energie wieder verfügbar ist.

Auf den Punkt gebracht: Der Begriff „Batterie“ bezeichnet im Prinzip eine oder mehrere zusammengeschaltete Galvanische Zellen. Die Starterbatterie im Automobil, auch Bleiakku genannt, ist ein Akkumulator, der vor allem den elektrischen Strom für den Startvorgang des Verbrennungsmotors liefert.

Verschiedene Start-Stopp Autobatterien – Im Grunde genommen sind es mehrzellige Galvanische Elemente - Bild: ADAC

Der Akkumulutar von Pkws, Lkws und Motorrädern besteht aus mehreren wiederaufladbaren Sekundärzellen, die zum Erhöhen der Gesamtspannung in Reihe geschaltet sind. Bei Bleiakkumulatoren bestehen die Elektroden im geladenen Zustand aus Blei, Bleidioxid und als Elektrolyt dient verdünnte Schwefelsäure. Motorradbatterien von Varta gibt es schon ab 17,88 € bei online Fachhändlern zu bestellen.

Chemische Vorgänge in der Batterie

Im entladenen Zustand (nächstes Bild) besitzt der Elektrolyt eine niedrige Säuredichte von ca. 1,16 kg/dm3. Der Grund: Die aktiven Massen der Bleiplatten haben Sulfat aufgenommen.

Im entladenen Zustand haben beide Platten Sulfat aufgenommen- - Bild. kfztech.de

Legende: Pb = Blei, SO4-Ion = Sulfat-Ion, H = Wasserstoff, O = Sauerstoff

Beim Ladevorgang (nächstes Bild) wird durch den Generator oder einem Ladegerät wieder elektrische Energie zugeführt. Dabei wird elektrische Energie wieder in chemische Energie umgewandelt. Aus dem Bleisulfat und Wasser entstehen wieder Blei, Bleidioxid und Schwefelsäure (übernächstes Bild). Dadurch wird die für die elektrische Energieabgabe notwendige chemische Energie wieder bereitgestellt. Die Säuredichte nimmt beim Laden zu. 

Die Minusplatte wird wieder zu Blei und die Plusplatte zu Bleidioxid. - Bild: kfztech.de 

Im geladenen Zustand ist die Energie chemisch gespeichert. - Bild: kfztech.de

Bei der Entladung oder Stromentnahme (nächstes Bild) durch einen elektrischen Verbraucher wird elektrische Energie aus der Batterie entnommen. Dabei wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Die Schwefelsäure zerfällt, dabei wird ihr Anteil am Elektrolyt geringer. Es entsteht Wasser, dessen Anteil im Elektrolyt wird größer. Die Säuredichte nimmt somit ab. Sowohl an der Plusplatte als auch an der Minusplatte entsteht Bleisulfat.

Bei der Stromentnahme nimmt die Säuredichte ab, weil die Sulfat-Ionen aus dem Elektrolyten in die Platten wandern. - Bild: kfztech.de

Wer sich die Chemie der Autobatterie lieber gern durch ein Video erklären lassen möchte, findet hier den entsprechenden Link.  

Antriebsbatterien

Auch Antriebsbatterien (Traktionsbatterien) von Elektrofahrzeugen verwenden Akkus. Jedoch ist ihr Aufbau gänzlich anders. Tesla verwendet beispielsweise rund 7000 einzelne Lithium-Ionen-Akkus, zusammengeschaltet in mehreren Modulen, zum Antrieb des Fahrzeugs. Das Spannungs- und Temperaturmanagement bei den Traktionsbatterien ist sehr aufwändig und eine äußerste wichtige und komplexe Aufgabe. Im Bild der Batteriepack des Audi A3 e-tron. Aber auch hierzu findet sich ein entsprechender Video-Link. Auf Antriebsbatterien soll jedoch noch gesondert eingegangen werden.

Der Aufbau von Lithium-Ionen Antriebsbatterien ist sehr aufwändig aufgrund der Spannungs- und Temperaturüberwachung. - Bild: Audi 

Im 4. Teil der elektrochemischen Vorgänge im Kfz soll auf die Brennstoffzelle eingegangen werden.

Elektrotechnische Grundlagen im Kfz:

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