(Bild: Yuasa)
Prinzipiell besteht eine Bleibatterie mit einer bestimmten Spannung und Kapazität aus in Reihe geschalteten Zellen mit einer Zellspannung von etwa 2 V. Allgemein gilt: je mehr Zellen, desto höher die Spannung, und je größer die Elektrodenflächen, desto höher die Kapazität. Zur einfachen Handhabung werden Batterien meist in 12-V-Blöcken mit sechs Zellen angeboten, es gibt sie aber auch als 6-V-Block, 4-V-Block und selbst als 2-V-Zelle. Vor allem im Industriebereich hat sich die sogenannte VRLA-Batterie (Valve Regulated Lead Acid Battery, ventilgeregelte verschlossene Blei-Säure-Batterie) als kosteneffektive und einfach herstellbare Variante etabliert. Sie ersetzt in vielen Bereichen offene Batteriesysteme. Für den mobilen Einsatz sind VRLA-Batterien wartungsfrei versiegelt und erfordern kein Nachfüllen. Ihr Elektrolyt ist eingedickt (Gel-Batterie) und ermöglicht einen Betrieb der Batterie auch in Seitenlage.
Was ist eine ventilgeregelte Bleibatterie (VRLA)
Eine ventilgeregelte Bleibatterie (Valve Regulated Lead Acid, VRLA) ist eine Bleibatterie, bei der der Elektrolyt immobilisiert wurde, um Wasserstoff und Sauerstoff zu rekombinieren. Sie hat eine versiegelte Konstruktion mit Druckentlastungsventilen, um das Entweichen von Gasen zu verhindern, daher auch der Name. Da sich der Elektrolyt nicht mehr in flüssigem Zustand befindet, weil er entweder mit Silikapulver zu einem Gel vermischt oder in einer fein strukturierten Glasmatte absorbiert wurde, können die entstehenden Gase keine Blasen bilden und an die Oberfläche des Elektrolyten aufsteigen. Stattdessen sind sie in der immobilisierten Matrix gefangen und werden durch das Druckgefälle, das beim Aufladen entsteht, gezwungen, zu den entgegengesetzten Polen zu wandern. In einer freien Flüssigkeit wäre dies unmöglich.
Ladeverfahren und Eigenheiten von ventilgeregelten Bleibatterien
Weil die Bleibatterie keinen Memory-Effekt hat, lässt sie sich unabhängig vom Entladezustand immer wieder aufladen. Die Elektroden bestehen aus Blei beziehungsweise Bleioxid, der Elektrolyt besteht aus verdünnter Schwefelsäure. Für eine optimale Gebrauchsdauer und bestmögliche Leistung der VRLA-Batterie ist das korrekte Aufladen maßgeblich. Beim Ladevorgang sollte immer eine konstante Spannung anliegen, aber auch die optimale Temperatur von 20 °C, ein Ladestrom von höchstens einem Viertel der Batteriekapazität sowie ein möglichst minimaler Oberwellenstrom sind wichtig. Grundsätzlich unterscheiden Fachleute zwischen zwei Ladeverfahren:
Die Erhaltungsladung eignet sich bei Batterien für Stromausfälle (u.a. Brandmeldezentralen, Notbeleuchtung, USV). So benötigen etwa die Yuasa-NP-Batterietypen eine Erhaltungsladespannung von 2,275 V pro Zelle. Andere Baureihen können von diesen Werten abweichen.
Das zyklische Ladeverfahren empfiehlt sich, wenn die Batterien im Gebrauch ständig entladen und wieder neu geladen werden, etwa bei mobilen Geräten, Rollstühlen oder Golftrolleys. Die Ladespannung ist hierbei höher, sie sollte jedoch keinesfalls für unbegrenzte Zeit anliegen, da eine Überladung zur Zerstörung der Batterie führen kann.
Die Pflege von VRLA-Batterie in Kürze
Wird eine VRLA-Batterie (Valve Regulated Lead Acid Battery) idealerweise bei konstanter Spannung geladen, bei 20 °C betrieben und nicht tiefentladen, erreicht sie zuverlässig eine lange Gebrauchsdauer bei voller Kapazität und Zellspannung. Voll geladen, bei 20 °C temperiert und trocken verpackt lassen sich Bleibatterien bis zu sechs Monate ohne Nachladen direkt verwenden. Bei längerer Einlagerungsdauer verhindert das Nachladen eine nachhaltige Schädigung der Batterie durch zu tiefe Selbstentladung.
Batterien, die sich für zyklische Ladung eignen, erreichen das Ende ihrer Gebrauchsdauer nach einer vorgegebenen Anzahl an Ladezyklen. Diese hängt von der Entladetiefe pro Zyklus ab – je tiefer die Entladung, desto niedriger die Anzahl der Ladezyklen bis zum Ende der Gebrauchsdauer.
Überladung
Für einen optimalen Ladevorgang sind Spannung, Stromstärke und Temperatur ausschlaggebend. Diese Größen stehen miteinander in Zusammenhang und jede einzelne kann eine Überladung verursachen. Eine überhöhte Ladespannung zwingt zu hohen Strom in die Batterie. Dieser wird als Wärme abgeführt und kann zu einem Gasaustritt durch das Sicherheitsventil führen. Innerhalb kürzester Zeit korrodiert das Material der positiven Platte und beschleunigt das Ende der Gebrauchsdauer der Batterie.
Unter diesen Bedingungen kann die im Inneren der Batterie erzeugte Wärme im Extremfall zu einem sogenannten Thermal Runaway aufgrund erhöhter elektrochemischer Reaktionstätigkeit führen: Die vermehrte Sauerstoff- und Wasserstoffentwicklung läßt die Batterie anschwellen, bis sie irreparabel ausfällt – eine unerwünschte und potenziell gefährliche Situation.
Was ist die empfohlene Betriebstemperatur für eine VRLA
Die empfohlene Betriebstemperatur für eine optimale Gebrauchsdauer der Batterie bei Erhaltungsladung beträgt 20 °C. Schon bei einer Temperatur von 25 °C erreicht die Batterie nur noch circa 70 Prozent ihrer ursprünglichen Gebrauchsdauer, bei 30 °C nur noch die Hälfte. Hohe Temperaturen verkürzen also die Lebensdauer der Batterien oft erheblich, wenngleich sie die Batterieleistung steigern. Tiefe Temperaturen hingegen tragen zu einer Verlängerung der Lebensdauer bei, wobei die Batterien dann nur eine eingeschränkte Kapazität aufweisen. Deshalb sollten Anwender und Entwickler gleichermaßen auf die optimale Gebrauchstemperatur achten und insbesondere Hitze vermeiden.
Lagerung
Generell lässt sich eine VRLA-Batterie in geladenem Zustand zwischen 12 und 18 Monate bei 20 °C lagern – allerdings nie in entladenem oder teils entladenem Zustand. Eine Batterie sollte komplett verpackt in einer trockenen, sauberen und kühlen Umgebung gelagert werden. Ab einer Lagerzeit von sechs Monaten oder mehr ist vor Inbetriebnahme eine Ergänzungsladung notwendig.
Die Zellspannung sollte niemals unter 2,10 V fallen. Belässt man eine Batterie über längere Zeit mit einer Spannung unterhalb dieses kritischen Werts, bilden sich Sulfatkristalle, wodurch der Innenwiderstand der Batterie hochohmig wird. Dieser Zustand blockiert bei Wiederverwendung das Aufladen und verhindert einen normalen Betrieb. Erkennen lässt sich eine mögliche Sulfatierung daran, dass die Leerlaufspannung einer Batterie niedriger als ihre Nennspannung ist.
Eine Wiederherstellung ist je nach Grad der Sulfatierung möglich durch die Aufladung bei einer höheren Spannung und einer Stromstärke, die maximal zehn Prozent ihrer Kapazität beträgt, für höchstens zwölf Stunden. Beim Laden mit erhöhter Spannung wird ein maximaler Ladestrom in die Batterie gepresst. Die Ladespannung verringert sich im Zuge ihrer Erholung auf ihren Normalwert. Die an einer sulfatierten Batterie angelegte Ladespannung übersteigt die eigentliche Empfehlung und ist nicht ungefährlich. Darum empfiehlt es sich, die Batterie während des Ladevorgangs ständig zu überwachen und bei Anzeichen übermäßiger Wärmeabgabe sofort vom Ladegerät zu trennen. Ist die Batterie zu stark sulfatiert und fließt trotz erhöhter Ladespannung kein nennenswerter Ladestrom, ist die Batterie nicht mehr regenerierbar und es bleibt nur der Ersatz.
Raphael Eckert
(jwa)
