Einleitung
Der Beitrag dreht sich thematisch in erster Linie um Bleibatterien als Starterbatterien. Diese verursachen die Hauptlast an – vor allem in der kalten Jahreszeit – immer wiederkehrenden Fragen. Andere denkbare Verwendungszwecke von Bleibatterien (Traktionsbatterie, Versorgerbatterie) werden - wenn überhaupt - nur kurz erwähnt. Aufgrund der Komplexität des Themas sind die technischen Hintergründe zu den im Artikel aufgestellten Behauptungen nur kurz umrissen. Wenn im Artikel von „Batterien“ die Rede ist, sind automatisch Bleibatterien gemeint. Quellen inklusiver physikalischer Gesetzmäßigkeiten zu dem beschriebenen lassen sich im Forum von Microcharge finden - dem (Name des Experten-Forums wo man diesen Leitartikel postet) für Akkutechnologie und KFZ-Elektrik. Als kleiner Vorausblick auf die Qualität und Brauchbarkeit der Informationen aus diesem Fachforum wird auf die im Unterforum „Bleiakkus“ bereits angepinnten Beiträge „Battery-Mythbusters“ verwiesen. Weiter war die Abschlussarbeit von Roman Kuchar zum Thema Bleibatterien zur Erstellung dieses Artikels eine wichtige Hilfe. Einzelne Passagen stammen aus dieser Arbeit. Der komplette Aufsatz kann über o. g. Expertenforum eingesehen werden (Links dazu am Ende des Beitrags).
Starterbatterietypen
Als Starterbatterie werden überwiegend zwei Typen eingesetzt:
Bei Nass-Batterien liegt der Elektrolyt in flüssiger Form vor. Die Bleiplatten werden durch Separatoren aus perforiertem gewellten PVC Folien getrennt. Besonders diese Bauweise ist stark gefährdet zu Gasen. Deshalb sind die einzelnen Zellendeckel moderner Nass-Batterien mit einem Labyrinth versehen, dass eine Rekombination von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser ermöglicht, um den Wasserverlust zu minimieren. Diese Batterien dürfen nicht liegend oder über Kopf gelagert oder betrieben werden, da Säure aus den Entlüftungen austreten kann. Diese Batterien sind nicht gut geeignet um dauerhaft in geschlossenen Räumen verwendet zu werden.
AGM (Absorbent Glass Mat) Batterien sind den Nass-Batterien sehr ähnlich, nur wird der Elektrolyt hier durch Kapillarwirkung in feinstem Glasvlies aufgesogen. Dieses Glasvlies wird anstelle der Separatoren zwischen die Bleiplatten gepresst. AGM Batterien sind durch ihren Aufbau sehr hochstromfähig. Der Betrieb ist hier auch bei größeren Kippwinkeln möglich, da die Säure durch das Vlies an den Platten gehalten wird. Da bei diesen Batterien keine Säure austreten kann, sind AGM Batterien durchaus auch in geschlossenen Räumen verwendbar – lediglich im Schadensfall muss mit dem Austritt von Knallgas gerechnet werden.
Einfluss von Marketing
Die von den Batterieherstellern, Werkstätten und Verkäufern seit einigen Jahrzehnten propagierten wartungsfreien Batterien kann und wird es auf Basis von Blei nicht geben. Eine Autobatterie erfordert nach wie vor eine gewisse Pflege - im Fall von Bleibatterien ist dabei grundsätzlich ein möglichst hoher Ladezustand wünschenswert, da sonst unweigerlich die sogenannte Sulfatierung einsetzt. Völlig egal ob die Batterie nun verschlossen (mit herausdrehbaren Stopfen versehen) oder geschlossen (Stopfen werden nach der Befüllung verschweißt oder verklebt was ein öffnen zur Prüfung der Säuredichte oder des Füllstandes unmöglich macht) ist, egal ob herkömmliche Nassbatterie (dazu zählen auch neuartige EFB-Batterien), Gelbatterie oder AGM-Batterien. Die Hersteller von Ladegeräten dürfen an dieser Stelle nicht unerwähnt bleiben, da sie zwar vielfach fragwürdige Umschaltmöglichkeiten für die verschiedenen Elektrolyt-Typen bieten, dies aber völlig an den Bedürfnissen an Ladespannung von Bleibatterien vorbei geht. Durch die geänderte Art der Elektrolytbindung (Nass/Gel/AGM) ändert sich nicht die Spannungsschwelle, so dass die Ansprüche an Ladespannung letztlich identisch sind.
Anforderungen der Typen an den Einsatzzweck
Außerdem muss je nach Verwendungszweck die maximale Entladetiefe beachtet werden. Als Starterbatterien konzipierte Nass-Batterien sollten maximal bis ca. 70% entladen werden, das heißt einer 100Ah Batterie darf nach dieser Regel nur 30Ah Kapazität entnommen werden. AGM-Batterien sind bauartbedingt mechanisch widerstandsfähiger und daher können sie auch bis auf ca. 50% ihrer Kapazität entladen werden. Demnach stehen bei einer 100Ah Batterie bereits 50Ah nutzbare Kapazität zur Verfügung – was sie sowohl als Systembatterie für Start/Stopp-Systeme sowie bedingt auch als preisgünstige Versorgerbatterie einsetzbar macht. Traktionsbatterien sind für zyklische Belastung mit relativ hoher Stromentnahme (Elektrische Hubwagen, Gabelstapler, Rollstühle, Seilwinden) entworfen. Daher können sie bis zu ca. 70% entladen werden. Versorgerbatterien/Solarbatterien sind nochmals anders konzipiert (nur geringer Stromfluss möglich, in der Regel nicht für Hochstromanwendungen geeignet), daher geht die maximale Entladetiefe dieser Bauart bis auf ca. 15% herab. Die genannten Entladetiefen sind Faustregeln für einen längeren Betrieb ohne nennenswerte Schädigungen innerhalb der Batterie.
Starterbatterien sind aufgrund ihres inneren Aufbaus dazu ausgelegt, kurzzeitig extrem hohe Ströme abzugeben, gleichzeitig sollen sie möglichst leicht und kompakt sein. Dazu haben sie eine besondere Plattengeometrie, um dem Stromfluss innerhalb der Platte möglichst wenig Widerstand entgegenzusetzen. Durch diese löchrigen Gitterplatten wird die gleichzeitig abrufbare Strommenge erhöht. Gleichzeitig sind sie durch die hochporöse Oberfläche und die besondere Gitterform nicht geeignet, hohe Entladetiefen zu erreichen.
Sulfatierung
Bei teilgeladenen Bleibatterien tritt früher oder später unweigerlich Sulfatierung auf. Dieser Vorgang bezeichnet die Zusammenballung von bei der Entladung einer Batterie unweigerlich auftretendem Bleisulfat, welches das ganz normale Entladeprodukt vom Bleiakku ist. Wird eine Bleibatterie nach der Stromentnahme nicht schnellstmöglich wieder vollständig aufgeladen, neigt dieses Bleisulfat dazu, sich mit der Zeit zu immer größeren Kristallstrukturen zusammenzuballen. Deren elektrischer Widerstand steigt mit dem Wachstum immer weiter an, bis diese Strukturen ab einer gewissen Größe kaum noch aufladbar sind. Je älter diese Strukturen sind, desto weniger reaktiv sind sie. Dies hat zur Folge, dass sie unter normalen Betriebsumständen nur sehr schwierig wieder in aktives Material zurückzuführen sind, da sie den angebotenen Ladestrom nur sehr zurückhaltend wieder annehmen und sich in die ursprünglichen Aktivmaterialien Blei (- elektrisch negativ) und Bleidioxid (+ elektrisch positiv) zurückbilden. Dies hat dann zur Folge, dass einer Bleibatterie mit der Zeit mehr und mehr aktives Material entzogen wird und die Kapazität kontinuierlich sinkt bis sie im Laufe der Zeit so weit abgesunken ist, dass sie nicht mehr in der Lage ist den Anlasser durchzudrehen. Da sämtliche chemischen Prozesse im Inneren einer Batterie bei Kälte langsamer ablaufen liegt darin auch der Grund weswegen bei tiefen Temperaturen grundsätzlich mehr Batterien als in der wärmeren Jahreszeit ausfallen.
Sulfatierung droht grundsätzlich nahezu jedem Fahrzeug, da Bleibatterien entgegen einer weit verbreiteten Annahme nicht schnellladefähig sind, zumindest nicht bis zur Vollladung. Die normale Fahrtdauer reicht praktisch nie aus, eine Batterie wirklich voll zu laden. Verstärkt tritt das Problem der Sulfatierung bei längeren Benutzungspausen und/oder bei häufigen Kurzstrecken auf. Deswegen ist es der Lebensdauer einer Starterbatterie zuträglich, diese gelegentlich mit einem externen Ladegerät nachzuladen. An dieser Stelle sei gesagt, dass hier insbesondere die Batteriemanagement Systeme (BMS) moderner Fahrzeuge diesen Vorhaben einen Strich durch die Rechnung machen, denn diese BMS senken nach Inbetriebnahme des Fahrzeuges den Ladezustand nach externen Nachladen zunächst auf einen vordefinierten Wert (meistens 70-75%) der Batterie ab, ehe der Generator wieder zugeschaltet wird. Diese Tatsache ist dafür verantwortlich, dass herkömmliche Nass-Batterien in dieser Einsatzform besonders stark verschleißen, da sie stets am Rande der maximal zulässigen Entladetiefe betrieben werden. Daher ist bei Fahrzeugen mit BMS die Verwendung von AGM-Batterien sinnvoller. Sulfatierung ist übrigens die einzige von vielen möglichen Schädigungen einer Bleibatterie, die mit den richtigen Mitteln und Methoden rückgängig zu machen ist, da sie genau genommen kein Defekt ist sondern durch Fehlbehandlung entsteht. Geringfügig aufgetretene Sulfatierung kann bereits durch Vollladung, ggf. mit kontrolliert erhöhter Ladespannung beseitigt werden. Einige Automatikladegeräte haben eine derartige Regenerationsfunktion an Bord, wobei die Wirkung aufgrund der Kürze des Programms nur bedingt geeignet ist. Stärker sulfatierte Batterien können durch den Einsatz von Puls-Ladegeräten (diese sind nicht mit billig herzustellenden Entladepulsern, welche – Stand März 2020 – im Handel für ca. 15-30€ angeboten werden zu verwechseln!) wieder teilweise repariert werden. Ein entsprechendes Pulsladegerät erzeugt Nadelimpulse mit sehr hoher Spannung aber nur wenigen Mikrosekunden Dauer. Diese Impulse greifen die Bleisulfat-Kristalle an und lösen diese nach und nach zu den Aktivmaterialien Blei und Bleidioxid auf, wodurch sie wieder am Ladungsprozess teilnehmen können. Durch die geringe Dauer der Impulse ist trotz hoher Spannung die eingeladene Kapazität extrem gering. Dieser Prozess dauert umso länger je älter und größer die Kristallstrukturen sind. Eine stark sulfatierte Batterie zu regenerieren kann mitunter mehrere Wochen dauern!