Verwendung von Kohlenstoff als negatives Additiv in VRLA-Batterien

27 Aug 2021

Verschiedene Kohlenstoffarten finden vielfältige Anwendung in elektrochemischen Energiequellen. Dieser Artikel konzentriert sich auf den Einsatz elementarer Kohlenstoffformen in aktuell verwendeten Bleiakkumulatoren sowie auf mögliche zukünftige Verbesserungen ihrer Konstruktion durch Kohlenstoff. Dank seiner einzigartigen Eigenschaften und der Vielfalt seiner Modifikationen findet Kohlenstoff in unterschiedlichen Bereichen von Bleiakkumulatoren Verwendung, beispielsweise in der negativen oder positiven aktiven Masse, als Teil der Elektrode oder in Stromabnehmern.

Additive für die negative Aktivmasse (NAM), sogenannte Expander, wurden nach dem Zweiten Weltkrieg eingeführt. Ihre drei Hauptbestandteile waren Lignosulfonate, Bariumsulfat und Aktivkohle. Sie dienten dazu, die Bildung einer passiven Blei(II)-sulfat-Schicht zu verhindern, den Anteil der an elektrochemischen Reaktionen beteiligten Aktivmasse zu erhöhen und die Stromleitfähigkeit zu verbessern, wenn die Platte entladen ist und hauptsächlich aus isolierendem Sulfat besteht. Heutzutage werden für diese Zwecke viele Kohlenstoffarten verwendet, z. B. Aktivkohle, Graphit, Acetylenruß oder Ruß.

Die Auswirkungen von Kohlenstoffzusätzen sind positiv. Sie verbessern die Zyklenlebensdauer von Batterien und die Ladeaufnahme im Betrieb erheblich. Die signifikante Steigerung der Lebensdauer und der Anzahl der Lade-/Entladezyklen macht Blei-Säure-Batterien wettbewerbsfähig gegenüber anderen, teureren elektrochemischen Energiequellen, z. B. Ni-Cd-Zellen. Die folgenden Abbildungen zeigen, wie die Zugabe von Kohlenstoff auf das Gitter die Bildung einer Sulfatschicht (Sulfatierung) verhindern kann.

Ohne Kohlenstoff

Mit Kohlenstoff

Heutzutage wird Kohlenstoff in Blei-Säure-Batterien hauptsächlich als Zusatzstoff zur negativen Aktivmasse verwendet, um deren elektrochemische Eigenschaften zu verbessern. Dieser Zusatzstoff wirkt im Wesentlichen auf drei Arten: Er erhöht den Anteil der Aktivmasse, in dem elektrochemische Reaktionen von Blei ablaufen können, speichert Energie in der elektrischen Doppelschicht wie ein Kondensator und hemmt physikalisch das Wachstum der großen und schwer reduzierbaren Bleisulfatkristalle. Der Einsatz von Kohlenstoff eröffnet die Möglichkeit, Blei-Säure-Batterien in Hybridfahrzeugen einzusetzen, da er die Zyklenlebensdauer verlängert und die Sulfatierung der negativen Platte während des Betriebs in solchen Fahrzeugen reduziert. Die effektivsten Kohlenstoffzusätze weisen eine große spezifische Oberfläche, gute Leitfähigkeit und eine hohe Affinität zu Blei auf. In den letzten Jahren wurden Untersuchungen zu Kohlenstoffnanostrukturen oder Verbundwerkstoffen für diese Anwendung begonnen. Kohlenstoff hat zudem das Potenzial, in naher Zukunft den nächsten Durchbruch in der Blei-Säure-Batterietechnologie zu erzielen. Sein Einsatz in Stromabnehmern kann zur Verbesserung des schwächsten Punktes der Batterie beitragen. Blei-Säure-Batterien , nämlich aufgrund ihrer geringen spezifischen Energie.

Retikulierte Kohlenstoffkollektoren gewährleisten ein geringeres Gewicht, eine bessere Nutzung der aktiven Masse und mechanische Stabilität. Die Verbesserung der Parameter von Blei-Säure-Batterien ermöglicht es ihnen, in verschiedenen Bereichen (z. B. Energiespeicherung, Hybridfahrzeuge) besser mit neueren Batterietypen wie Lithium-Ionen-Batterien zu konkurrieren. Kohlenstoff kann auch als Kondensatorelektrode im Batterieaufbau eingesetzt werden, wodurch eine höhere Leistungsdichte erzielt wird. Die Verbreitung der genannten kohlenstoffbasierten Verbesserungen im Aufbau von Blei-Säure-Batterien kann zu vielen weiteren Jahren wirtschaftlich rentabler Nutzung dieses Batterietyps führen. Trotz ihrer langen Geschichte scheinen Blei-Säure-Batterien ihre aktuelle Bedeutung nicht einzubüßen und könnten zukünftig sogar neue Anwendungsgebiete finden.
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