Ausfallursachen von Blei-Säure-Batterien und ihre Reparaturmethoden

Seit der französische Wissenschaftler Gaston Planté 1859 die Blei-Säure-Batterie erfand, findet sie aufgrund ihrer hohen Sicherheit, niedrigen Kosten und hervorragenden Recyclingfähigkeit breite Anwendung in den Bereichen Transport, Kommunikation, Energieversorgung, Eisenbahn, Bergbau, Häfen, Verteidigung, Computer und wissenschaftliche Forschung. Sie ist nach wie vor der weltweit am häufigsten produzierte und vielseitigste Batterietyp.

Blei-Säure-Batterienbieten in der Anwendung mehrere Vorteile: niedriger Preis, ausgereifte Technologie, hervorragende Leistung bei hohen und niedrigen Temperaturen, Stabilität, Zuverlässigkeit, hohe Sicherheit und gute Recyclingfähigkeit der Ressourcen, was ihnen einen klaren Marktvorteil verschafft. Bis 2020 erreichte der chinesische Markt für Blei-Säure-Batterien 165,9 Milliarden Yuan und wuchs damit im Vergleich zum Vorjahr um 4,65 %.

Mit dem Wachstum des Marktanteils verschärfen sich die Probleme: Der enorme Energieverbrauch bei Produktion und Recycling sowie die Milliarden von Batterien, die jährlich entsorgt werden und schwere Umweltverschmutzung verursachen, sind wichtige Faktoren. Die Wartung und Reparatur alter Batterien zur Steigerung von Effizienz und Lebensdauer hat weltweit Priorität.

In den entwickelten westlichen Ländern arbeiten Zehntausende in der Wartung, Reparatur und im Recycling von Blei-Säure-Batterien und erwirtschaften damit einen Jahresumsatz in Milliardenhöhe. Auch in Japan sind über 100.000 Menschen in diesem Sektor beschäftigt, was ebenfalls Milliarden einbringt.

In China wurde zur Förderung der Energieeinsparung und des Umweltschutzes ab dem 1. Januar 2016 eine Verbrauchssteuer von 4 % auf Blei-Säure-Batterien eingeführt. Die "Technische Richtlinie zur Vermeidung der Umweltverschmutzung durch Altbatterien" der Staatlichen Umweltschutzbehörde, der NDRC, des Bauministeriums, des MOST und des MOFCOM fördert Forschung und Entwicklung für effizientes Recycling und erhöht so die Ressourcenrückgewinnungsraten.

Experten weisen darauf hin, dass Leistungseinbußen und vorzeitige Ausfälle hauptsächlich auf die Bildung von Bleisulfatkristallen auf den Platten während des Gebrauchs zurückzuführen sind. Diese Kristalle erhöhen den Innenwiderstand und verringern die Kapazität, was letztlich die Lebensdauer verkürzt. Bewährte Techniken zur Reparatur von Blei-Säure-Batterien verlängern die Lebensdauer, senken die Kosten, reduzieren Abfälle wie Blei und verdünnte Schwefelsäure, senken den CO2-Ausstoß und schonen Ressourcen – im Sinne einer nachhaltigen Entwicklung.

In Zeiten steigenden Energieverbrauchs und steigender Batterieverschmutzung sind die Wiederverwendung von Abfällen, die Verlängerung der Lebensdauer durch Reparaturtechnologie, die Reduzierung von Verschwendung und die Förderung nachhaltiger Lösungen von großer Bedeutung. Reparaturtechnologie verwandelt Abfall in wertvolle Ressourcen, passt sich der nationalen Politik an, kurbelt die Wirtschaft an, fördert Energieeinsparungen und Emissionsreduzierung und trägt zum Umweltschutz bei. Sie steht kurz vor einer breiteren Verbreitung.

Um die Reparatur von Blei-Säure-Batterien zu verstehen, müssen Sie zunächst die Fehlerursachen verstehen und dann die Reparaturmethoden entsprechend anwenden.

VersagenGrunds von Blei-Säure-Batterien

Aufgrund unterschiedlicher Plattentypen, Herstellungs- und Verwendungsarten können die Fehlerursachen unterschiedlich sein. HäufigGrundDazu gehören:

1. Korrosion und Verformung positiver Platten

Aktuelle Legierungen lassen sich in drei Kategorien einteilen: herkömmliche Blei-Antimon-Legierungen (4–7 % Antimon); niedrig/extrem niedrig (<2 % oder <1 %, mit Zinn, Kupfer, Cadmium, Schwefel); und Blei-Kalzium-Legierungen (0,06–0,1 % Kalzium, mit Zinn und Aluminium). Beim Laden oxidieren diese Gitterlegierungen zu Bleisulfat und PbO2, wodurch die aktive Masse verloren geht und es zu Ausfällen kommt. PbO2-Korrosionsschichten verursachen Spannungen und vergrößern die Gitter; Verformungen über 4 % zerstören Platten, lösen aktive Masse oder verursachen Kurzschlüsse an Sammelschienen.

2. Ablösen und Erweichen von positiven Plattenaktivmaterialien

Neben der Gitterausdehnung lösen wiederholte Lade- und Entladezyklen die Bindungen der PbO2-Partikel, was zu Erweichung und Ablösung führt. Gitterherstellung, Montagedichtheit und Lade- und Entladebedingungen beeinflussen dies.

3. Irreversible Sulfatierung

Durch Tiefentladung und längere Lagerung im entladenen Zustand bilden sich grobe, schwer aufladbare Bleisulfatkristalle auf den negativen Platten. Leichte Fälle lassen sich mit Methoden beheben; schwere Fälle machen die Elektroden inert.

4. Vorzeitiger Kapazitätsverlust

Bei Gittern mit niedrigem Antimon- oder Blei-Kalzium-Gehalt sinkt die Kapazität nach etwa 20 Zyklen stark, was zu einem frühen Ausfall führt.

5. Starke Antimonansammlung auf aktiven Materialien

Antimon wandert während der Zyklen von positiven Gittern zu negativen aktiven Oberflächen. Eine geringere H+-Reduktionsüberspannung (~200 mV) auf Antimon beschleunigt die Wasserzersetzung, verhindert normales Laden und führt zum Ausfall. Tests zeigen 0,12–0,19 % Antimon auf ausgefallenen negativen Oberflächen bei 2,30 V Ladespannung. In U-Boot-Batterien bindet überschüssiger Wasserstoff an durchschnittlich 0,4 % Antimon.

6. Thermischer Ausfall

Bei wartungsarmen Batterien sollte die Ladespannung 2,4 V/Zelle nicht überschreiten. Defekte Regler können Spannungsspitzen verursachen, den Elektrolyten überhitzen, den Widerstand senken und den Strom in einem unkontrollierten Zyklus verstärken, wodurch die Batterie verformt oder beschädigt werden kann. Obwohl dies selten vorkommt, sollten Sie auf Hochspannung und Hitze achten.

7. Korrosion negativer Sammelschienen

Negative Gitter und Sammelschienen korrodieren selten, doch in geschlossenen, ventilgeregelten Batterien füllen Sauerstoffzyklen den Luftraum; Elektrolyt gelangt über die Laschen zu den Sammelschienen und oxidiert die Legierungen zu Bleisulfat. Schlechte Schweißnähte beschleunigen diesen Prozess, lösen Laschen und versagen die Minuspole.

8. Kurzschlüsse durch Separator-Durchstich

Einige Separatoren wie PP haben große Poren; verschobene Durchschmelzsicherungen erzeugen große Löcher, durch die während der Zyklen aktive Materialien hindurchtreten können, was zu Mikrokurzschlüssen und Ausfällen führt.

Faktoren, die die Lebensdauer von Blei-Säure-Batterien beeinflussen

Fehler sind auf intrinsische Faktoren (Zusammensetzung des aktiven Materials, Kristalltyp, Porosität, Plattengröße, Gittermaterial/-struktur) und extrinsische Faktoren (Entladedichte, Elektrolytkonzentration/-temperatur, Entladetiefe, Wartung, Lagerung) zurückzuführen. Wichtige externe Faktoren:

1. Entladungstiefe

So weit geht die Entladung vor dem Stoppen (100 % = volle Kapazität). Die Lebensdauer variiert stark; Deep-Cycle-Batterien eignen sich für den oberflächlichen Gebrauch, versagen aber bei tiefen Zyklen schnell. PbO2-Bindungen werden durch Volumenänderungen geschwächt: PbO2 zu PbSO4 dehnt sich um 95 % des Molvolumens aus. Eine oberflächliche Entladung (z. B. 20 %) minimiert die Ausdehnung/Kontraktion und verlangsamt den Abbau; eine tiefere Entladung verkürzt die Zyklen.

2. Ausmaß der Überzahlung

Übermäßige Gasentwicklung beeinträchtigt die positiven Aktivmaterialien und fördert deren Ablösung; Gitterlegierungen korrodieren durch anodische Oxidation, was die Lebensdauer verkürzt.

3. Temperatureffekte

Die Lebensdauer steigt im Allgemeinen mit Temperaturen bis 50 °C: +5–6 Zyklen pro 1 °C von 10–35 °C; +25+ Zyklen pro 1 °C von 35–45 °C. Über 50 °C verringert negative Sulfatierung die Kapazität. Höhere Temperaturen steigern die Kapazität, verringern die effektive Tiefe bei fester Entladung und verlängern die Lebensdauer.

4. Auswirkungen der Schwefelsäurekonzentration

Eine höhere Dichte verbessert die positive Kapazität, erhöht jedoch die Selbstentladung, Gitterkorrosion und das Lösen/Ablösen von PbO2, wodurch die Zyklen verkürzt werden.

5. Auswirkungen der Entladestromdichte

Eine höhere Dichte verkürzt die Lebensdauer, indem sie das Lösen von PbO2 unter Hochstrom-/Säurebedingungen beschleunigt.

Wasserverlust ist kein VersagenGrundbei belüfteten Batterien (normale Wartung) oder versiegelten Batterien (vermeidbar). Bei versiegelten E-Bike-Batterien entsteht es durch übermäßiges Laden mit konstanter Spannung.

Reparaturmethoden bei vorzeitigem Kapazitätsverlust (PCL)

(A) Eigenschaften von PCL

Bei Batterien mit niedrigem Antimongehalt oder Blei-Kalzium-Gitter sinkt die Kapazität nach etwa 20 Zyklen um etwa 5 % pro Zyklus und führt zu einem vorzeitigen Ausfall. Bei Blei-Kalzium-Typen kommt es häufig zu unerklärlichen Leistungsabfällen in einigen Zellen; die positiven Zellen werden nicht abgeschwächt, aber die Kapazität ist gering.

(B) Lösungen für Ursachen

1. Optimieren Sie den Zinngehalt der positiven Platte (1,5–2 % für Deep-Cycle).
2. Montagedruck erhöhen.
3. Vermeiden Sie einen hohen Elektrolytsäuregehalt.

(C) Vorsichtsmaßnahmen bei der Verwendung

1. Vermeiden Sie dauerhaft niedrige Anfangsladeströme.
2. Minimieren Sie Tiefentladungen.
3. Begrenzen Sie Überladungen.
4. Steigern Sie die Kapazität nicht durch eine hohe Auslastung des aktiven Materials.

(D) Rücknahme von PCL-betroffenen Batterien

Beginnen Sie mit 0,3–0,5 C Stromstärke und führen Sie dann eine Erhaltungsladung bis zur vollständigen Ladung durch. Geladene Batterien bei 40–60 °C lagern; bei <0,05 C auf 0 V entladen (langsam nach der halben Nennspannung). Wiederholen Sie den Vorgang, um die Kapazität wiederherzustellen.

(E) Hinweise

Bestätigen Sie den PCL in den ersten 20 Zyklen; spätere Abfälle verstärken sich mit dieser Methode und schwächen die positiven Werte ab. Bei Blei-Kalzium-Batterien führt ein Ungleichgewicht durch Niederspannungs-Konstantladegeräte zu Problemen: Ungleichmäßige Selbstentladung führt zu chronischer Unterladung einiger Zellen (Sulfatierung) und Überladung anderer. Verwenden Sie mehrstufige Ladegeräte mit unterschiedlicher Stromstärke/Spannung, die zu einer ausgeglichenen Hochspannungs-Niederstrom-Ladung führen.

Überladungsreparatur

Überladung erfordert hohe Ströme/Spannungen und verursacht Nebenreaktionen, positive Schäden und Wasserverlust. Eine effektive, schadensfreie Methode ist das Impulsladen: Hochspannungs-/Stromimpulse überwinden den Akzeptanzverlust ohne anhaltende Reaktionen und nutzen die Depolarisation (oder AID) der Batterie nach dem Impuls. Dies ermöglicht eine sichere Überladung mit Ladegeräten, die sich seit Jahren als deutlich langlebiger erwiesen haben.