Akkumulatoren für Elektrizität

Akkumulatoren für Elektrizität (Sekundärelemente, Ladungssäulen, elektrische Sammler), Apparate, die elektrische Arbeit, die von irgend einer Stromquelle, z.B. einer Dynamomaschine, geliefert wird, aufspeichern, so daß dieselbe zu einer andern Zeit nach Belieben wieder aus den Apparaten entnommen und nutzbar verbraucht werden kann.

Die Wirkungsweise der gebräuchlichsten Akkumulatoren für Elektrizität gründet sich auf den folgenden elektrolytischen Vorgang, der von dem französischen Physiker Planté zuerst zur Aufspeicherung größerer Mengen elektrischer Energie nutzbar gemacht worden ist. Bringt man zwei Bleiplatten als Elektroden in verdünnte Schwefelsäure und leitet einen Strom hindurch, so beobachtet man eine Entwicklung von Sauerstoff an der mit dem positiven Pol, und von Wasserstoff an der mit dem negativen Pol verbundenen Elektrode, wobei sich die positive Bleiplatte mit einer dunkelbraunen Schicht von Bleisuperoxyd überzieht. Unterbricht man nach einiger Zeit die Verbindung der beschriebenen elektrolytischen Zelle mit der Stromquelle und verbindet dann die beiden Bleiplatten durch eine metallische Leitung, in die man ein Galvanoskop einschaltet, so zeigt der Ausschlag des letzteren einen Strom an, der von der mit Superoxyd bedeckten Elektrode durch die äußere Schließung zur andern Bleiplatte fließt. Die Zelle wirkt in diesem Fall wie ein galvanisches Element, und zwar stellt die mit Superoxyd bedeckte Platte den positiven Pol, die andre den negativen Pol eines solchen dar. Läßt man das so erhaltene »Sekundärelement« längere Zeit geschlossen stehen, so beobachtet man ein allmähliches Abnehmen und schließliches Verschwinden des Stromes. Eine Untersuchung der Elektroden ergibt, daß diese sich gleichzeitig wiederum verändert haben. An der positiven Platte ist das Superoxyd zu Bleioxyd reduziert worden, während das Metall der negativen durch Oxydation an der Oberfläche ebenfalls in Bleioxyd übergegangen ist. Bleiben die Elektroden des nun »entladenen« Sekundärelementes längere Zeit in der Säure stehen, so verwandeln sich, durch Einwirkung der letzteren, die Oxydschichten allmählich in Bleisulfat. Man ist nicht imstande, noch Strom aus dem Elemente zu erhalten, sondern muß es, um dies zu ermöglichen, in der obenbeschriebenen Weise von neuem »laden«. Bei der Ladung geht dann das Bleisulfat und Bleioxyd an der mit dem positiven Pol verbundenen Platte wiederum in braunes Superoxyd über. An der negativen Elektrode dagegen wird aus denselben Substanzen metallisches Blei in feinzerteilter Form reduziert. Das geladene Element kann nun wiederum für einige Zeit Strom geben, läßt sich dann aufs neue laden, u.s.w. Die Strommenge, die man von einem in der beschriebenen Art hergestellten Versuchselement erhalten kann, ist verhältnismäßig gering. Planté beobachtete nun, daß es möglich ist, das Aufspeicherungsvermögen dadurch zu steigern, daß man öfter ladet und entladet. Es wird nämlich so die Dicke der oberflächlichen »aktiven« Schicht, die beim Laden und Entladen sich in der obengenannten Weise chemisch verändert, mehr und mehr vergrößert. Man beobachtet infolgedessen, daß bei der Ladung die zur vollständigen Umwandlung der »aktiven Masse« einerseits in Bleisuperoxyd, anderseits in metallisches Blei erforderliche Zeit immer größer wird, und daß man anderseits beim Entladen eine immer mehr zunehmende Strommenge erhalten kann. Diesen Vorbereitungsprozeß nannte er die Formierung. Sie erforderte, wie gesagt, viel Zeit und begreiflicherweise auch beträchtlichen Kostenaufwand [8].

Faure, ein Schüler von Planté, kam auf den Gedanken, die aus Bleiverbindungen in schwammig-poröser Form bestehenden aktiven Schichten der Elektrodenplatten nicht allmählich durch den Plantéschen Formierungsprozeß, sondern in ganz kurzer Zeit zu erzeugen. Dies erreichte er dadurch, daß er auf die rohen Bleiplatten Schichten geeigneter Bleiverbindungen, die gepulvert und mit verdünnter Schwefelsäure zu einem Brei gemischt waren, künstlich auftrug. Gewöhnlich benutzte er dazu Mennige, ein Gemisch verschiedener Bleioxyde [9]. Die alsdann getrockneten Platten wurden in verdünnter Schwefelsäure zu Elementen zusammengestellt und durch eine einzige genügend lang ausgedehnte Ladung formiert. Es wurde hierbei die Mennige an den mit dem positiven Pole der Stromquelle verbundenen Elektroden in Bleisuperoxyd, an den mit dem negativen Pole verbundenen in metallisches Blei verwandelt. Wegen der verhältnismäßig großen Menge der künstlich aufgetragenen Bleiverbindungen erhielt man sofort eine Schicht aktiver Masse von solcher Dicke, wie sie durch Formierung nach Planté nur mit einem Zeitaufwande von mehreren Monaten hätte erzeugt werden können. Um seine künstlich aufgetragene aktive Schicht am Abfallen von den Bleiplatten zu verhindern, war Faure genötigt, die fertigen Platten mit einer Lage porösen Stoffes (z.B. Filz) zu bedecken; später gelang es durch geeignete Gestaltung der die Masse tragenden Bleiplatten, die man z.B. mit Löchern versah oder denen man die Form von Gittern u. dergl. gab, die Filzschicht zu vermeiden [3].

Die Akkumulatoren bestehen im allgemeinen aus einem äußeren rechteckigen Gefäß, das bei kleineren Zellen aus Glas oder Hartgummi, bei größeren aus einem mit Blei ausgekleideten Holzkasten hergestellt ist. Darin befindet sich eine mehr oder weniger große Anzahl positiver und negativer Elektrodenplatten, und zwar folgt abwechselnd immer eine positive auf eine negative. Sämtliche positiven Platten sind unter sich und ebenso alle negativen unter sich durch angelötete Bleistreifen leitend verbunden. Infolgedessen bildet die Gesamtheit aller Platten einer und derselben Art eine einzige Elektrode, deren Oberfläche gleich der Summe der Oberflächen[110] der einzelnen Platten ist. Die letzteren sind nicht auf dem Boden des Gefäßes aufgestellt, sondern hängen in einer gewissen Höhe über demselben, und zwar in Glaszellen direkt auf dem Gefäßrande (Fig. 1) mittels angegossener, vorspringender Nasen, in Bleikästen auf senkrecht stehenden Glasscheiben (Fig. 2). Der Abstand zwischen je zwei benachbarten Platten (von denen die eine eine positive, die andre eine negative ist) beträgt gewöhnlich etwa 1 cm. Um eine Berührung zwischen. denselben unmöglich zu machen, werden sie durch isolierende Glasrohre auseinandergehalten. Die Endplatten gehören stets zur negativen Elektrode, und es ist infolgedessen immer eine negative Platte mehr vorhanden als positive. Das Gefäß ist mit verdünnter Schwefelsäure von etwa 20% (= 19° Bé oder 1,15 spez. Gew.) so weit gefüllt, daß die Säure noch einige Zentimeter über der Plattenoberkante steht. Soll eine größere Anzahl derartiger Akkumulatoren zu einer Batterie zusammengestellt werden, so wird die negative Elektrode jedes Elementes mit der positiven des nächstfolgenden mittels Bleistreifen verbunden, während die positive Elektrode des ersteren und die negative des letzteren gänzlich frei bleiben und die Pole der Batterie bilden. Diese Verbindung kann auf zweierlei Art bewirkt werden. Bei Fig. 3 stehen die Gefäße mit ihren Langseiten nebeneinander und die verbindende Bleileiste läuft außen von + zum – Plattenbündel. Bei Fig. 4 stehen die Zellen mit ihren Kopfseiten nebeneinander und die Verbindungsleute liegt zwischen ihnen. Diese Verbindungsart ist besonders bei größeren Zellentypen üblich (Fig. 5). Die Verlötung der Bleistreifen untereinander sowie mit den einzelnen Elektrodenplatten geschieht am bellen direkt mit Blei, unter Anwendung eines Wasserstoffgebläses, da Verbindungen aus Zinnlot durch Einwirkung der Schwefelsäure und des sich beim Laden entwickelnden stark aktiven Sauerstoffs bald zerstört werden würden.

Um die Leistung eines Sekundärelementes beurteilen zu können, müssen die elektrischen Größen desselben bekannt sein. Diese sind, wie auch bei den gewöhnlichen galvanischen Elementen, wesentlich die elektromotorische Kraft und der sogenannte innere Widerstand. Der geladene Bleiakkumulator besitzt eine elektromotorische Kraft von etwa 2 Volt, also ungefähr das Doppelte von der elektromotorischen Kraft des bekannten Daniellschen Elementes. Die elektromotorische Kraft bleibt jedoch nicht konstant, wenn der Akkumulator in Betrieb ist. Sie sinkt allmählich beim Entladen und steigt bei der Ladung. Für den praktischen Gebrauch wichtiger ist jedoch die sogenannte Klemmenspannung des Sekundärelementes, d.h. die Spannungsdifferenz, die zwischen seinen Polen vorhanden ist, wenn das Element Strom gibt. Sie ist bei der Entladung geringer, bei der Ladung größer als die elektromotorische Kraft, und zwar ist der Unterschied um so bedeutender, mit je höherer Stromstärke entladen bezw. geladen wird. Der Wert der Klemmenspannung, der am meisten interessiert, ist derjenige, den man erhält, wenn die Entladung bezw. die Ladung mit der für den betreffenden Akkumulator normalen, im Maximum zulässigen Stromstärke ausgeführt wird. Wenn bei den zurzeit gebräuchlichen Akkumulatoren die Entladung mit einer solchen Stromstärke ausgeführt wird, daß sie in etwa 31/2 Stunden beendigt ist, so beträgt die Klemmenspannung anfangs 1,92–1,95 Volt. Auf diesem Werte bleibt sie zunächst einige Zeit fast unverändert, um dann allmählich zuerst langsam, dann immer rascher zu sinken. Die für den praktischen Betrieb zulässige Grenze der Entladung ist erreicht, wenn die Klemmenspannung etwa 6% gegen den anfänglichen Wert abgenommen hat, also auf ca. 1,85–1,83 Volt gesunken ist (Punkt b der Kurve Fig. 6). Dabei ist vorausgesetzt, daß die Stromstärke während der Entladung stets dieselbe bleibt. Wie erwähnt, ist bei der Ladung die Klemmenspannung höher als bei dem Entladen. Sie steigt außerdem im Verlauf der Ladung beträchtlich. Wird dabei eine solche Stromstärke angewendet, daß die Ladung in[111] 4–41/2 Stunden beendigt ist, so beträgt die Spannung zu Anfang etwa 2,1 Volt. Auf diesem Werte bleibt sie längere Zeit, nimmt dann langsam zu bis etwa 2,2 Volt. Man beobachtet, daß sich nun an den positiven Platten Sauerstoff in kleinen Bläschen zu entwickeln beginnt. In dem Maße, wie die Spannung weiter wächst, nimmt auch die Gasentwicklung an den positiven Platten zu. Ist die Spannung auf 2,25–2,3 Volt gestiegen, so zeigen sich an den negativen Platten Gasblasen von Wasserstoff. Die letztere Gasbildung nimmt rasch zu, wobei innerhalb 15 bis 20 Minuten die Spannung auf etwa 2,4 Volt anwächst. Von da ab nimmt sie, während die Gasbildung an beiden Platten sich steigert, so daß die Flüssigkeit fast milchig erscheint, noch weiter zu, bis 2,5 und, wenn der Ladestrom noch nicht unterbrochen wird, 2,6 Volt und darüber. Im allgemeinen pflegt man die Ladung als beendigt anzusehen, wenn die negativen Platten kräftige Gasentwicklung zeigen und die Spannung auf etwa 2,5 Volt (Punkt α der Kurve Fig. 7) angewachsen ist; bis zu 2,75 Volt geht man nur bei der für manche Systeme erforderlichen zeitweiligen sogenannten »Ueberladung«. Das Auftreten der Gasblasen an den positiven und dann an den negativen Platten zeigt an, daß nicht mehr alle zugeführte elektrische Energie zur chemischen Umwandlung der aktiven Masse an den beiden Elektroden verwendet wird. Der größere Teil der Masse ist dann bereits in Superoxyd bezw. in Bleischwamm übergegangen. Bleibt der Strom jedoch auf derselben Stärke, so beginnt er, da er zu zersetzende Bleiverbindungen nicht mehr in genügender Menge vorfindet, auch Wasser zu zersetzen, und die Produkte dieser Zersetzung sind die an den Platten aufsteigenden Sauerstoff- und Wasserstoffblasen. Sehr übersichtlich lassen sich die Beziehungen zwischen der Klemmenspannung und der Lade- resp. Entladezeit auf graphischem Wege durch eine Kurve darstellen, die man als Charakteristik des Akkumulators bezeichnen kann. Die Fig. 6 und 7 zeigen solche Kurven für die Entladung und Ladung; die Klemmenspannungen sind als Ordinaten, die zugehörigen Zeiten in Intervallen von 10 Minuten als Abszissen eingetragen. Der innere Widerstand des Akkumulators hat seinen Sitz vorwiegend an der Oberfläche der Elektrodenplatten, während nur der kleinere Teil desselben durch die Säureschichten zwischen den Platten gebildet ist. Er ist jedoch, verglichen mit demjenigen galvanischer Primärelemente von gleicher Oberfläche, sehr gering und beträgt schon bei kleinen Zellen von weniger als 10 qdcm Oberfläche der Platten einer Art, nicht über 0,01 Ohm und nimmt in demselben Verhältnis ab, in dem man die Plattenoberfläche vergrößert. Nach Ayrton kann man während der Entladung für jedes Quadratdezimeter Oberfläche der positiven Platten einen Widerstand von im Mittel etwa 0,08 Ohm rechnen. Danach hat ein Element von 20 qdcm Oberfläche den 20. Teil dieses Widerstandes, also etwa 0,004 Ohm, ein Element von 100 qdcm nur etwa 0,0008.

Durch die Vorgänge beim Laden und Entladen wird auch die verdünnte Schwefelsäure, mit der die Zelle gefüllt ist (der sogenannte Elektrolyt) in Mitleidenschaft gezogen. Man beobachtet nämlich, daß während der Ladung das spezifische Gewicht der Säure steigt, bei der Entladung abnimmt. Der Grund hiervon sind die chemischen Veränderungen der aktiven Masse an beiden Platten, durch die der verdünnten Säure beim Laden Wasser entzogen, beim Entladen zugeführt wird. Die Zunahme des Säuregehalts bei der Ladung und die Abnahme desselben bei der Entladung sind proportional der Stromstärke und der Zeit, während welcher der Strom wirkte resp. entnommen wurde, d.h. also der Strommenge. Man kann deshalb aus dem in einem bestimmten Augenblick vorhandenen Betrage des Säuregehaltes während der Entladung schließen, welche Strommenge dem Element bereits entnommen ist, oder, während der Ladung, welche Strommenge hineingeladen wurde. Dabei müssen jedoch die Grenzwerte des Säuregehaltes, die der völlig geladene bezw. normal entladene Akkumulator aufweist, bekannt sein. Ist letzteres der Fall, so gestattet also eine einfache Messung mittels des Aräometers, den jeweiligen Ladungszustand eines Elementes bezw. einer Batterie festzustellen. Es sei noch bemerkt, daß in einem und demselben Sekundärelemente die Säuredichte nicht durchaus dieselbe ist. Da sie bei jeder Ladung und Entladung Veränderungen erleidet, so sinken stets die dichteren, also schwereren Flüssigkeitsteile beim Laden nach unten, finden jedoch gewöhnlich nicht Zeit, sich bis zur nächsten Entladung mit den verdünnteren Teilen völlig zu mischen, da solche Mischung sich nur außerordentlich träge vollzieht. Infolgedessen zeigen die oberen Schichten ein wesentlich geringeres spezifisches Gewicht als die tiefer liegenden. Bei den Messungen mittels eines Aräometers sollte man deswegen stets den mittleren Säuregehalt feststellen. Dies geschieht entweder so, daß man ein Instrument mit langem, zylindrischem Gefäße, das sich durch sämtliche Schichten hindurchstreckt, anwendet, oder daß man aus einer mittleren Schicht eine entsprechende Menge Flüssigkeit mittels Pipette absaugt und die Messung in einem besonderen Meßzylinder vornimmt. Der Säuregehalt der zurzeit[112] gebräuchlichen Akkumulatoren, bei denen die Platten den inneren Raum des Gefäßes zum größten Teil einnehmen, ist derart, daß am Ende der normalen Entladung das spez. Gew. ungefähr 1,14 (Gehalt an Schwefelsäure etwa 19%, entsprechend 18° Bé) beträgt. Bei der normalen Ladung steigt in diesem Falle das spez. Gew. auf etwa 1,16 (Säuregehalt ca. 22%, entsprechend etwa 20° Bé).

Die zur Ladung und Entladung eines Akkumulators anzuwendenden Stromstärken sind bis zu einem gewissen Grade ins Belieben gestellt. Doch gibt es für eine Zelle von bestimmter Größe einen gewissen Betrag des Ladestromes und ebenso einen für die Entladung, den man für gewöhnlich nicht überschreiten darf, wenn man den Platten nicht dauernd Schaden zufügen will. Wie groß diese Maximalbeträge sind, richtet sich, abgesehen von den Besonderheiten der Plattenkonstruktion, nach der Größe der in dem Elemente vorhandenen Oberfläche der Platten einer Art. Es kommt nämlich darauf an, daß die auf die Flächeneinheit (z.B. 1 qdcm) der Plattenoberfläche entfallende Stromstärke ein gewisses Maß nicht überschreite. Man bezeichnet diese auf die Flächeneinheit bezogene Stromstärke als Stromdichte. Bei gleichbleibender Stromdichte erfordert somit ein Element von größerer Plattenoberfläche höhere Stromstärke für die Ladung oder Entladung als ein kleineres Element. Man pflegt im allgemeinen für die letztere einen etwas höheren Maximalbetrag der Stromdichte zuzulassen als für die Ladung. Bei der Entladung geht man bis etwa 1,0 (d.h. also 1 Ampere für jedes Quadratdezimeter), bei der Ladung bis etwa 0,8 Stromdichte. Bei Zulassung dieser Werte würde somit ein Akkumulator von 25 qdcm Oberfläche der positiven Platten im Maximum mit 25 × 1 = 25 Ampère entladen und mit 25 × 0,8 = 20 Ampère geladen werden dürfen. Für manche Zwecke werden Akkumulatoren mit ganz kurzen Entladezeiten bis herab zu einer Stunde verlangt. Hierfür fertigen einige Fabriken entsprechende Typen an, bei denen die Stromdichte für einstündige Entladung bis zu 2,5 und für zweistündige Ladung bis zu 1,7 ansteigen kann. Daß man so hohe Stromdichten ohne Schaden anwenden kann, ist nur dadurch gelungen, daß man die eigentlich »wirksame Oberfläche« der Platten, d.h. die Berührungsfläche zwischen dem Bleikern, der aktiven Masse und der Säure, bei gleichbleibenden äußeren Abmessungen einer Platte, beträchtlich vergrößert hat. Dies hat man in der Weise zu erreichen gesucht, daß man den rohen Bleiplatten durch Anbringen einer möglichst großen Anzahl von Rinnen, Löchern, Hohlräumen u. dergl. eine größere Oberfläche gegeben hat, als dies früher geschehen war.

Die Leistungsfähigkeit eines Akkumulators ist dadurch bedingt, wie lange er die obengenannte maximale Stromstärke zu liefern vermag, also durch das Produkt Stromstärke mal Zeit. Da man nun die Stromstärke in Ampère, die Zeit gewöhnlich in Stunden auszudrücken pflegt, so mißt man dieses Produkt, die sogenannte Strommenge, in Ampèrestunden. Die Anzahl Ampèrestunden, die ein völlig geladenes Sekundärelement bei der Entladung mit dem zulässigen Maximalstrom zu liefern vermag, bezeichnet man als Kapazität desselben. Die Kapazität hängt also von dem durch die Plattenoberfläche eines Elementes bedingten maximalen Entladestrom und der Zeitdauer ab, während welcher man denselben erhalten kann. Diese Zeitdauer ist bei gleichbleibender Stromdichte allein von der Konstruktion der Platten abhängig, d.h. von der aktiven Masse, da jeder Quadratdezimeter derselben nur eine ganz bestimmte Strommenge aufzuspeichern vermag. Es werden also Elemente derselben Konstruktion, aber von verschieden großer Oberfläche, bei Anwendung der gleichen Stromdichte in gleicher Zeit entladen. Wenn der obenangenommene Akkumulator seinen Entladestrom von 25 Ampere 3 Stunden lang zu liefern vermag, so beträgt sonach seine Kapazität 3 × 25 = 75 Ampèrestunden.

Bei der Ladung und Entladung dürfen die zulässigen Maximalwerte der Stromstärke ohne Schädigung der Platten nicht überschritten werden; dagegen kann man jeden Akkumulator mit beliebig geringeren Stromstärken entladen oder laden. Die zur vollständigen Entladung bezw. Ladung erforderliche Zeitdauer ist bei Anwendung geringer Stromdichten dementsprechend größer. Außerdem bleibt die dazu erforderliche Strommenge (Stromstärke mal Zeit) nicht genau dieselbe, sondern man findet, daß sie bei abnehmender Stromdichte wächst. Ein Akkumulator ist also imstande, wenn man ihn beispielsweise mit der Hälfte des zulässigen Maximalstromes entladet oder ladet, eine größere Strommenge abzugeben bezw. aufzunehmen, als bei Anwendung der Maximalwerte, d.h. die Kapazität läßt sich durch Verminderung der Stromdichte erhöhen (gleichen prozentischen Betrag des Spannungsabfalls bei der Entladung vorausgesetzt). Es rührt dies daher, daß in letzterem Falle ein größerer Teil der vorhandenen aktiven Masse an den chemischen Umwandlungen bei Ladung und Entladung teilnimmt, als wenn man die Elemente mit höheren Stromdichten betreibt. So ist es möglich, durch Verminderung der Stromdichte um 25 bezw. 50% die Kapazität um etwa 20–50% zu steigern. Bei Anwendung der zurzeit verwendeten Stromdichten erfolgt die normale Entladung eines Akkumulators in etwa 3 Stunden, die Ladung in etwa 4 Stunden. Für manche Zwecke wird jedoch eine Entladung während längerer Zeitdauer (5, 7, 10 Stunden), also mit geringerer Stromdichte gewünscht, und man kommt dann, bei gleicher Leistung in Amperestunden, mit einer um so kleineren Plattenoberfläche aus, in je längerer Zeit die Entladung erfolgen soll.

Beim Laden eines Akkumulators wird Energie aus der Form elektrischer Arbeit in chemische Arbeit umgewandelt, während bei der Entladung die umgekehrte Umwandlung erfolgt. Da nun bei jeder derartigen Umsetzung von Energie Verluste stattfinden dadurch, daß ein Teil derselben in eine andre als die gewünschte Form (z.B. in Wärme) übergeht, so kann man wegen derartiger Verluste bei der Entladung nicht dieselbe Menge elektrischer Energie wieder erhalten, die man zur Ladung aufgewendet hat. Es besitzt die hier in Rede stehende Arbeitsumwandlung ebenso wie jede andre ein gewisses »Güteverhältnis« (Wirkungsgrad), das kleiner ist als 1 und durch das ausgedrückt wird, ein wie großer Bruchteil der zum Laden aufgewendeten Arbeitsmenge bei der Entladung nutzbar wieder erhalten werden kann.[113] Man kann nun bei einem Sekundärelemente in zwei Beziehungen von einem Güteverhältnis sprechen, je nachdem man die Strommenge oder die Arbeitsleistung in Betracht zieht. Einerseits erhält man bei der Entladung nicht die ganze (in Ampèrestunden ausgedrückte) Strommenge wieder, die man hineingeladen hat, und es beträgt das Güteverhältnis bezüglich dieser Strommengen bei guten Akkumulatoren und den obengenannten maximalen Stromdichten zurzeit etwa 0,93–0,95, d.h. man erhält bei der Entladung 93–95% der zum Laden aufgewendeten Amperestunden wieder, vorausgesetzt, daß die Entladung unmittelbar oder doch innerhalb weniger Stunden auf die Ladung folgt. Anderseits ist aber auch die Klemmenspannung während der Entladung im Durchschnitt erheblich geringer als während der Ladung (vgl. die bezüglichen früheren Angaben). Die elektrische Arbeit aber ist bei der Ladung sowohl wie bei der Entladung in jedem Augenblicke gegeben durch das Produkt Klemmenspannung mal Stromstärke. Wird nun die letztere konstant gehalten, so erhält man die ganze bei der Ladung aufgewendete oder bei der Entladung gelieferte Arbeitsleistung, wenn man den konstanten Wert der Stromstärke mit dem Mittelwert der Klemmenspannung während der Ladung bezw. während der Entladung sowie mit der Zeitdauer multipliziert. Das Güteverhältnis dieser elektrischen Arbeitsmengen beträgt, da die mittlere Klemmenspannung während der Ladung 2,2–2,3 Volt, während der Entladung nur etwa 1,90 Volt ist, bei Anwendung hoher Stromdichten nicht viel über 80%. Bei geringeren Stromdichten stellt es sich günstiger und es können 85–87% erreicht werden. Das auf die elektrische Arbeitsleistung bezogene Güteverhältnis kommt praktisch allein in Betracht, da es maßgebend ist für die Leistung der zum Laden verwendeten Dynamomaschine und bei der Entladung für die praktisch nutzbare Leistung des Akkumulators. Für den praktischen Betrieb, der mancherlei Unregelmäßigkeiten mit sich bringt, kann man im Durchschnitt einen höheren Wirkungsgrad als 75–80% nicht annehmen. Eine eingehende Untersuchung des Akkumulators von Farbaky & Schenek lieferte A. v. Waltenhofen [10], während der Wirkungsgrad des Akkumulators von J.L. Huber von W. Kohlrausch [11] untersucht wurde.

Eine Akkumulatorbatterie erhält sich in normalem, gutem Zustande am sichersten dann, wenn sie fortwährend benutzt, d.h. möglichst täglich ge- und entladen wird. Machen besondere Umstände es notwendig, daß die Batterie längere Zeit (mehrere Tage bis einige Wochen) unbenutzt stehen muß, so muß sie zuvor voll geladen sein, da die Erfahrung ergeben hat, daß sie sich nur in diesem Falle gut erhält. Läßt man die Elemente teilweise oder ganz entladen längere Zeit stehen, so findet an den Platten beider Art eine Bildung von festem Bleisulfat in erheblicher Menge statt, die sich auf der Plattenoberfläche durch einen weißen Belag bemerkbar macht, wodurch die Kapazität beträchtlich verringert wird. Man ist dann nicht imstande, nach Ladung der Batterie bis zur normalen Grenze die sonst erzielte Anzahl Amperestunden wieder zu erhalten. Erst durch wochenlangen normalen Betrieb steigt die Kapazität wieder langsam bis zur früheren Höhe. Will man jedoch innerhalb kurzer Zeit die frühere Leistung wieder erreichen, so ist dies nur in der Weise möglich, daß man eine Ladung über die normale Grenze hinaus 1–2 Stunden lang fortsetzt, die Batterie »überladet«, d.h. eine Zellenspannung von ca. 2,75 Volt beim Laden zuläßt. Durch den Einfluß der im Entstehungszustand stark aktiv wirkenden Gase wird das vorhandene feste Bleisulfat zersetzt und einerseits in Superoxyd, anderseits in metallisches Blei umgewandelt. Es empfiehlt sich, eine derartige kurze Ueberladung überhaupt jährlich einigemal vorzunehmen, besonders dann, wenn eine Batterie nicht täglich geladen werden kann. Eine Ueberentladung, d.h. eine Entladung über die normale Grenze hinaus, bis zur völligen Erschöpfung, ist dem Akkumulator geradezu nachteilig, weil dadurch einmal der Zusammenhang der aktiven Maske mit der Bleiunterlage gelockert und anderseits die Bildung festen Bleisulfates in hohem Maße befördert wird. Diese nachteilige Wirkung einer, infolge irgendwelcher Umstände stattgehabten Ueberentladung muß möglichst sofort durch eine Ueberladung der Batterie beseitigt werden.

Bezüglich der Konstruktion können die heute angewandten positiven Akkumulatorplatten im allgemeinen in zwei Hauptgruppen eingeteilt werden: in Gitterplatten, die mit aktiver Masse gefüllt sind, und in sogenannte Großoberflächenplatten, die aus massivem Blei bestehen und nach dem Planté-Verfahren »formiert« sind. Nachdem es in den letzten Jahren gelungen ist, dieses sehr langwierige Formierungsverfahren durch eine Art Vorformierung (in Lösungen von Natrium-Kalium-Fluorsalzen, schwefliger Säure u.a. m.) ganz erheblich abzukürzen [3], hat eine große Anzahl von Fabriken die Gittermasseplatte aufgegeben und verwendet zu positiven Elektroden nur massive, nach Planté formierte Bleiplatten, deren Fläche meistens mit einer großen Zahl von Einschnitten und Rinnen versehen ist, um eine möglichst große wirksame Oberfläche auf kleinem Räume zu erhalten. Bei manchen dieser Konstruktionen gehen die Einschnitte und Nuten durch die ganze Plattenstärke hindurch, so daß auch hier wieder ein richtiges Gitterwerk entsteht (Fig. 8). Je größer diese »abgewickelte« Oberfläche (die sogenannte Oberflächenentwicklung) ist, desto größer ist die Leistung der Platte pro Gewichtseinheit des aufgewendeten Bleimaterials, desto leichter und auch billiger ist sie daher für eine bestimmte Leistung. Gewöhnlich ist die abgewickelte Oberfläche sechsmal so groß als die Projektionsfläche der Platte. Bezüglich der negativen Elektrode besteht bei den einzelnen Fabriken kein wesentlicher Unterschied; es werden hierfür fast ausschließlich Gitterplatten verwendet, in die Bleiglätte eingestrichen ist, die durch den ersten Ladeprozeß in schwammiges Blei verwandelt wird.

Fig. 8 und 9 zeigen die Konstruktion einer solchen positiven Platte der Akkumulatorenfabrik A.G. Hagen i. W. Die durch Guß hergestellte ca. 8 mm starke Bleiplatte ist von einer[114] großen Zahl vertikaler Nuten durchzogen, die durch die ganze Plattendicke hindurchgehen und dem Elektrolyten ungehinderte Zirkulation gestatten. Zur Versteifung der auf diese Weise entstandenen noch nicht 1 mm starken vertikalen Bleilamellen sind eine Anzahl horizontaler Rippen angeordnet. Ein Ausstreichen der Nuten mit Masse findet nicht statt; die Formierung erfolgt lediglich nach einem modifizierten Planté-Verfahren in wenigen Tagen. Die negativen Platten sind ähnlich gestaltet, haben jedoch breitere und längere, durchgehende Nuten, die mit Bleiglätte, in verdünnter Schwefelsäure angerührt, ausgestrichen werden. Diese Masse erhält gewisse Beimischungen, um das bei negativen Platten häufig beobachtete Zusammensintern des schwammigen Bleies, wodurch eine Kapazitätsverminderung herbeigeführt wird, zu verhindern. Nähere Angaben über andre Bleiakkumulatorensysteme (z.B. Pollak in Frankfurt, Gottfried Hagen in Kalk, Boese & Co. in Berlin, Schulz in Witten, Gülcher in Berlin u.s.w.) findet man in [2], [3].

Um geringeres Gewicht zu erhalten, hat man vielfach andre Metallkombinationen versucht; so z.B. den Blei-Zink-Akkumulator mit den Elektroden Bleisuperoxyd und Zink in Zinkvitriollösung; ferner den alkalischen Kupfer-Zink-Akkumulator (System Wadell-Entz), bei dem die Elektroden aus Kupferoxydul und Zink resp. verzinktem Stahlblech bestehen, während als Elektrolyt Zink-Kalilauge verwendet wird, die bei der Ladung auf 50° erwärmt werden muß. Die Zellengefäße bestehen aus dünnem Stahlblech. Alle diese Konstruktionen haben sich bis jetzt nicht bewährt. In letzter Zeit hat Edison eine neue Kombination angegeben, die besonders für Automobilzwecke angepriesen wird, da ihre Kapazität in viel geringerem Maße als die der Bleizelle von Lade- und Entladestromstärke abhängig sein soll. Für die negative Elektrode werden kleine Tafeln von 7 × 1 cm aus Eisenoxydul und Graphit (in Wasser angerührt) unter einem Drucke von 300 kg/qcm gepreßt, für die positive solche aus Nickeloxydulhydrat und Graphit. Diese Tafeln kommen in durchlöcherte Kästchen aus ganz dünnem, vernickeltem Stahlblech, die dann in die Oeffnungen eines vernickelten Stahlblechgitters unter sehr hohem Druck eingepreßt werden. Als Elektrolyt dient 25 prozentige Kalilauge in nickelplattierten Stahlgefäßen. Ueber die Brauchbarkeit liegen abschließende Urteile noch nicht vor [6], [7], [12].

Bei der Aufstellung von Akkumulatorenbatterien müssen die einzelnen Elemente gut isoliert und in hinreichenden Abständen voneinander angeordnet werden. Die Isolierung erzielt man durch Untersetzen von Glas- oder Porzellanfüßen geeigneter Form unter jedes Element, sowie unter die zur Aufstellung bestimmten Gestelle. Die Einhaltung genügender Abstände zwischen und über den einzelnen Zellen hat den Zweck, eine genaue Beobachtung und Untersuchung derselben jederzeit zu ermöglichen. Der Batterieraum soll eine gute Ventilation besitzen, um den Säureteilchen, die gegen Ende der Ladung durch die aufsteigenden Gasblasen mitgerissen werden, möglichst vollständigen Abzug zu gestatten. Eine sorgfältige Beaufsichtigung ist ein wesentliches Moment, um die Batterie in gutem Zustande zu erhalten. Die durch Verdunstung und infolge der Gasentwicklung verbrauchte Flüssigkeit muß rechtzeitig wieder ersetzt werden, damit niemals Teile der Platten mit der Luft in Berührung kommen. Das Nachfüllen geschieht mit 5–6 prozentiger Schwefelsäure. Ebenso wichtig ist, daß der Betriebswärter jedesmal gegen Ende jeder Ladung die sämtlichen Elemente daraufhin besichtigt, ob die Gasentwicklung in denselben gleichmäßig auftritt. Bleibt eine Zelle gegen die andern zurück, so ist sofort die Ursache davon zu erforschen. Gewöhnlich besteht diese darin, daß durch Krümmen von Platten oder durch Dazwischenfallen kleiner Plattenteilchen ein »Nebenschluß« im Innern der Zelle entstanden ist, der eine teilweise oder völlige Selbstentladung derselben herbeiführt, und, wenn er nicht sofort beseitigt wird, das baldige Unbrauchbarwerden der Platten zur Folge hat.

Verwendungsarten der Akkumulatoren. In stationären Beleuchtungsanlagen dient der Akkumulator dazu, den Betrieb sicherer und die Anlage leistungsfähiger zu machen, so daß die Dynamomaschinen zu gewissen Zeiten durch die Batterie ganz oder teilweise entlastet werden. Die gebräuchlichste Art der Einrichtung für diese Zwecke ist die des sogenannten Parallelbetriebes. Der Betrieb vollzieht sich in derartigen Anlagen folgendermaßen: In den späteren Nachmittagsstunden werden die Maschinen in Gang gesetzt, speisen die zu dieser Zeit geringe Zahl von brennenden Lampen und geben den größten Teil des von ihnen erzeugten Stroms zur Ladung der Akkumulatoren ab. In dem Maße, wie gegen Abend mehr Lampen eingeschaltet werden, ändert sich allmählich die Verteilung des von den Maschinen gelieferten Stromes. Ein immer größer werdender Teil fließt zu den Lampen, während die Batterie immer weniger erhält. Man hat jedoch mit dem Maschinenbetriebe so frühzeitig begonnen, daß die Batterie in dem Augenblick, in dem der gesamte Maschinenstrom zur Speisung der Lampen verwendet wird, völlig geladen ist. Wächst nun die Zahl der brennenden Lampen noch weiter an, so werden die Akkumulatoren, parallel mit den Dynamomaschinen, ebenfalls auf die Lampen geschaltet und übernehmen einen Teil der Stromlieferung. Wenn der Abend weiter vorrückt, sinkt dann im allgemeinen wieder die Zahl der zu speisenden Lampen. Zu einem gewissen Zeitpunkt ist sie so klein geworden, daß die erforderliche Stromstärke den normalen Entladestrom der Batterie nicht mehr übersteigt. Es werden dann die Maschinen stillgesetzt, und die für den Reit des Abends, sowie in der Nacht und in den frühen Morgenstunden noch brennenden Lampen versorgt allein der Akkumulator. Man erzielt auf diese Weise den Vorteil, daß der Maschinenbetrieb nur auf eine Anzahl Stunden beschränkt bleibt, und insbesondere während der Nacht ganz ruht. Ferner sind die Maschinen, solange sie laufen, voll belastet, denn aller Strom, der nicht unmittelbar in den Lampen verbraucht wird, wird im Akkumulator aufgespeichert. So kommt es nicht vor, daß, wie bei reinem Maschinenbetriebe, wegen einer geringen Anzahl von Lampen eine große Maschine die ganze Nacht hindurch laufen und bedient werden und außerdem ein Kessel geheizt bleiben muß. Ferner steigt die Sicherheit des Betriebes erheblich, da im Falle einer Störung an den Maschinen durch den Akkumulator stets eine Reserve gegeben ist. Außerdem wird eine sehr hohe Gleichmäßigkeit des Lichtes erzielt, da, ganz abgesehen von[115] den Stunden, in denen die Batterie allein die Lampen speist, jede Schwankung des Stroms, wie sie beim Maschinenbetriebe nicht ganz zu vermeiden ist, durch die den Dynamomaschinen parallel geschaltete Batterie sofort ausgeglichen wird. Die Zufügung der Akkumulatoren macht also den Betrieb ökonomischer und sicherer, sowie das Licht gleichmäßiger. Wegen des obenerwähnten beruhigenden Einflusses, den man bei Schwankungen im Maschinenbetriebe durch Parallelschaltung von Akkumulatoren neben die Dynamomaschine erreicht, wird unter besonderen Umständen eine Batterie lediglich zu dem Zwecke installiert, um bei stark schwankender Belastung der Betriebsmaschine dennoch eine gleichmäßige Beleuchtung erzielen zu können. Dieser Fall kann z.B. eintreten, wenn in einer Fabrik mit häufig wechselndem Kraftverbrauch die einzige vorhandene Betriebsmaschine zugleich auch zum Antrieb einer Dynamomaschine verwendet werden soll. In ähnlicher Weise wird eine Akkumulatorenbatterie in Straßenbahnzentralen als sogenannte Pufferbatterie bei der sehr wechselnden Stromentnahme angewendet zur Aufnahme der Stromstöße und zur Entlastung der Betriebsmaschine. Eine weitere Verwendung der Akkumulatoren ist die in transportablen elektrischen Einrichtungen für Licht und Kraft, so z.B. zur Beleuchtung von Eisenbahnwagen, Kutschen, sowie für Grubenlampen, zum Antrieb von Straßenbahnwagen u.s.w. In solchen Fällen ist eine wichtige Forderung, die man an den Akkumulator stellt, die, daß er mit hoher Leistung geringes Gewicht vereinige. Dazu kommt ferner die Notwendigkeit, die Platten innerhalb der Zellen so zu befestigen, daß sie durch Erschütterungen von ihrem Platze nicht verrückt werden; endlich ein dichter Abschluß, um ein Herausschütteln der Säure zu verhüten. Die Gefäße für die solchen Zwecken dienenden Akkumulatoren werden gewöhnlich aus Hartgummi hergestellt. Auch in der Telegraphie werden Sekundärelemente schon mehrfach verwendet. Die Zahl der Batterien aus den gebräuchlichen Kupferprimärelementen, die auf großen Telegraphenämtern, in denen Hunderte von Leitungen zusammenlaufen, in Verwendung sind, ist mit der Zeit so angeschwollen, daß auf zahlreichen derartigen Stationen Tausende von einzelnen Elementen im Stande zu halten sind. Dies erfordert viel Arbeit und bei den Anforderungen, die man an die Sicherheit des Telegraphenverkehrs stellt, eine peinliche Aufmerksamkeit. Der Grund, warum eine so große Anzahl von Leitungen nicht von einer einzigen oder doch nur von einigen wenigen Batterien mit Strom versorgt werden kann, liegt in der geringen Leistungsfähigkeit der Kupferelemente. Nun ist ein Akkumulator auch bei sehr kleiner Plattenoberfläche (1–2 qdcm) einem Kupferelemente der gebräuchlichen Art (Meidinger, Krüger) an Leistung weit überlegen. Der Grund hiervon ist wesentlich in dem geringen Widerstande des Sekundärelementes, der mehrere hundertmal kleiner ist als der des andern, zu suchen. Infolgedessen ist es möglich, mittels einer einzigen Batterie aus ganz kleinen Akkumulatoren (von z.B. nicht über 10 Ampèrestunden Kapazität) den Strombedarf selbst eines sehr großen Telegraphenamtes zu decken. Die Schwierigkeit liegt nur in der Beschaffung des erforderlichen Ladestroms, da im übrigen ein geladenes Sekundärelement einem Primärelement, was die Sicherheit und Gleichmäßigkeit der Stromlieferung betrifft, nicht nachsteht. Liegt das Telegraphenamt im Versorgungsgebiet einer elektrischen Zentralanlage, so kann der erforderliche Strombedarf von dieser erhalten werden; es muß nur die Einrichtung getroffen sein, daß zwei Sekundärbatterien vorhanden sind, von denen die eine den Betriebsstrom liefert, während die andre geladen wird. Nach der ebengenannten Art ist z.B. der Betrieb des Haupttelegraphenamtes in Berlin angeordnet und seit mehreren Jahren ohne Störung im Gange. Durch eine Batterie von 120 Akkumulatoren sind hier ca. 10000 der früher benutzten Primärelemente ersetzt worden. Ausführliches über Akkumulatoren in [1] bis [5].


Literatur: [1] Hoppe, Die Akkumulatoren für Elektrizität, Berlin 1898. – [2] Heim, Die Einrichtung der elektr. Beleuchtungsanlagen, Leipzig 1903. – [3] Holzt, Schule des Elektrotechnikers, Bd. 3, Leipzig 1903. – [4] Schoop, Handbuch der elektr. Akkumulatoren, Stuttgart 1898. – [5] Elbs, Die Akkumulatoren, Leipzig 1901. – [6] Zentralblatt für Akkumulatoren-, Elementen- und Akkumobilenkunde, Berlin. – [7] Elektrochemische Zeitschrift, Berlin. – [8] Planté, G., Recherches sur l'Electricité, deutsch von J.G. Wallentin, Wien 1886. – [9] D.R.P. vom 8. Febr. 1881. – [10] Zentralblatt für Elektrotechnik 1888, S. 158. – [11] Elektrotechnische Zeitschrift 1887, S. 229. – [12] Ebend. 1903, S. 619.


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