AGM Batterien » Leistungsstarke Bleiakkus mit cleverer AGM-Technologie
Veröffentlicht: 10.10.2023 | Lesedauer: 7 Minuten
Schon lange vor dem Boom der Elektromobilität hatte bereits jeder Autofahrer eine Starterbatterie in seinem Fahrzeug verbaut. Dabei handelte es sich um einen Blei-Säure-Akku, der während der Fahrt von der Lichtmaschine geladen wurde.
Blei-Säure-Akkus waren kostengünstig und konnten bei Bedarf die erforderlichen Ströme für den Elektrostarter zur Verfügung stellen. Dass sie jedoch im wahrsten Sinne des Wortes bleischwer waren, spielte bei Fahrzeugbatterien keine so große Rolle. Im Prinzip hatten die Starterbatterien ein vernünftiges Preis-Leistungs-Verhältnis und funktionierten so gut, dass über Jahre hinweg keine nennenswerte Weiterentwicklung stattfand.
Das einzige echte Problem an den offenen Batterien war lediglich die Wasserverdunstung. Um die Lebensdauer nicht zu verkürzen, mussten die Batterien hin und wieder mit ein wenig destilliertem Wasser nachgefüllt werden. Das änderte sich erst, als die ersten Batterien mit AGM-Technologie in Neufahrzeugen verbaut wurden.
Um Bleiakkus wartungsfrei und somit anwendungsfreundlicher zu bekommen, wurden zwei unterschiedliche Wege beschritten. Einmal wurde die flüssige verdünnte Schwefelsäure mit Siliziumdioxid eingedickt und als Gel in den Akku eingebracht.
Diese Blei-Gel-Akkus konnten dann hermetisch verschlossen werden und waren somit lageunabhängig einsetzbar. Allerdings muss beim Laden darauf geachtet werden, dass die Ladespannung nicht zu hoch ist und der Akku zu gasen beginnt. Für den Notfall gibt es deshalb für jede Zelle ein Sicherheitsventil, das bei zu hohem Innendruck auslöst.
Eine andere Lösung war die Vlies-Technologie, bei der die verdünnte Schwefelsäure nach wie vor flüssig ist, aber von einem speziellen Vlies aufgesaugt wird. Von dieser Technik leitet sich auch die Bezeichnung AGM-Batterie (Absorbent Glass Mat) ab.
Unsere Produktempfehlungen für AGM-Batterien
Eine Absorbent Glass Mat Batterie ist im Prinzip ein geschlossener Blei-Säure-Akku, bei dem das Vlies zwischen den Bleiplatten den Elektrolyt, also die verdünnte Schwefelsäure, wie ein Schwamm festhält.
Prinzipieller Aufbau von Bleiakkus
In einem säureresistenten Behälter befinden sich zwei Bleielektroden, die im Inneren als Gitter aufgebaut sind (siehe Abbildung im oberen Abschnitt).
Die negative Elektrode (1) wird mit porösem Blei (Pb), das auch als Bleischwamm bezeichnet wird, beschichtet. Die positive Elektrode (2) wird mit porösem Bleidioxid (PbO2) beschichtet. Die Beschichtungen werden auch als Aktivmasse bezeichnet, da sie aktiv an der chemischen Reaktion teilnehmen. Die poröse Struktur ist erforderlich, um eine möglichst große Oberfläche für die chemische Reaktion beim Laden und Entladen zu erhalten.
Zwecks höherer Effizienz in Bezug auf Kapazität und Stromabgabe, sind die Elektroden als ineinander greifende Gruppen aufgebaut. Die positiven Platten als auch die negativen Platten sind elektrisch miteinander verbundenen.
Zwischen den in sich greifenden Platten jeder Gruppe befindet sich ein gewellter PVC-Separator (3), der den direkten Kontakt (Kurzschluss) zwischen den Platten verhindert. Bei einer AGM Batterie übernimmt das Glasvlies die Aufgabe des Separators.
Als Elektrolyt (4) dient eine mit Wasser verdünnte Schwefelsäure (H2SO4), die einen Ladungsaustausch zwischen den Platten ermöglicht. Das Verhältnis zwischen Wasser und Schwefelsäure ist dabei so gewählt, dass eine ideale Dissoziation, also die Zerlegung von chemischen Verbindungen in Moleküle, Atome oder Ionen, erreicht wird. Dadurch wird die optimale Ionenleitfähigkeit im Elektrolyt erreicht. Reine Schwefelsäure oder nur Wasser würde in diesem Fall nicht funktionieren.
Wenn der Behälter mit den oben aufgeführten Elektroden mit verdünnter Schwefelsäure (1,28 kg/l) befüllt wird, entsteht an der negativen Elektrode der Batterie ein Elektronenüberschuss und an der positiven Elektrode ein Elektronenmangel.
Der Potentialunterschied beider Elektroden beträgt rund 2 V und kann je nach Ladezustand zwischen 1,75 und 2,4 V variieren. Der Grund dafür wird ersichtlich, wenn man die chemischen Prozesse beim Laden und Entladen genauer betrachtet. Zur besseren Übersicht haben wir bei den Zeichnungen in diesem Abschnitt lediglich eine kompakte Elektrode dargestellt.
Da eine Batterie mit lediglich 2 V Nennspannung für den Fahrzeugbetrieb ungeeignet ist, werden in einer Kfz-Batterie 6 Zellen in Serie geschaltet. Dadurch erreicht die Batterie eine Klemmenspannung von 12 V (6 x 2 V). Für den Betrieb in einem LKW werden zwei 12 V Batterien in Serie geschaltet, damit das Fahrzeug mit 24 V versorgt werden kann. So lassen sich die elektrischen Verbraucher auch bei längeren Standzeiten des Fahrzeugs problemlos versorgen, ohne dass im Anschluss Startprobleme auftauchen.
Entladevorgang
Beim Entladen einer vollgeladenen Bleiakku-Zelle wird die Zelle über den externen Stromkreis (siehe Lampe in Bild) entladen. Dabei fließen Elektronen (e-) über den äußeren Stromkreis von der negativen Elektrode (Minuspol des Akkus) zur positiven Elektrode (Pluspol).
Da die Schwefelsäure (H2SO4) im dissoziierten Zustand vorliegt, oxidiert an der negativen Elektrode (Pb) das Hydrogensulfat (HSO4-) zu porösem Bleisulfat (PbSO4), wobei Wasserstoff (H+) frei wird. Gleichzeitig entstehen an der negativen Elektrode freie Elektronen (e-), die über den externen Stromkreis zum Pluspol fließen.
Die chemische Gleichung sieht dann wie folgt aus:
Pb + HSO4- → PbSO4 + H+ + 2e-
Am Pluspol des Bleiakkus findet eine Reduktion statt. Unter Aufnahme von Elektronen (e-) wird das Bleidioxid (PbO2) der Elektrode zusammen mit dem Hydrogensulfat (HSO4-) und dem Wasserstoff (H+) zu Bleisulfat (PbSO4) und Wasser (H2O) reduziert.
In diesem Fall sieht die Gleichung wie folgt aus:
PbO2 + HSO4- + 3H+ + 2e- → PbSO4 + 2H2O
Betrachtet man die Gesamtreaktion, reagieren Blei, Bleidioxid und Schwefelsäure zu Bleisulfat und Wasser.
Pb + PbO2 + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O
Demzufolge verringert sich beim Entladen die Säurekonzentration im Elektrolyt.
Ladevorgang
Beim Anlegen der Ladespannung werden der negativen Elektrode Elektronen zugeführt und an der positiven Elektrode abgezogen. Die chemischen Reaktionen, die beim Entladen stattgefunden haben, laufen nun rückwärts ab.
Das vorhandene Bleisulfat (PbS04) wird unter Aufnahme von Wasserstoff und Elektronen zu Blei (Pb) und Hydrogensulfat (HSO4-) reduziert. Die chemische Gleichung sieht nun wie folgt aus:
PbSO4 + H+ + 2e- → Pb + HSO4-
Am Pluspol findet nun eine Oxidation statt. Unter Abgabe von Elektronen wird aus Bleisulfat (PbSO4) und Wasser (H2O) wieder Bleidioxid (PbO2), Hydrogensulfat (HSO4-) und Wasserstoff (H+).
In diesem Fall ist die Gleichung nun umgekehrt:
PbSO4 + 2H2O → PbO2 + HSO4- + 3H+ + 2e-
Demzufolge steigt beim Ladevorgang der Säureanteil im Elektrolyt, was auch in der Gesamtgleichung erkennbar ist:
2PbSO4 + 2H2O → Pb + PbO2 + 2H2SO4
Das ist auch der Grund, warum bei offenen Bleisäure-Akkus mit Hilfe eines Batteriesäure-Hebers der aktuelle Ladezustand des Bleiakkus geprüft werden kann.
Der wesentliche Vorteil bei AGM Batterien ist die hohe Anzahl an Ladezyklen. Damit bieten die Batterien eine deutlich längere Lebensdauer als konventionelle Nassbatterien. Im Fahrzeugeinsatz ermöglicht der geringe Innenwiderstand sehr hohe Ströme für den Startvorgang, die dank der hohen Kältestabilität auch im Winter zur Verfügung stehen.
Darum wird die AGM-Technologie auch bei Fahrzeugen mit Start-Stopp-Funktion eingesetzt. Zudem sind die Batterien nahezu wartungsfrei und können bei Bedarf sehr tief entladen werden, ohne dabei Schaden zu nehmen. Durch die Glass Mat Technologie kann der Elektrolyt nicht auslaufen, selbst wenn das Gehäuse mechanisch beschädigt wurde.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Bleisäure-Akkus haben AGM-Akkus konstruktionsbedingt einen geringeren Innenwiderstand. Dadurch sind sie in der Lage sehr hohe Ströme abzugeben. Da weder eine Säureschichtung noch ein Wasserverlust auftritt, sind die Batterien sehr langlebig und weisen eine deutlich höhere Zyklenfestigkeit auf.
Darum sind AGM-Akkus ideal als Starterbatterien für Fahrzeuge mit Start-Stopp-Technologie oder mit Bremsenergie-Rückgewinnung geeignet.
Da AGM-Akkus komplett geschlossen sind, können sie auch in Wohnmobilen eingesetzt werden. Aber auch in Alarmanlagen, Solaranlagen, USV-Anlagen oder sogar in Elektrofahrzeugen (Gabelstapler oder Roller) werden AGM-Akkus genutzt. Durch die geringe Selbstentladung werden auch längere Standzeiten problemlos überstanden.
Der vorzeitige Ausfall von Blei-Akkus kann vielfältige Gründe haben. Die wichtigsten Ausfallgründe haben wir kurz zusammengefasst:
Wasserverlust
Ein wesentlicher Grund für eine kurze Lebensdauer bzw. den vorzeitigen Ausfall von Bleisäure-Akkus war der Wasserverlust durch Verdunstung und somit das Trockenliegen der Bleiplatten. Bei Gel- oder AGM-Akkus wird die Ausdünstung durch das geschlossene Gehäuse verhindert bzw. minimiert.
Säureschichtung
Aber auch die Säureschichtung kann bei Bleisäure-Akkus zum Problem werden. Während des Entladevorgangs sinkt die Säuredichte im Elektrolyt, wodurch der Säureanteil im Schlammraum unterhalb der Platten deutlich höher ist als im oberen Bereich. Bei einem AGM-Akku vermindert das Vlies die Säureschichtung.
Sulfatierung
Ein weiteres Alterungs-Kriterium ist die Sulfatierung, bei der die sonst poröse Bleisulfat-Schicht eine kristalline Struktur annimmt. Dadurch nimmt sie nicht mehr aktiv am Lade- und Entladevorgang teil. Dies kann durch die bereits erwähnte Säureschichtung passieren oder wenn sich die Akkus längere Zeit in einem teilentladen oder sogar komplett entladen Zustand befinden.
Erosion
Bei der Erosion fällt Aktivmaterial vom Ableiter (Gitter) ab. Dies geschieht durch die mechanischen Belastungen bei den Lade- und Entladevorgängen, durch Gasung oder auch hohe Stromstärken. Die Folgen davon sind deutliche Kapazitätsverluste, eine verkürzte Lebensdauer, ein höherer Innenwiderstand und Kurzschlüsse innerhalb der Zellen.
Korrosion
Ebenso problematisch ist die Korrosion zwischen dem Gitter und der Aktivmasse an der positiven Elektrode. Für eine Gitterkorrosion sind neben der Säureschichtung und hohen Temperaturen auch das Elektrodenpotential und die Materialqualität verantwortlich. Teilweise mischen die Hersteller Antimon, Kalzium oder Silber bei, um die mechanischen und elektrischen Eigenschaften zu verbessern.
Unser Praxistipp: Sulfatierung aktiv vermeiden
Wenn möglich, sollten Bleiakkus immer in einem vollgeladenen Zustand gehalten werden. Auch bei der Lagerung. Um eine Sulfatierung zu vermeiden, sollten die Akkus von Zeit zu Zeit mit einem geeigneten Ladegerät nachgeladen werden, wenn sie in lediglich sporadisch genutzten Fahrzeugen eingesetzt werden.
Ansonsten kann die Sulfatierung zum Ausfall des Akkus führen. Einige Firmen bieten deshalb sogenannte Refresher oder Pulser an, mit denen kristalline Struktur vermieden bzw. vorhandene Strukturen wieder aufgebrochen werden können.
Warum werden AGM Batterien im Regelfall nicht im Motorraum untergebracht?
Da AGM Batterien keine hohen Temperaturen vertragen, werden sie nicht in unmittelbarer Nähe zum Verbrennungsmotor verbaut.
Können AGM Batterien mit jedem herkömmlichen Ladegerät geladen werden?
Ungeregelte Trafoladegeräte sind nicht geeignet. Im Idealfall sollte das Ladegerät nach der IUoU-Kennlinie arbeiten. Dabei wird zunächst mit einem kontinuierlichen Ladestrom (I) gearbeitet, bis die maximale Ladespannung erreicht ist. Die Ladespannung bleibt dann kontinuierlich auf gleicher Höhe, wodurch der Ladestrom mit der Zeit geringer wird. Nach Unterschreiten des minimalen Ladestroms wird automatisch auf Erhaltungsladung umgeschaltet.
Welche Wartungsarbeiten müssen an AGM Batterien durchgeführt werden?
Die wartungsfreien Batterien müssen lediglich regelmäßig geladen werden. Wenn dies nicht im regulären Betrieb automatisch geschieht, muss ein Ladegerät in regelmäßigen Abständen angeschlossen werden, um eine zu tiefe Entladung zu vermeiden. Dabei sollte eine Sichtprüfung der Anschlusspole erfolgen und eventuelle Verschmutzungen entfernt werden. Weitere Wartungsarbeiten sind nicht erforderlich.
Was bedeutet Kapazität bei einer Batterie?
Die Kapazität einer Batterie gibt an, wie viel Strom die Batterie über einen bestimmten Zeitraum abgeben kann. Demzufolge wird die Batterie-Kapazität in Amperestunden (Ah) angegeben. Eine Batterie mit einer Batterie-Kapazität von beispielsweise 18 Ah kann 10 Stunden lang einen Strom von 1,8 A abgeben. Wenn die Ströme höher als 1/10 des Kapazitätswertes liegen, reduziert sich die vom Hersteller angegebene und tatsächlich nutzbare Kapazität der Batterie.
Was bedeutet Deep-Cycle-Batterie?
Deep Cycle-Batterien können extrem tief entladen werden, ohne dabei Leistung zu verlieren oder Schaden zu nehmen. Besonders wenn Fahrzeuge mit Start-Stopp-System im Winter lediglich auf Kurzstrecken bewegt werden, können Starterbatterien mit herkömmlicher Technologie (Blei-Säure-Batterien) schnell zu tief entladen werden.