Nach ~Peukert~[55] ist

Jⁿ . t = const.,

wo J die Entladestromstärke, t die Entladedauer, n einen durch das

Experiment zu bestimmenden Faktor bedeutet; n lag bei den untersuchten

Typen zwischen 1,35 und 1,72.

Die gesamte Elektrizitätsmenge, die man einem Akkumulator entnehmen

kann, ist, um es noch einmal zu wiederholen, durch das Gewicht des

vorhandenen bezw. zugänglichen Bleischwammes und Bleisuperoxydes

gegeben. Soll beispielsweise ein Akkumulator bei 10stündiger Entladung

100 Amperstunden abgeben, so müssen auf der negativen Elektrode

~mindestens~ 385 Gramm Bleischwamm und auf der positiven mindestens 446

Gramm Bleisuperoxyd angehäuft sein (siehe S. 37). In Wirklichkeit müssen

aber größere Mengen der wirksamen Massen vorhanden sein, da auch bei

10stündiger Entladung nicht alles Pb und nicht alles PbO₂ umgewandelt

wird.

Eine vollständige Ausnutzung des vorhandenen aktiven Materials ist

sogar theoretisch nicht möglich, weil PbSO₄ ein sehr schlechter Leiter

ist. Nach Roloff werden bei 3stündiger Entladung bei den Positiven

45%, bei den Negativen 25% der anfänglich vorhandenen aktiven Masse

ausgenutzt.

Natürlich mußten dem Akkumulator, wenn er 100 Amperstunden abgeben soll,

bei der vorhergegangenen Ladung mindestens 100 Amperstunden zugeführt

worden sein. Es ist allerdings denkbar, daß ein Akkumulator ~ein Mal~

mehr Elektrizität abgibt, als man bei der Ladung in ihn hineingeschickt

hat, indem nämlich Blei und Bleisuperoxyd, das bei der vorletzten

Entladung nicht in Bleisulfat verwandelt wurde, jetzt verbraucht wird.

Da die Abhängigkeit der Kapazität von der Entladezeit im engsten

Zusammenhange mit den Diffusionsvorgängen steht, so kann man

voraussagen, daß die Änderungen für die verschiedenen Systeme nicht die

gleichen sind; bei Großoberflächenplatten (s. Kap. 6) wird diese

Abhängigkeit nicht so groß sein, wie bei pastierten Platten.

Außer von der Entladestromstärke hängt die Kapazität von der Dicke der

aktiven Schicht, der Säuredichte und von der Temperatur ab. Ist das

Bleisuperoxyd und ebenso der Bleischwamm als sehr dünner Überzug auf

einer großen Oberfläche verteilt, so kann die für die Bleisulfatbildung

nötige Säure leichter in das Innere eindringen, als wenn die wirksame

Masse eine dickere Schicht mit kleinerer Oberfläche bildet.

Der Forderung möglichst dünne Platten zu Verwenden, stehen folgende

Bedenken im Wege: Die Lebensdauer der Platten verringert sich, die

Platten müssen eine gewisse mechanische Festigkeit haben, bei sehr

dünnen Platten ist nicht genügend Raum für die Aufnahme der Paste

vorhanden, der Widerstand der Platten wird größer.

~Die Abhängigkeit der Kapazität von der Säuredichte~ hat zuerst

~Heim~[56] näher untersucht. Er fand, daß die Kapazität, wenn man die

Säuredichte vergrößert, zuerst steigt und dann wieder abnimmt; das

Maximum lag bei einem spezifischen Gewichte von 1,1. Nach ~Earle~ ist

die Kapazität am größten, wenn die Säuredichte etwa gleich 1,25 ist. Da

bei dieser Dichte verdünnte Schwefelsäure (genauer bei 1,22) das Maximum

der Leitfähigkeit besitzt, so darf man die Kapazität als eine Funktion

des Leitungsvermögens des Elektrolyten ansehen, ein Schluß, der mit

unseren früheren Überlegungen in Einklang steht. Die Stromlinien dringen

eben um so tiefer in das Innere der aktiven Masse ein, die Umwandlung in

Bleisulfat ist um so vollständiger, je besser die Säure leitet.

~Der Einfluß der Temperatur auf die Kapazität~ ist ein nicht

unerheblicher. Durch Messungen von ~Heim~[57] ergab sich, daß die

Kapazität pro 1° Temperaturerhöhung innerhalb der Grenzen 14° und 45° um

2,6% des der Temperatur 19° entsprechenden Betrages stieg. Die Zunahme

der Kapazität mit der Temperatur kann durch den rascheren Ausgleich der

Konzentrationsänderungen (infolge größerer Beweglichkeit der Säure),

sowie durch die Zunahme des Leitungsvermögens des Elektrolyten[58]

erklärt werden. In der Praxis kann man von der Kapazitätssteigerung

durch Erwärmung der Säure schon aus dem Grunde keinen Gebrauch machen,

weil sie eine vorzeitige Abnutzung der Platten zur Folge hat.

Zu bemerken ist noch, daß bei einem Akkumulator, der mit Ruhepausen

entladen wird, die Kapazität eine andere ist, als bei einem Elemente,

das mit gleicher Stromstärke ohne Unterbrechung beansprucht wird; sind

die Ruhepausen nicht so groß, daß die Selbstentladung während derselben

merkliche Verluste verursacht (siehe S. 106), so ist die Kapazität im

ersteren Falle die größere.

~B. Albrecht~ fand, daß bei Akkumulatoren mit positiven

Großoberflächenplatten (s. Kap. 6) eine merkliche Zunahme der

Kapazität infolge der Ruhepausen nicht stattfand. Wahrscheinlich ist

dieser Umstand der Selbstentladung während der Ruhepausen

zuzuschreiben. Bei den Masseplatten wurde eine ganz bedeutende Zunahme

der Kapazität infolge der Unterbrechungen beobachtet, und zwar ist die

prozentuale Zunahme um so bedeutender, je größer die

Entladestromstärke ist. Die Untersuchungen wurden allerdings nur mit

Platten ~einer~ Firma ausgeführt. (Näheres s. E. T. Z. 1907, S. 539.)

Die Kapazität eines Akkumulators ändert sich im Laufe der Zeit. In der

Regel nimmt sie zuerst zu, erreicht ein Maximum und sinkt dann. Hierbei

ist zu beachten, daß verschiedene Fabriken die Platten in nicht fertig

formiertem Zustande liefern, so daß in der ersten Zeit die Formation

fortschreitet und die Aufnahmefähigkeit steigt. Auch bei Platten, die

soweit als möglich in der Fabrik formiert wurden, kann die Kapazität

wachsen; es gilt dies besonders von positiven Großoberflächenplatten (s.

Planté-Formation). Andererseits kann die Kapazität im Gebrauche geringer

werden, weil aktive Masse aus dem Gitter herausfällt oder abbröckelt.

Wenn man zwischen Kohlenelektroden verdünnte Schwefelsäure

elektrolysiert, so findet man nach einiger Zeit auf dem Boden

zahlreiche kleine Kohlenpartikelchen. Diese werden von den Gasblasen

gleichsam abgerieben oder losgesprengt.

Über die Kapazitätsabnahme infolge der Verbleiung siehe Kap. 7. Auch die

Sulfatation hat einen Rückgang der Kapazität zur Folge (s. Kap. 5).

Die Beschaffenheit der Elektroden übt, wie P. Schoop[59] sagt, einen

schwer kontrollierbaren Einfluß auf die Kapazität aus. Ist eine

Batterie längere Zeit nicht benutzt worden, so ist die Kapazität

geringer. Durch mehrmaliges Laden und Entladen muß man dann die Platten

auffrischen.

Eine ~Kapazitätsprobe~ wird bei der Abnahme einer gelieferten Batterie

ausgeführt; auch empfiehlt es sich, eine solche vorzunehmen, wenn man

über den Zustand der Batterie im Zweifel ist, besonders wenn sie längere

Zeit nicht benutzt worden ist. Die Prüfung geschieht folgendermaßen: Die

Batterie wird mit normaler Stromstärke (etwa der der fünfstündigen

Ladung entsprechenden) geladen; kurze Zeit nach der Ladung soll die

Entladung beginnen. Man reguliert die Stromstärke so, daß sie den für

die betreffende Entladezeit (z. B. fünf Stunden) vorgeschriebenen Wert

hat und hält sie tunlichst konstant. Kann man den Strom nicht ausnutzen

(z. B. für den Betrieb von Motoren, oder für elektrolytische Zwecke), so

schaltet man die Batterie auf einen regulierbaren Metall- oder

Wasserwiderstand (der Gebrauch des letzteren ist ziemlich unbequem wegen

der Schaumbildung, des Siedens der Flüssigkeit usw.). Am einfachsten

bestimmt man die abgegebene Elektrizitätsmenge mittels eines Coulomb-

oder Amperstundenzählers; benutzt man hierfür ein Amperemeter, so muß

man in Zeitabschnitten von 10-15 Minuten die Stromstärke ablesen. Durch

ein mit den Klemmen der Batterie verbundenes Voltmeter wird die Spannung

gemessen. Der Versuch ist natürlich abzubrechen, wenn die untere

Spannungsgrenze erreicht ist, d. h. wenn die Klemmenspannung um etwa 10%

der anfänglichen gesunken ist. -- Aus früheren Betrachtungen ergibt sich

übrigens, daß man durch eine einmalige Entladung ein zuverlässiges

Resultat nicht erhalten kann.

Hat man gefunden, daß die Kapazität eines Akkumulators zurückgegangen

ist, so ist es von Wichtigkeit zu wissen, ob die Ursache an der

positiven oder an der negativen Elektrode liegt. Um dies zu prüfen,

bedient man sich der ~Fuchsschen Methode~; das Verdienst, diese in die

Akkumulatorentechnik eingeführt zu haben, gebührt ~C. Liebenow~[60]. Man

bedient sich bei dieser Methode einer sogen. ~Hilfselektrode~, am

einfachsten eines amalgamierten Zinkstäbchens oder am besten eines

Kadmiumblechs; die Meßelektrode[61] taucht man so in die Säure ein, daß

sie von möglichst wenig Stromfäden getroffen wird. Sie bildet in

verdünnter Schwefelsäure sowohl mit Bleisuperoxyd als auch mit dem

Bleischwamm ein galvanisches Element. Die elektromotorischen Kräfte e₁

und e₂ betragen bei der gewöhnlichen Säuredichte bei Beginn der

Entladung

für Zink und Bleisuperoxyd 2,41 Volt,

„ „ „ Bleischwamm 0,40 „ ,

„ Kadmium „ Bleisuperoxyd 2,17 „ ,

„ „ „ Blei 0,16 „ .

e₁ - e₂ ist, wenn die Zelle keinen Strom abgibt, mit großer Annäherung

die elektromotorische Kraft des Akkumulators. Entnimmt man der Zelle

Strom, so ändern sich e₁ und e₂ etwas, und es ist jetzt ihre Differenz

gleich der Klemmenspannung, wenn der innere Widerstand des Elementes so

klein ist, daß man das Produkt i · w vernachlässigen kann.

Man macht während der Entladung eine größere Reihe von Messungen und

trägt die Werte von e₁ und e₂ sowie diejenigen für die Klemmenspannung

auf Millimeterpapier nach der Zeit auf, d. h. man macht die Zeit zu

Abszissen und die Spannungen zu Ordinaten. Man erhält so drei Kurven,

die den Verlauf der Klemmenspannung und der elektromotorischen Kräfte

der beiden Kombinationen

Hilfselektrode | verdünnte Schwefelsäure | Bleisuperoxyd

„ | „ „ | Bleischwamm

anzeigen. Die elektromotorischen Kräfte e₁ und e₂ müssen sich bei

fortschreitender Entladung einander allmählich nähern, da die positive

und die negative Platte einander ähnlich werden. Bei gleicher Kapazität

der beiden Platten müssen offenbar die Kurven zur selben Zeit, nämlich

wenn die Klemmenspannung anfängt abzufallen, stark umbiegen, die eine

nach unten, die andere nach oben.

Nach ~Sieg~ sind die positiven Platten entladen, sobald sie gegen

Kadmium unter 2 Volt anzeigen, die negativen, sobald sie gegen Kadmium

über 0,2 Volt haben.

~Liebenow~ gelangt auf Grund seiner Beobachtungen zu der Regel, daß die

Fuchssche Methode dann eindeutige Resultate gibt, wenn sie klar eine

wesentliche Verschiedenheit der Kapazität beider Plattensorten anzeigt.

Wenden sich dagegen die beiden Kurven (e₁ und e₂) beim Herabgehen der

Klemmenspannung gleichzeitig, so können positive und negative Platten

die gleiche Kapazität haben, es kann aber auch die der einen kleiner

sein als die der anderen.

~Wirkungsgrad~[62]. Nennt man die einem Elemente während der Ladung

zugeführte Elektrizitätsmenge, ausgedrückt in Amperstunden (oder in

Coulomb), Q₁ und die während der Entladung von der Zelle abgegebene

Elektrizitätsmenge Q₂, so ist

Q₂

-- der Wirkungsgrad.

Q₁

Multipliziert man den erhaltenen Bruch mit 100, so erhält man den

Wirkungsgrad in Prozenten der hineingeladenen Elektrizitätsmenge.

Da Q₁ und Q₂ von der Stromdichte, also auch von der Dauer der Ladung und

Entladung, abhängig sind, so empfiehlt es sich, mit derselben

Stromdichte zu entladen, mit der geladen wurde (s. Kapazität).

Der Wirkungsgrad beträgt aus verschiedenen Gründen weniger als 100% (in

der Praxis nimmt man 85-90% an). Stromverluste, die man bei

Laboratoriumsversuchen auf 3-4% herunterdrücken kann, werden zum Teil

durch eine schwache während der ganzen Ladung erfolgende Gasbildung

verursacht. Je größer die Stromdichte bei der Ladung ist, um so größer

ist die durchschnittliche Klemmenspannung, um so größer wird also auch

der Bruchteil des Stromes, der für die Gasbildung nutzlos verwertet

wird. Besonders während der „Überladung‟ (Ladung nach Beginn des

„Kochens‟) werden größere Elektrizitätsmengen für die Abscheidung von

Wasserstoff und Sauerstoff verbraucht, die bei der Entladung nicht

wiedergewonnen werden. Bei einer Wirkungsgradbestimmung wird man daher

von einer Überladung absehen.

Kleine Verluste können auch dadurch verursacht werden, daß während der

Ladung Teilchen der aktiven Masse durch die Gase abgekratzt oder

losgesprengt werden.

Läßt man das Element nach erfolgter Ladung unbenutzt stehen, so erfolgt

Selbstentladung, die eine Verringerung von Q₂ zur Folge hat. Je länger

also die zwischen Ladung und Entladung liegende Zeit ist, um so geringer

wird der Wirkungsgrad.

~Nutzeffekt~[63]. Man versteht darunter den Quotienten, den man erhält,

wenn man die vom Akkumulator während der Entladung abgegebene Energie

(gemessen in Wattstunden) durch die dem Akkumulator bei der

vorhergegangenen Ladung zugeführte Energie (in Wattstunden) dividiert.

Beispiel: Eine Zelle wurde mit 50 Amper 4 Stunden lang geladen; die

mittlere Ladespannung war 2,3 Volt; die dem Akkumulator zugeführte

Energie w₁ betrug

w₁ = 2,3 . 50.4 Wattstdn. = 460 Wattstdn.

Die Zelle wurde etwa ½ Stunde nach der Ladung mit 50 Amp. entladen; nach

ungefähr 3¾ Stunden war die Spannung auf 1,8 Volt gesunken. Da die

mittlere Spannung, wie die Messungen ergaben, jetzt rund 1,9 Volt

betrug, so belief sich die vom Akkumulator abgegebene Leistung w₂ auf

w₂ = 50 . 3,75 . 1,9 Wattstdn. = 356,25 Wattstdn.

Die Akkumulatoren: ihre Theorie, Herstellung, Behandlung und Verwendung. · 第 58 / 66 题