Batterien und Akkumulatoren

Galvanische Elemente können als Spannungsquellen genutzt werden. Der zwischen den Elektroden der Halbzellen fließende Strom kann zum Betreiben von Energiewandlern, (Glühlampen, usw.) benutzt werden. Man kann sagen, dass Batterien chemische Energie in elektrische Energie umwandeln. Theoretisch ließe sich eine Batterie mit jedem galvanischen Element entwickeln. Da man allerdings ein möglichst hohes elektrisches Potential (Spannung) zum Betreiben von elektrischen Geräten wünscht, eignen sich einige Stoffkombinationen besonders.

Grundlage für Batterien und Akkumulatoren ist das Wissen über galvanische Elemente und die Spannungsreihe. Wer hier noch Lücken hat kann in den entsprechenden Artikeln im Lexikon Informationen finden. Im Folgenden sollen hier nun einige typische Batterien und Akkumulatoren vorgestellt werden. Akkumulatoren sind Batterien, die man auch wieder aufladen kann. Bei einfachen Batterien ist dies nicht möglich. Warum wird sich im Folgenden klären.

Der Bleiakkumulator (Autobatterie)

Beim Bleiakkumulator besteht die Anode (+) aus Blei (Pb), die Kathode (-) aus Bleioxid (PbO2) und die Elektrolytlösung aus 20- 30%iger, wässriger Schwefelsäure. Folgende Reaktionen laufen an den Elektroden ab:

Anodenreaktion (Oxidation):

Pb → Pb2+ + 2e-

Pb2+ + SO42- → PbSO4

Die positive Anode wirkt als Elektronenspender. Ständig werden dem Blei hier Elektronen entzogen, die in den äußeren Leitungskreislauf fließen. Die Oxidationszahl des Bleis ändert sich von 0 auf +II; es wird oxidiert. Die zurück bleibenden Bleiionen bilden mit dem Sulfation (aus der Schwefelsäure) Bleisulfat.

Kathodenreaktion (Reduktion):

PbO2 + 4H3O+ +2e- → Pb2+ + 6H2O

Pb2+ + SO42- → PbSO4

Die negative Kathode aus Bleioxid nimmt stetig Elektronen aus dem äußeren Leitungskreis von der Anode auf. Bleiionen mit der Oxidationszahl + IV werden zu Bleiionen mit der Oxidationszahl +II reduziert. Der freiwerdende Sauerstoff bildet mit Oxoniumionen (aus der Schwefelsäure) Wassermoleküle. Aus Blei und Bleioxid entsteht also Bleisulfat. Die Ladungen, die dabei übertragen werden, dienen als elektrischer Strom. Das Potenzial einer einzelnen solchen Zelle beträgt 2.12 Volt.

Insgesamt lautet die Reaktion also:

Pb + PbO2 + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O

Der Name Bleiakkumulator lässt schon vermuten, dass sich die Zelle, wie ein Akku, wieder aufladen lässt. Dies geschieht, wenn man eine Spannung in die Gegenrichtung anlegt. Die eben beschriebenen Vorgänge laufen dabei rückwärts ab, wobei eine höhere Spannung verwendet werden muss als die, welche die Halbzellen in anderer Richtung erzeugen würden. Es laufen folgende Reaktionen ab:

PbSO4 → Pb2+ + SO42-

Pb2+ + 6H2O → PbO2 + 4H3O+ + 2e-

Pb2+ + 2e- → Pb

Gesamtgleichung:

2PbSO4 + 4H2O → Pb + PbO2 + 2H2SO4

Der Blei-Akkumulator wird als Autobatterie verwendet. Man schaltet sechs Zellen a 2 Volt in Reihe und erhält so eine Gesamtspannung von 12 Volt. Da bei Hin- oder Rückreaktion die Schwefelsäure mitreagiert - beim Entladen des Akkus wird Schwefelsäure verbraucht - lässt sich aus der Schwefelsäurekonzentration (Dichtemessung) der Ladungszustand des Akkus bestimmen. [Bild 1]

Leclanché-Element (Trockenbatterien)

Der Name Trockenbatterie ist hier auch Programm. In Trockenbatterien besteht die Anode (+) aus Zinkblech und die Kathode (-) aus einem Graphitstab der von einer Paste aus Braunstein (MnO2), Ammoniumchlorid (NH4Cl) und Wasser umgeben ist. Folgende Reaktionen finden an den Elektroden statt.

Anodenreaktion (Oxidation):

Zn → Zn2+ + 2e-

Zink wird stetig oxidiert und gibt Elektronen an den Leitungskreislauf ab.

Kathodenreaktion (Reduktion):

2MnO2 + 2e- + 2H3O+ → 2MnO(OH) + 2H2O

Mangandioxid wird hier zu Mangantrioxid reduziert. Die benötigten Protonen liefern die Ammoniumionen:

2NH4+ + 2H2O → 2NH3 + 2H3O+

Das Zellenpotenzial beträgt hier ca. 1.25 - 1.5 Volt. Die Trockenbatterie ist nicht wieder aufladbar. Die bei der Reaktion entstehenden Zinkionen bilden mit dem ebenfalls frei werdenden Ammoniak und den Chloridionen ein stabiles Komplexsalz.

Zn2+ + 2NH3 → [Zn(NH3)2]Cl2

Billige Wegerbatterien, wie sie häufig in Taschenlampen verwendet werden, sind oft Trockenbatterien.

Alkaline-, Mignon-, oder 9V-Block-Zellen sind heute allesamt Alkali-Mangan-Batterien; Zink/Braunstein-Batterien mit alkalischer Elektrolytlösung (in der Regel KOH). Diese sind etwas leistungsfähiger und laufen nicht so leicht aus. Bei 9V-Blocks werden 6 Alkaline-Zellen hintereinander geschaltet. 4.5 Volt-Flachbatterien sind meist drei hintereinander geschaltete Leclanché Elemente. [Bild 2]

Knopfzellen: Silberoxid/Zink-Zelle

Knopfzellen werden für kleine elektrische Geräte, wie Hörgeräte, Uhren oder Taschenrechner verwendet. Sie bestehen aus einer Anode aus Zink und einer Kathode aus Silberoxid. Zwischen den Elektroden befindet sich ein mit Kalilauge getränktes Papier.

Anodenreaktion (Oxidation):

Zn → Zn2+ + 2e-

Zn2+ + 2OH- → ZnO + H2O

Zink wird an der Anode stetig zu Zinkionen reduziert, die sich mit Hydroxidionen zu Zinkoxid und Wasser verbinden.

Kathodenreaktion (Reduktion):

Ag2O + 2e- + H2O → 2Ag + 2OH-

Silberoxid nimmt an der Kathode die frei gewordenen Elektronen auf und wird zu Silber reduziert. Frei werdende Sauerstoffe bilden mit Wasser Hydroxidionen. Das Potential der Knopfzelle liegt bei ca. 1.5V

Nickel-Cadmiun-Zelle

Die Nickel-Cadmium-Zelle gehört zu den Akkumulatoren. Sie kann wieder geladen werden und war vor Aufkommen der Ni-Metallhydrid- oder Lithiumionenakkus der Standardakku schlechthin. Er wurde früher z.B. in Mobiltelefonen verwendet. Die NiCd-Zelle besteht aus einer Cadmiumanode und einer Nickeloxidhydroxidkathode.

Anodenreaktion (Oxidation):

Cd → Cd2+ + 2e-

Cd2+ + 2OH- → Cd(OH)2

Kathodenreaktion (Reduktion):

2NiO(OH) + 2e- + 2H2O → 2Ni(OH)2 + 2OH-

NiCd-Zellen erreichen ein elektrisches Potential von ca. 1.4 Volt. Die Zelle ist durch Anlegen einer Gegenspannung wieder aufladbar. Das Problem bei NiCd-Zellen ist zum Einen der so genannte "Memory Effekt". Wird die Zelle geladen, bevor sie komplett entladen war, kommt es zur Bildung von Cadmiumkristallen auf dem Cadmiumhydroxid der Anode, wodurch die Rektionen in der Zelle behindert werden und somit die Stromentnahme gestört wird.

Ein anderes Problem der NiCd-Akkus ist die Entsorgung. Cadmiumverbindungen sind sehr giftig. Daher müssen verbrauchte NiCd-Akkus sachgerecht entsorgt werden. NiCd-Akkus sind mittlerweile fast gänzlich aus der Mode und das in Umlauf Bringen sogar EU-weit verboten. Heute werden überwiegend NiMH (Metallhydrid)-Akkus oder Lithiumionenakkus verwendet.

Lithiumionenakkumulator

Im Lithiumionenakku wurden auf eine Graphitanode Lithiumatome eingelagert. Die Kathode besteht aus (je nach Hersteller unterschiedlichen) Metalloxiden, deren Metallionen mit Lithiumionen reagieren können. Elektrolyt ist eine Lithiumsalzlösung oder eine Polymermebran, die für Lithiumionen durchlässig ist. [Bild 3]

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