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BATTERIEN UND AKKUMULATOREN

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Batterien und Akkumulatoren
 
Die Funktion von Akkumulatoren und Batterien beruht auf der direkten Umwandlung von chemischer in elektrische Energie. Der Vorgang ist bei Batterien (Primärzellen) nicht umkehrbar, während Akkumulatoren (Sekundärzellen) wieder aufgeladen werden können.
 
Es war Alessandro Volta, der im Jahre 1800 das erste galvanische Element entwickelte und die Spannungsreihe der Elemente aufstellte. In ihr sind die Metalle nach zunehmendem elektrischen Potenzial gegenüber einem Bezugselement (üblich Wasserstoff) geordnet. Die Potenzialdifferenz zwischen beiden entspricht der elektrischen Spannung zwischen ihnen. Metalle mit einem kleinen Potenzial werden als unedel, solche mit einem großen als edel bezeichnet. Unedle Metalle geben leicht Elektronen ab, edle nehmen leicht Elektronen auf.
 
 Batterien
 
Alle galvanischen Zellen funktionieren nach dem gleichen Prinzip: Zwei Elektroden mit unterschiedlichem elektrischem Potenzial (z.B. Zink und Kupfer) tauchen in einen Elektrolyten (Ionen leitende Flüssigkeit, meist Salz- oder Säurelösung, z. B. Kupfersulfatlösung) ein, der im Innern der Zelle eine leitende Verbindung zwischen den Elektroden herstellt. Die Materialien sind so gewählt, dass sich zwischen den beiden Leitern eine Potenzialdifferenz aufbaut. Verbindet man sie über einen äußeren Leiter, so bewegen sich Elektronen von der einen zur anderen Elektrode, d. h., es fließt ein Strom.
 
Beispiel einer Zink-Kupfer-Batterie: Von der unedleren Zinkelektrode gehen Zinkionen in Lösung, an der Kupferelektrode werden Kupferionen aus der Lösung mittels freier Elektronen zu Kupfer reduziert. Ein Strom fließt so lange, bis alle gespeicherte chemische in elektrische Energie umgewandelt ist, d. h., bis alle Kupferionen aus der Lösung verbraucht sind.
 
Die beiden Elektroden bilden den positiven und den negativen Pol der Zelle, zwischen denen eine Spannung messbar ist. Typische Werte liegen zwischen 1,2 V und 4 V. Die Spannung hängt nicht von der Größe der Elektroden, sondern nur von den verwendeten Materialien ab. Zwar ist eine große Zahl an Kombinationen verschiedener Elektroden denkbar, aber nur wenige Systeme sind von praktischer Bedeutung.
 
Die Bezeichnung Batterie steht ursprünglich für einen Verbund mehrerer Primärelemente. Da die Zellenspannung begrenzt ist, muss man eine passende Anzahl Zellen elektrisch in Reihe schalten, um zu höheren Spannungen zu gelangen und Verbraucher mit unterschiedlichen Betriebsspannungen geeignet zu versorgen. Im Sprachgebrauch hat sich der Begriff Batterie aber auch für die Zellen selbst eingebürgert.
 
Sehr verbreitet sind die zylinderförmigen Rundzellen vom Typ der Zink-Kohle-Batterien. Diese »Veteranen«, erfunden im letzten Jahrhundert, verwenden Kohle- und Zink-Elektroden und Kalilauge als Elektrolyt. Etwas leistungsfähiger sind Alkali-Mangan-Batterien. Sie werden z. B. in Kofferradios und Taschenlampen verwendet. Quecksilberoxidzellen kommen in Uhren, Taschenlampen und Taschenrechnern zum Einsatz. Nur wenige Systeme kamen zu diesen etablierten hinzu, vor allem die Lithium-Zellen. Sie werden z. B. in Herzschrittmachern und Kameras verwendet.
 
 Akkumulatoren
 
Im Gegensatz zu Batterien sind Akkumulatoren wieder aufladbar, weil das Lade- und Entladeverhalten umkehrbar ist. Im Idealfall sind die grundlegenden elektrochemischen Vorgänge an den Elektroden während des Lade- und Entladebetriebs gleichermaßen reversibel. In der Realität bleibt die Anzahl möglicher Lade-Entlade-Zyklen (je nach Typ) auf einige Tausend beschränkt, da die chemischen Prozesse während des Beladens beim Entladen nicht vollständig zurückzunehmen sind.
 
Am bekanntesten ist der Bleiakkumulator, in Autos als Starterbatterien millionenfach verbreitet. Als Elektrolyt dient verdünnte Schwefelsäure. Im geladenen Zustand besteht die Kathode (Minus) aus reinem Blei (Pb), die Anode (Plus) aus Bleioxid (PbO2). Beim Entladen diffundieren Bleiionen in den Elektrolyten und reagieren dort zu Bleisulfat (PbSO4); die frei werdenden Elektronen fließen über den Verbraucher zur Anode. Beim Wiederaufladen kehrt sich die Reaktion um, aus Bleisulfat und Wasser entstehen wieder Blei, Bleioxid und Schwefelsäure. Die Zellenspannung beträgt rund 2 V, weshalb man mehrere Zellen zu einer Batterie zusammenfasst, um höhere Spannungen zu erreichen.
 
Eine wichte Kenngröße von Batterien und Akkumulatoren ist die Energiedichte. Sie gibt an, welche Energiemenge je Liter Batteriegröße gespeichert werden kann. Die Energiemenge ist bestimmt durch das Produkt der entnommenen Kapazität und der mittleren Entladespannung.
 
Neben Bleiakkumulatoren sind der Nickel-Cadmium- und der Nickel-Hydrid-Akku gebräuchlich. Andere Kombinationen sind im Test, um höhere Energiedichten zu realisieren. Doch oft sind sie konstruktiv aufwendig und kompliziert im Einsatz.


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