Die Chemie der Elektrobatterien
Die Grundlage der Elektrobatterien bildet das Prinzip der elektrochemischen Zelle, die auf spontanen Redoxreaktionen in zwei Elektroden beruht, getrennt durch ein Elektrolyt. Dies ist eine Substanz, die ionisch leitfähig und elektrisch isolierend ist. Chemische Energie kann beispielsweise in Zn oder Li gespeichert werden, da diese hochenergetischen Metalle nicht durch d-Elektronenbindung stabilisiert werden, anders als Übergangsmetalle. Trotz einer Vielzahl von Batterietypen mit unterschiedlichen Materialkombinationen basieren alle auf demselben Prinzip der Oxidations-Reduktions-Reaktion.
Design und Funktionsweise
Batterien sind so konzipiert, dass die energetisch günstige Redoxreaktion nur stattfinden kann, wenn Elektronen durch den externen Teil des Stromkreises fließen. Einfach ausgedrückt: Jede Batterie ist darauf ausgelegt, die Kathode und die Anode getrennt zu halten, um eine Reaktion zu verhindern. Die gespeicherten Elektronen fließen nur, wenn der Stromkreis geschlossen ist, was geschieht, wenn die Batterie in ein Gerät eingesetzt und dieses eingeschaltet wird.
Elektrochemischer Prozess
Eine Elektrobatterie ist im Wesentlichen eine Quelle von Gleichstromenergie. Sie wandelt gespeicherte chemische Energie durch einen elektrochemischen Prozess in elektrische Energie um und liefert damit eine Quelle elektromotorischer Kraft, um Ströme in elektrischen und elektronischen Schaltkreisen zu ermöglichen. Eine typische Batterie besteht aus einer oder mehreren voltaischen Zellen.
Redoxreaktionen
Im Zentrum stehen spontane Redoxreaktionen in zwei Elektroden, getrennt durch ein Elektrolyt. Die Redoxreaktion ist eine chemische Reaktion, die eine Änderung der Oxidationszustände der beteiligten Atome bewirkt. Elektronen werden von einem Element zum anderen übertragen. Dabei wird das spendende Element, die Anode, oxidiert (verliert Elektronen) und das empfangende Element, die Kathode, reduziert (gewinnt Elektronen).
Beispielweise besteht die Daniell-Zelle aus zwei unterschiedlichen Metallelektroden, Zn und Cu, die jeweils in Kontakt mit einer Lösung ihres eigenen Ions sind; Zinksulfat und Kupfersulfat. Die Redoxreaktion in der Daniell-Zelle ist:
Zn
+
Cu
2
+
→
Zn
2
+
+
Cu
Zn+Cu
2+
→Zn
2+
+Cu
Diese Prozesse führen zur Akkumulation von festem Kupfer an der Kathode und zur Korrosion der Zinkelektrode in der Lösung als Zinkkationen. Überschüssige Elektronen, die durch die Oxidation von Zinkmetall erzeugt werden, werden aus der Anode „gedrückt“, durchlaufen den Draht und werden in die Kupferkathode „gezogen“, wo sie durch die Reduktion von Kupferionen verbraucht werden.
Chemie der Lithium-Ionen-Batterien
