Chemie der Alkalibatterien
Alkalibatterien (IEC-Code: L) sind eine Art von Primärbatterien, die elektrischen Strom direkt aus der elektrochemischen Reaktion zwischen Zink und Mangan(IV)-oxid (MnO2) in Gegenwart eines alkalischen Elektrolyten liefern. Der Name „Alkalibatterie“ rührt daher, dass sie einen alkalischen Elektrolyten aus Kaliumhydroxid (KOH) anstelle des sauren Ammoniumchlorids (NH4Cl) oder Zinkchlorids (ZnCl2) der Zink-Kohle-Batterien verwenden. Andere Batteriesysteme nutzen ebenfalls alkalische Elektrolyte, verwenden jedoch unterschiedliche aktive Materialien für die Elektroden.
Die primäre Alkalibatterie ist ein weit verbreitetes Produkt, das für den Betrieb vieler tragbarer Geräte wie Elektrowerkzeuge, Radios, Spielzeuge und Fernbedienungen unerlässlich ist. Die gängigste Größe einer Alkalibatterie ist die bekannte AA-Batterie. Alkalibatterien werden am häufigsten in tragbaren Geräten verwendet, die einen niedrigen Stromverbrauch haben, nur gelegentlich benutzt werden oder weit entfernt von einer alternativen Stromquelle sind, wie in Alarm- und Kommunikationsschaltungen, wo anderer elektrischer Strom nur gelegentlich verfügbar ist.
Chemie der Alkalibatterien
In einfachen Worten ist jede Batterie so konzipiert, dass Kathode und Anode getrennt bleiben, um eine Reaktion zu verhindern. Die gespeicherten Elektronen fließen nur, wenn der Stromkreis geschlossen ist. Dies geschieht, wenn die Batterie in ein Gerät eingelegt und das Gerät eingeschaltet wird. Wenn der Stromkreis geschlossen ist, zieht die stärkere Anziehung der Elektronen durch die Kathode (z.B. Mangan(IV)-oxid in Alkalibatterien) die Elektronen von der Anode (z.B. Zink) durch den Draht im Stromkreis zur Kathodenelektrode. Diese chemische Reaktion der Batterie, dieser Fluss von Elektronen durch den Draht, ist Elektrizität.
Batterien wandeln chemische Energie direkt in elektrische Energie um. Chemische Energie kann beispielsweise in Zn oder Li gespeichert werden, die hochenergetische Metalle sind, da sie nicht durch d-Elektronenbindung stabilisiert sind, im Gegensatz zu Übergangsmetallen. Obwohl es eine Vielzahl von Batterietypen mit unterschiedlichen Materialkombinationen gibt, nutzen alle das gleiche Prinzip der Oxidations-Reduktions-Reaktion.
In einer elektrochemischen Zelle finden spontane Redoxreaktionen in zwei Elektroden statt, die durch einen Elektrolyten getrennt sind, eine ionisch leitfähige und elektrisch isolierende Substanz. Die Redoxreaktion ist eine chemische Reaktion, die eine Veränderung der Oxidationszustände der beteiligten Atome bewirkt. Elektronen werden von einem Element auf ein anderes übertragen. Als Ergebnis wird das Donatorelement, die Anode, oxidiert (verliert Elektronen), und das Empfängerelement, die Kathode, wird reduziert (gewinnt Elektronen).
In einer Alkalibatterie ist die negative Elektrode Zink, und die positive Elektrode ist hochdichtes Mangan(IV)-oxid (MnO2). Der alkalische Elektrolyt aus Kaliumhydroxid, KOH, wird während der Reaktion nicht verbraucht. Nur das Zink und MnO2 werden während der Entladung verbraucht. Der alkalische Elektrolyt aus Kaliumhydroxid bleibt bestehen, da gleich viele OH− verbraucht und produziert werden. Die Halbreaktionen lauten:
- Zn(s) + 2OH−(aq) → ZnO(s) + H2O(l) + 2e− [Eoxidation° = +1.28 V]
- 2MnO2(s) + H2O(l) + 2e− → Mn2O3(s) + 2OH−(aq) [Ereduction° = +0.15 V]
Gesamtreaktion: Zn(s) + 2MnO2(s) ⇌ ZnO(s) + Mn2O3(s) [e° = +1.43 V]
Wenn diese Batteriechemie in der realen Welt angewendet wird, werden die während der Reaktion erzeugten Elektronen verwendet, um Geräte zu betreiben, wenn der Stromkreis geschlossen ist.
