Elektrische Batterien: Grundlagen und Funktion
Elektrische Batterien sind unverzichtbare Quellen von Gleichstrom (DC) und spielen eine entscheidende Rolle in der modernen Technologie. Sie wandeln gespeicherte chemische Energie durch elektrochemische Prozesse in elektrische Energie um und liefern so eine elektromotorische Kraft, die Ströme in elektrischen und elektronischen Schaltkreisen ermöglicht.
Aufbau und Arbeitsweise
Eine typische Batterie besteht aus einer oder mehreren Volta-Zellen. Das Herzstück einer solchen Zelle ist das Prinzip der Oxidations-Reduktions-Reaktion, bei der chemische Energie, beispielsweise in Zn oder Li gespeichert, in elektrische Energie umgewandelt wird. Diese Metalle sind energiereich, da sie anders als Übergangsmetalle nicht durch d-Elektronenbindung stabilisiert werden.
Elektrochemische Zellen
In einer elektrochemischen Zelle finden spontane Redoxreaktionen an zwei durch einen Elektrolyten getrennten Elektroden statt. Der Elektrolyt ist eine ionisch leitfähige und elektrisch isolierende Substanz. Die Redoxreaktion ist eine chemische Reaktion, bei der eine Änderung der Oxidationszustände der beteiligten Atome stattfindet und Elektronen von einem Element zum anderen übertragen werden.
Spannung und Zusammensetzung
Die Spannung von elektrischen Batterien wird durch die Potenzialdifferenz der Materialien, die die positiven und negativen Elektroden in der elektrochemischen Reaktion bilden, erzeugt. Da die meisten resultierenden Spannungen um 2V liegen, werden Zellen in Reihe geschaltet, um praktikablere elektrische Potenziale zu erhalten.
Chemie der Elektrobatterien
Jede Batterie ist so konzipiert, dass Kathode und Anode getrennt bleiben, um eine Reaktion zu verhindern. Elektronen fließen nur, wenn der Stromkreis geschlossen ist, wie beim Einlegen der Batterie in ein Gerät und dessen Einschalten. Bei geschlossenem Stromkreis zieht die stärkere Anziehung der Elektronen durch die Kathode diese vom Anoden durch den Draht im Schaltkreis zur Kathodenelektrode.
Zusammensetzung von Batterien
Die Alkalibatterie besteht aus fünf Teilen: dem inneren Stromsammler (Stift), der Anode (aktives Material ist Zn), dem Separator (eine permeable Membran zwischen Anode und Kathode), der Kathode (aktives Material ist Manganoxid) und dem Elektrolyten (wässriges Kaliumhydroxid).
Eigenschaften elektrischer Batterien
Zu den wichtigen Parametern, die die Fähigkeit jeder Batterie kennzeichnen, gehören die Zellspannung, die Abschaltspannung, die Kapazität, die Selbstentladung und die Entladungstiefe. Der Ladezustand bezieht sich auf die in der Batterie verbleibende Ladung im Verhältnis zu ihren definierten „vollen“ und „leeren“ Zuständen.
Arten von Batterien
Es gibt eine Vielzahl von Batterietypen, darunter Primär- (nicht wiederaufladbar) und Sekundärzellen (wiederaufladbar). Verschiedene Batteriegrößen und -formate, wie AA, AAA und D-Batterien, sowie unterschiedliche Chemikalien wie Alkali-, Lithium-Metall- und Zink-Kohlenstoff-Batterien sind gebräuchlich.
Häufig gestellte Fragen
Primärbatterien sind zur einmaligen Verwendung bestimmt, während Sekundärbatterien wiederaufladbar sind. Alkaline Batterien haben eine Spannung von 1,5V, während wiederaufladbare Batterien in der Regel 1,2V aufweisen. Batterien können auslaufen, besonders Alkalibatterien, was auf die Bildung von Wasserstoffgas während der Entladung zurückzuführen ist.
