Spannung elektrischer Batterien – Zellspannung

Spannung von Elektrobatterien – Zellspannung

Die Zellspannung elektrischer Batterien entsteht durch die Potentialdifferenz der Materialien, die die positiven und negativen Elektroden in der elektrochemischen Reaktion bilden. Die Gesamtspannung elektrischer Batterien wird durch folgende Faktoren bestimmt:

• Chemie: Die Potentialdifferenz der Materialien, die die positiven und negativen Elektroden in der elektrochemischen Reaktion bilden.
• Zellenanzahl: Batterien, die in Serie geschaltet sind, erzeugen eine Spannung, die der Anzahl der Batterien multipliziert mit der Spannung jeder einzelnen Batterie entspricht.

Verschiedene Batteriechemien erzeugen unterschiedliche Zellspannungen. Zum Beispiel:

• 1,5V (Gleichstrom) – Eine übliche Leerlaufspannung für nicht wiederaufladbare Alkalibatterien (z. B. AAA, AA und C-Zellen).
• 3V (Gleichstrom) – Lithiumbasierte Primärzellen sind Batterien mit metallischem Lithium als Anode. Die Spannung der meisten Lithium-Metallzellen (z. B. Knopfzellen) beträgt 3V.
• 3,8V (Gleichstrom) – Fast alle Lithium-Ionen-Batterien arbeiten mit 3,8 Volt.
• 12V (Gleichstrom) – Eine übliche Spannung für Autobatterien beträgt 12 Volt (Gleichstrom), diese Batterie besteht jedoch aus sechs 2V-Blei-Zellen.

Elektrische Batterien sind im Wesentlichen eine Quelle für Gleichstromenergie. Sie wandeln gespeicherte chemische Energie durch einen elektrochemischen Prozess in elektrische Energie um, die dann eine Quelle elektromotorischer Kraft bietet, um Ströme in elektrischen und elektronischen Schaltungen fließen zu lassen. Eine typische Batterie besteht aus einer oder mehreren Volta-Zellen.

Das grundlegende Prinzip in einer elektrochemischen Zelle sind spontane Redoxreaktionen in zwei Elektroden, die durch einen Elektrolyten getrennt sind, einer Substanz, die ionisch leitfähig und elektrisch isolierend ist.

Warum haben Alkalibatterien 1,5V?

In einer Alkalibatterie ist die negative Elektrode Zink und die positive Elektrode hochdichtes Manganoxid (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 große Mengen von OH⁻ verbraucht und produziert werden. Die Halbreaktionen lauten:

• Zn(s) + 2OH⁻(aq) → ZnO(s) + H₂O(l) + 2e⁻ [E_oxidation° = +1,28 V]
• 2MnO₂(s) + H₂O(l) + 2e⁻ → Mn₂O₃(s) + 2OH⁻(aq) [E_reduction° = +0,15 V]

Gesamtreaktion: Zn(s) + 2MnO₂(s) ⇌ ZnO(s) + Mn₂O₃(s) [e° = +1,43 V]

Warum sind Alkalibatterien (AAA oder AA) mit 1,5V und wiederaufladbare mit 1,2V?

Primärzellen (Einweg- oder Alkalibatterien) verwenden Zellen mit 1,5V Leerlaufspannung, wenn sie frisch sind. Sekundärzellen (wiederaufladbare Batterien) verwenden Zellen aus NiMh oder NiCd, die 1,2V Leerlaufspannung haben. In der Praxis können die Alkalibatterien und die wiederaufladbaren Batterien austauschbar in Sets verwendet werden. Sie haben nur unterschiedliche Spannungscharakteristika. Dies wird durch ihre unterschiedliche Chemie gegeben. Primärzellen verringern allmählich die Spannung von der Nutzung; sie starten bei 1,5 Volt, fallen auf 1,2 und weiter auf 1,0, wo das Gerät aufhört zu funktionieren. Sekundärzellen arbeiten gleichmäßiger, selbst mit nur 1,2 Volt; sie haben eine flache Entladung, bei der sie ziemlich konstant bei 1,2 Volt bleiben, bis sie erschöpft sind, und dann sehr schnell auf unter 1,0 Volt abfallen. Da elektronische Geräte in der Regel für Zellspannungen von 1,0 bis 1,5 Volt ausgelegt sind, funktionieren die Alkalibatterien und die wiederaufladbaren Batterien ähnlich.

Weitere Eigenschaften

Um die Fähigkeit jeder Batterie zu vergleichen und zu verstehen, sind einige wichtige Parameter charakteristisch für jede Batterie, auch innerhalb eines Batterietyps. Diese Parameter sind eine Referenz, wenn eine Batterie benötigt wird und spezifische Qualitäten erforderlich sind, da Batterien in allen Arten von Geräten und für unendliche Zwecke verwendet werden.

• Zellspannung: Die Spannung elektrischer Batterien wird durch die Potentialdifferenz der Materialien erzeugt, die die positiven und negativen Elektroden in der elektrochemischen Reaktion bilden.
• Abschaltspannung: Die Abschaltspannung ist die minimal zulässige Spannung. Es ist diese Spannung, die im Allgemeinen den „leeren“ Zustand der Batterie definiert.
• Kapazität: Die koulometrische Kapazität ist die gesamten verfügbaren Amperestunden, wenn die Batterie bei einem bestimmten Entladestrom von 100% SOC auf die Abschaltspannung entladen wird.
• C-Rate der Batterie: Die Abschaltspannung ist die minimal zulässige Spannung. Es ist diese Spannung, die im Allgemeinen den „leeren“ Zustand der Batterie definiert.
• Selbstentladung: Batterien entladen sich allmählich selbst, auch wenn sie nicht angeschlossen sind und keinen Strom liefern. Dies ist auf nicht stromerzeugende „Seiten“ chemische Reaktionen zurückzuführen, die innerhalb der Zelle auftreten, selbst wenn keine Last anliegt.
• Degradation: Einige Degradationen wiederaufladbarer Batterien treten bei jedem Lade-Entlade-Zyklus auf. Die Degradation tritt normalerweise auf, weil der Elektrolyt von den Elektroden wegwandert oder weil aktives Material sich von den Elektroden löst.
• Entladetiefe: Die Entladetiefe ist ein Maß dafür, wie viel Energie aus einer Batterie entnommen wurde und wird als Prozentsatz der vollen Kapazität ausgedrückt. Zum Beispiel hat eine 100-Ah-Batterie, aus der 40 Ah entnommen wurden, eine Entladetiefe von 40% erfahren.
• Ladezustand: Der Ladezustand bezieht sich auf die Menge der Ladung in einer Batterie im Verhältnis zu ihren vordefinierten „vollen“ und „leeren“ Zuständen, d. h. die Menge der Ladung in Amperestunden, die noch in der Batterie verbleibt.