Wie funktioniert eine Batterie?

Wenn wir die Batterie betrachten, können wir feststellen, dass sie zwei Pole hat - einen positiven, gekennzeichnet mit "+", und einen negativen - gekennzeichnet mit "-". Bei typischen zylindrischen Batterien wie R6/AA oder R14/C (die z.B. zum Betrieb von Taschenlampen oder Spielzeugen verwendet werden) sind die Pole die Enden der Batterie. Bei Autobatterien sind die Pole schwere Bleiklemmen.

Am negativen Pol der Batterie sammeln sich Elektronen. Wenn wir den negativen Pol mit dem positiven über ein Kabel verbinden, werden sich die Elektronen so schnell wie möglich vom negativen zum positiven Pol bewegen - die Batterie wird sehr schnell entladen (außerdem raten wir von solchen Experimenten ab, da sie mit Gefahren verbunden sind - schließen Sie die Batterie niemals auf diese Weise "kurz" kurz!). Unter normalen Bedingungen schließen wir an die Batterie über ein Kabel eine Last an - eine Glühbirne, einen Motor oder einen elektronischen Schaltkreis, wie z.B. ein Radio.

Innerhalb der Batterie findet eine Reaktion statt, die freie Elektronen erzeugt. Die Geschwindigkeit, mit der in Folge dieser Reaktion Elektronen freigesetzt werden (der innere Widerstand - der Widerstand - der Batterie), begrenzt natürlich die Anzahl der Elektronen, die zwischen den Polen fließen können. Elektronen müssen von der Batterie durch den Draht und die Last fließen, vom negativen zum positiven Pol, damit eine chemische Reaktion stattfindet, die noch mehr von ihnen freisetzt. Aus diesem Grund können wir eine ungenutzte Batterie beispielsweise ein Jahr lang im Regal lassen und sie danach weiterhin ohne Probleme verwenden - solange die Elektronen nicht vom negativen zum positiven Pol fließen, findet keine chemische Reaktion statt. In dem Moment, in dem die Pole verbunden werden, beginnt die Reaktion.

Chemische Reaktionen in Batterien

Eine der einfachsten Batterien ist die Zink-Kohlenstoff-Batterie. Wenn wir die Reaktionen betrachten, die in ihrem Inneren stattfinden, können wir das allgemeine Funktionsprinzip aller Batterien besser verstehen. Stellen wir uns vor, wir haben ein Glas Schwefelsäure (H2SO4). Wenn wir einen Zinkstab hineinlegen, beginnt die ätzende Säure sofort, ihn aufzulösen. Wir sehen Wasserstoffbläschen, die sich an der Oberfläche des Zinks sammeln, und sowohl der Stab als auch die Säure beginnen sich zu erwärmen.
Das passiert:

• Die Moleküle der Säure zerfallen in drei Ionen: zwei H+-Ionen und ein SO4--Ion
• Zinkatome an der Oberfläche des Stabes verlieren zwei Elektronen (2e-) und werden zu Zn++-Ionen
• Zn++-Ionen verbinden sich mit SO4--Ionen und bilden ZnSO4, das sich in der Säure löst
• Elektronen von Zinkatomen verbinden sich mit H+-Ionen und bilden H2-Moleküle (gasförmiger Wasserstoff)

Wenn wir jetzt einen Kohlenstoffstab in die Säure legen, wird die Säure ihm nichts anhaben. Wenn wir jedoch den Zinkstab mit dem Kohlenstoffstab verbinden, geschehen zwei Dinge:

• Elektronen beginnen, sich entlang des Drahtes zu bewegen und sich mit Wasserstoff am Kohlenstoffstab zu verbinden, von dem jetzt auch Wasserstoffbläschen aufsteigen
• Die Wärmeabgabe verringert sich erheblich; indem wir die Elektrizität nutzen, die jetzt durch den Draht fließt, könnten wir beispielsweise eine Glühbirne betreiben - und die erzeugte Spannung und den durch den Draht fließenden Strom messen - ein Teil der Wärmeenergie wurde in die Bewegung der Elektronen umgewandelt.

Die Elektronen "machen sich die Mühe", zum Kohlenstoffstab zu fließen, weil es für sie dort "einfacher" ist, sich mit Wasserstoff zu verbinden. So konstruiert hat die Zelle eine charakteristische Spannung von 0,76V (Volt). Letztendlich wird der Zinkstab vollständig aufgelöst, oder die Wasserstoffionen in der Säure erschöpfen sich - und die Batterie hört auf zu funktionieren.
Nach dem gleichen Prinzip funktionieren die Batterien, die wir kennen. Sie unterscheiden sich in den verwendeten Metall- und Elektrolyttypen, aber alle funktionieren aufgrund desselben Phänomens - Elektronen, die von einem Pol zum anderen fließen. Je nach den verwendeten Komponenten ändert sich auch die charakteristische Spannung einer solchen Batterie. Lassen Sie uns dies am Beispiel einer typischen Blei-Akkumulatorbatterie verfolgen:

• Der Akku enthält eine Platte aus Blei und eine andere aus Bleioxid, beide in einem Elektrolyten aus stark konzentrierter Schwefelsäure eingetaucht
• Blei verbindet sich mit SO4 und bildet PbSO4 und ein freies Elektron
• Bleioxid, Wasserstoffionen und SO4-Ionen sowie Elektronen von der Bleiplatte bilden PbSO4 und Wasser auf der Bleioxidplatte; im Laufe der Zeit bedecken sich beide Platten mit PbSO4, und das Wasser vermischt sich mit der Säure; die charakteristische Spannung beträgt ca. 2V - wenn wir also 6 Zellen in Reihe schalten, erhalten wir eine Batterie mit einer Spannung von 12V

Der Blei-Säure-Akkumulator hat eine sehr vorteilhafte Eigenschaft - die darin ablaufende Reaktion ist vollständig umkehrbar. Wenn man bei der richtigen Spannung Strom durch den Akku leitet, bilden sich Blei und Bleioxid wieder auf den Platten; so können wir den Akku mehrfach verwenden! Bei der Zink-Kohlenstoff-Batterie können wir nicht ähnlich verfahren - es gibt keinen einfachen Weg, um Wasserstoff wieder in den Elektrolyten zu bringen. Moderne Batterien verwenden viele chemische Verbindungen, um elektrische Energie zu erzeugen. Die am häufigsten vorkommenden Batterietypen sind:

• Zink-Kohlenstoff-Batterien - so beliebt, dass sie manchmal "gewöhnlich" genannt werden; dies sind die am häufigsten verwendeten Batterien in Größen wie R6/AA, R14/C, R20/D; die Elektroden bestehen aus Zink und
• Kohle, mit einer säurehaltigen Paste dazwischen, die als Elektrolyt dient
• Alkalibatterien - ihre Elektroden bestehen aus Zink und Manganoxid, mit einem alkalischen Elektrolyten
• Lithiumbatterien - verwenden Lithium, Lithiumiodid oder Bleiiodid; sie werden am häufigsten in Digitalkameras verwendet, da sie in der Lage sind, Energie in kurzen, großen Portionen zu liefern (erforderlich für den Betrieb von Blitzlichtern)
• Zink-Luft-Batterien - verwendet zur Stromversorgung von Hörgeräten.
• Blei-Säure-Akkumulatoren - verwendet in Autos; die Elektroden bestehen aus Blei und Bleioxid, mit stark konzentrierter Säure als Elektrolyt
• Nickel-Cadmium-Akkumulatoren (Ni-Cd) - die Elektroden bestehen aus Nickelhydroxid und Cadmium, mit Kaliumhydroxid als Elektrolyt
• Nikro-Nickel-Hydrid-Akkumulatoren (Ni-MH) - haben die Nickel-Cadmium-Akkumulatoren in den meisten Anwendungen schnell ersetzt, da sie keinen "Memory-Effekt" aufweisen, der den Ni-Cd-Akkus zugeschrieben wird
• Lithium-Ionen-Akkumulatoren - mit einem hervorragenden Verhältnis von Kapazität zu Gewicht, am häufigsten in Laptops und Mobiltelefonen verwendet.

Verbindung von Zellen / Batterien

In den vorherigen Überlegungen haben wir die Begriffe "Batterie" und "Zelle" synonym verwendet. Dies entspricht der in der Alltagssprache vorherrschenden Tendenz. Aus technischer Sicht haben die Begriffe "Batterie" und "Zelle" jedoch ganz unterschiedliche Bedeutungen. So bezeichnet "Zelle" eine einzelne Energiequelle, z.B. wie das zu Beginn beschriebene Glas mit Säure und zwei Stäben, die durch einen Draht verbunden sind (oder z.B. eine "AA"-Zelle R6/AA). "Batterie" hingegen ist eine Gruppe verbundener Zellen (wie z.B. eine 3R12-Batterie, die aus drei Zellen in einem Gehäuse besteht, die in Reihe geschaltet sind). In diesem Sinne werden wir diese beiden Begriffe im weiteren Verlauf dieses Textes verwenden.

In den meisten Geräten verwenden wir in der Regel keine einzelne Zelle. Stattdessen verbinden wir mehrere - entweder in Reihe, um eine höhere Spannung zu erzielen, oder parallel, um höhere Ströme zu erreichen. Bei einer Reihenschaltung erhalten wir die Summe der Spannungen der verbundenen Zellen; bei einer Parallelschaltung die Summe der Ströme, die aus den einzelnen Zellen gewonnen werden.



Die Verbindung, wie im obigen Diagramm dargestellt, wird als parallel bezeichnet. Wenn wir annehmen, dass jede der Zellen eine charakteristische Spannung von 1,5V hat (wie eine typische einzelne Zink-Kohlenstoff- oder Alkalizelle), wird die Spannung an den Endanschlüssen (die durch Pfeile angezeigt werden) weiterhin 1,5V betragen, jedoch wird der erzeugte Strom viermal so hoch sein wie der, den wir von einer einzelnen Zelle erhalten würden.

Die Verbindung, wie im unteren Diagramm dargestellt, nennen wir seriell. In diesem Fall addieren sich die Spannungen der einzelnen Zellen und ergeben eine Spannung von 6V zwischen den Anschlüssen.

Wenn Sie eine Batterie oder Zelle kaufen, können Sie normalerweise auf der Verpackung lesen, welche Spannung sie hat - manchmal auch die Kapazität. Zum Beispiel haben typische Akkus, die in Digitalkameras verwendet werden, eine Spannung von 1,2V und eine Kapazität von 2000mAh. Eine Kapazität von 2000mAh (mAh ist die Abkürzung für Milliampere-Stunden) bedeutet, dass dieser Akku theoretisch in der Lage ist, einen Strom von 2000mA (2000 Milliampere, also 2 Ampere) für eine Stunde zu liefern, einen Strom von 1A für zwei Stunden, einen Strom von 100mA für 20 Stunden usw. Allerdings verhalten sich Zellen normalerweise nicht so linear. Erstens hat jede Batterie eine bestimmte maximale Stromstärke, die sie liefern kann. So wird ein 500mAh-Akku nicht in der Lage sein, einen Strom von 30A für eine Sekunde zu liefern, da es keinen Weg gibt, wie die chemischen Reaktionen im Inneren des Akkus so viele Elektronen in so kurzer Zeit liefern könnten. Zweitens, bei hohen Strömen erwärmen sich die Zellen normalerweise stark, was viel ihrer Energie verschwendet. Drittens - viele chemische Systeme, die in Batterien verwendet werden, funktionieren kürzer (oder länger!) bei sehr niedrigen Stromabnahmen. Dennoch gibt die in Amperestunden gemessene Kapazität eine recht gute Vorstellung davon, wie lange eine bestimmte Zelle bei einem bestimmten Stromverbrauch unter typischen Betriebsbedingungen durchhält.

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