Elektrochemische Energiespeicher
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Inhaltsverzeichnis
Was ist eine Batterie?
Die Primärbatterie
Eine Primärbatterie ist ein elektrochemischer Speicher für Energie. Sie ist in der Lage, die in ihr gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Daher spricht man auch von einem Wandler (vgl. Knicklicht: Chemische Energie wird in Strahlungsenergie umgewandelt). Die Primärbatterie kann, im Gegensatz zum Akkumulator nicht wieder aufgeladen werden. Das heißt, dass der chemische Prozess nicht umgekehrt wiederholt werden kann und es nicht möglich ist, elektrische Energie wieder in Form von chemischer Energie in der Primärbatterie zu speichern. Daher muss eine Batterie nach Entladung entsorgt werden.
Der Akkumulator
Ein Akkumulator (umgangssprachlich: Akku) ist ein Speicher für elektrische Energie und arbeitet mit mehreren Sekundärzellen, welche ein Wiederaufladen ermöglichen. Das Wiederaufladen geschieht z. B. durch sogenannte Kondensatoren, welche die elektrische Energie ohne chemischen Umweg speichern können. Das Entladen der gespeicherten Energie an einem benutzerdefinierten Stromnetz erfolgt nach dem gleichem Funktionsprinzip wie bei der Primärbatterie. Da bei der Aufladung von Akkumulatoren Wärme entsteht, steht nicht die vollständige zum Aufladen verwendete Energie nach dem Ladezyklus zur Verfügung. Das Verhältnis der zur Verfügung stehenden und der aufgewendeten Energie wird als Ladewirkungsgrad bezeichnet. Dieser beträgt bei herkömmlichen Akkumulatoren ca. 80%.
- Beispiel: Blei-Akkumulator
Vergleich zur Brennstoffzelle
Die Funktionsweise der Entladung bei Primärbatterien und Akkumulatoren lässt sich zur vereinfachten Veranschaulichung auch mit dem Funktionsprinzip der Brennstoffzelle vergleichen. Der wichtige Unterschied besteht darin, dass die Brennstoffzelle eine kontinuierliche Zufuhr von elektrochemisch reagierenden Substanzen benötigt.
Geschichtliche Entwicklung
Ein batterieähnliches Gebilde wurde um 1936 bei Ausgrabungen in der Nähe von Bagdad gefunden. Daher nennt man es im Volksmund auch „Bagdad-Batterie“. Die Entstehungszeit wird ganz grob auf das Jahr Null geschätzt.
Die „Bagdad Batterie“ besteht aus einem 18cm hohen, vasenförmigen Tongefäß, welches bei den Ausgrabungen wahrscheinlich luftdicht verschlossen war. Im inneren befindet sich ein Kupferzylinder in dem ein vollständig oxidiertes Eisenstäbchen steckt. Dieses guckt ca. einen cm aus der „Batterie“ heraus und könnte als Kontakt gedient haben. Das herausschauende Ende war vermutlich mit Blei überzogen, jedoch besteht zwischen den Metallen kein leitender Kontakt.
Mehrere Geräte dieser Art hätten Elektrizität liefern können, was die. bisherige Annahme, zu dieser Zeit gab es noch keinen Strom, untergräbt. Das eine Gerät ist jedoch die einzige jemals gefundene „Batterie“ dieser Art.
Die bewiesene Entwicklung einer herkömmlichen Batterie fing, wie so oft, mit einem Zufall an. Der italienische Arzt Luigi Galvani entdeckte, dass ein Froschschenkel, wenn man ihn mit Instrumenten verschiedener Metallzugehörigkeit berührt, durch elektrische Impulse anfängt zu Zucken. Heutige Batterien wandeln chemische Energie nach dem galvanische Prinzip in elektrische Energie um. Daher nennt man eine Batterie auch galvanisches Element. Auf die Funktionsweise wird im nächsten Punkt eingegangen. Durch die Verbindung des oben genannten galvanischen Elementes mit einem Kondensator wurde der Akkumulator geschaffen, also die wieder aufladbare Batterie. Heutzutage gibt es nur noch sehr wenig Geräte, welche mit Primärbatterien arbeiten. Im Prinzip werden ausschließlich Akkus verwendet.
Aufbau und chemische Funktionsweise
Der Aufbau einer Batterie (Zink–Kohle-Batterie) lässt sich wie folgt beschreiben:
Eine handelsübliche Zink-Kohle-Batterie besteht im Wesentlichen aus 2 Komponenten. Einem Zinkbecher, der mit einer Salmiaklösung und Braunstein gefüllt ist und einem Kohlestift, der in dem Zinkbecher steckt. Die übliche Spannung einer „frischen“ Batterie dieser Art beträgt 1,5 Volt.
Die Funktionsweise entspricht dem galvanischen Prinzip, was bedeutet dass die chemische Energie, welche in der Batterie in Form Ionen gespeichert ist, in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Reaktion geschieht auf Grundlage einer Redox-Reaktion. Der Zinkbecher, also die Zinkelektrode gibt Zn2+-Ionen ab und lädt sich dadurch negativ auf. Dadurch dass die Zinkelektrode nicht über den Kohlestift mit dem äußeren Stromkreis verbunden ist, fließen ihre „überschüssigen“ Elektronen nicht ab und dadurch wird der Austritt weiterer Zn2+-Ionen verhindert. Durch diese Begebenheit stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein. Die positiven Zinkionen, welche sich nun im Salmiak (Elektrolyt) befinden, laden den Kohlestab positiv auf und es bildet sich eine Spannung von 1,5 Volt zwischen den Elektroden aus. Wenn der äußere Stromkreis nun geschlossen wird fließen die Elektronen vom Zink über das Gerät (z.B. MP3-Player) zum Kohlestab und ziehen dadurch die positiven Ionen zur Kohleelektrode. Da das oben beschriebene Gleichgewicht nun folglich nicht mehr vorhanden ist, fließen weiterhin Zn++ Ionen in den Salmiak. Dieser Vorgang kann beliebig oft wiederholt werden und funktioniert erst dann nicht mehr, wenn der Elektrolyt keine Zn2+-Ionen mehr aufnehmen kann.
Beim Anblick einer stark benutzen Batterie fällt auf, dass der Zinkbecher extrem zerfressen ist, was darauf schließen lässt dass der sich der Zink bei der Ionenabgabe zersetzt. Eine Galvanische Zelle funktioniert im Allgemeinen ähnlich, jedoch ist der schematische Aufbau wesentlich simpler. Zwei Halbzellen werden durch eine Ionenbrücke, die Elektroden durch einen Draht verbunden und beim eintauchen der jeweiligen Elektrode in ihre Lösung wird der Stromkreis geschlossen.
Technische Verwendung
In der Technik finden heutzutage fast ausschließlich Akkumulatoren Verwendung. Nur veraltete Geräte wie z.B. Walkmans sind noch auf Primärbatterien angewiesen. In technischen Bereichen, wo besonders leistungsfähige Batterien benötigt werden, wie bei einer Weltraumsonde, wird auf so genannte Atombatterien zurückgegriffen. Diese funktionieren nicht auf der Basis von Kernspaltung oder Kernfusion, sondern durch dem Zerfall von instabilen Atomen, wie z.B. Plutonium. Der Zerfall des instabilen Atoms verursacht Wärme welche durch einen thermoelektrischen Generator ohne bewegliche Teile in Strom umgewandelt wird. Dadurch können Raumsonden ohne auf Solarenergie angewiesen zu sein Jahrzehnte lang im All Informationen sammeln.
Entsorgung
Batterien und Akkumulatoren können in Deutschland im Einzelhandel kostenlos zurückgegeben werden. Sie sollten auf keinen Fall mit dem Hausmüll entsorgt werden, da sie potentiell Umwelt schädigende Substanzen enthalten. Außerdem kann durch das Recyceln vermieden werden, dass wertvolle Rohstoffe verloren gehen. Während des Recyclingprozesses werden die Rohstoffe getrennt und mit Hilfe von z.B. Magnesiumoxid reduziert.
Übungsaufgabe
Am Pluspol (Kathode) spielt sich folgende Reaktion ab:
Gleiche die Reaktionsgleichung aus!
Am Minuspol (Anode) gibt Zink Elektronen ab.
Vervollständige die Reaktionsgleichung!
Die Lösungen gibt es hier.
Experimente
Apfelbatterie
Zweck des Versuchs
Kann durch die Kombination von einem Apfel mit zwei Elektroden Strom erzeugt werden?
Geräte und Hilfsmittel
Zwei Äpfel, vier Kabel, ein Strommesser, drei Kupfer- und drei Zinkelektroden
Versuchsvorbereitung
Zunächst stecken wir die Elektroden in die Äpfel. Hierbei muss beachtet werden, dass die Anzahl von Zinkelektroden welche in einem Apfel stecken immer gleich der Anzahl von Kupferelektroden sein muss.
Außerdem ist es äußerst wichtig, dass sich die Elektroden innerhalb des Apfel nicht berühren.
Jetzt werden die Elektroden nach folgendem Muster mit den Kabeln untereinander verbunden:
Strommesser -
Zinkelektrode im Apfel - Kabel - Kupferelektrode im Apfel
Zinkelektrode im Apfel - Kabel - Kupferelektrode im Apfel
Zinkelektrode im Apfel - Kabel - Kupferelektrode im Apfel
- Strommesser
Beobachtung
Beim Schließen des Stromkreises sieht man auf dem Voltmeter, dass eine Spannung von ca. 2V anliegt.
Auswertung
siehe voriger Artikel: Funktionsweise
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Weitere Experimente
- Batterie und Akkumulator: Zink/Kohle-Batterie, in: Chemie heute SII, Seite 223, Versuch 1
- Batterie und Akkumulator: Blei-Akkumulator, in: Chemie heute SII, Seite 223, Versuch 2
- Blei-Akkumulator, in: Elemente Chemie 2, Seite 271, Versuch 1
- Blei-Akkumulator, in: Chemie heute (Ausgabe 1998), Seite 162, Versuch 2
- Galvanisches Element, in: Elemente Chemie 2, Seite 246, Versuch 1
- Praktikum Spannungsquellen, in: Elemente Chemie 2, Seite 274, Versuch 1-3
- Zink/Kohle-Batterie, in: Chemie heute (Ausgabe 1998), Seite 162, Versuch 1
