Die Batterie

Überblick über Batterien

Das grundlegende Prinzip hinter der Funktion einer elektrischen Batterie ist die Umwandlung chemisch gespeicherter Energie in elektrische Energie. Zu diesem Zweck enthalten alle Batterien – ungeachtet der unzähligen verschiedenen Ausführungen auf dem heutigen Markt – eine elektrolytische Lösung (d. h. ein Medium, das die Bewegung negativ bzw. positiv geladener Partikel bzw. Ionen ermöglicht), in die zwei Elektroden eingetaucht werden.

Die positive Elektrode (auch: Anode) zieht negativ geladene Partikel (Anionen) durch das Elektrolyt an, während die negative Elektrode (Kathode) positiv geladene Partikel (Kationen) anzieht. Jede Batterie verfügt darüber hinaus auch über externe Anschlussklemmen, mit deren Hilfe der gespeicherte Strom über Leitungen genutzt werden kann. Die gespeicherte elektrische Energie einer Batterie kann dann verwendet werden, um jedes geeignete elektrische Gerät mit Strom zu versorgen.

Batterien können in zwei große Kategorien unterteilt werden: Einwegbatterien (primäre Batterien) und Akkus (sekundäre Batterien). Das wahrscheinlich am weitesten verbreitete Beispiel einer Primärbatterie ist die sogenannte Alkaline-Batterie, die schlichtweg entsorgt wird, wenn die Ladung aufgebraucht ist. Sekundärbatterien können wieder aufgeladen werden, indem der Strom zwischen den Elektroden mit Hilfe eines Ladegeräts umgekehrt wird; ein Beispiel hierfür ist die Lithium-Ionen „18650“ bzw. 12-V-Batterie, die in Anwendungen wie Autos, Booten, Elektromobilen und Golf-Karts zum Einsatz kommt. Wiederaufladbare Lithium-Batterien werden zudem in Hochleistungs-LED-Taschenlampen sowie in einer Unmenge an mobilen elektronischen Geräten eingesetzt.

Heutzutage sind Batterien in allen möglichen Größen erhältlich – von kleinen Knopfzellen für Armbanduhren und Hörgeräte bis hin zu riesigen Anlagen, die ganze Räume ausfüllen können. Letztere werden in der Regel eingesetzt, um Notstrom für diverse Anwendungen zu liefern, darunter Computer-Datenzentren und Telefonvermittlungen.

 

Geschichte

Benjamin Franklin sollte im Jahre 1748 als erste Person die Bezeichnung „Batterie“ für stromerzeugende Generatoren anführen, da ihn die äußere Erscheinung einer Reihe großer Leyden-Flaschen (eine Vorrichtung aus dem achtzehnten Jahrhundert zum Speichern statischer Elektrizität) an eine Batterie aus Artilleriegeschützen erinnerte.

Zweiundfünfzig Jahre später, im Jahre 1800, taufte der italienische Physiker Alessandro Volta seine neue Erfindung, einen elektrochemischen Stromerzeuger, auf den Namen „Volta'sche Säule“. Voltas Vorrichtung wies jedoch nur in sehr geringem Maße Ähnlichkeiten mit dem auf, was wir heutzutage als Batterie bezeichnen, bestand sie doch aus einer „Säule“ aus Zink- und Kupferplatten mit je einem in Lauge getränkten Blatt Papier dazwischen. Volta konnte somit einen konstanten Strom erzeugen, auch wenn ihm nicht bewusst war, wie genau seine Erfindung funktionierte. So glaubte er, eine unerschöpfliche Stromquelle gefunden zu haben, und betrachtete die an den Metallelektroden auftretende Korrosion vielmehr als störendes Nebenprodukt anstatt als notwendiges Ergebnis des Transfers von Ionen von einer Elektrode zur nächsten. Erst Michael Faraday erkannte diesen intrinsischen Prozess im Jahre 1834.

So erzeugten die ersten Batterien wesentlich mehr Interesse unter Wissenschaftlern und Entwicklern als sie letztlich Strom erzeugten, waren sie doch noch nicht in der Lage, einen konstanten elektrischen Strom über einen längeren Zeitraum als wenige Sekunden zu liefern; 1836 war auch dieses Problem mit der Erfindung der sogenannten Daniell-Zelle weitestgehend behoben. Diese bestand aus einem großen Kupfergefäß, das mit einer Lösung aus Kupfersulfat gefüllt war und einen weiteren Behälter aus unglasiertem Ton enthielt, in dessen Inneren wiederum eine Zink-Elektrode in Schwefelsäure eingetaucht war.

So fand die Daniell-Zelle schnell Verwendung als Stromquelle von Netzwerken an elektrischen Telegrafen – doch brachten diese „Nasszellen“ mit flüssiger Elektrolyse auch gewisse Schwierigkeiten mit sich. Vor allen Dingen waren sie sehr sensibel und gingen schnell zu Bruch, oftmals liefen sie auch aus. Letztendlich wurde diese Flüssigkeit gegen Ende des neunzehnten Jahrhunderts durch eine elektrisch leitende Paste ersetzt – die mobile „Trockenzellbatterie“ war geboren.

 

Technische Aspekte

Alle Batterien werden im Hinblick auf ihre Spannung klassifiziert und geben eine bestimmte Menge an elektrischer Ladung (die sog. Kapazität) ab, wenn der Bedarf danach steigt. Allgemein gilt, dass die Kapazität mit der Menge an enthaltenem Elektrodenmaterial zunimmt.

Die Kapazität - üblicherweise in Ampere-Stunden angegeben - kann als Produkt der Ampere-Zahl, die eine Batterie bei Zimmertemperatur (20 °C) zuverlässig liefern kann, mit einem bestimmten Zeitintervall – in der Regel 20 Stunden – berechnet werden. Das bedeutet, dass beispielsweise eine Batterie mit einer Kapazität von 100 Ampere-Stunden fortlaufend 5 Ampere pro Stunde ausgeben kann. Nach Ablauf der angegebenen Zeit fällt die Kapazität aufgrund des fortschreitenden Abbaus und der Schwächung der elektrochemischen Reaktionen innerhalb der Batterie stark ab. Zudem liefern die meisten Batterien eine bedeutend geringere Kapazität, sobald die Umgebungstemperatur unter die ideale Zimmertemperatur abfällt.

Die Kapazität von Batterien nimmt im Laufe der Zeit immer ab – selbst, wenn sie ordnungsgemäß gelagert und nicht verwendet werden; diese „innere Selbstentladung“ ist die unvermeidbare Folge der fortschreitenden elektrochemischen Nebenreaktionen innerhalb der Batterie, bei denen die Ladungsträger (Ionen), die für die Leistungsfähigkeit der Batterie ausschlaggebend sind, aufgebraucht werden.

Im Grunde genommen haben selbst Akkus eine endliche Lebenserwartung; jedes Mal, wenn ein Ladevorgang erfolgt, treten weitere elektrochemische Nebenreaktionen auf, durch welche jedes Mal die Kapazität der Batterie um einen geringen Betrag abnimmt.

Batterien verfügen zudem über eine sogenannte „C-Rate“: Diese dient als Kapazitäts-Rating und beschreibt die maximale sichere Entladung, die eine Batterie über einen Zeitraum von einer Stunde liefern kann. So wäre beispielsweise eine Batterie mit einer Kapazität von 1,6 Ampere-Stunden und einem Rating von 1C bei einem konstanten Entladestrom von 1,6 Ampere innerhalb von einer Stunde vollständig entladen.

 

Produktanwendung

Obwohl Trockenzellen sogenannte Nasszellenbatterien in den allermeisten Haushaltsgeräten verdrängt haben, werden Nasszellenbatterien noch immer weitestgehend von der Automobilindustrie eingesetzt. Ebenso werden sie in vielen Branchen als Stand-by-Stromquelle verwendet.

 

Wie unterscheiden sich Batterien von anderen Energiequellen?

Im Gegensatz zu anderen Energiequellen – darunter mechanisch laufende elektrische Generatoren oder sogenannte Schwungradspeicher, die mechanische Energie direkt in elektrischen Strom umwandeln – funktionieren Batterien insofern, als dass sie eingeleitete elektrische Energie über eine elektrochemische Reaktion speichern, bei der Ladungsträger (Ionen) in einer Elektrolytlösung zwischen positiven und negativen Elektrode geleitet werden.

 

Vorteile und Grenzen von Batterien

Trockenzell-Batterien sind deutlich robuster und besser zu transportieren als ihre Pendants mit Nasszellen, doch auch sie können auslaufen und korrodieren. Dies birgt ein potenzielles Gesundheitsrisiko, wenn die entwichenen toxischen und korrosiven Chemikalien aufgenommen werden; nichtsdestotrotz sind sie eine relativ preiswerte und mühelos transportierbare Stromquelle.