Was sind galvanische Zellen?

Galvanische Zellen sind die Grundlage des heutigen allumfassenden elektronischen Eco-Systems. Sie werden zwar in Einwegbatterien wie Alkali-Batterien verwendet, sind aber oft auch in wiederaufladbaren Batterien zu finden, wie in Laptops, Powerbanks, Mobiltelefonen, aber auch in Elektrofahrzeugen usw. In Systemen für erneuerbare Energien wie Sonnenkollektoren und Windturbinen werden sie zur Energiespeicherung eingesetzt. Aufgrund ihres besonderen Aufbaus sind sie in Form und Gestalt leicht anpassbar und können relativ einfach gestapelt werden, um leistungsstarke Batterien herzustellen.

Eine galvanische Zelle ist in zwei Halbzellen unterteilt. Jede Zelle hat einen metallischen Leiter, die sogenannte Elektrode. Dieser Leiter befindet sich in einem Elektrolyten, einer Lösung, in der gelöste Stoffe in Ionen dissoziieren. In den meisten herkömmlichen Batterien ist der Elektrolyt eine gelartige Lösung. Die beiden Halbzellen sind durch eine Salzbrücke verbunden, so dass Ionen zwischen den beiden Halbzellen hindurchtreten können und die Elektroneutralität erhalten bleibt.

Die Elektroden bilden die Pole der Zelle. Der positive Pol wird als Kathode bezeichnet und ist die Elektrode, an der eine Reduktion stattfindet. Die Anode ist der negative Pol und hier findet die Oxidation statt. Bei der Oxidation an der Anode werden Elektronen freigesetzt, die dann durch den äußeren Stromkreis fließen und an der Kathode wieder in die Zelle eintreten, wo sie zur Reduktion beitragen. Dieser ständige Elektronenfluss vom Minus- zum Pluspol bildet den erzeugten elektrischen Strom.

Die Oxidations-Reduktionsreaktion oder Redoxreaktion ist ein chemischer Prozess, bei dem Elektronen zwischen einigen Elementen der Reaktionspartner übertragen werden. Die Oxidationsreaktion findet bei dem Element statt, das Elektronen verliert, während die Reduktion bei dem Element stattfindet, das Elektronen gewinnt. Das Oxidationsmittel ist die chemische Substanz, die die Oxidation verursacht. Das Reduktionsmittel ist die chemische Substanz, die die Reduktion bewirkt.

Der bereits erwähnte Elektronentransfer erfolgt nicht immer spontan, sondern erfordert manchmal den Einsatz von thermischer und elektrischer Energie, um den Prozess zu ermöglichen. Galvanische Zellen haben die Besonderheit, dass sie einen spontanen Redoxprozess beinhalten.

Nach dem Gesetz der Massenerhaltung läuft eine chemische Reaktion in einem geschlossenen System unter Erhaltung der Masse ab. Neben der Massenerhaltung muss bei einer chemischen Reaktion auch die Ladungserhaltung gewährleistet sein, d. h. die Summe der Ladungen (NOx) der Reaktanten muss gleich der Summe der Ladungen der Produkte sein. Aus diesem Prinzip heraus wurde die Technik des Redox-Gleichgewichts für chemische Reaktionen entwickelt.

Beispiele für Redoxreaktionen sind die Photosynthese in Pflanzen, die Korrosion von Metallen und die Verbrennung, ein Prozess, bei dem ein Brennstoff durch die Einwirkung eines Oxidationsmittels, in der Regel Sauerstoffgas, oxidiert wird, das dann als Oxidationsmittel wirkt.

Eine Brennstoffzelle funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie eine galvanische Zelle, allerdings mit kontinuierlicher Zufuhr und Verbrauch von Reduktions- und Oxidationsmitteln. Das bedeutet, dass sie viel länger in Betrieb sein können, da sich ihre Reaktanten nicht erschöpfen. Mit anderen Worten: Eine Brennstoffzelle muss nicht nachgeladen werden.

Es handelt sich um einen hocheffizienten Prozess, da die Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie direkt und ohne Verluste erfolgt, anders als bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe, bei der die chemische Energie zunächst in thermische, dann in kinetische und schließlich in elektrische Energie umgewandelt wird.

Es gibt verschiedene Arten von Brennstoffzellen, die je nach Ausführung den Anforderungen des elektrischen Systems des Geräts entsprechen müssen (erforderliche Reinheit des Brennstoffs, hohe Temperaturen usw.). Sie beruhen alle auf demselben Funktionsprinzip, bei dem durch einen Elektrolyten getrennte Elektroden miteinander verbunden sind und am negativen Pol (Anode) eine Wasserstoffoxidation und am positiven Pol (Kathode) eine Sauerstoffreduktion stattfindet.

Brennstoffzellen erzeugen Strom ohne jegliche Umweltverschmutzung, da sie nur Wasser produzieren. Ihre Lebenserwartung beträgt bis zu 40.000 Stunden. Da es sich um eine relativ neue Technologie handelt, wird sie noch nicht in großem Maßstab hergestellt, so dass die Kosten noch hoch sind. Es gibt jedoch konzertierte Bemühungen, diese Art der Energieerzeugung rentabel zu machen, insbesondere in der Automobilindustrie, obwohl die extrem hohe Entzündbarkeit von Wasserstoff ein großes Problem darstellt.

Wie Batterien enthalten auch galvanische Zellen giftige Chemikalien, die Boden, Wasser und Luft verunreinigen können. Es ist daher von größter Bedeutung, die Entsorgung galvanischer Zellen fachgerecht zu strukturieren. Zu diesem Zweck sollten an Arbeitsplätzen, an denen Zellen verwendet werden, spezielle Recyclingbehälter aufgestellt werden.

Batteriesammelbehälter sind bereits häufig an strategischen Orten aufgestellt, z. B. in Supermärkten, Elektrofachmärkten, Recyclinggenossenschaften und Müllsammelstellen. Wichtig ist auch, dass die Menschen über die Bedeutung der korrekten Entsorgung dieser Abfälle informiert werden und wissen, wo sie die speziellen Behälter für Batterien und Akkus finden.

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