Überblick über Batterien

Was ist eine Batterie?

 

Eine Batterie ist eine Komponente, die chemische Energie speichert, welche dann aktiviert und genutzt werden kann, indem die chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Batterien besitzen alle einen positiven und einen negativen Pol. Der positive Pol wird in der Fachsprache Anode und der negative Pol Kathode genannt. Batterien werden heutzutage an zahlreichen Stellen verwendet. Sie befinden sich in unseren Fahrzeugen, Taschenlampen, Telefonen, Kameras und in vielen anderen elektrischen Geräten. Wenn Sie Ihr Gerät verwenden können, ohne es an eine Steckdose anschließen zu müssen, dann enthält es eine Stromversorgung in Form einer Batterie.

 

Es gibt viele verschiedene Arten von Batterien auf dem Markt und alle sind für ganz unterschiedliche Zwecke vorgesehen. Man sollte den Unterschied zwischen den einzelnen Batterien kennen und wissen, wozu diese benutzt werden und wie sie funktionieren.

 

Batterien bilden heute einen wichtigen Bestandteil unseres Alltags. Sie bieten einige Vorteile, von denen wir profitieren. Durch Primär- und Sekundärbatterien hat man mehr Bewegungsfreiheit, z. B. bei Benutzung der Geräte. Man kann Telefone, Computer und viele andere Geräte aus dem Büro und von zu Hause nach draußen mitnehmen. Die Welt wird dadurch produktiver.

 

Wie funktioniert eine Batterie?

 

Batterien enthalten mehrere Bestandteile. Wir haben bereits festgestellt, dass sie eine Anode und eine Kathode besitzen, das sind die positiven und negativen Seiten. Sie enthalten außerdem einen Elektrolyten. Die Chemikalien in der Batterie verursachen eine chemische Reaktion an der Anode, sodass sich an dieser Elektronen bilden. Dadurch entsteht ein Konflikt zwischen der Kathode und der Anode, und die Elektronen versuchen, sich selbst neu anzuordnen. Durch die chemischen Reaktionen in der Batterie entstehen vermehrt Elektronen an der Anode bzw. auf der Minusseite der Batterie. Zwischen der Anode und der Kathode entsteht dadurch ein elektrisches Ungleichgewicht. Die Elektronen werden instabil und haben die Bestrebung, sich neu anzuordnen und das Ungleichgewicht aufzuheben. Zu diesem Zweck stoßen sie sich voneinander ab, um in einen Bereich mit weniger Elektronen zu gelangen. In der Batterie bedeutet das, dass sie zur Kathode wandern müssen. Um dorthin zu gelangen, müssen sie den Elektrolyten durchqueren. Genau durch diese elektrochemische Reaktion entsteht die Energie, die wir aus den Batterien gewinnen.

 

Sie können dies allerdings nicht, da der Stromkreis nicht geschlossen ist. Das bedeutet, dass die Batterie keine Energie freigibt, auch wenn sie dies möchte. Wenn der Stromkreis durch Herstellung eines Leitungsweges geschlossen wird (z. B. durch Einsetzen einer Batterie in ein Gerät und durch Einschalten), können die Elektronen fließen. Das Gerät wird dann mit Energie versorgt. Batterien halten aber nicht ewig. Die chemische Reaktion in der Batterie wird mit der Zeit schwächer, bis die Batterie irgendwann letztendlich aufgebraucht ist.

 

Worin liegt der Unterschied zwischen Primär- und Sekundärbatterien?

 

Manche Batterien sind nur für den einmaligen Gebrauch vorgesehen. Die chemische Reaktion wird immer schwächer und liefert irgendwann gar keine Energie mehr. Die Batterie muss dann entsorgt und durch eine neue ersetzt werden. Diese Einwegbatterien werden auch als Primärbatterien bezeichnet. Zu den am häufigsten benutzten Primärbatterien gehören die typischen Alkaline-Batterien, die in tragbaren Radios und Taschenlampen benutzt werden. Diese Art Batterien eignet sich für die meisten tragbaren Geräte.

 

Sekundärbatterien sind wieder aufladbar. Das bedeutet, sie lassen sich mehrfach wieder laden und entladen. Die Wiederherstellung der Ladeenergie geschieht durch Umkehrung des Stromflusses. Statt Energie zu verbrauchen, nehmen sie die von einer externen elektrischen Stromquelle zur Verfügung gestellte Energie auf und speichern diese. Sobald die Sekundärbatterie vollständig geladen ist, kann sie wieder in Gebrauch genommen werden. Diese Art Batterien wird heute in großer Zahl verwendet. Sie kommen in Telefonen, Laptops, MP3-Playern und ähnlichen Geräten zum Einsatz.

 

Sekundärbatterien sind neben ihrer Verwendung in den zuvor genannten Geräten auch für viele verschiedene Spielzeuge, Videospiel-Controller, PDAs, Camcorder, Motorantriebe und Elektrowerkzeuge geeignet. Sekundärbatterien sind eine hervorragende Wahl für Geräte und Anwendungsgebiete, bei denen die Batterieenergie schnell verbraucht wird. Ein hervorragendes Beispiel hierfür sind die Smartphones, die heute weit verbreitet sind. Da ein Handy über den ganzen Tag lang in Gebrauch ist, geht ihre Batterieladung täglich schnell zur Neige. Aufladbare Batterien sind bei solchen Geräten daher entscheidend.

 

 

Welche Arten von Batteriezellen gibt es?

 

Eine Reihe verschiedener Batteriezellen sind heute auf dem Markt, die unterschiedliche Zwecke und Funktionen erfüllen.

 

• Zylindrische Zellen – Die zylindrische Form ist bei Primär- als auch Sekundärbatterien weit verbreitet. Die Zylinderform wird häufig gebraucht, ist relativ leicht herzustellen und besitzt die Fähigkeit, einem hohen Innendruck unter Beibehaltung der Form und Funktion standzuhalten.

• Knopfzelle – Knopfzellen werden in kleineren Geräten eingesetzt, in die eine zylindrische Zelle nicht passt. Durch Stapeln mehrerer Zellen kann die gewünschte Spannung erreicht werden. Eine ganze Weile war diese Form sehr beliebt, sie ist jedoch aus der Mode gekommen. In bestimmten Bereichen ist sie heute noch anzutreffen. Sie finden sie in Uhren, Autoschlüssel-Alarmsendern, Hörgeräten und ähnlichen Geräten.

• Prismatische Zelle – Die prismatische Zelle wurde erstmals Anfang der 90er verwendet. Sie sind dünner als zylindrische Zellen, haben jedoch eine größere Kapazität und mehr Leistung als Knopfzellen. Zu den modernen Einsatzbereichen von heute zählen unter anderem Laptops und Mobiltelefone.

• Pouch-Zellen – Bei der Pouch-Zelle handelt es sich um einen ganz anderen Batterietyp. Folienkontakte mit positiven und negativen Anschlüssen sind an eine Elektrode angeschweißt. Sie sind nicht direkt nutzbar, da jeder Hersteller Zellen für seine eigenen Spezialanwendungen entwickelt. Die Pouch-Zellen, die viele für sicher halten, können anschwellen und es besteht die Gefahr, dass die Folie durchstochen wird. Dadurch können Schäden an dem Gerät entstehen, das von der Batterie Gebrauch macht.

 

Nicht unwichtig im Zusammenhang mit Batterien ist auch die Tatsache, dass es Nass- und Trockenzellen gibt. Bei Nasszellen ist der Elektrolyt flüssig. Sie wird auch Flüssigbatterie genannt. In einer Trockenzelle ist der Elektrolyt pastenförmig. Diese Batterien verwenden gerade genügend Feuchtigkeit, um das Fließen eines Stroms sicherzustellen.

 

Was ist mit der Leistung einer Batteriezelle gemeint?

 

Die Leistung einer Batteriezelle gibt darüber Auskunft, wie gut eine Batterie unter verschiedenen Bedingungen funktioniert. Zu den Leistungsfaktoren gehört unter anderem, wie lange die Batterie hält. Unterschiedliche Batterietypen zeichnen sich durch unterschiedliche Ladezyklen, Überladungszyklen und Lebensdauern aus. Zu den Faktoren, die die Leistung der Zelle beeinflussen, gehören der Stromverbrauch, die Temperatur und die interne Chemie der Batterie.

 

Wie werden die Kapazität und die Entladung einer Batterie definiert?

 

Die Kapazität einer Batterie entspricht der Menge der elektrischen Ladung, die sie bei Nennspannung zur Verfügung stellen kann. Wenn die Batterie eine größere Elektrode besitzt, hat sie natürlich auch eine größere Kapazität. Kleinere Zellen haben daher trotz des gleichen chemischen Aufbaus wie eine größere Zelle eine geringere Kapazität. Gemessen wird die Kapazität in Amperestunden, kurz Ah.

 

Was ist die Lebensdauer einer Batterie?

 

Die Batterielebensdauer besagt, wie lange eine Batterie hält. Bei allen Batterien nimmt die Kapazität im Laufe der Zeit ab. Auch andere Faktoren können die Kapazität verringern, zum Beispiel sinkende Temperaturen. Die Nutzung verkürzt die Lebensdauer einer Batterie natürlich ebenfalls, und bei stärkerer Nutzung kann die Kapazität drastisch abnehmen. Ein Beispiel hierfür wäre ein Smartphone, das Sie nur zum Sprechen und für gelegentlichen SMS-Verkehr nutzen. Eine Batterie kann lange halten. Durch das Erhöhen der Helligkeit, durch das Anschauen von Videos und durch Spielen geht die Ladung einer Batterie sehr schnell zur Neige.

 

Bei Sekundärbatterien wie z. B. beim zuvor erwähnten Smartphone ist es möglich, die Batterie wieder aufzuladen, um wieder Kapazität aufzubauen und die Nutzung zu steigern. Im Laufe der Zeit verringert sich diese aber so weit, dass das Gerät ohne konstante Verbindung zu einer Stromquelle nicht mehr funktioniert.

 

Was ist die Selbstentladung einer Batterie?

 

Im Laufe der Zeit können sich Batterien selbst entladen. Einweg-Primärbatterien verlieren jedes Jahr generell zwischen 8 und 20 % ihrer Ladung, wenn sie bei Raumtemperatur gelagert werden. Dies ist die Selbstentladegeschwindigkeit. Nach mehreren Jahren Lagerung sind die Batterien so gut wie nutzlos. Das Aufbewahren von Reservebatterien kann sinnvoll sein, es ist aber nicht unbedingt von Vorteil, sie zu lange aufzubewahren. Wenn Batterien bei etwas niedrigeren Temperaturen gelagert werden, kann die Entladegeschwindigkeit leicht sinken.

 

Auch wiederaufladbare Batterien entladen sich selbst. Die Selbstentladung ist sogar schneller als bei Alkaline-Batterien. In den ersten 24 Stunden verlieren sie etwa 10 % und danach etwa 10 % in jedem Folgemonat.

 

Was ist die Korrosion bei einer Batterie?

 

Eine Batterie korrodiert, wenn die Innenteile allmählich beginnen zu versagen und verschleißen. Mit dem Alter werden Batterien häufig immer schwächer, besonders, wenn sie sich noch in einem Gerät befinden. Dies kann dazu führen, dass sie auslaufen. Das Gerät wird dadurch beschädigt. Dies werden Sie häufiger bei aufladbaren als bei Einwegbatterien feststellen, es kann jedoch bei jeder beliebigen Batterie vorkommen. Autobatterien korrodieren auch häufig. Wenn Sie an einer Batterie Korrosion feststellen, sollte die Batterie unbedingt ausgebaut und vorschriftsmäßig entsorgt werden. Das Gerät muss dann gereinigt werden, bevor eine neue Batterie eingebaut wird.

 

Wie lässt sich die Lade- und Entladegeschwindigkeit einer Batterie feststellen?

 

Die Lade- und Entladegeschwindigkeit einer Batterie zu ermitteln, kann schwierig sein, da so viele verschiedene Batteriegrößen, Bauformen und Kapazitäten auf dem Markt sind. Zu den Dingen, die man beim Ermitteln der Lade- und Entladegeschwindigkeit berücksichtigen muss, gehören die physikalischen Komponenten der Batterie, die Größe der Zelle und die Nutzung.

 

Bei bestimmten Batterien wie z. B. NiCd-Zellen ist dies sogar noch schwieriger zu ermitteln, da sie einen so genannten „Memory-Effekt“ aufweisen. Dabei nimmt die Kapazität der Batterie einfach nur durch die Batterienutzung auf bestimmte Weise ab. Wenn Sie die Batterie zwei Stunden lang nutzen und anschließend wieder aufladen, „gewöhnt“ sie sich an den Betrieb von zwei Stunden Dauer und die Lade- und Entladegeschwindigkeit während des Gebrauchs gerät aus dem Gleichgewicht.

 

Was ist das Überladen einer Batterie?

 

Das Überladen einer Batterie ist leicht zu verstehen. Leider ist dies aber auch recht einfach zu bewerkstelligen, da es keine Anzeigen gibt, die Ihnen mitteilen, wann die volle Aufladung erreicht ist. Wenn Sie eine Batterie zu viel aufladen, besteht die Gefahr, dass die Batterie beschädigt und teils sogar unbrauchbar wird. Manche Geräte verfügen über einen entsprechenden Schutz, der dies verhindert. Es ist aber generell nicht zu empfehlen, das Risiko einzugehen.

 

Wie lassen sich Batterien am besten lagern?

 

Batterien sollten, wie zuvor bereits erwähnt, möglichst bei tieferen Temperaturen gelagert werden. Dadurch verringert sich das Tempo, mit dem sie sich selbst entladen. Das Lagern im Kühlschrank ist eine gute Idee, denn dadurch laufen die Reaktionen in der Batterie langsamer ab. Die Lebensdauer mancher Batterien, z. B. von Alkaline-Zellen, verlängert sich dadurch um etwa 5 %. Manche Batteriehersteller, dazu gehört auch Duracell, empfehlen die Kühlung nicht.

 

Bewahren Sie Batterien auch an einem geschützten und trockenen Ort auf. Stellen Sie ferner sicher, dass keine Kinder oder Haustiere an die Batterien gelangen, da sie eine gewisse Gefahrenquelle darstellen. Dazu kommen wir noch im nächsten Abschnitt.

 

Warum werden Batterien als Gefahrenquellen bezeichnet?

 

Batterien sind größtenteils sicher und es besteht keinerlei Gefahr bei deren Nutzung. Da jedoch im Innern chemische Reaktionen ablaufen und so gut wie nichts 100 % sicher ist, sollte man sich über die verschiedenen Risiken bewusst sein, die von Batterien ausgehen.

 

• Auslaufen – Manche Batterien beginnen auszulaufen. Sie könnten korrodieren und auslaufen oder durch einen Einstich könnte der Inhalt freigesetzt werden. Die Chemikalien sind für Mensch und Tier gefährlich.

• Explosion – In bestimmten Fällen, z. B. bei dem Versuch, eine Primärbatterie aufzuladen, besteht Explosionsgefahr. Autobatterien können explodieren, wenn ein großer Strom wie etwa bei einem Kurzschluss durch die Batterie fließt. Auch durch Überladung einer Batterie kann dies passieren.

• Giftige Inhaltsstoffe – In Batterien sind meistens giftige Stoffe wie etwa Blei und Quecksilber enthalten. Diese Stoffe können sehr gefährlich sein. Eine vorschriftsmäßige Entsorgung der Batterie ist wichtig, wenn diese aufgebraucht ist. Werfen Sie sie nicht einfach in den Restmüll.

• Verschlucken – Das Verschlucken von Batterien wie z. B. Knopfzellen ist äußerst gefährlich. Es ist deshalb auch so wichtig, Kinder in der Nähe von Batterien im Auge zu behalten. Sie können im Rachen stecken bleiben oder die Chemikalien könnten auslaufen und in den Verdauungstrakt gelangen.

 

Welche Arten von Batterien gibt es?

 

• Autobatterien – Autobatterien sind in PKWs, LKWs, Motorrädern und anderen Fahrzeugen eingebaut.

• Einwegbatterien – Primärbatterien wie diese sowie AAA, AA und ähnliche Batterien werden für alle Arten von Geräten verwendet, z. B. für Taschenlampen, Fernbedienungen und ähnliche Gegenstände.

• Akkus – Sekundärbatterien sind häufig in MP3-Playern, Smartphones, Laptops und vielen anderen Geräten vorzufinden.

 

Nickel Cadmium Batterien (NiCd)

 

NiCd Batterien wurden 1899 ursprünglich erfunden und enthalten einen Nickel-Hydroxidstab, der als Kathode dient. Das Cadmium dient bei diesen Batterien als Anode und beide werden durch eine Elektrolytsäure voneinander getrennt. NiCd Batterien sind heute die am weitesten verbreiteten Batterien. Sie sind als 9-Volt-Blöcke, AAA, AA, C und D erhältlich. Es handelt sich um wiederaufladbare Batterien und einer ihrer Vorteile besteht darin, dass sie sich schnell aufladen lassen. Sie eignen sich zur Energieversorgung vieler unterschiedlicher Gerätetypen, unter anderem medizinischer Geräte, Elektrowerkzeuge, Kameras und Fernbedienungen.

 

Bleiakkus

 

Die häufigste Art der Bleiakkus ist die Autobatterie. Sie dient als Starterbatterie und stellt eine große Menge Antriebsenergie zum Starten eines Motors zur Verfügung. Bleiakkus werden aber nicht nur als Starterbatterien, sondern auch als „Deep-Cycle-Batterien“ eingesetzt. Weit verbreitet sind diese bei Wohnwagen und Booten, wo sie zur Energieversorgung von Schleppmotoren oder Winden eingesetzt werden. Sie stellen einen niedrigen und stabilen Antriebsstrom zur Verfügung, der für diese Aufgaben benötigt wird.

 

Nickel-Metall-Hydrid NiMh

 

NiMh-Batterien sind wiederaufladbar. Die chemische Reaktion, die in den Akkus abläuft, ist mit der in NiCd-Akkus vergleichbar. Anstatt Cadmium wird für die negative Elektrode eine Wasserstoff-absorbierende Legierung verwendet. Zu den größten Vorteilen dieser Akkus zählt aber, dass ihre Kapazität zwei bis dreimal so hoch ist wie die von NiCd-Akkus.

 

Verwenden Sie zum Aufladen eines NiMh-Akkus ein intelligentes Ladegerät zur Vermeidung von Überladungen, was bei diesem Typ Akku eine große Gefahr darstellt.

 

Li-Ion-Akkus

 

Die erstmals 1991 auf den Markt eingeführten Akkus erzeugen elektrische Energie, indem Lithiumionen von der Kathode zur Anode wandern. Die Akkus sind sehr klein und leicht und werden in vielen Computern sowie Telefonen verwendet. Es handelt sich um Sekundärbatterien, die sich leicht aufladen lassen, indem einfach das Gerät, das die Akkus enthält, an eine Steckdose angeschlossen wird.

 

Sonderausführungen von Batterien

 

Auf dem Markt gibt es auch viele Sonderausführungen, die nur ganz bestimmten Zwecken dienen und im Allgemeinen unverwechselbare Formate aufweisen. Kleinakkus können zahlreiches Kleinstzubehör wie etwa Uhren, Schrittzähler und Blutzuckermessgeräte mit Energie versorgen. Größere Spezialausführungen dienen vielleicht als Notversorgung für Beleuchtungen. Sie stellen dann die Energie für Notleuchten und Fluchtwege bereit.

 

Wie werden Batterien gewartet?

 

Die Wartung der Batterien ist wichtig, da sie die Lebensdauer der Batterie aufrechterhält. Eine ordnungsgemäße Lagerung der Batterien an einem trockenen und kühlen Ort – jedoch nicht unbedingt im Kühlschrank – ist zu empfehlen. Wichtig ist auch, die in Ihren Geräten befindlichen Batterien regelmäßig zu kontrollieren, da sie irgendwann an einen Punkt angelangen, an dem sie beginnen zu korrodieren. Wechseln Sie Batterien regelmäßig aus, sogar bereits bevor sie vollständig aufgebraucht sind, dann brauchen Sie sich darüber keine Gedanken mehr zu machen.

 

Was die Sekundärbatterien angeht, sollten Sie diese nur aufladen, wenn dies unbedingt erforderlich ist. Lassen Sie die Ladung bis zur Neige gehen und schließen Sie das Gerät erst dann zum Aufladen an. Sie könnten andernfalls Opfer des zuvor im Artikel angesprochenen „Memory-Effekts“ werden, der die Lebensdauer der Batterie verkürzt und sich nur schwer wieder aufheben lässt.