Batterien - Übersicht

Die Batterie ist überall auf der Welt zu finden und gehört zum absoluten Grundbedarf der modernen Lebensweise. Als tragbare Energiequelle war sie bereits an der Entwicklung vieler Artikel beteiligt, die wir heute als selbstverständlich betrachten, ob Taschenlampe oder iPod. Aufgrund der vielen Anwendungsgebiete ist sie weitaus mehr als nur ein einfaches Überbleibsel aus dem Zeitalter vor der Elektrik. Für die technologischen Entwicklungen von heute und morgen spielt sie weiterhin eine entscheidende Rolle.

In ihrer einfachsten Form ist eine Batterie eine elektrochemische Zelle, die chemische Energie mittels negativer und positiver Elektroden in elektrische Energie umwandelt. Ein Elektrolyt – dies ist im Grunde genommen eine Flüssigkeit, die Elektrizität leitet – ermöglicht die Bewegung der Ionen zwischen diesen Elektroden. An den Batteriepolen entsteht dadurch ein elektrischer Strom.

Im Alltag unterscheidet man bei Batterien zwischen „primären“ und „sekundären“ Energiequellen. Die meisten Batterien sind im Privatbereich beispielsweise für den „einmaligen“ Gebrauch (primär) vorgesehen. Wenn sämtliche Energie der Zelle verbraucht ist, wird die Batterie entsorgt und eine Ersatzbatterie beschafft. Bei Akkus kann durch Aufladen normalerweise mittels eines Ladegeräts wieder ein nutzbarer Zustand hergestellt werden.

 

Geschichte der Batterie

Vor der allgemeinen Einführung eines Stromnetzes und der Erzeugung elektrischer Energie in industrieller Größenordnung waren Batterien gegen Ende des neunzehnten Jahrhunderts die Hauptenergiequelle für elektrischen Strom. Was weniger bekannt ist, ist die Tatsache, dass der Ausdruck „Batterie“ sogar bis auf 18. Jahrhundert zurückgeht. Der von dem amerikanischen Erfinder Benjamin Franklin in 1749 stammende Ausdruck bezeichnete nicht die erste „Batterie“, sondern eher eine Reihe miteinander verbundener Kondensatoren, die von einem statischen Generator geladen wurden. Sobald Metall an deren Elektroden angelegt wurden, entluden sich die Kondensatoren. Der Entladeeffekt wurde stärker, wenn die Kondensatoren zu einer „Batterie“ zusammengeschlossen wurden.

Das neunzehnte Jahrhundert erlebte noch viele weitere Erfindungen in der angewandten Physik, unter anderem die Pionierleistung im Bereich der elektromagnetischen Induktion des britischen Wissenschaftlers Michael Faraday (1791-1867). Auch der europäische Kontinent machte bei der Entwicklung von Energiequellen von sich reden. Bereits im Jahr 1800 erfand der italienische Physiker Alessandro Volta (1745-1827) das, was heute als erste richtige Batterie gilt. Hergestellt aus Kupfer- und Zinkplatten, die abwechselnd angeordnet und dazwischen mit in Lauge getränkten Kartonlagen aufgefüllt wurden, stellte die „Voltasäule“ die erste Batterie-Nasszelle dar, die einen konstanten Strom lieferte.

Voltas Erfindung stellte sich als Wendepunkt in der Entwicklung der Batterietechnik heraus. Abgesehen von technischen Pannen wie etwa Kurzschlüsse aufgrund des austretenden Elektrolyten (die übereinander gestapelten Platten drückten das von der Lauge nasse Material zusammen) wurden Erfinder in anderen Teilen der Welt inspiriert, den Versuchsaufbau zu verfeinern und nach Möglichkeiten zu suchen, um mehr Strom über einen längeren Zeitraum zu gewinnen. Im Jahr 1836 baute der englische Wissenschaftler John F. Daniell eine Zelle (die in Folge als Daniell'sches Element galt), in der Kupfersulfat und Zinksulfat als Elektrolyten benutzt wurden. Das Experiment war erfolgreich. Diese neue Batterie lieferte 1,1 Volt Spannung und konnte erheblicher länger als ihre empfindlichen Vorgänger elektrische Ladeenergie erzeugen. Das bedeutete auch, dass andere Innovationen wie z. B. der Telegraf und letztendlich das Telefon nun über eine verlässliche Energiequelle verfügten.

 

Die erste Batterie mit
„Trockenzelle“ wurde von einem deutschen Wissenschaftler im Jahr 1887 entwickelt. In Carl Gassners Aufbau kommt kein flüssiger Elektrolyt zum Einsatz. Stattdessen wurde Ammoniumchlorid (ein lösliches kristallines Salz, das zur regulären Ausstattung „nasser“ Batteriekonstruktionen gehörte) mit Gips und Zinkchlorid kombiniert. Das Endergebnis war eine Zelle, die ein konstantes Potential von 1,5 Volt liefern konnte – eine beträchtliche Errungenschaft zu jener Zeit. Der daraus folgende „trockene“ Aufbau war die Vorlage für viele der führenden Batterien, die noch heute im Einsatz sind.

 

Die Batteriebauformen im Überblick

 

Batterie

Als Batterie kann eine beliebige Zelle bezeichnet werden, die chemische Energie in elektrische Energie umwandelt. Batterien sind in Industrie, Handel und im Haushalt allgegenwärtig und dienen als Energiequellen für viele unterschiedliche technische Geräte, unter anderem für PCs, Fahrzeuge, Handgeräte und weiße Ware. Zu den häufigen Batteriebauformen gehören Zink-Chlor-Trockenbatterien und Alkaline-Batterien.

 

Akkus

Akkus werden als so genannte „sekundäre“ Zellen eingestuft, um sie von den Einweg-Primärelementen zu unterscheiden. Sie erzeugen auf dieselbe Weise Strom wie Primärzellen. Da die Akkus aber wieder aufladbar sind, lässt sich der Vorgang der Entladung wieder umkehren. Sobald elektrische Energie vom Ladegerät oder einer anderen Energiequelle fließt, wird der Elektronendurchfluss (beim Entladen von Negativ zu Positiv) umgekehrt und die Zelle kann wieder Energie produzieren. Bei den heutigen Akkus handelt es sich in der Regel um Lithium-Ionen-Ausführungen. Varianten mit Nickel-Cadmium sowie Nickel-Metallhydrid waren bis vor Kurzem ebenfalls noch relativ weit verbreitet.

 

CR2032 Batterien

Als begehrtes Objekt unter Uhrmachern ist die CR2032 Batterie  bzw. Knopfzellenbatterie häufig in Armbanduhren und anderen Geräten zu finden, die separate Energiequellen (wie z. B. fest verdrahtete Controller i Computern wie etwa CMOS Chips) zum Halten der Ladung über längere Zeit hinweg benötigen. Generell entlädt sich eine CR2032 Batterie nur sehr langsam, sodass die Zelle eine besonders lange Betriebsbereitschaft aufweist. Als Lithium-Batterie mit einer Zelle liefert die CR2032 3,0 Volt.

 

Akkuladegerät

Ladegeräte ersetzen die Ladung in Sekundärzellen, indem sie den elektrischen Strom in die Gegenrichtung zurückführen. In ihrer einfachsten Form wird eine konstante oder gepulste DC-Spannung wieder in die Batterie zurückgeleitet, sodass sich die Zelle dann wieder beginnt aufzuladen. Einfache Ladegeräte besitzen keine Möglichkeit, die Menge der ausgegebenen Ladung an den Ladebedarf im Akku anzupassen und sind in der Regel auch nicht mit Zeitsteuerungen ausgestattet. Sie laden deshalb auch langsamer als andere Ladegeräte und können die Kapazität eines aufzuladenden Akkus schwächen oder komplett zunichtemachen, wenn sie nicht rechtzeitig abgeschaltet werden.

Andere Ladegeräte sind als „Erhaltungsladegeräte“ und als Ladegeräte mit Zeitsteuerung ausgeführt. Die Erhaltungsladegeräte dienen in der Regel zum Laden von Akkus mit geringerer Kapazität, üblicherweise zwischen 2 und 30 Ah. Sie werden auch zum Laden von Batterien in ganz unterschiedlichen Fahrzeugen wie etwa Booten und Autos verwendet. Aufgrund ihres geringen Ausgangsstroms haben sie aber größtenteils die Aufgabe, eine Batterie wieder auf volle Ladung zu bringen, wenn diese nur etwas unterhalb ihres vollen Ladeniveaus abgesunken ist.

Ladegeräte mit Zeitsteuerungen lassen sich nach Ablauf einer bestimmten Zeit abschalten. Zwar waren sie im letzten Jahrzehnt des zwanzigsten Jahrhunderts beliebt, jedoch sind sie mit Einschränkungen behaftet, wenn unterschiedliche Akkuvarianten zum Wiederaufladen daran angeschlossen werden. Besonders traf das bei Geräten mit fest vorgegebenen Ladezeiten zu, die für einen bestimmten Akkutyp konzipiert waren. Das Ladegerät sollte sich nach einer bestimmten Ladedauer abschalten, die sich nur eignete, um eine bestimmte Akkusorte wieder auf volles Energieniveau zu bringen. Beim Aufladen anderer Akkus im gleichen Gerät waren diese häufig entweder nicht genügend aufgeladen oder überladen.

 

Laptop Akkus

Moderne Akkus für Laptops sind Lithium-Ionen-Zellen. Vor relativ kurzer Zeit noch waren dies aber Nickel Cadmium Akkus, die den speziellen Nachteil hatten, dass sie bei unsachgemäßer Entsorgung Umweltschäden hervorriefen. Ersetzt wurden sie daher durch Nickel-Metallhydrid Akkus, die mehr Leistung als ihre unmittelbaren Vorgänger boten. Die gegenwärtige Generation Lithium-Ionen-Akkus für Laptops zeichnet sich durch eine erheblich bessere Selbstentladung aus (ein Maß dafür, wie lange der Akku im geladenen Zustand hält) und stellt einen guten Kompromiss zwischen Preis und Leistung dar.

Beim Lithium-Ionen-Akku wandern Lithium-Ionen von der negativen zur positiven Elektrode, wenn dem Akku Ladung entzogen wird. Was die Fähigkeit zum Speichern von Ladeenergie angeht, ist die hohe Reaktionsgeschwindigkeit von Lithium als Element von Vorteil, denn die Energie kann in den atomaren Bindungen dicht gespeichert werden. Ein Lithium-Ionen-Standardakku ist demnach in der Lage, 150 Wattstunden Elektrizität in nur 1 Kilogramm Batterie zu speichern. Für Nutzer mobiler Rechengeräte wie etwa Laptops liegen die Vorteile auf der Hand, besonders deshalb, weil Akkus wie diese die Kapazität besitzen, hunderte von Ladezyklen zu halten, bevor sie schließlich entsorgt werden müssen.

 

SR44 Batterien

SR44 Batterien sind Silberoxidzellen, die häufig in Uhren und Spielzeug verwendet werden. Ebenso wie die vergleichbaren LR44-Zellen zeichnen sie sich durch eine lange Lagerdauer (und eine damit einhergehende langsame Selbstentladung) aus. Das macht sie ideal zur Energieversorgung von Geräten geeignet, die für den Betrieb eine konstante Ladung benötigen. Ihre rein äußerliche Ähnlichkeit zur Knopfzellenform der LR44 kann zu etwas Verwirrung führen, aber die Spannungseigenschaften beider Varianten sind sehr verschieden. Außerdem verfügt der SR-Typ über mehr Speicherreserven.

 

AA Batterien

AA Batterien sind überall im Privatbereich präsent und für viele elektrische Geräte unverzichtbar. Sie enthalten eine einzelne Zelle, einen positiven einen negativen Anschluss und sind mit die verbreitetsten Standardbatteriegrößen, die heute auf dem Markt sind. Die Kapazität der AA-Batterien hängt von der Chemie in der Zelle und vom Batterietyp ab, aber bestimmte Zinkchlorid oder Alkaline Batterien bieten mehr Milliampere-Stunden (mAh) Kapazität als Zink-Kohle-Standardbatterien (manchmal zwischen 1000 und 3000 mAh) und werden häufig für Geräte mit größerem Energiebedarf verwendet.

AA Batterien werden auch als wiederaufladbare Varianten angeboten und stellen dank der geringen Kosten und der unterschiedlichen chemischen Zusammensetzung (Lithium-Ionen und Nickel-Cadmium sind verbreitet) eine nützliche Alternative zu Primärzellen der gleichen Größe dar.

 

Yuasa Batterie

Yuasa Batterien sind Bleisäureakkus, die von der japanischen Firma Yuasa hergestellt werden. Sie werden in Motorrädern und in anderen Bereichen der Automobilindustrie eingesetzt und sind auch in der Produktion beliebt. Dank der chemischen Voraussetzungen ist der Bleisäureakku in der Lage, Stromspitzen zu liefern. Deshalb ist er bei Technikern beliebt, die eine geeignete Energiequelle für technische Vorrichtungen wie Anlasser in Autos benötigen. Anlasser verbrauchen am meisten Strom, wenn die Zündung beim ersten Mal eingeschaltet wird. Dadurch, dass der Bleisäureakku diese Spitzenströme liefern kann, spielt er für das Starten des Motors eine entscheidende Rolle.

 

Technische Eigenschaften

Eine Standardbatterie besteht aus zwei Elektroden, die als Anode und Kathode bezeichnet werden, sowie einem Elektrolyten als „leitende Substanz“. Wenn die Batterie in einem geschlossen Stromkreis angeschlossen wird, fließen Elektronen zwischen den Elektroden außerhalb und durch den Elektrolyten innerhalb der Batterie. Unter dem Strich kommt heraus, dass die Ladung in der Batterie geringer wird und an das Gerät abgegeben wird, in dem sie sich befindet. Letztendlich wird dem chemischen Energiespeicher Ladung entzogen und in elektrische Energie umgewandelt.

Grundsätzlich ist zwischen „nassen“ und „trockenen“ Batterien zu unterscheiden. Nasse Batterien besitzen einen flüssigen Elektrolyten. Trotz der allgemeinen Tendenz in Richtung Trockenbatterien werden Nasszellen noch immer in Labors zur Veranschaulichung von Funktionsprinzipien zellenbasierter Energielieferanten verwendet und sind in der Automobilindustrie nach wie vor beliebt.

Bei Trockenzellen kommt eine zusammengesetzte Paste als Elektrolyt zum Einsatz. Sie sind in einem Gehäuse mit Zinkanode (als positive Elektrode) und Kohlenstoffkathode versiegelt, welche als Mittelstab von der Mitte aus nach unten führt. Bei einer Zink-Kohlenstoff-Standardbatterie dient Ammoniumchlorid in der Regel als Elektrolyt.

Kapazität und Effizienz

Die Kapazität einer Batterie ist definiert als Menge der elektrischen Ladung, die die Zelle bei vorgesehener Nennspannung liefert. Diese hängt von der Menge des Elektrodenmaterials ab, das die Zelle besetzt. Das bedeutet, je kleiner die Zelle, desto geringer die Kapazität.

Wie bei allen Energiequellen beeinflussen unterschiedliche Faktoren die Fähigkeit, gespeicherte Ladung mit optimaler Effizienz abzugeben. Eine entscheidende Rolle spielen nicht nur die unterschiedlichen Chemikalien in der jeweiligen Batterie, sondern auch, wie lange die Batterie gelagert wurde und welche Spannung an den Polen benötigt wird. Aber auch die Temperatur in der Umgebung ist von Bedeutung, in der die Batterie eingesetzt werden soll. Batterien, die sehr lange gelagert wurden, bevor sie in Betrieb genommen werden, weisen eine verminderte Kapazität auf, da Ladungsträger durch Reaktionen in der Zelle vernichtet werden. Das führt zu der so genannten internen Selbstentladung.

 

Batterien aus Sicht der Produktion 

In der Industrie sind und bleiben Batterien unverzichtbar. Sie werden eingesetzt, um als Reserve-Energiequelle bei einem Netzausfall zu dienen und spielen zur Sicherung eines ungestörten Betriebs in Sektoren wie der Logistik und Produktion eine entscheidende Rolle, denn hier werden Handheldgeräte allerorts zum Kontrollieren, Kommissionieren und zum Versenden von Waren genutzt. Zahlreiche Einsatzbereiche für chemische Zellen als primäre und sekundäre Energiequellen umspannen darüber hinaus das gesamte Spektrum menschlicher Aktivität, von Hörgeräten bis zu Computern und Unterhaltungsgeräten für den Privatbereich.