Batterien. Überblick über die verschiedenen Typen und allgemeinen Funktionsweisen. ... wie es im Lexikon steht:

Transkript

1 Batterien Überblick über die verschiedenen Typen und allgemeinen Funktionsweisen... wie es im Lexikon steht: Batterie, die; -, -n [.. i-en] <franz.> Stromquelle, deren erhöhte Leistung durch die Vereinigung mehrerer, gemeinsam wirkender Stromquellen erzielt wird. 1.) Was ist eine Batterie? Im weiteren Sinne Zusammenschaltung von mehreren galvanischen Elementen, Akkumulatoren oder Kondensatoren. Werden die Elemente (Akkus) hintereinander geschaltet, so erhöht sich die Spannung. Im engeren Sinne Bezeichnung für alle galvanischen Elemente, die auf elektrochemischem Wege Spannung erzeugen. Eine Batterie besteht hier aus 2 Elektroden (z. B. Kohle und Zink), die in ein Elektrolyt (Elektrolyse) tauchen, das durch Ionenwanderung Strom leitet. Werden die beiden Elektroden mit einem Stromverbraucher verbunden, so fließt Strom. 2.) Was muss eine Batterie für den Benutzer können? Sie soll... Eine hohe Spannung besitzen Einen großen Energieinhalt besitzen Auslaufsicher sein Keine Gase abgeben und Eine große Lagerfähigkeit (und geringe Selbstentladung) haben 3.) Funktionsweisen der Batterie Elektrischer Strom besteht aus fließenden Elektronen. Sie bewegen sich infolge einer elektrischen Spannung als treibende Kraft. Die Batterie ist ein elektrochemischer Energiewandler, der gespeicherte chemische Energie auf direktem Wege in elektrische Energie umwandeln kann. Bildlich gesprochen bietet der Minuspol die Elektronen in großer Stückzahl und mit hohem Druck an und der Pluspol saugt die Elektronen wieder ab. Der Druckunterschied entspricht der Spannung der Batterie; die pro Zeiteinheit fließende Menge der Elektronen ist der Strom.

2 Der Strom hört in den Polen natürlich nicht auf, es gibt einen vollständigen Stromkreis. In der Batterie fließt der Strom als Ionenstrom in der Elektrolytflüssigkeit von einer Elektrode zur anderen. Hier laufen die dazugehörigen elektrochemischen Reaktionen ab. Verschiedene Elektrodenmaterialien geben die Elektronen ab (Minuspol), andere saugen sie wieder auf (Pluspol). Für Taschenlampen und Kassettenrekorder werden meistens Braunstein-Zink-Batterien benutzt. Hier gibt es die Varianten Zink-Kohle und Alkali-Mangan, auch (Alkaline). Bei beiden versorgt Zink den Minuspol mit Elektronen, weil das Zink seine Elektronen so schnell wie möglich abgeben möchte. Hinter dem Pluspol befindet sich der Braunstein, der diese Elektronen dann wieder aufnimmt. Diese Elektrodenmaterialien heißen aktive Massen. Sie dürfen sich in der Batterie nicht berühren, sonst entsteht ein Kurzschluss und die Batterie entlädt sich von selbst. Deshalb trennt ein Separator die aktiven Massen. Dieser besteht aus einer Art Papier, das mit Elektrolytflüssigkeit getränkt ist. Durch seine Poren fließen die Ionen vom Braunstein zum Zink, so dass sich der Stromkreis schließt. Ist das Gerät ausgeschaltet, ruht auch die Batterie und die Prozesse der Entladung kommen zum Erliegen. Die positive Elektrode und die negative Elektrode stellen unter dieser Bedingung ihr elektrochemisches Gleichgewicht ein. Dieses ist für ein gegebenes System mit einer bestimmten Spannung verbunden. Die Selbstentladung ist ein temperaturabhängiger Reaktionsprozess an den Elektroden der Zelle und ist unabhängig vom Verbraucher. Sie ist bei Primärbatterien sehr klein, im Gegensatz zu wieder aufladbaren Systemen. Hier kann es Boten-Ionen geben, die die Selbstentladung fördern, wie etwa bei Nickel-Cadmium- (NiCd) und Nickel-Metallhydrid- Akkumulatoren (NiMH). Diese Boten-Ionen (das sogenannte Redox- System) wandern zwischen den Elektroden hin und her und transportieren dabei Ladungen. Bei den Systemen NiCd und NiMH kommt hinzu, dass ihre Nickel-(hydroxid)-Elektrode nicht lagerstabil ist. Eine Selbstentladung von bis zu 30% pro Monat sind bei diesen Systemen normal.

3 4.) Unterschiede zwischen Primär- und Sekundär-Systemen Bei den Sekundärbatterien (Akkus) lässt sich die verbrauchte chemische Energie durch einen Aufladevorgang wiederherstellen. Dafür pumpt das Ladegerät die Elektroden vom Pluspol zum Minuspol zurück, wobei die dazugehörigen entladenen Elektrodenmassen wieder aufgeladen und damit reaktiviert werden. Der Entlade-/Ladevorgang lässt sich bis zu mal wiederholen. Primärbatterien sind dagegen nur einmal entladbar. Deutliche Unterschiede zwischen Primär- und Sekundär-Systemen bestehen bei der spezifischen, speicherbaren Energie und Belastbarkeit sowie der Selbstentladung. Primärelemente Elektrochemische Spannungsquellen Sekundärelemente Brennstoffzelle

4 5.) Primärelemente Zink-Kohle-Batterie Der Minuspol ist der Zinkbecher, der gleichzeitig als Behälter dient. Da bei der Stromentnahme Zink in Lösung geht, wird der Becher mit einem Stahlmantel umgeben. Der Pluspol besteht aus Braunstein (MnO2), der mit Grafit vermischt wird. Der Elektrolyt besteht aus einer angedickten Paste aus Ammoniumchlorid und Zinkchlorid. Die Spannung der Trockenbatterie beträgt 1,5V. Alkalibatterien enthalten anstelle von Ammoniumchlorid Kalilauge als Elektrolyt. Sie haben eine höhere Kapazität. Lithiumbatterien Lithiumbatterien haben einen hohen Energieinhalt, hohe Zellspannung, lange Lagerfähigkeit, geringe Selbstentladung und einen geringen Platzbedarf. Hier gibt es verschiedene Ausführungen von Lithiumbatterien. Allen gemeinsam aber ist das Fehlen von wässrigen Lösungen, da Lithium mit Wasser reagieren würde. Die derzeit verbreitetste Lithiumbatterie ist die Lithium-Braunsstein-Zelle. Hier bildet Lithium den Minuspol, wohingegen der Pluspol aus Braunstein entsteht.

5 Die Quecksilberoxid-Knopfzelle Der Minuspol besteht aus Zinkpulver, der Pluspol aus Quecksilberoid. Die Elektrolyt- Lösung ist Kalilauge. Silberoxid-Knopfzellen sind analog aufgebaut, enthalten allerdings auch eine gewisse Menge an Quecksilber. 6.) Sekundärelemente Der Bleiakkumulator Zwei Sätze von parallel geschalteten Gitterplatten aus einer Bleilegierung bilden einen Plattenblock, der in 30% Schwefelsäure taucht. Die Platten des ersten Satzes sind mit verteiltem Blei (Minuspol), die des zweiten Satzes mit Blei(IV)-oxid (Pluspol) gefüllt. Ein Plattenblock liefert eine Spannung von 2V. Durch Anlegen einer äußeren Spannung kann die Reaktion umgekehrt werden, der Akkumulator wird geladen. Nickel-Cadmium Akku Die aktiven Komponenten von NiCd-Akkumulatoren sind im geladenen Zustand Nickelhydroxid in der positiven Elektrode und Cadmium in der negativen. Der Elektrolyt besteht aus Kaliumhydroxid. Der Nachteil dieses Akkus ist der dem Benutzern bekannte Memory-Effekt Der Memory Effekt Wird der Akku geladen, obwohl er noch nicht vollständig entladen ist, so steht bei der nächsten Nutzung des Akkus nicht die volle Leistung zur Verfügung. Diese Eigenschaft hängt mit dem verwendeten Cadmium an der negativen Elektrode zusammen, denn das Material neigt unter bestimmten Bedingungen zur Kristallbildung. 7.) Welche Firmen in Vorarlberg beschäftigen sich mit dem Thema Batterien? Neben einigen Batteriefachhändlern scheint sich scheint sich Vorarlbergs Industrie mit Batterieproduktion nicht allzu sehr zu beschäftigen. Es gibt hier keine Produktionsfirma für Batterien, lediglich ist die europaweit renommierte Firma Banner-Batterien bekannt, die in Rankweil gegründet wurde, jetzt aber die Produktionsstätte nach Linz verlagert hat. Die Lustenauer Firma Häusle beschäftigt sich zudem mit der richtigen Entsorgung der Batterie, die schließlich ein Problemstoff darstellt. Quellenangaben: Schulbuch Allgemeine und Anorganische Chemie Herolds Gelbe Seiten Encarta 2000 Roempp Chemie-LexiROM