Batterie (Elektrotechnik)

Die Chemie in einer Batterie

Eine Batterie kann aus einer Zelle oder aus mehreren Zellen bestehen. Jede Zelle hat eine Anode, eine Kathode und einen Elektrolyten. Der Elektrolyt ist das Hauptmaterial im Inneren der Batterie. Häufig handelt es sich dabei um eine Art Säure, die bei Berührung gefährlich sein kann. Die Anode reagiert mit dem Elektrolyten, um Elektronen zu erzeugen (dies ist das negative oder - Ende). Die Kathode reagiert mit dem Elektrolyten und nimmt Elektronen auf (dies ist das positive oder +-Ende). Ein elektrischer Strom entsteht, wenn ein Draht die Anode mit der Kathode verbindet und die Elektronen sich von einem Ende zum anderen bewegen. (Eine Batterie kann jedoch schon durch einen Draht, der die beiden Enden verbindet, beschädigt werden, so dass auch eine Last zwischen den beiden Enden erforderlich ist. Die Last ist etwas, das die Elektronen verlangsamt und normalerweise etwas Nützliches bewirkt, wie eine Glühbirne in einer Taschenlampe oder die Elektronik in einem Taschenrechner).

Der Elektrolyt kann flüssig oder fest sein. Eine Batterie wird je nach Art des Elektrolyten als Nass- oder Trockenzellenbatterie bezeichnet.

Die chemischen Reaktionen, die in einer Batterie ablaufen, sind exotherme Reaktionen. Bei dieser Art von Reaktion entsteht Wärme. Wenn Sie beispielsweise Ihren Laptop längere Zeit eingeschaltet lassen und dann den Akku berühren, wird er warm oder heiß.

Eine wiederaufladbare Batterie wird durch Umkehrung der chemischen Reaktion, die innerhalb der Batterie stattfindet, wieder aufgeladen. Eine wiederaufladbare Batterie kann jedoch nur eine bestimmte Anzahl von Malen aufgeladen werden (Wiederaufladungslebensdauer). Selbst eingebaute Batterien können nicht ewig wieder aufgeladen werden. Darüber hinaus nimmt mit jedem Aufladen einer Batterie ihre Fähigkeit, eine Ladung zu halten, ein wenig ab. Nicht wiederaufladbare Batterien sollten nicht aufgeladen werden, da verschiedene schädliche Substanzen wie Kaliumhydroxid austreten können.

Die Zellen können verbunden werden, um eine größere Batterie zu erhalten. Das Verbinden des Positivs einer Zelle mit dem Negativ der nächsten Zelle nennt man Reihenschaltung. Die Spannungen der einzelnen Batterien werden addiert. Zwei in Reihe geschaltete Sechs-Volt-Batterien ergeben 12 Volt.

Das Verbinden des Positivs einer Zelle mit dem Positiv der anderen Zelle und des Negativs mit dem Negativ nennt man Parallelschaltung. Die Spannung bleibt gleich, aber der Strom wird addiert. Die Spannung ist der Druck, der die Elektronen durch die Drähte drückt, sie wird in Volt gemessen. Strom ist die Anzahl der Elektronen, die auf einmal fließen können, gemessen in Ampere. Die Kombination von Strom und Spannung ist die Leistung (Watt = Volt x Ampere) der Batterie.

Parallel geschaltete Batterien - dargestellt in einem Schema und einer Zeichnung

Batterie-Größen

Batterien gibt es in vielen verschiedenen Formen, Größen und Spannungen.

AA-, AAA-, C- und D-Zellen, einschließlich Alkalibatterien, sind von Standardgrößen und -formen und haben etwa 1,5 Volt. Die Spannung einer Zelle hängt von den verwendeten Chemikalien ab. Die elektrische Ladung, die sie liefern kann, hängt davon ab, wie groß die Zelle ist, sowie von den verwendeten Chemikalien. Die Ladung, die eine Batterie liefert, wird normalerweise in Amperestunden gemessen. Da die Spannung gleich bleibt, bedeutet mehr Ladung, dass eine grössere Zelle mehr Ampere liefern oder länger laufen kann.

Geschichte

Die erste Batterie wurde 1800 von Alessandro Volta erfunden. Heute nennt man seine Batterie den Voltastapel.

In kleinen, modernen Batterien wird die Flüssigkeit in einer Art Paste immobilisiert und alles in ein versiegeltes Gehäuse gegeben. Aufgrund dieses Gehäuses kann nichts aus der Batterie austreten. Größere Batterien, wie Autobatterien, haben immer noch Flüssigkeit im Inneren und sind nicht versiegelt. Eine Art Batterie, die geschmolzene Salze als Elektrolyt verwendet, wurde während des Zweiten Weltkriegs erfunden.

Arten von Batterien

• Trockenzellen, Zellen, die keine Flüssigkeit (oder eine immobilisierte Flüssigkeit wie eine Paste oder ein Gel) als Elektrolyt enthalten
• Primärzelle, Zellen, die nicht wieder aufgeladen werden können
• Alkaline-Batterie, "alkalisch", nicht wiederaufladbar
• Quecksilberbatterie, nicht wiederaufladbar
• Leclanche-Batterie, "super heavy duty", nicht wiederaufladbar
• Lithium-Batterie, nicht wiederaufladbar, "Knopfzelle".
• Silberoxid-Batterie, nicht wiederaufladbar, Uhrenbatterie
• Voltaischer Pfahl, Allesandro Voltas erste Batterie
• Sekundärzelle, Zellen, die wieder aufgeladen werden können
• Verschlossene Blei-Säure-Batterie
• Lithium-Ionen-Akku, wiederaufladbar, verwendet in Mobiltelefonen und Laptops
• Nickel-Kadmium-Batterie, "NiCd", wiederaufladbar
• Nickel-Metallhydrid-Batterie, "NiMH", wiederaufladbar
• Nickel-Zink-Batterie

• Nasszellen, Zellen, die Flüssigkeit als Elektrolyt enthalten
• Blei-Säure-Batterie, wiederaufladbar, Autobatterie
• Nickel-Eisen-Batterie, wiederaufladbar, Edison-Batterie
• Brennstoffzelle, aufgeladen durch Zugabe von Brennstoff

Draufsicht auf die Autobatterie

Alternativen zu Batterien

Brennstoffzellen und Solarzellen sind keine Batterien, weil sie die Energie in ihrem Inneren nicht speichern.

Ein Kondensator ist keine Batterie, da er die Energie nicht in einer chemischen Reaktion speichert. Ein Kondensator kann Elektrizität speichern und viel schneller Strom erzeugen als eine Batterie, aber es kostet normalerweise zu viel, ihn so groß zu machen, wie eine Batterie sein kann. Wissenschaftler und Chemieingenieure arbeiten daran, bessere Kondensatoren und Batterien für Elektroautos herzustellen.

Kleine elektrische Generatoren, die von Hand und Fuß betrieben werden, können Strom in kleinen elektrischen Geräten liefern. Uhrwerkradios, Uhrwerkfackeln und ähnliche Geräte haben auch eine Aufziehfeder zur Speicherung mechanischer Energie.