Batterien und Akkumulatoren: Funktionsweise und Typen

Grundlagen der Batterietechnik

Eine Batterie ist eine Anordnung aus elektrolytischen Zellen, die dazu dient, einen kontinuierlichen Gleichstrom zu erzeugen. Man unterscheidet zwischen Primärzellen und Sekundärzellen.

• Primärzellen (Batterien): Erzeugen Strom durch einen irreversiblen chemischen Prozess. Nach der Entladung müssen sie ersetzt werden.
• Sekundärzellen (Akkumulatoren): Arbeiten nach einem reversiblen Prinzip und können durch eine externe Stromquelle wieder aufgeladen werden.

Aufbau und Funktionsweise

Jede Zelle besteht aus zwei Elektroden, die in eine Elektrolytlösung getaucht sind. Der Elektrolyt ist ein Stoff, der aufgrund der Dissoziation von Ionen (elektrisch geladene Atome) Strom leitet. Bekannte Beispiele sind Säuren, Laugen und Salze.

Durch die chemische Reaktion entsteht ein Elektronenüberschuss an der negativen Elektrode und ein Mangel an der positiven Elektrode. Diese Potentialdifferenz erzeugt eine Spannung, die einen Stromfluss durch einen externen Verbraucher ermöglicht.

Der primäre Akku

Historische Experimente im 18. Jahrhundert zeigten, dass zwei unterschiedliche Materialien (z. B. Zink und Kohle) in einer sauren Lösung eine elektromotorische Kraft (EMK) erzeugen. Die Batterie ist dabei die Grundeinheit; zwei oder mehr Zellen bilden eine Batterie.

Zink-Kohle-Batterie (Leclanché-Element)

Die bekannteste Form ist die Zink-Kohle-Batterie. Die negative Elektrode besteht aus Zink, die positive aus einem Kohlestab. Als Elektrolyt dient eine Paste aus Ammoniumchlorid. Wenn der Elektrolyt austrocknet, verliert die Batterie ihre Funktion. Die Nennspannung liegt bei ca. 1,6 Volt.

Spezielle Batterietypen

Zink-Quecksilberoxid-Batterie

Diese Batterien zeichnen sich durch eine sehr konstante Spannung über ihre gesamte Lebensdauer aus, was sie ideal für Messinstrumente macht.

Sekundärbatterien (Blei-Säure-Akkumulatoren)

Blei-Akkus bestehen aus Bleiplatten und Schwefelsäure als Elektrolyt. Sie sind in der Lage, extrem hohe Ströme zu liefern, wie sie beispielsweise beim Starten eines Autos benötigt werden.

Alkali-Batterien

Diese nutzen einen alkalischen Elektrolyten (Kaliumhydroxid) und bieten eine stabilere Leistung als herkömmliche Zink-Kohle-Zellen.

Nickel-Cadmium- und Nickel-Metallhydrid-Akkus

NiCd-Akkus sind für ihre Robustheit bekannt, leiden jedoch unter dem Memory-Effekt. NiMH-Akkus sind moderner und weniger anfällig für diesen Effekt.

Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ion)

Li-Ion-Akkus bieten eine hohe Energiedichte und leiden kaum unter dem Memory-Effekt. Sie sind der Standard in modernen elektronischen Geräten.

Technische Kenngrößen

Die Ausgangsspannung einer Batterie hängt von den verwendeten Materialien ab, nicht von der Größe. Die Strombelastbarkeit hingegen korreliert direkt mit der Menge des aktiven Materials und der Elektrolytmenge. Die Kapazität wird in Amperestunden (Ah) angegeben.

Schaltung von Batterien

• Reihenschaltung: Erhöht die Gesamtspannung. Die Kapazität bleibt gleich.
• Parallelschaltung: Erhöht die Stromkapazität. Die Spannung bleibt gleich.