Chemie

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Zuletzt aktualisiert: 14. November 2019

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Name: Katrin Pazynin

Batterien, Akkus und Knopfzellen

Inhalt:
I Allgemein

II Primärelemente
2.1. Definition   
2.2. Geschichte   
2.3. Alkali-Mangan-Batterie   
2.4. Knopfzellen         
2.4.1. Silberoxid-Zink-Knopfzelle         
2.4.2. Lithium-Mangan-Zelle         
2.4.3. Zink-Luft-Knopfzelle

III Sekundärelemente   
3.1. Definition   
3.2. Geschichte (Bleiakkumulator)   
3.3. Lithium-Ionen-Akkumulator   
3.4. Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren

IV Brennstoffzellen   
4.1. Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle   
4.2. Polymermembran-Brennstoffzelle

I Allgemeines zu galvanischen Elementen

Galvanische Elemente oder Zellen sind elektrochemische Stromquellen. Demzufolge speichern sie die Energie. Galvanische Elemente bestehen aus einem Elektrolyt – einer Flüssigkeit, die Ionen enthält - und zwei Elektroden - Elektronenleiter, die aus Metall oder Graphit bestehen. Die positive Elektrode wird Anode und die negative Kathode genannt. Durch eine Redoxreaktion produziert das Galvanische Element aus der gespeicherten chemischen Energie elektrische. Im Fall der Batterien, Akkumulatoren und Brennstoffzellen findet an der Anode die Oxidation satt. Die Kathode ist hingegen der Ort an dem die Reduktion abläuft. Jene Galvanischen Zellen, die in Reihe geschaltet sind, werden als Batterien bezeichnet, da eine erhöhte Spannung vorliegt.

II Primärelemente

2.1. Definition

Als Primärelemente werden Galvanische Elemente bezeichnet, die man, nachdem sie entladen wurden, nicht von neuem aufladen kann.

2.2. Geschichte

Der Italiener Luigi Galvani, der als Arzt tätig war, bemerkte 1780, wie ein Froschbein, das mit Eisen und Kupfer in Berührung kam, immer wieder zuckte. Als Ursache vermutete er eine elektrische Wirkung. Die erste Batterie war die Voltasche Säule, die Alessandro Volta im Jahre 1800 präsentierte. Bereits damals wurden die Zellen in Reihe geschaltet. Zink ist hierbei die Anode, die reduziert wird. Dabei gibt es zwei Elektronen ab, aus denen sich der negative Pol gebildet wird.  Beim Kupfer (oder Silber) handelt es ich um die Kathode, an der die Reduktion stattfindet. Als Elektrolyt dient zum Beispiel Salzwasser. Diese Batterie ist auf Grund ihrer Größe und ihrem Gewicht unpraktisch. 66 Jahre später hat Georges Leclanché die Trockenbatterie entwickelt, die man zum Beispiel für Türklingeln genutzt hat. Im Laufe der Jahre wurde sie von mehreren Männern zur Zink-Kohle-Batterie weiterentwickelt. Carl Gassner vollendete den Aufbau dieser Batterie im Jahre 1887, der heute noch beibehaltet wird. Bei der Zink-Kohle-Batterie befinden sich die Bestandteile der Batterie im Inneren eines Zinkbehälter. Dieser war zugleich die Anode. In Inneren befand sich ein Kohlestab (Kathode), der von einem Gemisch aus Braunstein und Ruß umgeben war. Ursprünglich wurde als Elektrolyt Ammoniumchloridlösung genutzt. Weil diese sehr flüssig ist, benutzt man heute nur einen geringen Anteil dieser Lösung in Verbindung mit Zinkchlorid, damit diese dickflüssiger wird, gibt man beispielsweise Methylzellulose oder Stärke hinzu. Heute verwendet man sie für Spielzeuge und Taschenlampen. Beim Entladen der Batterie kann es dazu kommen, dass der Zinkbecher beschädigt wird, wodurch das Innere ausläuft und Geräte kaputt machen kann. Die Nennspannung (=elektrische Spannung im Normalbetrieb) liegt bei 1,5V.

Oxidation/ Minuspol: Zn → Zn²⁺ +2e^-

Reduktion/ Pluspol:  MnO₂ + H₂O + e^- → MnO(OH) +OH^-

2.3. Alkali-Mangan-Batterie

Anders als die Zink-Kohle-Batterien sind die Alkali-Mangan-Zellen auslaufsicher und besitzt ebenfalls eine Stromstärke von 1,5V. Aus diesem Grund nutzt man diese Batterien für Fotoapparate und Geräte, die man über einen längeren Zeitraum nutzen will. Die Alkali-Mangan-Batterie ist nach dem Prinzip der Zink-Kohle-Batterie aufgebaut. Gesamtgleichung einer Halbzelle:

Zn +2MnO² +2H₂O +2OH^- → (Zn(OH)₄ )^2-  +2MnO(OH)   

2.4. Knopfzellen

2.4.1. Silberoxid-Zink-Knopfzelle

Die Silberoxid-Zink-Knopfzelle hat eine Lebensdauer von bis zu fünf Jahren. Aus diesem Grund verwendet man sie in Herzschrittmachern und in Uhren. Ist diese Zelle verbraucht, so bleibt elementares Silber enthalten, das aus der Batterie wiedergewonnen werden kann. Dies ist jedoch nur mit Fachkenntnissen möglich. Bei dieser Zelle dient Kaliumhydroxid als Elektrolyt. Die Reduktion findet am Silber und die Oxidation am Zink statt.

Red: Ag₂O+H₂O+2e^-→ 2Ag+2(OH)^-

Ox: Zn+2(OH)^-→ ZnO+H₂O+2e^{-
--------------------------------------------}
Redox: 2Ag⁺+Zn→2Ag+Zn²⁺

Gesamt: Ag₂O+Zn→2Ag+ZnO

 2.4.2. Lithium-Mangan-Zelle

Dieses Primärelement ist ebenfalls langlebig, weswegen es in Rauchmeldern und Fotoapparaten verwendet wird. Die Nennspannung beträgt um die 3 Volt, was bereits sehr leistungsstark ist. Lithium dient hier als Reduktionsmittel und und der Braunstein als Oxidationsmittel. Daraus entstehen Mangan(III)-Ionen, die sich mit den Lithiumionen verbinden: Li+MnO₂ → LiMnO₂

2.4.3. Zink-Luft-Knopfzelle

Bei dieser Knopfzelle erfolgt die Reduktion beim Sauerstoff, der in der Luft enthalten ist. Als Katalysator dient ein Aktivkohle-Ruß-Gemisch. Die Oxidation findet am Zink statt. Und als Elektrolyt wird Kalilauge verwendet. Die Nennspannung dieser Knopfzelle beträgt 1,4V. Man verwendet sie unter anderem für Hörgeräte.

O₂+2H₂O+4e^-→4 OH^-

Dabei ist die Oxidation des elementaren Sauerstoffes ±0 und in der Hydroxidgruppe -II.

III Sekundärelemente

3.1. Definition

Als Sekundärelemente bezeichnet an elektrische Energiequellen, die man wieder aufladen kann. Dazu gehören Akkumulatoren, die man rund 1000 Male aufladen kann.

3.2. Geschichte (Bleiakkumulator)

Im Jahre 1854 entwickelte Wilhelm Josef Sinsteden den ersten Bleiakkumulator. Er platzierte zwei Bleiblatten in ein Gefäß mit verdünnter Schwefelsäure, wobei sich die Platten nicht berühren durften. An die Platten wurde Strom zugeführt und im Nachhinein wurden sie entladen und dies über mehrere Male, bis der Bleiakkumulator eine größere Menge von elektrischer Energie speichern konnte. Dabei wurde eine der Platten zu reinem Blei, wohingegen die andere zu Bei(IV)-oxid wurde. Bis 1882 wurde der Bleiakkumulator weiterentwickelt, wobei man die Bleiplatten seit dem spiralförmig anordnete. Henri Tudor konstruierte den Akkumulator nach einem Prinzip, das wir noch heute nutzen. Das Gehäuse des Akkus muss säurefest sein. In seinem Inneren befinden sich zwei Bleiplatten oder Plattengruppen und die verdünnte Schwefelsäure. Ist der Akkumulator geladen, so besteht der Minuspol aus Blei und der Pluspol aus Bleioxid. Im entladenen Zustand sind beide Platten von einer Blei(II)-sulfatschicht überzogen.

Bei der Entladung laufen folgende chemische Vorgänge ab:

negativer Pol: Pb+SO4^2- → PbSO_4+2e^-

positiver Pol: PbO₂+SO4^2-+ 4H₃O⁺+2e^-→ PbSO₄+6H₂O

Beim Aufladen kehren sich die Redoxvorgänge um. Auf Grund ihrer Lebensdauer von ungefähr 10 Jahren nutzt man sie als Starterbatterien in Fahrzeugen, die ein Gegengewicht benötigen (z.B. Gabelstapler), da dieser Akkumulator ein großes Gewicht hat. Zur Zeit des 1. Weltkrieges nutzte man sie auch in U-Booten.

3.3. Lithium-Ionen-Akkumulator

Bei diesem Akkumulator handelt es sich um den leichtesten und leistungsstärksten, den es gibt. Die Nennspannung liegt zwischen 3,3 und 3,8 Volt und man benutzt diesen Akkumulator beispielsweise in Kameras und Notebooks. Den negativen Pol bildet ein Graphitgitter und den positiven ein Lithiumoxid. Die Lösung eines Lithiumsalzes wird als Elektrolyt genutzt. Jedoch hat man bei diesem Akkumulator die Möglichkeit, zwischen mehreren Elektrolyten und Elektroden zu wählen.  Wenn man den Akkumulator auflädt, verschieben sie die Lithiumionen vom Lithium-Metalloxid zum Graphitgitter. Entlädt man den Lithium-Ionen Akkumulator, dann wandern die die Ionen vom Minuspol zum Pluspol.      

                  Entladen

LiC6+CoO_{2    ←} ^→       6C+ LiCoO₂        

                   Laden        

3.4. Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren

Der Vorgänger von diesem Akkumulator ist der Nickel-Cadmium-Akkumulator. Heute nutzt man anstelle des Cadmiums eine Metalllegierung. Diese muss in der Lage sein, Wasserstoff absorbieren zu können, wenn sie dazu fähig ist, bezeichnet man sie als ,,Metallhydrid“.

          +II  -I                   +III                0

Laden: Ni(OH)₂ + Metall → NiO(OH) + Metall-H

              +III               0        +II  -I           0

Entladen: NiO(OH)+Metall-H → Ni(OH)₂ + Metall

IV Brennstoffzellen

4.1. Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle

Die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle ist die erste Brennstoffzelle, die entwickelt wurde. Der Chemiker Christian Friedrich Schönbein erfand 1838 diese Zelle, die man auch Knallgaszelle nennt. Die Elektroden bestehen aus Platin, die beide in einem Gefäß mit Salzsäure stehen. Durch Gaseinleitungspole führt man Wasserstoff und Sauerstoff an die Elektroden zu und eine elektrische Spannung entsteht.
Die Brennstoffzelle speichert demnach keine Energie, sondern wandelt sie um. Ihr Prinzip lässt sich an der Reaktionsgleichung 2H₂+O₂ → 2H₂O erkennen.

4.2. Polymermembran-Brennstoffzelle:

Bei der Polymermembran handelt es sich um eine semipermeable Membran, die aus Kunsttsoff besteht. Diese Brennstoffzelle wurde nach dem Prinzip der Wasserstoff-Sauerstoffzelle-Brennstoffzelle entwickelt und enthält diese Gase auch. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass von der Polymermembran-Brennstoffzelle nur eine geringe Wärme ausgeht. Aus diesem Grund wird sie auch in U-Booten und Raumschiffen.