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Chemische Reaktionen in Batterien

Die wahrscheinlich einfachste Batterie, die man herstellen kann, nennt man Zink/Kohle-Batterie. Wenn man die chemischen Reaktionen versteht, die in dieser Batterie ablaufen, dann versteht man das Funktionsprinzip aller Batterien.

Stellen Sie sich vor, Sie haben ein Gefäss voll Schwefelsäure (H2SO4). Stecken Sie einen Zink-Stab hinein und die Säure wird sofort anfangen, das Zink aufzulösen. Man sieht Wasserstoffbläschen am Zinkstab aufsteigen und der das ganze wird sich erwärmen. Hier erfahren Sie was passiert:

  • Die Säuremoleküle zerfallen in zwei Arten von Ionen - zwei H+ (Wasserstoff)-Ionen und ein SO4- (Schwefel-Dioxid-)Ion. 
  • Die Zinkatome auf der Oberfläche des Zinkstabes verlieren zwei Elektronen (2e-) um zu Zinkatomen (Zn++) zu werden.
  • Die Zink++Atome vereinigen sich mit den SO4-Molekülen zu ZnSO4, das sich in der Säure auflöst.
  • Die Elektronen der Zinkatomevereinigen sich mit den Wasserstoffionen in der Säure und werden so zu Wasserstoff. Das sind die Bläschen, die am Zinkstab aufsteigen.
Wenn man nun einen Kohlestab in die Säure steckt, dann passiert zunächst garnichts. Wenn man dann aber den Zinkstab und Kohlestab mit einen Draht verbindet, dann verändern sich zwei Dinge:
  • Die Elektronen fliessen druch den Draht und vereinigen sich mit dem Wasserstoff des Kohlestabes, Wasserstoffgasbläschen entstehen am Kohlestab.
  • Die Wärme nimmt ab. Man kann nun eine Glühbirne oder einen ähnlichen Verbraucher mit Strom versorgen und man kann eine Spannung und einen Strom messen. Die Wärmeenergie wird also in die Bewegungsenergie der Elektronen umgewandelt.
Die Elektronen wandern zum Kohlestabe weil es für sie dort leichter ist, sich mit dem Wasserstoff zu verbinden. Es entsteht eine für diesen Aufbau charakteristische Spannung von 0,76 Volt in der Zelle. Mit der Zeit löst sich der Zinkstab völlig auf oder der Wasserstoff in der Säure wird vollständig aufgebraucht und die Zelle verliert Ihre Spannung.
In jeder Batterie tritt die gleiche Art chemischer Reaktionen auf, damit Elektronen von einem Pol zum anderen wandern. Die jeweils eingesetzten Metalle und Elektrolythen beeinflussen die Spannung der Zelle - jeder Aufbau hat eine charakteristische Spannung. Hier finden Sie zum Beispiel was in einer Auto-Battery (Blei-Säure-Akku) vor sich geht:
  • Die Zelle hat eine Platte aus Blei und eine andere aus Blei-Dioxyd und eine starke Schwefelsäure als Elektrolyth, in den die beiden Platten eingetaucht sind.
  • Blei verbindet sich mit dem SO4 zu PbSO4 plus ein freies Elektron
  • Bleidioxyd, Wasserstoff-Ionen und SO4 Ionen plus Elektronen aus der Bleiplatte reagieren zu PbSO4 und Wasser an der Bleidioxyd-Platte
  • Wenn sich die Batterie entlädt, bauen beide Platten Bleisulfat (PbSO4) auf und in der Säure bildet sich Wasser. Die Charakteristische Spannung ist ca. 2 Volt pro Zelle. Wenn man also 6 Zellen verbindet erhält man eine 12-Volt-Batterie.

Ein Blei-Säure-Akku hat eine sehr nette Eigenschaft: die chemische Reaktion ist komplett umkehrbar. Wenn man dem Akku Strom mit der richtigen Spannung zuführt, dann bilden sich auf den Platten wieder Blei und Bleidioxyd und die Batterie lässt sich wieder und wieder verwenden. In einer Zink-Kohle Batterie gibt es keine einfache Möglichkeit, die chemische Reaktion rückgängig zu machen weil es keine einfache Möglichkeit gibt, den Wasserstoff zurück in das Elektrolyth zu bringen.

Moderne Batterien und Akkus haben eine Reihe verschiedener Konzepte mit verschiedenen Chemikalien:

  • Zink-Kohle-Batterien, der typische Aufbau aller preiswerten Trockenbatterien.
  • Alkaline-Mangan-Batterien, die hochwertigen Primärbatterien. Die Elektronen bestehen aus Zink und Magandioxid.
  • Lithium Foto-Batterien
  • Blei-Säure-Batterien, die in Automobilen verwendet werden. Wiederaufladbares Sekundärsystem
  • Nickel-Cadmium Akkus, wiederaufladbare Sekundärzellen.
  • Nickel-Metall-Hydrid-Akkus, wiederaufladbar. Kein Memory-Effekt wie Nickel-Cadmium-Zellen
  • Lithium-Ion-Akkus. Wiederaufladbar, sehr hohe Energiedichte bei geringem Gewicht. Wird deshalb in Notebooks und Mobiltelefonen eingesetzt.
  • Zink-Luft-Batterien. Leicht und wiederaufladbar.
  • Silber-Zink. Verwendung in der Luftfahrt.
  • Metall-Chlorid-Akkus. Verwendung in Elektofahrzeugen.

 
 

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