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Batterien: Transportable Power

Batterien
Klein, kompakt, immer bereit: Batterien (hier AA und AAA) sind nicht nur in Handgeräten unverzichtbar. (Foto: Fotolia, breakingthewalls)
Ob wiederaufladbar oder als Einwegprodukt: Batterien lassen sich aus unserem heutigen Leben nicht mehr wegdenken. Dabei sind sie keine junge Technik, dafür aber technisch sehr raffiniert.

Würde es einen mächtigen Schlag geben und sämtliche Batterien verschwänden urplötzlich von der Bildfläche, wäre die Welt, so wie wir sie kennen, am Abgrund. Nein, nicht nur, weil dann alleine in Deutschland rund 57 Millionen Menschen ihr Smartphone nicht mehr nutzen können und sämtliche Tablets und Notebook-Computer noch dazu ohne Spannung wären. Sondern, weil Batterien buchstäblich unsere gesamte Welt antreiben – vom Herzschrittmacher über Flugzeuge bis hin zu jedem einzelnen Computer (weil in allen eine sogenannte BIOS-Batterie steckt) und sie natürlich auch für die Zukunft der Mobilität eine absolut zentrale Rolle spielen. Strom fließen zu lassen ohne Kabel, ohne sich drehende Magneten, das ist an so vielen Stellen nötig, dass es unmöglich wäre, sie alle aufzulisten. Dabei begann alles durch Zufall und einen toten Frosch. Grund genug also für einen Artikel über die technischen Hintergründe dieser Spannungsversorgung.

1. Primär und Sekundär

Die meisten Laien kennen, wenn überhaupt, zwei Sorten von Batterien: „normal und Akkus“. Nicht ganz falsch, aber es geht auch etwas sachlicher. Alle Batterien, ob nun wiederaufladbar oder nicht, sind sogenannte galvanische Zellen; in den meisten Fällen mehrere, die zusammengeschaltet wurden, um auf ausreichende Spannung und/oder Versorgungsdauer zu kommen.

  • Primärzellen sind klassische Einwegbatterien. Ihre Entladung erfolgt durch nicht umkehrbare chemische Prozesse, sind diese nach Spannungsentnahme abgeschlossen, ist die Batterie unbrauchbar.
  • Sekundärzellen sind Akkumulatoren. Prinzipiell funktionieren sie nicht anders als Primärzellen. Jedoch kann der Prozess, indem von außen eine Spannung angelegt wird, wieder umgekehrt, der Akku aufgeladen werden.
  • (Tertiärzellen) haben für diesen Artikel keine Bewandtnis, sie werden nur der Vollständigkeit halber erwähnt. Dabei handelt es sich um Brennstoffzellen, bei denen das galvanische Prinzip durch einen externen Brennstoff betrieben wird.

Im weiteren Verlauf benutzen wir einfach „Batterie“, nur wo es notwendig ist, wird in Primär und Sekundär unterschieden.

2. Die Funktion

Alleine im Bereich der Primärzellen gibt es heute mehrere Prinzipien:

  • Zink-Kohle
  • Alkali-Mangan
  • Silberoxid
  • Zink-Luft
  • Lithium-Mangandioxid

Dazu noch einige andere, die aber nur bei absoluten Nischenanwendungen zum Einsatz kommen. Heute ist dabei der bei uns wichtigste Bautyp die Alkali-Mangan-Batterie, marketingtechnisch oft auch als Alkaline bezeichnet.

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Doch auch, wenn man zusätzlich noch sämtliche relevanten Akku-Bauprinzipien hinzuzieht, selbst die allerneuesten Energiespeicher, basieren doch alle Batterien auf einem gemeinsamen chemischen Wirkprinzip, dem der Elektrolyse.

In jeder Batterie(zelle) stecken innen je eine Anode und Kathode, welche mit den Plus- (Kathode) bzw. Negativpolen an der Außenseite verbunden sind. Der Trick ist nun einfachste Chemie: Elektroden wandeln immer vom unedleren zum edleren Metall. Die Anode wird aus einem unedleren Material, etwa Zink, hergestellt, die Kathode aus dem edleren Metall, etwa Kupfer. Beide Metalle stecken in einer Elektrolytflüssigkeit, die durch einen Separator getrennt wird, der Kurzschlüsse verhindert.

Wird nun ein Verbraucher an diese Stromquelle angelegt, beginnen Elektroden von der Anode via Verbraucher zur Kathode zu fließen. Die Anode oxidiert dabei allmählich, die Kathode nimmt Elektronen auf. Dabei entsteht Spannung, etwa in einer Zink-Kohle-Zelle 1,5V pro Zelle.

Hier kommt die Trennung zwischen Primär- und Sekundärzelle. Bei der Primärzelle erlischt der Prozess dann, wenn die Anode weitestgehend oxidiert ist – weshalb sie auch nicht mehr aufladbar ist. Beim Akkumulator werden indes für Anode und Kathode Materialien verwendet, bei denen die Oxidreaktion in beide Richtungen ablaufen kann.

3. Der Variantenreichtum

Alleine an jeder Supermarktkasse findet sich ein halbes Dutzend verschiedene Bauarten von Primär- und Sekundärzellen; dazu noch unzählige weitere, die weniger geläufig sind. Der Grund dafür ist recht lapidar: Jede Batterie, abhängig von Größe und Funktionsweise, hat ein anderes Aufgabenspektrum.

Vergleicht man beispielsweise klassische „Rundzellen“ (das sind sämtliche Batterien, die eine zylindrische Außenform aufweisen), etwa Mono und AAA, fällt zunächst nur der Größenunterschied auf. Bei der Spannung indes liefern beide Varianten die gleichen 1,5 Volt.

Warum dies? Ganz einfach: Es zählt hier einzig und alleine die Dauer, für die die jeweilige Batterie diese Spannung abgeben kann, die Energiekapazität. Eine Alkaline-Monozelle hat eine Kapazität von etwa 18.000mAh, eine Alkaline-AAA-Batterie nur 1200. Die unterschiedlichen Größen sind demnach vor allem die Antwort auf die Ansprüche unterschiedlichster Geräte, die Strom aus Batterien benötigen. Natürlich könnte die Infrarot-LED einer Fernseh-Fernbedienung auch mit zwei Monozellen betrieben werden – das würde die Konstruktion jedoch enorm unhandlich machen, sodass Verbraucher auch ohne Einbußen bei der Nutzungsdauer mit viel kleineren Zellen im Bereich AA oder AAA zufriedengestellt werden können.

Bei den unterschiedlichen Materialien (vgl. Zink-Kohle und Alkaline) spielen indes andere Faktoren eine Rolle. Primär die Entladungskurve. Hier ist es für manche Anwendungen notwendig, eine Kurve zu erzeugen, die über eine möglichst große Dauer flach verläuft, um erst gegen Ende der Reaktionsfähigkeit abzusinken – wo die Alkaline-Batterie einen großen Vorteil gegenüber der Zink-Kohle-Batterie hat, bei der die Entladungskurve viel schroffer verläuft. Des Weiteren muss auch die Auslaufsicherheit des Elektrolyts beachtet werden. Abermals ein Problem von Zink-Kohle-Zellen, weil hier die Zink-Anode außen liegt und so durch die Reaktion automatisch perforiert wird, wohingegen bei der Alkaline-Batterie die Anode innen liegt.

4. Problem Materialien

Eine Elektrolytflüssigkeit, die oft korrosiv ist. Dazu je nach Bauweise eine mehr oder weniger große Menge an Metallen, oft giftigen Schwermetallen. Das macht Batterien ungeachtet ihrer Vorteile zu einem Problem und zwar je nach Bauweise unterschiedlich:

Bei Primärzellen ist die Beschaffung der Konstruktionsmaterialien relativ unkompliziert, weil diese in der Erdkruste in großen Mengen vorkommen. Dafür aber müssen sie korrekt entsorgt werden

Bei Sekundärzellen ist häufig schon die Beschaffung der Konstruktionsmaterialien erschwert, weil es sich teilweise um seltene Erden handelt. Gleichsam muss aus Gründen der Umweltschädlichkeit und den oft hochwertigen Metallen ebenfalls sorgsam recycelt werden

Aus diesem Grund gibt es ein Gesetz, das jeden Händler verpflichtet, einen entsprechenden Hinweis zu zeigen und Batterien, die er entweder als Neubatterie verkauft oder speziellen Batterien, die in Geräten stecken, die er verkauft, unentgeltlich zurückzunehmen. Ferner müssen alle Batterien recycelt werden. Deponieren oder zerstörende Entsorgung ist verboten. Überdies nimmt das sogenannte BattG auch den Verbraucher in die Pflicht: Er muss Batterien einer geordneten Entsorgung zuführen, darf sie nicht über den Hausmüll wegwerfen.

5. Probleme der Forschung

Noch zu Beginn des Jahrtausends glaubte man, dass Batterieforschung keine allzu bedeutsame Rolle spielen würde. Das, was bereits entwickelt und serienreif war, war für alle bestehenden Anwendungen vollkommen ausreichend.

Allerdings sind seitdem beinahe 20 Jahre vergangen und zwei Elemente von gewaltiger, ja globaler Bedeutung, haben sich verwandelt: Sowohl die Primärstromerzeugung wie die Mobilität der Erde müssen schnellstmöglich elektrisch werden. Bei der Primärstromerzeugung durch regenerative Maßnahmen wie Windkraft und Photovoltaik, bei der Mobilität durch Elektroantriebe.

Für beides sind Sekundärzellen notwendig. Allerdings in Größenordnungen, die zu einem echten wissenschaftlichen Problem werden:

Bei der Stromerzeugung braucht es Akkumulatoren, welche maximale Speicherkapazität zu einem möglichst niedrigen Preis liefern

Bei der Elektromobilität braucht es Akkumulatoren, welche maximale Speicherkapazität bei kürzest-möglicher Aufladedauer zu einem möglichst niedrigen Gewicht und unter sämtlichen klimatischen und kinematischen Bedingungen liefern

Beide Batterieformen müssen zudem in der Lage sein, tausende Lade-Entladezyklen ohne nennenswerte Einbußen in der Kapazität („Memory-Effekt“) zu überstehen.

Das ist insofern aktuell ein so großes Problem, weil die einzigen derzeit bekannten Materialien für Anode und Kathode, die auch nur annähernd an diese Notwendigkeiten heranreichen, Seltenerdmetallen sind – von denen es nach derzeitigem Wissensstand zu geringe Mengen gibt, um alle Ziele, d.h. 1:1-Umstellung der globalen Mobilität UND Primärstromerzeugung abzudecken.

Zumal es eben auf der Erde nur 118 bekannte Elemente gibt, von denen nur 80 stabil sind. Das bedeutet, es gibt nur wenige Kombinationen für Batterien, weshalb sich ein Großteil der heutigen Forschung auf der Suche nach einer „Superbatterie“ auch auf das Optimieren von bereits bestehenden Systemen bzw. Kompositstoffe stützt.

Das ist auch mit einer der Hauptgründe, warum viele Forscher der Ansicht sind, dass die langfristige Zukunft, zumindest für die beiden am Anfang dieses Kapitels genannten Felder, im Bereich der Tertiärzelle liegt: Der Kraftstoff, etwa Wasserstoff, lässt sich auf elektrochemischer Basis durch Sonnenenergie bzw. Windkraft herstellen und ungleich einfacher speichern, als es in Sekundärzellen (und natürlich auch Primärzellen) der Fall ist.

28.08.2018

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Wissenschaftslexikon

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Pfei|ler  〈m. 3〉 1 frei stehende od. aus der Wand (Wand~) herausstehende Stütze von Decken, Gewölben, Trägern usw. mit meist rechteckigem Querschnitt 2 〈Bgb.〉 Teil einer Braunkohlenlagerstätte, der vorübergehend nicht abgebaut wird ... mehr

An|gi|na Pec|to|ris  〈f.; – –; unz.; Med.〉 Erkrankung mit Anfällen von heftigen Herzschmerzen, Beklemmung der Brust u. Todesangst, auf einer chronischen Minderdurchblutung des Herzmuskels beruhend; Sy Stenokardie ... mehr

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