Wie funktioniert eine Batterie?
Batterien sind aus unserem Leben nicht mehr wegzudenken. Sie versorgen eine Vielzahl an Geräten – von der einfachen Fernbedienung bis hin zu leistungsfähigen Elektroautos – mit Energie. Doch wie genau funktioniert eine Batterie, und welche Batteriearten gibt es?
Das Wichtigste in Kürze
- Batterien bestehen aus Anode, Kathode, Elektrolyt und Separator.
- Strom entsteht durch Elektronenfluss von Minus- zu Pluspol.
- Es gibt viele Batteriearten – von Alkalibatterien bis Lithium-Ionen-Akkus.
- Batterien müssen fachgerecht entsorgt werden – niemals in den Hausmüll!
- Forschung arbeitet an umweltfreundlicheren und leistungsfähigeren Alternativen.
Erfinder der Batterie
Der Physiker Alessandro Volta wurde am 18. Februar 1745 in Como, Italien geboren. Da er als Erfinder der elektrischen Batterie gilt, wird am 18. Februar weltweit der Tag der Batterie gefeiert. Um 1800 erfand er die „voltasche Säule“.
Volta stapelte abwechselnd Kupfermünzen und Zinkplättchen aufeinander. Diese trennte er durch Lederscheiben, die zuvor in Salzwasser getränkt wurden. Die daraus entstandene Säule verband er mit einem Draht und seiner Hand zu einem Kreislauf und als Ergebnis entstand elektrischer Strom. Der Physiker verstarb am 5. März 1827.
Aufbau einer Batterie
Was verbirgt sich in einer Batterie? Eine Batterie besteht aus einer galvanischen Zelle, auch Volta'sche Zelle genannt. Die Zelle besteht aus vier Komponenten:
Kathode
Elektroden am Pluspol. Die Kathode nimmt während der Entladung der Batterie Elektronen auf und ist somit der positive Pol.
Anode
Elektroden am Minuspol. Die Anode gibt Elektronen ab und ist der negative Pol der Batterie.
Elektrolyt
Eine ionenleitende Substanz, die zwischen Anode und Kathode liegt und den Ionenfluss ermöglicht. Elektrolyte können flüssig, gelartig oder fest sein, je nach Batterietyp.
Separator
Ein Separator ist eine physikalische Barriere, die Anode und Kathode voneinander trennt.
So haben die beiden keinen direkten Kontakt miteinander und ein Kurzschluss wird verhindert. Er lässt jedoch den Ionenfluss zu.
Die Kathode und die Anode bestehen aus zwei verschiedenen leitfähigen Metallen. Je nachdem, welches Metall gewählt wird, ändert sich die Spannung der Batterie. Zink-Kohle oder Alkali-Batterien haben eine Ausgangsspannung von 1,5 Volt, Lithium-Ionen-Akkus hingegen 3,7V.
Funktionsweise einer Batterie
Der Strom fließt immer im Kreis. Ein geschlossener Stromkreis entsteht, wenn der Pluspol und Minuspol einer Batterie mit Kabeln verbunden werden. Ist die Batterie geladen, so ist die untere Kammer der Batterie negativ, und die obere Kammer der Batterie positiv geladen.
Die Batterie ist im Inneren so getrennt, dass kein Austausch zwischen der oberen und der unteren Schicht stattfindet. Durch das Verbindungskabel bewegen sich die negativen Ladungen zur positiv geladenen Kammer. Dadurch fließt Strom.
Sehr einfach erklärt wandern kleine elektrisch geladene Teilchen vom Minuspol zum Pluspol der Batterie. Dies ist deshalb möglich, weil es Metalle gibt, die elektrisch geladene Teilchen lieber abgeben, während andere Metalle diese gerne aufnehmen:
- Gold, Silber und Kupfer sind Edelmetalle, sie „behalten“ Elektronen lieber
- Zink ist ein unedles Metall und gibt Elektronen lieber ab
Wird ein batteriebetriebenes Gerät eingeschaltet, so beginnt die chemische Reaktion an der Anode. Sie setzt Elektronen frei, die durch den externen Stromkreis zur Kathode fließen. Dabei wird elektrischer Strom erzeugt. Gleichzeitig wandern Ionen durch den Elektrolyten von der Anode zur Kathode, um die Ladungsbalance aufrechtzuerhalten.
Dieser Prozess findet so lange statt, bis die reaktiven Materialien in der Anode oder Kathode erschöpft sind. Die Batterie ist dann neutral geladen, die negativen Ladungen werden nicht mehr angezogen. In beiden Kammern befinden sich nun gleich viele positive wie negative Ladungen. Umgangssprachlich sagen wir nun, dass eine Batterie „leer“ ist.
Welche Batteriearten gibt es?
Batterien können aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung oder aufgrund ihrer Größe und Form unterschieden werden.
Batteriegrößen
Batterien werden aufgrund ihrer Größe und Kapazität unterschieden:
A-Batterien
- A-Batterien: veraltet, werden in modernen Geräten kaum mehr verwendet.
- AA-Batterien: ist die am häufigsten verwendete Batteriegröße.
- AAA-Batterie: Sie wird ebenfalls sehr häufig verwendet, ist aber kleiner als eine AA-Batterie. Sie kommt daher in kleineren Geräten wie z.B. Fernbedienungen Kinderspielzeug, zum Einsatz.
- AAAA-Batterie: werden in medizinischen Geräten und kleinen Taschenlampen verwendet.
B-Batterien
Werden heute nicht mehr verwendet. Sie wurden früher in Röhrenfernsehern eingesetzt.
C-Batterien
C-Batterien sind die größten Batterien. Sie haben eine höhere Kapazität als AA- und AAA-Batterien und werden deshalb in Geräten verwendet, die einen sehr hohen Strombedarf haben.
Darunter fallen z.B. tragbare Lautsprecher oder Spielzeugautos.
D-Batterien
In Geräten mit einem sehr hohen Energiebedarf kommen D-Batterien zum Einsatz.
Dies können z.B. große Taschenlampen und Radios sein.
9V-Blockbatterien
9V-Batterien sind rechteckig und werden oft in Rauchmeldern und Messgeräten verwendet.
Knopfzellen
Knopfzellen kommen dort zum Einsatz, wo wenig Platz zur Verfügung steht. Sie sind in den verschiedensten Größen verfügbar und kommen sehr breit zum Einsatz, zum Beispiel in Uhren.
Batterie-Zusammensetzung
Die bekanntesten Batterien sind sicherlich die Alkalibatterien und die Lithium-Ionen-Batterien. Es gibt aber viel mehr Batterien, die uns täglich umgeben:
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Alkalibatterien: Als "Alkalibatterie" werden Batterien bezeichnet, die Alkalimetalle als Anodenmaterial verwenden und eine alkalische Lösung (oft Kaliumhydroxid) als Elektrolyt haben. Die meisten Alkalibatterien sind Alkali-Mangan-Batterien. Sie nutzen Manganoxid als Kathodenmaterial und das Alkalimetall Zink als Anodenmaterial.
Sie werden sehr häufig eingesetzt und sind von kleinen Knopfzellen bis hin zu großen Batterien erhältlich. Sie sind für ihre Langlebigkeit bekannt, laufen nicht leicht aus, sind leicht lagerbar und gut belastbar. Alkalibatterien werden häufig in Haushaltsgeräten wie Fernbedienungen, Zahnbürsten, Gamecontrollern etc. verwendet. Zusammengesetzt sind sie aus Zink und Manganoxid. - Zink-Kohle-Batterien: Sie haben eine sehr geringe Energiekapazität und werden in Geräten mit einem sehr niedrigen Energieverbrauch eingesetzt. Anwendungsbeispiele sind z.B. TV-Fernbedienungen, Uhren oder Rauchmelder. Großteils wurden sie mittlerweile aber durch Alkalibatterien ersetzt.
- Nickel-Cadmium (NiCd)-Batterien: Wiederaufladbare Batterien bestehen aus Nickel-Cadmium. Das verwendete Cadmium ist aber sehr umweltbelastend.
- Nickel-Metallhydrid (NiMH)-Batterien: Sind die umweltfreundlichere Alternative zu NiCd-Batterien. Werden sie öfters nur teilentladen, beeinträchtigt dies die Batterieeffizienz sehr negativ.
- Lithium-Ionen (Li-Ion)-Batterien: Diese Batterien bieten eine hohe Energiekapazität und werden häufig in tragbaren Elektronikgeräten wie Smartphones und Laptops verwendet.
- Lithium-Polymer (LiPo)-Batterien: Eine Variante der Li-Ion-Batterien, die eine noch leichtere und flexiblere Bauweise ermöglicht, was sie ideal für Anwendungen wie Drohnen und tragbare Elektronik macht.
- Blei-Säure-Batterien: In Fahrzeugen kommen Blei-Säure-Batterien zum Einsatz. Sie sind für die Startbeleuchtung und die Zündung verantwortlich. Sie sind sehr schwer und haben eine geringe Energie-Dichte. Dafür können sie aber kurzfristig hohe Strommengen zur Verfügung stellen.
- Silberoxid-Batterien: Bieten eine höhere Spannung als Alkalibatterien an. Sie werden in Geräten mit geringem Energiebedarf, z.B. Uhren, Hörgeräte, eingesetzt.
- Zink-Luft-Batterien: Bei kleiner Größe haben sie eine sehr hohe Energie-Dichte. Die Batterie nutzt Zink und Sauerstoff aus der Luft, um Energie zur Verfügung zu stellen. Sie kommen vor allem in Hörgeräten zum Einsatz.
Batterien & Umwelt: richtige Entsorgung
Batterien sollten stets fachgerecht entsorgt werden! Dies ist wichtig, um die Materialien der Batterie im Sinne der Kreislaufwirtschaft wiederzuverwenden.
Batterien dürfen nicht im Hausmüll entsorgt werden! Sie enthalten Schadstoffe, die die Umwelt belasten können. Batterien können fast überall, in Supermärkten, Baumärkten, Recyclinghöfen, Firmen etc. abgegeben werden.
Besonders bei Lithium-Batterien bzw. defekten wiederaufladbaren Batterien (Akkus) ist Vorsicht geboten. Durch die hohe Energie-Dichte kann es in Kombination mit großer Hitze oder Beschädigung zu Kurzschlüssen bzw. zu einem Brand kommen.
Um Kurzschlüsse zu vermeiden, können die Pole der Batterie mit einem Isolierband abgeklebt werden.
Neueste Entwicklungen in der Batterietechnologie
Batterien sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Auf dem Gebiet der Batterietechnologie wird viel geforscht, um alternative Materialien zu finden.
Geforscht wird an vielen Ecken, zum Beispiel, ob Lithium durch Magnesium ersetzt werden kann. Magnesium kann umweltschonend abgebaut werden und ist das zehnthäufigste Element der Erdkruste. Darüber hinaus wird an Batterien geforscht, die vollkommen biologisch abgebaut werden können. Dafür kommen Elemente wie Kohlenstoff, Wasserstoff oder Schwefel infrage.
Auch an Kobalt- und Lithium-Batterien wird weiter geforscht. Die Metalle Kobalt und Lithium werden aber nur an wenigen Orten auf der Welt abgebaut. Sie sind daher nur begrenzt verfügbar.
Indoor-Solarzellen könnten AA und AAA-Batterien im Innenbereich ersetzen. Dabei wandelt die Solarzelle auf dem Elektrogerät das Licht im Innenbereich in elektrische Energie um.
Fazit
Batterien sind kleine Kraftpakete, die unser modernes Leben antreiben – von der Fernbedienung bis zum Elektroauto. Ihr Aufbau ist zwar technisch komplex, das Prinzip dahinter aber einfach: chemische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt. Mit Blick auf Umwelt und Ressourcen wird die Weiterentwicklung von Batterien immer wichtiger. Die Zukunft liegt in nachhaltigen Materialien, effizientem Recycling und innovativen Technologien, die unsere Energieversorgung noch umweltfreundlicher machen.
