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Batterie: Aufbau, Funktion und Kennwerte
Eine Batterie wandelt beim Entladen chemische Energie in elektrische Energie um. Dabei fließen Elektronen außen durch das Gerät, während sich Ionen im Inneren der Zelle bewegen.
Auf dieser Seite lernst du, den Aufbau und die Entladung einer Batterie zu erklären, Primär- und Sekundärsysteme zu unterscheiden und Spannung sowie Kapazität sinnvoll zu beurteilen.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Was steckt in einer Batteriezelle?
Batterie
Eine Batterie ist ein elektrochemischer Energiespeicher und Energiewandler. Im engeren Sinn besteht sie aus mehreren zusammengeschalteten Zellen; im Alltag nennt man auch eine einzelne galvanische Zelle Batterie.
Eine Zelle braucht beim Entladen vier wichtige Bestandteile:
- Anode (Minuspol): Hier werden Elektronen abgegeben. Es findet eine Oxidation statt.
- Kathode (Pluspol): Hier werden Elektronen aufgenommen. Es findet eine Reduktion statt.
- Elektrolyt: Er leitet Ionen zwischen den Elektroden.
- Separator: Er hält die Elektroden auseinander, lässt aber Ionen passieren.
Der Separator verhindert den direkten Kontakt der Elektroden und damit einen Kurzschluss. Er darf den inneren Ionentransport jedoch nicht unterbrechen.
Wie liefert die Batterie elektrischen Strom?
Sobald Plus- und Minuspol über einen Verbraucher verbunden sind, ist der äußere Stromkreis geschlossen.
- An der Anode läuft eine Oxidation ab: Teilchen geben Elektronen ab.
- Die Elektronen fließen außen vom Minuspol durch den Verbraucher zum Pluspol.
- An der Kathode läuft eine Reduktion ab: Teilchen nehmen Elektronen auf.
- Ionen bewegen sich durch den Elektrolyten und sorgen für den Ladungsausgleich.
In einer primären Lithium-Mangandioxid-Zelle gibt Lithium an der Anode ein Elektron ab:
$$\mathrm{Li_{(s)} \rightarrow Li^+ + e^-}$$
An der Kathode werden Lithium-Ion und Elektron in Mangandioxid aufgenommen:
$$\mathrm{Li^+ + e^- + Mn^{+IV}O_{2(s)} \rightarrow LiMn^{+III}O_{2(s)}}$$
Das abgegebene Elektron läuft nicht durch den Elektrolyten. Es nimmt den äußeren Weg, etwa durch eine Kamera, und kann dort elektrische Arbeit verrichten. Das Lithium-Ion wandert im Inneren durch den Separator.
Dieses Beispiel beschreibt eine primäre Lithium-Metall-Batterie. Es erklärt nicht automatisch die Chemie eines Lithium-Ionen-Akkus.
Welche Batterien sind wiederaufladbar?
Primärbatterie
Bei einer Primärbatterie sind die Entladereaktionen nicht oder nur teilweise umkehrbar. Sie ist nicht für das reguläre Wiederaufladen bestimmt.
Sekundärbatterie
Bei einer Sekundärbatterie sind die Reaktionen weitgehend umkehrbar. Sie kann durch Zufuhr elektrischer Energie wieder geladen werden und heißt auch Akkumulator oder kurz Akku.
Eine Baugröße wie AA sagt zunächst etwas über Form und Abmessungen aus. Sie legt nicht allein fest, welche Chemie in der Zelle steckt oder ob sie wiederaufladbar ist. Deshalb musst du Baugröße, Spannung und Batteriesystem gemeinsam prüfen.
Was sagen Spannung und Kapazität aus?
Die Zellspannung hängt von den verwendeten Materialien ab. Werden Zellen in Reihe geschaltet, addieren sich ihre Spannungen.
Eine Flachbatterie enthält drei Zellen mit jeweils $1{,}5\,\mathrm{V}$ in Reihe:
$$3 \cdot 1{,}5\,\mathrm{V} = 4{,}5\,\mathrm{V}$$
Ein 9-V-Block erreicht entsprechend mit sechs Zellen zu je $1{,}5\,\mathrm{V}$:
$$6 \cdot 1{,}5\,\mathrm{V} = 9\,\mathrm{V}$$
Die Kapazität ist die entnehmbare Ladungsmenge. Sie wird in Amperestunden (Ah) oder Milliamperestunden (mAh) angegeben. Eine Kapazitätsangabe ist nur zusammen mit den Messbedingungen aussagekräftig, besonders mit Entladestrom und Entladeschlussspannung.
Eine Zelle mit $2500\,\mathrm{mAh}$ liefert in einer idealisierten Rechnung bei konstant $250\,\mathrm{mA}$:
$$t = \frac{2500\,\mathrm{mAh}}{250\,\mathrm{mA}} = 10\,\mathrm{h}$$
Das ist kein garantiertes Laufzeitversprechen. Bei höherem Entladestrom steigen die Verluste am Innenwiderstand, und die chemischen Prozesse können begrenzen. Dadurch kann die praktisch entnehmbare Kapazität sinken.
Bei einer Parallelschaltung bleibt die Spannung gleich, während sich die verfügbare Kapazität beziehungsweise der lieferbare Maximalstrom erhöhen kann.
Reihe erhöht die Spannung. Parallel erhöht bei gleicher Spannung die verfügbare Kapazität oder Stromlieferfähigkeit.
Wie beurteilst du eine Batterie für eine Anwendung?
Gehe kriteriengeleitet vor:
- Spannung: Passt die Zell- oder Batteriespannung zum Gerät?
- Strom und Leistung: Kann das System den geforderten Strom liefern?
- Kapazität: Unter welchen Entladebedingungen wurde sie angegeben?
- Wiederaufladbarkeit: Wird die Zelle häufig genutzt, und ist das Gerät für einen Akku geeignet?
- Bauform: Passen Abmessungen und Kontakte?
- Lagerung: Selbstentladung, Alter und Temperatur beeinflussen die Verfügbarkeit.
- Sicherheit und Lebensweg: Rohstoffe, mögliche Schadstoffe, Zyklenzahl und Recycling gehören zur Bewertung.
Ein einzelner Kennwert genügt nicht für eine vollständige Bewertung. Hohe Kapazität kann nützlich sein, sagt aber allein nichts über Spannung, Leistung, Sicherheit, Rohstoffe oder Recycling aus.
Altbatterien gehören in die getrennte Sammlung und nicht in den Hausmüll. Defekte Akkus solltest du nicht weiterverwenden. Hitze und ein Kurzschluss zwischen den Polen können besonders bei energiereichen Akkus Brände begünstigen; isolierte Pole vermindern das Kurzschlussrisiko.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Batterie
- Aufbau: Anode, Kathode, Elektrolyt und Separator
- Entladung: Oxidation, Elektronenfluss, Reduktion und Ionenfluss
- Arten: Primärbatterie und Sekundärbatterie
- Kennwerte: Spannung, Kapazität und Entladestrom
- Auswahl: Bauform, Leistung, Sicherheit und Recycling