18.8: Batterien und Brennstoffzellen

Eine Batterie ist eine galvanische Zelle, die als elektrische Energiequelle für bestimmte Anwendungen verwendet wird. Moderne Batterien gibt es in einer Vielzahl von Formen, um verschiedene Anwendungen zu ermöglichen, von winzigen Knopfbatterien, wie sie Armbanduhren mit Strom versorgen, bis hin zu sehr großen Batterien, die zur Notstromversorgung der kommunalen Stromnetze verwendet werden. Einige Batterien sind für den einmaligen Gebrauch konzipiert und können nicht aufgeladen werden (Primärzellen), während andere auf bequem reversiblen Zellreaktionen basieren, die ein Aufladen durch eine externe Stromquelle ermöglichen (Sekundärzellen).

Einwegbatterien (Primärbatterien)

Eine Trockenzelle ist eine gängige Primärbatterie, die Zink sowohl als Behälter als auch als Anode (“–”-Anschluss) und einen Graphitstab als Kathode (“+”-Anschluss) verwendet. Die Zn-Dose ist mit einer Elektrolytpaste gefüllt, die Mangan(IV)-oxid, Zink(II)-chlorid, Ammoniumchlorid und Wasser enthält. Ein Graphitstab wird in die Elektrolytpaste getaucht, um die Zelle zu vervollständigen. Die spontane Zellreaktion umfasst:

Die Spannung (Zellpotential) einer Trockenzelle beträgt ca. 1,5 V (E-Zelle ~ 1,5 V). Trockenzellen sind in verschiedenen Größen (z.B. D, C, AA, AAA) erhältlich. Trockenzellen bestehen in allen Größen aus den gleichen Komponenten und weisen die gleiche Spannung auf, aber größere Zellen enthalten größere Mengen der Redox-Reaktanten und sind daher in der Lage, entsprechend größere Ladungsmengen zu übertragen. Wie andere galvanische Zellen können auch Trockenzellen in Reihe geschaltet werden, um bei Bedarf Batterien mit größeren Spannungsabgaben zu erhalten.

Alkaline-Batterien wurden um die gleichen Redox-Paare herum entwickelt wie die Trockenzelle. Wie der Name schon sagt, verwenden diese Batterietypen alkalische Elektrolyte, oft Kaliumhydroxid. Die Reaktionen sind

Eine Alkaline-Batterie kann etwa die drei- bis fünffache Energie einer Trockenzelle ähnlicher Größe (_E-Zelle = +1,43 V) liefern. Alkalibatterien sind anfällig für austretendes Kaliumhydroxid, daher sollten sie zur Langzeitlagerung aus den Geräten entfernt werden. Während einige Alkalibatterien wiederaufladbar sind, sind es die meisten nicht.

Wiederaufladbare (sekundäre) Batterien

Nickel-Cadmium- oder NiCd-Batterien bestehen aus einer vernickelten Kathode, einer cadmiumbeschichteten Anode und einer Kaliumhydroxidelektrode. Die positiven und negativen Platten, die durch den Separator vor einem Kurzschluss geschützt werden, werden zusammengerollt und in den Koffer eingelegt. Durch dieses Design kann die NiCd-Zelle viel mehr Strom liefern als eine Alkalibatterie ähnlicher Größe. Die Reaktionen sind

Bei richtiger Behandlung kann eine NiCd-Batterie etwa 1000 Mal aufgeladen werden (E-Zelle ~ 1,3 V). Cadmium ist ein giftiges Schwermetall, daher sollten NiCd-Batterien niemals geplatzt oder verbrannt werden und sie sollten gemäß den einschlägigen Richtlinien für giftige Abfälle entsorgt werden.

Lithium-Ionen-Batterien gehören zu den beliebtesten wiederaufladbaren Batterien und werden in vielen tragbaren elektronischen Geräten verwendet. Die Reaktionen sind

Die variable Stöchiometrie der Zellreaktion führt zu einer Variation der Zellspannungen, aber unter typischen Bedingungen beträgt x normalerweise nicht mehr als 0,5 und die Zellspannung beträgt ungefähr 3,7 V (E-Zelle ~ 3,7). Lithiumbatterien sind beliebt, weil sie eine große Menge Strom liefern können, leichter sind als vergleichbare Batterien anderer Typen, beim Entladen eine nahezu konstante Spannung erzeugen und bei der Lagerung nur langsam ihre Ladung verlieren.

Die Blei-Säure-Batterie ist auch eine Art Sekundärbatterie, die häufig in Automobilen verwendet wird. Es ist kostengünstig und in der Lage, den hohen Strom zu erzeugen, der von Anlassern von Autos benötigt wird. Die Reaktionen für eine Blei-Säure-Batterie sind

Jede Zelle erzeugt 2 V (E-Zelle ~ 2 V), so dass sechs Zellen in Reihe geschaltet werden, um eine 12-V-Autobatterie zu erzeugen. Blei-Säure-Batterien sind schwer und enthalten einen ätzenden flüssigen Elektrolyten, H₂SO₄ (aq), sind aber aufgrund ihrer hohen Stromdichte oft immer noch die Batterie der Wahl. Da diese Batterien eine erhebliche Menge an Blei enthalten, müssen sie immer ordnungsgemäß entsorgt werden.

brennstoffzellen

Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, die herkömmliche brennbare Brennstoffe, meist Wasserstoff oder Methan, verwendet, die zusammen mit einem Oxidationsmittel kontinuierlich in die Zelle eingespeist werden. Brennstoff und Oxidationsmittel durchlaufen innerhalb der Zelle die gleiche Redoxchemie wie bei der Verbrennung, jedoch über eine katalysierte Elektrochemikalie, die deutlich effizienter ist. Eine typische Wasserstoff-Brennstoffzelle verwendet beispielsweise Graphitelektroden, die in Katalysatoren auf Platinbasis eingebettet sind, um die beiden Halbzellenreaktionen zu beschleunigen:

Diese Art von Brennstoffzellen erzeugt in der Regel Spannungen von ca. 1,23 V (E-Zelle ~ 1,23 V). Im Vergleich zu einem Verbrennungsmotor ist die Energieeffizienz einer Brennstoffzelle, die die gleiche Redoxreaktion verwendet, in der Regel mehr als doppelt so hoch (~20 %–25 % für einen Motor gegenüber ~50 %–75 % für eine Brennstoffzelle). Wasserstoff-Brennstoffzellen werden häufig bei ausgedehnten Weltraummissionen eingesetzt, und es wurden Prototypen für Privatfahrzeuge entwickelt.

Dieser Text wurde übernommen von Openstax, Chemie 2e, Abschnitt 17.5: Batterien und Brennstoffzellen.