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Batterien und Akkumulatoren

Zink/Kohle Batterie

Der Aufbau

Die Zink/Kohle - Batterie ist zylinderförmig aufgebaut. Den Pluspoll bildet ein Kohlestab, der von einem Braunstein-Graphitgemisch umgeben ist. Dieses Gemisch ist mit einem Elektrolyt in Gelatine durchsetzt. Der Papierseperator trennt es vom Zink, das den Minuspool bildet.

Die Reaktion

Oxidation: Zn - 2e-    =>    Zn2+
Reduktion: MnO2 + H+ + e-    =>    MnOOH
Gesamtreaktion: Zn + 2MnO2 + 2H+    =>    2MnOOH + Zn2+

Die Elektrolytlösung

Die Lösung besteht aus Ammonium- und Chloridionen. Das Amonium liefert die Protonen für die Reduktion, das Chloridion bildet als Gegenion mit den freiwerdenden Zinkionen und dem Ammoniak einen schwehrlöslichen Komplex.

Gesamtreaktion: Zn + 2MnO2 + 2NH4+ + 2Cl-    =>    2MnOOH + [Zn(NH3)2(H2O)2]Cl2

Die Nachteile

Dieser Batterietyp hat zwei grosse Nachteile. Zum einen geht der Zutransport der Ionen durch den Elektrolyt nur langsam von Statten und die Oberfläche des Zinks Verkrustet mit der Zeit. Dadurch sinkt die Spannung ab und muss sich eine Zeit lang regenerieren.

Zum anderen ist der ganze Vorgang temperaturabhängig. Die Ausgleichsgeschwindigkeit sinkt mit der Temperatur und bei etwa -20° gefriert der Elektrolyt und die Batterie funktioniert nicht mehr.

Das Einsatzgebiet

Die Kohle/Zinkbatterie wird heute zu recht nicht mehr oft eingesetzt. Das liegt zum Teil an den Oben genannten Nachteilen, aber auch an der geringen Leistung und der entstehenden Umweltverschmutzung.

Bleiakkumulator

Aufbau des Bleiakkus

Der Bleiakku kommt vor allem als Autobatterie zum Einsatz.  Hier müssen kurzzeitig grosse Ströme erzeugt werden, folglich sind grosse Elektrodenflächen nötig. Deshalb verwendet man im Bleiakku viele dünne Elektrodengitterplatten.

Im geladenen Zustand besteht die Kathode (-) aus reinem Blei (Pb), die Anode aus Bleidioxid (PbO2). Als Elektrolyt wird verdünnte Schwefelsäure (H2SO4; 20%) eingesetzt.

Jede Blei-Bleidioxid-Zelle liefert eine Spannung von ca. 2V -> Serienschaltungen.

Chemische Vorgänge beim Laden/Endladen

Die Entladereaktion:

Oxidation: Pb - 2e-    =>    Pb2+
Reduktion: PbO2 + 4H+ + 2e-    =>    Pb2+ + 2H2O
Gesamtreaktion: Pb + PbO2 + 2H2SO4    =>    2PbSO4 + 2H2O

Da die an beiden Polen entstandenen Blei(II)-Ionen mit den Sulfat-Ionen des Elektrolyten einen schwerlöslichen Niederschlag bilden, der sich auf den Elektroden absetzt, lässt sich die Reaktion umkehren: Durch Anlegen einer Spannung lässt sich die Stromrichtung umkehren, die Blei(II)-Ionen am Minuspol werden wieder reduziert, die Ionen am Pluspol wieder zu Blei(IV)-oxid oxidiert. Der Akku kann wieder geladen werden. Es gilt also:

Gesamtreaktion: Pb + PbO2 + 2H2SO4    <=>    2PbSO4 + 2H2O

Überprüfung des Ladezustandes

Der Ladezustand kann an der Konzentration der Schwefelsäure gemessen werden: Geladen ca. 20%; entladen gegen 0%.

Alterung der Bleiakkus

An der Kathode kann eine Kristallisation des Bleis (-> kleinere Oberfläche) und Bleisulfats (-> kann nicht mehr aufgelöst werden) stattfinden, auf der Anode kann sich das Bleidioxid ablösen. Dadurch wird die Leistungsfähigkeit während des Gebrauchs langsam verringert.

Temperaturabhängigkeit

Der Bleiakku ist temperaturabhängig. Durch die geringere Ionenbeweglichkeit und die kleinere Reaktionsgeschwindigkeit bei kalten Temperaturen nimmt der Innenwiderstand zu, folglich sinkt die Arbeitsspannung. Da der Automotor wegen des zähflüssigeren Öls im Winter zusätzlich eine höhere Startleistung benötigt, kann es sein, dass die Leistung der Akku nicht mehr ausreicht.


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