Chemie · Klasse 9–13 · aktualisiert
Batterie: Aufbau, Funktion und Kennwerte
Wie eine Batteriezelle Strom liefert und was Spannung und Kapazität aussagen.
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Kurz gesagt
Eine Batterie wandelt beim Entladen chemische in elektrische Energie um. Elektronen fließen außen durch das Gerät; Ionen bewegen sich im Elektrolyten. Bei Zellen in Reihe addieren sich die Spannungen, während die Kapazität die entnehmbare Ladung beschreibt.
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.
Deine Lernziele
Hake ab, was du schon kannst. Löst du alle Aufgaben eines Abschnitts, hakt Mela das Ziel für dich ab.
4 Abschnitte
Beim Entladen hat eine Zelle vier wichtige Bestandteile. An der Anode (Minuspol) werden Elektronen abgegeben: Oxidation. An der Kathode (Pluspol) werden sie aufgenommen: Reduktion. Der Elektrolyt leitet Ionen zwischen den Elektroden. Der Separator hält die Elektroden auseinander und lässt Ionen passieren.
Definition
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.
Merke: Der Separator verhindert den direkten Kontakt der Elektroden und damit einen Kurzschluss. Er darf den inneren Ionentransport jedoch nicht unterbrechen.
Teste dich
Sobald Plus- und Minuspol über einen Verbraucher verbunden sind, ist der äußere Stromkreis geschlossen. Dieses Beispiel beschreibt eine primäre Lithium-Metall-Batterie, keinen Lithium-Ionen-Akku. In \ce{MnO2} zählt die kleine 2 zwei Sauerstoffatome. Die Oxidationszahl des Mangans sinkt bei der Elektronenaufnahme von +IV in \ce{MnO2} auf +III in \ce{LiMnO2}. Diese Zahl hilft beim Verfolgen der Elektronenübertragung; sie ist nicht die tatsächliche Ladung eines Manganions in diesen Stoffen.
Beispiel: So gehst du vor
- 1An der Anode läuft eine Oxidation ab: Teilchen geben Elektronen ab.
- 2Die Elektronen fließen außen vom Minuspol durch den Verbraucher zum Pluspol.
- 3An der Kathode läuft eine Reduktion ab: Teilchen nehmen Elektronen auf.
- 4Ionen bewegen sich durch den Elektrolyten und sorgen für den Ladungsausgleich.
Beispiel: Lithium-Mangandioxid-Zelle
- 1An der Anode gibt Lithium ein Elektron ab:
- 2\ce{Li(s) -> Li+ + e-}
- 3An der Kathode werden Lithium-Ion und Elektron in Mangandioxid aufgenommen. Mangan wird von +IV auf +III reduziert:
- 4\ce{Li+ + e- + MnO2 -> LiMnO2}
- 5Das 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.
Teste dich
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.
Definition
Primärbatterie
Bei einer Primärbatterie sind die Entladereaktionen nicht oder nur teilweise umkehrbar. Sie ist nicht für das reguläre Wiederaufladen bestimmt.
Definition
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.
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Die Zellspannung hängt von den Materialien ab; in Reihe addieren sich die Zellspannungen. Die Kapazität ist die entnehmbare Ladungsmenge in Amperestunden (Ah) oder Milliamperestunden (mAh). Sie ist nur mit Entladestrom und Entladeschlussspannung sinnvoll vergleichbar. Die Entladeschlussspannung ist der Wert, bei dem die Entladung beendet wird. Werden gleichartige Zellen mit gleicher Spannung parallel geschaltet, bleibt die Spannung gleich; verfügbare Kapazität oder lieferbarer Maximalstrom können steigen.
Prüfe bei der Auswahl Spannung, benötigten Strom und Leistung, Kapazitätsbedingungen, Wiederaufladbarkeit, Bauform und Kontakte. Selbstentladung, Alter und Temperatur beeinflussen die Verfügbarkeit bei Lagerung. Beziehe auch Rohstoffe, Schadstoffe, Zyklenzahl (wie oft ein Akku geladen und entladen werden kann) und Recycling ein. Hohe Kapazität allein sagt nichts über Spannung, Leistung oder Sicherheit.
Altbatterien gehören in die getrennte Sammlung, nicht in den Hausmüll. Defekte Akkus werden nicht weiterverwendet. Hitze und ein Kurzschluss zwischen den Polen können besonders bei energiereichen Akkus Brände begünstigen; abgeklebte Pole vermindern das Kurzschlussrisiko.
Beispiel: Spannungen in Reihenschaltung
- 1Eine Flachbatterie enthält drei Zellen zu je 1{,}5\,\mathrm{V} in Reihe:
- 23 \cdot 1{,}5\,\mathrm{V} = 4{,}5\,\mathrm{V}
- 3Ein 9-V-Block erreicht entsprechend mit sechs Zellen zu je 1{,}5\,\mathrm{V}:
- 46 \cdot 1{,}5\,\mathrm{V} = 9\,\mathrm{V}
Beispiel: Idealisierte Laufzeit
- 1Eine Zelle mit 2500\,\mathrm{mAh} liefert in einer idealisierten Rechnung bei konstant 250\,\mathrm{mA}:
- 2t = \frac{2500\,\mathrm{mAh}}{250\,\mathrm{mA}} = 10\,\mathrm{h}
- 3Das ist kein garantiertes Laufzeitversprechen. Bei höherem Entladestrom steigen die Verluste am Innenwiderstand – das ist der Widerstand der Zelle selbst; an ihm wird ein Teil der Energie zu Wärme. Außerdem laufen die chemischen Reaktionen nur begrenzt schnell ab. Dadurch kann die praktisch entnehmbare Kapazität sinken.
Merke: Reihe erhöht die Spannung. Bei parallelen gleichartigen Zellen mit gleicher Spannung können Kapazität oder Stromlieferfähigkeit steigen.
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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
Musteraufgabe · Schritt für Schritt
Kapazität und idealisierte Laufzeit
- 1Eine Zelle hat eine angegebene Kapazität von 3200\,\mathrm{mAh}. Ein Gerät entnimmt konstant 400\,\mathrm{mA}.
- 2Für die idealisierte Laufzeit teilst du die Ladungsmenge durch den Strom:
- 3t=\frac{3200\,\mathrm{mAh}}{400\,\mathrm{mA}}
- 4t=8\,\mathrm h
- 5Die tatsächliche Laufzeit hängt auch von Entladestrom, Innenwiderstand und Entladeschlussspannung ab.
Fehler finden
Zwei passende Bauformen In einer Zeile steckt ein Fehler. Tippe sie an.
Fehler in Zeile 3Gleiche Bauform legt weder Chemie noch nutzbare Kapazität fest. Diese hängen vom Batteriesystem und den Entladebedingungen ab.
Lückentext
Wähl in jeder Lücke das passende Wort und prüf dann deine Antworten.
An der werden beim Entladen Elektronen abgegeben. Durch den Elektrolyten wandern . Bei Reihenschaltung die Zellspannungen.
Karteikasten
Erst selbst überlegen, dann umdrehen.
Übung mit Feedback