Chemie · Klasse 9–13 · aktualisiert
Batterie, Akku und Brennstoffzelle vergleichen
Drei Stromquellen vergleichen: Stoffvorrat, Aufladen und laufende Zufuhr.
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Kurz gesagt
Batterie, Akku und Brennstoffzelle liefern beim Betrieb Strom aus Redoxreaktionen. Im schulischen Vergleich wird die entladene Primärbatterie ersetzt, der Akku elektrisch wieder geladen und der Brennstoffzelle werden Reaktionsstoffe fortlaufend zugeführt.
Im schulischen Grundmodell wird eine entladene Primärbatterie ersetzt, ein Akku lässt sich wieder aufladen und eine Brennstoffzelle wandelt ständig zugeführte Stoffe in elektrische Energie um. Alle drei nutzen Redoxreaktionen, unterscheiden sich aber beim Stoffvorrat und bei der erneuten Nutzung.
Deine Lernziele
Hake ab, was du schon kannst. Löst du alle Aufgaben eines Abschnitts, hakt Mela das Ziel für dich ab.
4 Abschnitte
Batterien, Akkus und Brennstoffzellen wandeln chemische Energie in elektrische Energie um. Sie speichern keinen fertigen Strom. Eine freiwillige Redoxreaktion liefert elektrische Energie, wenn der äußere Stromkreis geschlossen ist. Eine solche Zelle heißt galvanische Zelle. Batterie und Brennstoffzelle arbeiten beim Betrieb galvanisch; ein Akku tut das beim Entladen.
Definition
Redoxreaktion
Bei einer Redoxreaktion werden Elektronen übertragen. Ein Stoff gibt Elektronen ab; ein anderer nimmt sie auf. Fließen die Elektronen durch einen äußeren Stromkreis, kann ein angeschlossenes Gerät elektrische Energie nutzen.
Merke: Gespeichert ist chemische Energie. Elektrischer Strom entsteht erst, wenn die Redoxreaktion abläuft und der Stromkreis geschlossen ist.
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Drei Fragen helfen beim Vergleich. Wird die entladene Primärzelle ersetzt? Dann ist es im schulischen Grundmodell eine Batterie. Treibt eine Stromquelle die Reaktion beim Laden zurück? Dann ist es ein Akku. Werden Brennstoff und Oxidationsmittel während des Betriebs fortlaufend zugeführt? Dann ist es eine Brennstoffzelle.
Eine Fernbedienung enthält nicht wiederaufladbare Zellen. Sind deren Reaktionsstoffe verbraucht, werden die Zellen ersetzt: Batterie. Ein Smartphone wird nach der Nutzung an ein Ladegerät angeschlossen. Die chemischen Ausgangsstoffe werden dabei weitgehend wiederhergestellt: Akku. Einer Zelle werden während des Betriebs Wasserstoff und Luftsauerstoff zugeführt: Brennstoffzelle.
Definition
Batterie
Im schulischen Vergleich ist eine Batterie eine Primärzelle: Ihre Reaktionsstoffe befinden sich in der Zelle. Sind sie ausreichend umgesetzt, wird die Batterie nicht wieder aufgeladen, sondern ersetzt.
Definition
Akku
Ein Akkumulator, kurz Akku, ist eine Sekundärzelle. Beim Entladen liefert er elektrische Energie. Beim Laden führt eine äußere Stromquelle elektrische Energie zu und treibt die chemische Reaktion in die Gegenrichtung.
Definition
Brennstoffzelle
Eine Brennstoffzelle ist ein Energiewandler. Brennstoff und Oxidationsmittel werden von außen kontinuierlich zugeführt. Die Zelle kann Strom liefern, solange die benötigten Stoffe verfügbar sind.
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Beim Entladen arbeitet der Akku als galvanische Zelle. Elektronen fließen durch das angeschlossene Gerät. Beim Laden erzwingt eine äußere Stromquelle die Gegenreaktion. Dieser erzwungene Vorgang heißt Elektrolyse; Strom wird nicht wie ein Stoff eingefüllt.
In einer PEM-Brennstoffzelle trennt eine protonenleitende Membran Anode und Kathode. Wasserstoff gibt an der Anode Elektronen ab. Die Zahl vor \ce{H2} zählt Moleküle, die kleine 2 im Symbol zählt H-Atome je Molekül. \ce{H+} ist ein positiv geladenes Wasserstoffion; \ce{e-} ist ein negativ geladenes Elektron:
\ce{2 H2 -> 4 H+ + 4 e-}
Die Membran lässt Protonen, also \ce{H+}-Ionen, passieren, aber keine Elektronen. Deshalb müssen die Elektronen den äußeren Stromkreis nehmen und können dort ein Gerät versorgen. An der Kathode reagieren Sauerstoff, Protonen und Elektronen zu Wasser:
\ce{O2 + 4 H+ + 4 e- -> 2 H2O}
Nach dem Kürzen von Protonen und Elektronen lautet die Gesamtreaktion:
\ce{2 H2 + O2 -> 2 H2O}
Auf beiden Seiten stehen vier H- und zwei O-Atome. Eine einzelne Zelle liefert ungefähr ein Volt; mehrere Zellen in Reihe bilden für höhere Spannungen einen Stack.
Merke: Akku entladen: chemische Energie wird zu elektrischer Energie. Akku laden: Zugeführte elektrische Energie stellt die chemische Ausgangslage weitgehend wieder her.
Teste dich
Beginne mit der Nutzungssituation. Vergleiche dann bei allen Systemen erneute Nutzung, benötigte Energie, Zeit für Laden oder Tanken, Masse samt Tank oder Speicher, Wirkungsgrad der gesamten Kette, Infrastruktur, Kosten und Umweltwirkung von Herstellung bis Entsorgung.
Das Wasser am Ausgang einer Wasserstoff-Brennstoffzelle beschreibt nur den Betrieb. Wasserstoff muss hergestellt, gespeichert und transportiert werden; jeder Schritt braucht Energie. Für schwere Langstreckenfahrzeuge können auch Nutzlast, Reichweite und Lade- oder Betankungszeit entscheidend sein. Begründe, welche Kriterien für die konkrete Anwendung am meisten zählen.
Beispiel
- 1Für eine häufig genutzte tragbare Anzeige stehen eine Einwegbatterie und ein Akku zur Wahl. Ein Akku passt besser, wenn er regelmäßig geladen werden kann und die wiederholte Nutzung wichtiger ist als ein besonders einfacher Austausch.
- 2Für ein selten genutztes Gerät ohne zuverlässigen Ladezugang kann eine Batterie zweckmäßig sein. Die Anwendung verändert also die Bewertung.
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Alles auf einen Blick
Batterie, Akku und Brennstoffzelle
Gemeinsames Prinzip
Redoxreaktion und Elektronenfluss
Batterie
Primärzelle, nach Entladung ersetzen
Akku
beim Entladen galvanisch, beim Laden elektrolytisch
Brennstoffzelle
kontinuierlicher Stoffnachschub und Energiewandlung
Auswahl
Anwendung, Zeit, Masse, Infrastruktur und Kosten
Umweltbewertung
Herstellung, Transport, Betrieb und Entsorgung
Musteraufgabe · Schritt für Schritt
Drei Systeme für drei Nutzungen
- 1Ein selten genutztes Messgerät ohne Ladezugang kommt mit dem begrenzten Vorrat in der Zelle aus: Im Grundmodell passt eine Primärbatterie.
- 2Ein häufig genutztes Licht mit regelmäßigem Ladezugang soll mehrfach genutzt werden: Ein Akku passt zum Wechsel von Entladen und Laden.
- 3Eine dauerhaft laufende Anlage mit geregelter Brennstoffzufuhr kann eine Brennstoffzelle nutzen. Dafür müssen auch Speicherung und Versorgung des Brennstoffs beurteilt werden.
Fehler finden
Eine abgelegene Messstation auswählen In einer Zeile steckt ein Fehler. Tippe sie an.
Fehler in Zeile 3Eine Brennstoffzelle ist ein Energiewandler, kein Speicher wie ein Akku. Sie wird nicht aufgeladen, sondern liefert nur Strom, solange Brennstoff und Oxidationsmittel fortlaufend zugeführt werden.
Lückentext
Wähl in jeder Lücke das passende Wort und prüf dann deine Antworten.
Eine Primärbatterie wird nach dem Entladen . Ein Akku kann durch eine äußere Stromquelle werden. Eine Brennstoffzelle braucht während des Betriebs .
Karteikasten
Erst selbst überlegen, dann umdrehen.
Übung mit Feedback