Batterie (Elektrotechnik)

Grundidee und Funktion

Eine Batterie ist ein Speicher für elektrische Energie auf elektrochemischer Basis. Sie besteht aus einer galvanischen Zelle oder aus mehreren verbundenen Zellen. Beim Entladen wird gespeicherte chemische Energie durch eine elektrochemische Redoxreaktion in elektrische Energie umgewandelt. Die Spannung entsteht durch die Differenz zwischen den beiden unterschiedlichen Redoxpotentialen der Elektroden.

Ein Akkumulator ist eine wiederaufladbare Batterie. Nicht wiederaufladbare Batterien heißen Primärbatterien oder Primärzellen; wiederaufladbare Batterien heißen Sekundärbatterien oder Akkumulatoren, kurz Akkus. Anders als eine Batterie speichert ein Kondensator elektrische Energie in einem elektrischen Feld. Er kann dadurch schneller geladen und entladen werden, hält die Spannung während der Entladung aber nicht konstant. Hybrid- beziehungsweise Superkondensatoren speichern Energie sowohl statisch als auch chemisch im Rahmen einer reversiblen Redoxreaktion.

Batterien sind wichtig, weil sie elektrische Verbraucher unabhängig vom Stromnetz versorgen können. Außerdem können sie in netzabhängigen Systemen kurze Netzausfälle überbrücken, etwa für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung.

Begriffe und Einteilung

Der Begriff „Batterie“ bedeutete ursprünglich eine Zusammenstellung mehrerer Geschütze und wurde dann auf eine Zusammenschaltung mehrerer galvanischer Zellen übertragen. Seit der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wird „Batterie“ im Alltag auch für einzelne Primärzellen oder Sekundärzellen verwendet. Heute ist Batterie sowohl ein Oberbegriff für elektrochemische Energiespeicher als auch im engeren Sinn die Bezeichnung für eine nicht wiederaufladbare Primärbatterie.

Nach dem deutschen Batteriegesetz wurden drei Gruppen unterschieden: Starterbatterien, Industriebatterien und Gerätebatterien. Starterbatterien dienen in Kraftfahrzeugen der Zündung, dem Starten und der Beleuchtung; sie sind sehr häufig Blei-Säure-Batterien beziehungsweise Blei-Säure-Akkumulatoren. Industriebatterien werden im Gewerbe, in der Landwirtschaft, für Elektro- und Hybridfahrzeuge sowie für stationäre Anwendungen wie unterbrechungsfreie Stromversorgungen eingesetzt; sie sind immer Akkumulatoren. Gerätebatterien versorgen kleine, meist tragbare Geräte wie Uhren, Radios, Spielzeug und Taschenlampen, aber auch fest installierte Geräte wie Rauchmelder. Sie sind meistens nicht wiederaufladbare Primärbatterien.

Gerätebatterien müssen kompakt, lageunabhängig, leicht und mechanisch robust sein. Bei normaler Lagerung und Nutzung sollen sie nicht auslaufen oder ausgasen. Häufige Grundlagen sind Zink-Kohle oder Alkali-Mangan. Zink-Kohle-Batterien werden seit den 2000er Jahren immer seltener angeboten und heute kaum noch hergestellt.

Entwicklung

Als Batterien gedeutete antike Gefäßanordnungen wie die „Bagdad-Batterie“ hätten durch Kupfer, Eisen und Säure etwa 0,8 V erzeugen können. Ob sie vor etwa 2.000 Jahren wirklich als Batterien im heutigen Sinn genutzt wurden, ist umstritten und nicht zweifelsfrei nachgewiesen.

1780 beobachtete Luigi Galvani, dass ein Froschbein bei Kontakt mit Kupfer und Eisen zuckte, und deutete dies als elektrische Wirkung. Alessandro Volta erfand 1800 mit der Voltaschen Säule das erste funktionierende galvanische Element und damit die erste Batterie. William Cruickshank entwickelte danach die Trog-Batterie, die den Nachteil des vertikalen Aufbaus der Voltaschen Säule vermied. Johann Wilhelm Ritter baute 1803 mit der Ritterschen Säule den ersten Akkumulator.

Historisch unterschied man Trockenbatterien mit festem oder gelartigem Elektrolyt und Nassbatterien mit flüssigem Elektrolyt. Nassbatterien wie das Daniell-Element von 1836, das Chromsäure-Element von 1842, das Grove-Element von 1844 und das Leclanché-Element von 1866 dienten vor allem der Stromversorgung drahtgebundener Telegrafiestationen. Aus dem Leclanché-Element entstanden über mehrere Entwicklungsschritte die lageunabhängigen Trockenbatterien. Carl Gassner patentierte 1887 eine Trockenbatterie; 1901 setzte Paul Schmidt in Berlin erstmals Trockenbatterien bei Taschenlampen ein.

Heute sind Sekundärbatterien kommerziell besonders bedeutend, vor allem der Blei-Säure-Akkumulator und der Lithium-Ionen-Akkumulator. Primärbatterien werden wegen geringer Kosten und geringerer Selbstentladung weiterhin für viele kleine Geräte genutzt; bei ihnen hat die Alkali-Mangan-Zelle den größten Anteil.

Wichtige Kenngrößen

Primärzellen können nur einmal entladen und nicht wieder aufgeladen werden. Bei manchen Zellen sind die Entladereaktionen teilweise umkehrbar, der Energiegehalt des Neuzustands kann bei Primärbatterien aber nicht wiederhergestellt werden. Bei Sekundärbatterien ist dies mehrere hundert Male annähernd möglich. Wiederaufladbare alkalische Zellen werden abweichend von der Grundsystematik manchmal trotzdem zu den Primärzellen gezählt.

Die Elektrodenmaterialien bestimmen die Nennspannung einer Zelle; die Menge der Materialien bestimmt die enthaltene Energie. Die Kapazität bezeichnet die in einer Batterie gespeicherte elektrische Ladung. Sie wird in Amperestunden (Ah), seltener in Amperesekunden (As) oder Coulomb (C) angegeben; 1 As entspricht 1 C. Sie ist nicht mit der elektrischen Kapazität zu verwechseln.

Der Energieinhalt ist die gespeicherte Energie beziehungsweise elektrische Arbeit. Seine physikalische Einheit ist die Wattsekunde oder das Joule; 1 Ws entspricht 1 J. Umgangssprachlich wird auch der Energieinhalt oft Kapazität genannt. Die spezifische Energie gibt Energie pro Masse oder Volumen an und ist eine wichtige Kenngröße von Batteriesystemen, zum Beispiel in Ws/kg oder Ws/m³.

Die Leistung einer Batterie ist die elektrische Energie, die in einer Zeitspanne entnommen wird, bezogen auf diese Zeitspanne. Sie wird in Watt (W) angegeben und ergibt sich aus Entladestrom mal Entladespannung. Alle galvanischen Zellen haben Selbstentladung; sie hängt unter anderem vom Batterietyp und von der Temperatur ab. Je niedriger die Lagertemperatur, desto geringer ist die Selbstentladung. Der Ladestrom eines Akkus wird in Ampere angegeben. Bei einem Akku mit 1 Ah Kapazität bedeutet ein Ladestrom von 2 A eine Laderate von 2C.

Bei Batterien aus mehreren Zellen bestimmt die schwächste Zelle die Qualität. In einer Reihenschaltung kann die Spannung unter Last stärker einbrechen, weil noch geladene Zellen Strom durch schon entladene Zellen treiben. Deren erhöhter Innenwiderstand führt nach dem Ohmschen Gesetz zu Erwärmung, ohne dass diese Energie nutzbar ist.

Typen, Bauformen und Bezeichnungen

Batterien werden nach chemischer Zusammensetzung, Baugröße oder Bauform sowie nach elektrischen Kenngrößen wie Spannung und Kapazität unterschieden. Standardbatterien basieren meist auf Zink-Mangan. Beispiele sind die Alkali-Mangan-Batterie mit 1,5 V Nennspannung pro Zelle, die Zinkchlorid-Batterie mit 1,5 V pro Zelle und die Zink-Kohle-Batterie mit 1,5 V pro Zelle. Zinkchlorid- und Zink-Kohle-Batterien sind in Europa weitgehend durch Alkali-Mangan-Batterien ersetzt worden.

Zu den Spezialbatterien gehören unter anderem Zink-Luft-Batterien mit 1,4 V pro Zelle, Quecksilberoxid-Zink-Batterien mit 1,35 V, Silberoxid-Zink-Batterien mit 1,55 V, Nickel-Oxyhydroxid-Batterien mit 1,7 V, Lithiumbatterien mit je nach Kathodenmaterial 1,8 V (FeS2) bis 3,7 V (SOCl2), Lithium-Eisensulfid-Batterien mit 1,5 V, Aluminium-Luft-Batterien mit 1,2 V und eine Biobatterie auf Basis Magnesium/NaCl/Eisen+Molybdän+Wolfram. Ein historisches Beispiel ist das Edison-Lalande-Element mit 0,75 V pro Element.

Viele Bauformen sind nach IEC genormt; daneben gibt es ANSI-Bezeichnungen und inoffizielle Namen. Ein Batteriemerkmal kann deshalb mehrere Bezeichnungen haben: LR6 bezeichnet zum Beispiel eine Alkali-Mangan-Batterie der Baugröße AA, die auch Mignon oder R6 genannt wird. Zylindrische Batterien, deren Gesamthöhe kleiner ist als der Gesamtdurchmesser, heißen Knopfzellen.

In IEC-60086 steht R für runde beziehungsweise zylindrische Zellen, F für flache Bauformen und S für eckige Bauformen. Ein vorangestellter Buchstabe kann die chemische Zusammensetzung angeben, etwa L für Alkali-Mangan-Batterie, H für Nickel-Metallhydrid-Akkumulator, K für Nickel-Cadmium-Akkumulator, S für Silberoxid-Zink-Batterie oder Z für Nickel-Zink-Akkumulator. Eine vorangestellte Zahl gibt die Anzahl der in Reihe geschalteten Zellgrößen im Gehäuse an, zum Beispiel 3R12 für drei Zellen der Größe R12, 4LR44 für vier Zellen der Größe LR44 oder 6F22 für sechs Flachzellen der Größe F22. Nachgestellte Zeichen kennzeichnen besondere Bauarten, Anschlüsse oder elektrische Eigenschaften.

Nutzung, Entsorgung und Recycling

Nicht jeder Batterietyp ist überall erhältlich. Deshalb gibt es Adapter, zum Beispiel Flachbatterie-Adapter, die drei AA-Zellen zu je 1,5 V aufnehmen und in Geräten für eine 4,5-V-Flachbatterie (3R12) verwendet werden können. Solche Adapter sind auch nützlich, weil es keine wiederaufladbaren Flachbatterien gibt.

Kleine Batterien werden meist mit Federkontakten kontaktiert; zuverlässigere Ausführungen sind vergoldet. Fest eingebaute Akkumulatoren besitzen Steckkontakte, Schraubanschlüsse, Polbolzen oder Lötfahnen. Akkupacks bestehen aus mehreren fest verbundenen Zellen und haben oft eine Ummantelung oder ein Gehäuse. Bei Starterbatterien sind die Zellen mit Bleistegen verbunden, bei Antriebsbatterien meist mit Kupferverbindern.

Batterien und Akkumulatoren gehören nicht in den Restmüll und nicht in die Umwelt. Sie enthalten umweltschädliche, aber auch wiederverwertbare Rohstoffe. Auch ausgelaufene Batterien müssen vorsichtig behandelt werden, weil an den Kontakten ätzende Stoffe vorhanden sein können; sie gelten als Problemstoff und müssen recycelt werden. In Deutschland regelte die Batterieverordnung Rücknahme und Entsorgung. Sie legte unter anderem fest, dass Batterien oder Zellen höchstens 0,0005 Gewichtsprozent Quecksilber enthalten dürfen; bei Knopfzellen liegt die Grenze bei 2,0 Gewichtsprozent. Alkali-Mangan-Batterien enthalten seit Beginn der 1990er Jahre kein Quecksilber mehr. Pole von Lithium-Batterien müssen vor der Entsorgung abgeklebt werden.

Kleine Batterien können in Deutschland in Geschäfte zurückgebracht werden, die Batterien verkaufen. Gesetzlich verpflichtend ist nur die Rücknahme der Batterietypen, die der Händler im Sortiment führt; üblicherweise werden aber auch andere Typen akzeptiert. Schadstoffhaltige Batterien tragen zusätzliche chemische Zeichen: Pb bedeutet mehr als 0,004 Masseanteil Blei, Cd mehr als 0,002 Masseanteil Cadmium und Hg mehr als 0,0005 Masseanteil Quecksilber.

Die Abfallmenge hängt stark vom Batterietyp ab. Bei einer Verbrauchsannahme von 40 Wh pro Haushalt nennt der Artikel für Mignon AA (LR6) unter anderem: Zink-Kohle-Batterien mit 0,25 Wh pro Zelle und 15 g Gewicht, Alkali-Mangan-Batterien mit 1,67 Wh und 23 g, Lithium-Batterien mit 3,91 Wh und 14 g sowie NiMH-Akkumulatoren mit 2,9 Wh und 30 g. Für Starterbatterien gibt es in Deutschland seit 2009 ein Pfandsystem; deshalb werden beinahe 100 Prozent der Bleiakkumulatoren gesammelt und wiederverwertet. Mit der Verordnung (EU) 2023/1542 über Batterien und Altbatterien wird das Batteriegesetz am 18. August 2025 durch das Batterierecht-EU-Anpassungsgesetz beziehungsweise Batterierecht-Durchführungsgesetz ersetzt. Die Verordnung enthält die EU-Bestimmungen für Batterien und Altbatterien und fordert unter anderem eine CE-Kennzeichnung sowie weitere Kennzeichnungen.