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Elektrochemische Zelle
Elektrolysezellen dienen der Gewinnung von verschiedenen Stoffen durch Anlegen einer Spannung, siehe Elektrolyse. eine Akkumulatorzelle dient wie die …
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Begriff und Aufbau
Eine elektrochemische Zelle ist ein Oberbegriff für Anordnungen, die in der Elektrochemie verwendet werden oder auf elektrochemischen Vorgängen beruhen. Grundsätzlich enthält sie mindestens zwei Elektroden und mindestens einen Elektrolyten. Die Elektroden sind Elektronenleiter, der Elektrolyt ist ein Ionenleiter. Der Elektrolyt kann flüssig oder fest sein; auch Kombinationen aus flüssigem und festem Elektrolyten sind möglich. Eine elektrochemische Zelle lässt sich daher als Anordnung aus zwei Elektroden definieren, die über einen Elektrolyten leitend verbunden sind.
Man unterscheidet die Zellen danach, ob sie Energie abgeben oder aufnehmen. Galvanische Zellen erzeugen eine elektrische Spannung und können elektrischen Strom liefern. Elektrolysezellen werden durch einen von außen zugeführten Strom betrieben. Akkumulatoren können beides: Sie liefern zunächst Strom wie eine galvanische Zelle und werden anschließend durch einen von außen angelegten Strom wieder geladen. Der Ladevorgang entspricht einer Elektrolyse.
Forschungs- und Analysenzellen der Elektroanalytik und Elektrochemie können drei oder mehr Elektroden besitzen. Dazu gehören Arbeitselektrode, Referenzelektrode und Gegenelektrode sowie gegebenenfalls weitere Indikatorelektroden. Wenn verschiedene Betriebsweisen möglich sind, lassen sie sich nicht eindeutig als Elektrolysezellen oder galvanische Zellen einordnen.
Galvanische Zellen und Batterien
Galvanische Zellen sind elektrochemische Stromquellen. Chemische Reaktionen an chemisch verschiedenen Elektroden liefern dabei nutzbare elektrische Energie. Eine Primärzelle wird umgangssprachlich meist „Batterie“ genannt. Auch jede Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle. Knopfzellen sind besonders kleine Zellen.
Im Handel erhältliche elektrochemische Zellen besitzen meist ein geschlossenes Gehäuse, das den Austritt von Elektrolytflüssigkeiten verhindert. Sie entsprechen dadurch eher dem Idealbild einer umschlossenen Einheit als manche in der Forschung verwendeten Zellen, die auch offen sein können.
Elektrolyse und technische Testzellen
Elektrolysen können zur Herstellung von Grundchemikalien oder zur Beschichtung von Gegenständen mit Metallen dienen. Bei der Elektrolyse von geschmolzenem Natriumchlorid entstehen die Elemente Natrium und Chlor. Für diesen großtechnischen Prozess wurde die Downs-Zelle entwickelt.
In der Galvanotechnik werden Metallsalzlösungen eingesetzt, etwa ein Kupfersulfatbad mit der Formel CuSO₄, um Gegenstände mit Metallüberzügen zu versehen. Zum Testen und Optimieren der Abscheidungsbedingungen dient die Hull-Zelle. Ihre Elektroden stehen nicht parallel zueinander. Auf der Seite mit dem kleineren Elektrodenabstand entstehen höhere Stromdichten. Dadurch kann der Einfluss verschiedener Stromdichten an einer Elektrode beobachtet und die günstigste Elektrolysebedingung bestimmt werden.
Die Haring-Blum-Zelle ist ebenfalls eine Testzelle der Galvanik. Mit zwei gleichen Elektroden, die unterschiedliche Abstände voneinander haben, wird die Makrostreufähigkeit untersucht.
Zellen der elektrochemischen Forschung
In der elektrochemischen Grundlagenforschung wird meist eine Dreielektrodenmessanordnung verwendet. Sie ermöglicht, das Potential der Arbeitselektrode unabhängig vom Zustand der Gegenelektrode einzustellen. Für den Betrieb benötigt man einen geeigneten Potentiostaten oder Galvanostaten und eine Bezugselektrode. Die Geräte messen die Spannung zwischen Arbeits- und Bezugselektrode; der Strom fließt zwischen Arbeits- und Gegenelektrode.
Ein spezieller Forschungstyp ist die rotierende Elektrode. Typischerweise handelt es sich um eine Scheibenelektrode am Ende eines Stabes, die als rotating disk electrode (RDE) bezeichnet wird. Ein Elektromotor dreht sie mit einer variablen, bekannten Geschwindigkeit um die Stabachse. Dadurch entsteht im flüssigen Elektrolyten ein bekanntes Strömungsprofil. So kann untersucht werden, welchen Einfluss der Stofftransport im Elektrolyten auf eine Elektrodenreaktion hat.
Eine Variante ist die Ring-Scheibenelektrode, rotating ring disk electrode (RRDE). Dabei ist zusätzlich eine ringförmige Elektrode konzentrisch zur Rotationsachse um die Scheibenelektrode angeordnet.
Elektrochemische Sensoren und Zellspannung
Die Clark-Zelle ist ein elektrochemischer Sensor zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Lösungen oder Gasen. In der beschriebenen Clark-Elektrode ist die Kathode häufig aus Platin; an ihr wird Sauerstoff reduziert. Die Anode besteht aus Ag/AgCl. Als Elektrolyt dient KCl. Eine Teflon-Membran lässt den zu messenden Sauerstoff durch, hält aber andere störende Umgebungseinflüsse von der Messzelle fern. Der gemessene Strom ist proportional zur Sauerstoffkonzentration. Für den Betrieb wird eine Spannungsquelle verwendet.
Auch die Nernstsonde ist eine elektrochemische Zelle und kann als Sauerstoffsensor eingesetzt werden. Als Lambdasonde dient sie zur Motorsteuerung von Verbrennungsmotoren und bestimmt den Restsauerstoffgehalt im Abgas.
Zu den wichtigen Eigenschaften einer elektrochemischen Zelle gehören die momentane Spannung beziehungsweise Betriebsspannung, bei technischen Zellen die Nennspannung und die Ruhespannung. Die Ruhespannung liegt an, wenn kein Strom fließt. Wegen des Innenwiderstands und des dadurch verursachten Spannungsabfalls liegt die Betriebsspannung einer galvanischen Zelle beziehungsweise Batterie unter der Ruhespannung. Bei einer Elektrolysezelle wird der Strom von außen erzwungen; deshalb liegt ihre Betriebsspannung immer über der Ruhespannung. Die reversible Zellspannung ist die Ruhespannung im Gleichgewichtszustand.
