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Energiespeicher

BATTERIEN

Inhaltsverzeichnis

 

1.0 Der Begriff "Batterie"

 ... entstammt dem Sprachgebrauch des Militärwesens, wo es eine Gruppe von Geschützen bezeichnet. Eine elektrische Batterie entspräche somit einer Anzahl von galvanischen Primärzellen, die miteinander in Reihe verschaltet sind. Der heutige alltägliche Sprachgebrauch differenziert den Begriff selten und macht praktisch keinen Unterschied zwischen einzelligen (z.B. Lithium-Batterie) oder mehrzelligen Batterien (z.B. 9 V-Batterie) und sogar wiederaufladbaren Akkumulatoren (z.B. Autobatterie).

2. Wichtige Parameter von Zellen und primären Batterien

  • Nennspannung
    Die Nennspannung einer Batterie ist ein angenäherter Wert der Spannung zur Kennzeichnung der Batterie. Misst man mit einem hochohmigen Voltmeter die tatsächliche Spannung einer Batterie, wird man feststellen, dass diese zumeist höher ist (z.B. 1,65V statt 1,5 V).
  • Leerlaufspannung
    Die Leerlaufspannung entspricht der Summe aller Zellenspannungen (ΔE0) einer frischen Batterie. Die Leerlaufspannung wird ohne Last gemessen und wird daher auch nicht vom Innenwiderstand der Batterie (wohl aber des Messgerätes) beeinflusst.
  • Klemmenspannung
    Altert eine Batterie oder wird sie entladen, können mit der Zeit steigende Leckströme innerhalb der Batterie entstehen. Dadurch und durch die Entladung steigt der Innenwiderstand der Batterie. Durch den Spannungsabfall über den Innenwiderstand verringert die sich  die Leerlaufspannung zur Klemmenspannung.
    Die Klemmenspannung ist immer niedriger als die Leerlaufspannung.
die Klemmenspannung einer Batterie ist stark abhängig  von der Last und der Temperatur  [<a href="Energiespeicher_2._Grundlagen_Batterien.html#R1">1</a>]
Abb. 2.1: die Klemmenspannung einer Batterie ist stark abhängig von der Last und der Temperatur [1]

2.2. Kapazität

Die in einer Batterie gespeicherte Energie bezeichnet man als Kapazität. Die Kapazität ist das Produkt aus aus dem Entladestrom und dem Entladezeitraum. gemessen wird sie zumeist  in Ah (Amperestunden).

Die Kapazität einer Batterie variiert mit dem Entladestrom, dem Entladezeitraum und der Temperatur  [<a href="Energiespeicher_2._Grundlagen_Batterien.html#R2">2</a>]
Abb. 2.2: Die Kapazität einer Batterie variiert mit dem Entladestrom,dem Entladezeitraum und der Temperatur [1]

2.3 Spezifische Energiedichte

Die Energiedichte ist die zur Verfügung stehende Energie eines Energiespeichers relativ zur Masse oder auch zum Raumvolumen. Die Maßeinheit Für die Energiedichte ist Joule (= elektrische Arbeit) pro Basiseinheit des SI-Systems  /z.B. kg, m2, S usw. Da jede Batterie  aus zwei unterschiedlichen Elektrodenmaterialien mit unterschiedlichen Standardspannungen besteht, variieren je nach Kombination des Elektrodenmaterials und dem Elektrolyt nicht nur die Quellspannung und der Innenwiderstand sondern auch die die spezifische Energiedichte, da auch Konstruktionsmerkmale  mit einfließen.

Die spezifischen Energiedichten einiger verbreiteter Batterietechnologien
Abb. 2.3 : Die spezifischen Energiedichten einiger verbreiteter Batterietechnologien [2]

 

2.4. Leistung

Die Leistung einer Batterie ist das Produkt aus Entladestrom und Entladespannung (P = U * I) und wird zumeist in Watt (W) angegeben.

Auch der Quotient aus Leistung und Zeit, angegeben in Joule (J) ist eine wichtige Kenngröße von Batterien.

 

 

2.5 Selbstentladung

Auch ohne Verbraucher laufen in einer Batterie elektrochemische Prozesse ab
Abb. 2.4: Auch ohne Verbraucher laufen in einer Batterie elektrochemische Prozesse ab [10]

Auch wenn eine Batterie nicht durch einen angelegten Verbraucher (Last) entladen wird, kommen die internen chemischen Reaktionen nicht zum Stillstand. Hierdurch wird elektrochemisches Material verbraucht, was die Lapazität veringert und die Lagerfähigkeit ("Shelf Life") und Lebensdauer der Batterie verkürzt. Die entstehenden Reaktionsprodukte führen zu Verunreinigungen und Feinschlüssen an Materialübergängen, die den  Innenwiderstand erhöhen. Daher kann nicht mehr die volle Kapazität der Batterie genutzt werden.

Tab.1. Die Stärke der Selbstentladung ist abhängig von der Technologie und der Temperatur
Tab.1. Die Stärke der Selbstentladung ist abhängig von der Technologie und der Temperatur

  

Die durch die Selbstentladung entstehenden chemischen Reaktionsprodukte verkürzen nicht nur die Lebensdauer einer Batterie. Sie können die Batterie auch  komplett zerstören und das Gerät, in dem sie eingesetzt sind, schwer beschädigen.

Abb. x2.5

Um während der Lagerung im Vertriebsweg den Grad der Selbstentladung abschätzen zu können und um sicher zu stellen, dass nur "frische" Batterien im Handel sind, ist auf den meisten Batterien ein Produktions- oder mindesthaltbarkeitsdatum aufgestempelt.

 

Links: Abb.2.5: "Mindesthaltbarkeitsdatum" und Chargennummer auf dem Boden einer 9 V-Blockbatterie

Abhängig von Batterietyp,  Alterung (Selbstentladung) und entnommener Energiemenge ändert sich mit der Zeit die Klemmenspannung einer Batterie. Daher lassen sich nicht alle Verbraucher mit allen Batterietypen betreiben. Bei Hörgeräten z.B. muss die Betriebsspannung über die gesamte Betriebsdauer der Batterie konstant bleiben, damit die bei der Anpassung des Gerätes an den Träger eingestellten Werte Empfindlichkeit, Hörkurve und Lautstärke sich nicht mit der entladenden Batterie verändern. Die Beziehung der Zeit zur Ladung bzw. Klemmenspannung einer Batterie kann mit der Entladekurve dargestellt werden. Zur Messung der Entladekurve wird die Batterie mit einem Konstantstrom über einen definierten Zeitraum entladen.

2.6 Entladekennlinie

Abb,. 2.6: Entladekennlinien gleich großer Knopfzellen für Hörgeräte [<a href="Energiespeicher_2._Grundlagen_Batterien.html#R3">3</a>]
Abb,. 2.6: Entladekennlinien gleich großer Knopfzellen für Hörgeräte[3]

3.0 Batterien für den Konsumermarkt

Batterien für den Konsumermarkt müssen der Vielfalt der vom Verbraucher verwendeten Elektrokleingeräte angepasst sein. Aufgrund der vielen unterschiedlichen allgemeinen Bezeichnungen, Größen, Formen und Energiebedarf der Geräte fand in den letzten Jahren eine hohe globale Standardisierung statt. Die Normen hierzu wurden von internationalen Organisationen wie der IEC (International Electrotechnical Commission), der ANSI (Das American National Standards Institut) geschaffen.

3.1 Bauformen und Abmessungen von Konsumerbatterien

Formen und Maße von Konsumerbatterien. Dieses Bild zeigt Alkali-Mangan-Batterien, die wohl mit Abstand den größten Marktanteil haben. Alkali-Mangan-Batterien haben zumeist eine zylindrische Form
Abb. 3.1: Formen und Maße von Konsumerbatterien. Dieses Bild zeigt Alkali-Mangan-Batterien, die wohl mit Abstand den größten Marktanteil haben. Alkali-Mangan-Batterien haben zumeist eine zylindrische Form[4]

  

Bezeichnungen und Maße einiger Wichtiger Konsumerbatterien
Tab 2: Bezeichnungen und Maße einiger Wichtiger Konsumerbatterien

3.2 Technologien für Konsumer-Batterien

3.2.1.Zink-Kohle-Batterien

Eine Zink-Kohle-Batterie ist eine Primärzelle mit einer Nennspannung von ca. 1,5 V. Der prinzipielle Aufbau und die Funktionsweise basieren auf der Leclanché-Zelle.

Die Zink-Kohle-Batterie war bis in die 1970er Jahren der weltweit am meisten verwendete Batterietyp. Sie wurde mittlerweile fast vollständig von der auslaufsicheren Alkali-Mangan-Batterie verdrängt.

Prinzipieller Aufbau einer Zinkkohle-Batterie
Abb. 3.2 : Prinzipieller Aufbau einer Zinkkohle-Batterie

Aufbau

Die moderne Version der Zinkkohle-Batterie besteht aus einem Zinkbecher, der die Anode bildet. Der Becher ist mit einer Schicht Pappe (oder Gel) ausgekleidet, die mit einer 20-prozentigen Ammoniumchloridlösung  getränkt ist. Diese Separatorschicht trennt die Anode vom Kern der Zelle, der Kathode. Die Anode besteht aus einer Paste aus Braunstein (Mangandioxid), Graphitpulver und dem Elektrolyt Ammoniumchlorid. Der Ableitstift zum Anodenanschluss besteht aus Graphit, da das saure Milieu der Anode jedes gewöhnliche Metall korrodieren würde. Der Graphitstab ist porös, damit angesammeltes Wasserstoffgas abgeleitet werden kann. Der ganze Becher ist mit einer Schicht Kunststoff versiegelt, damit der flüssige Elektrolyt nicht austrocknet.

Funktion

Da, wie oben bereits angeführt, basiert der prinzipielle Aufbau einer Zink-Kohle-Batterie auf der Leclanché-Zelle. Daher laufen die chemischen Reaktionen innerhalb der Zelle genauso ab.

Das Zink der Anode (das ist der Becher) oxidiert und gibt dabei jeweils zwei Elektronen frei.

3.2.2 Alkali-Mangan-Batterien

Die ersten in Massen produzierten Alkali-Mangan-Batterien kamen in den 1960er Jahren auf den Markt. Die Konstruktion beruhte auf einem Patent von Karl Kordesch, einem in Wien geborenen Chemiker bei der Union Carbite Corporation.

Prinzipieller Aufbau einer Alkali-Mangan-Batterie
Abb. 3.3: Prinzipieller Aufbau einer Alkali-Mangan-Batteri2

Aufbau

Der Aufbau einer Alkali-Mangan-Batterie ähnelt stark dem des Leclanche-Elements. Wie diese gewinnt die Alkali-Mangan-Batterie ihre Energie aus einer Reaktion zwischen Zink und Mangandioxid. Anstelle einer sauren Ammoniumchlorid (NH4CL))-Lösung als Elektrolyt wird entweder eine basische Natriumhydroxid (NaOH) oder Kaliumhydroxid (KOH)-Lauge eingesetzt (Daher auch Alkali-Mangan).

Die tatsächliche Leerlaufspannung einer frischen Alkali-Mangan-Zelle liegt bei 20 °C im Bereich von 1,5 V bis 1,65 V. Sie hängt hauptsächlich von der Reinheit des verwendeten Mangandioxids und dem Zinkoxidgehalt in der Elektrolytlösung ab. Um die Zinkelektroden vor  einer Korrosion durch Unreinheiten zu schützen, wurden bis in die 1990er Jahre die Zinkelektroden mit einer dünnen Schicht (bis zu 2%) Quecksilber/Amalgam überzogen, was die Entsorgung der Batterien problematisch machte. Auf politischen Druck hin musste der Quecksilbergehalt von Alkali-Mangan -Batterien stark reduziert werden, was durch die Verwendung von hochreinen (99%) Zink als Elektrodenmaterial auch realisiert werden könnte. Moderne, handelsübliche Alkali-Mangan-Batterien enthalten kein Quecksilber und entsprechen den RoHS-Richtlinien.

 

3.2.3 Lithium-Batterien

Umgangssprachlich werden oft sowohl Lithium-Primärzellen als auch Sekundärzellen (= wieder aufladbare Akkumulatoren) als Lithiumbatterie bezeichnet, was in der praktischen Anwendung  jedoch auf keinem Fall verwechselt werden darf!)

Lithiumbatterien gibt es in vielen  Größen und Bauformen. Für den Einsatz in mobilen Geräten (Fotoapparate, Uhren, Fernbedienungen werden am häufigsten sogenannte Knopfzellen (mit 3 Volt Klemmenspannung) verwendet. Mit Lötfahnen versehen werden Lithiumbatterien sie auch als Backupbetriebsspannung für flüchtige Speicher (z. B. in PCs) fest eingebaut. robuste, größere Bauformen werden in militärischen (z.b. Rettungsbojen/Notsender) oder in medizinischen Geräten (z.B. Defibrillator)

Lithiumzellen zeichnen sich gegenüber Zink-Kohle oder Alkali-Mangan-Zellen durch eine wesentlich geringeren Baugröße, einer höheren Zellspannung ( , einer höheren Energiedichte und einer geringeren Selbstentladung aus. Diese günstigen Eigenschaften sind hauptsächlich auf das hohen Standardpotential von -3,04 Volt  zurück zu führen.

Lithium ist ein weißgraues, sehr leichtes Alkalimetall mit einer sehr hohen Reaktivität. Daher kommt Lithium in der Natur praktisch nicht als gediegenes Metall vor. Gewonnen wird Lithium hauptsächlich aus Lagerstätten oder Salzseen mit lithiumhaltigen Mineralien (z.B. Lithiumcarbonat (Li2CO3) in Südamerika, China und Australien. Lithium hat das höchste Potential in der elektrochemischen Spannungsreihe 

Lithium-Ionen-Akkumulatoren  haben 1996 durch einen Produktionsfehler verursache Vorfälle (Brände von Smartphones) ziemliches Aufsehen erregt und sind immer noch (2020) problematisch bei der Entsorgung.

Aufbau einer Standard Lithium Primärzelle (zylindrische "A"-Bauform)
Abb. 3.4: Aufbau einer Standard Lithium Primärzelle (zylindrische "A"-Bauform)

Aufbau

In einer Standard-Lithiumzelle für Konsumeranwendungen wird in Graphit eingelagertes, metallisches Lithium als negatives Anodenmaterial  verwendet. Als Kathode dient zumeist Mangandioxid. Da durch die hohe Reaktivität von Lithium (es reagiert bereits mit der Feuchtigkeit in der Luft) können wasserfreie Elektrolyte, wie  Lithiumsalze in organischen Lösungsmitteln  (z.B. Lithiumperchlorat in Propylencarbonat) eingesetzt werden.

Bei Lithium-Thionylchlorid-Batterien wird Thionylchlorid (SOCl)an der der Graphitkathode reduziert dient gleichzeitig als Lösungsmittel und Elektrolyt.

3.2.4 Lithium-Mangandioxid-Zelle (LiMnO2)

uerschnitt einer Lithium-Mangandioxid-Knopfzelle
Abb. 3.5: Querschnitt einer Lithium-Mangandioxid-Knopfzelle

 

Abb. 3.5: Lithium Primärzelle Knopfzellen in einem Blutzuckermessgerät

  

 

3.2.5. Zink-Luft-Batterie Zn-Luft)

Zink-Luft-Batterien gibt es in vielen Größen, Formen und Stärken. Die kleinsten sind nur wenige Millimeter große Knopfzellen für Hörgeräte. Hier ersetzen sie die bis in die 1980er verwendeten, umweltschädlichen Quecksilberbatterien. große Zink-Luft-Batterien Können für den Antrieb von Elektrofahrzeugen und als Pufferspeicher in Stromnetzen eingesetzt werden.

Hörgerätebatterien

Zink-Luft Batterien sind die Hörgeräte-Batterien per se. Die elektrischen und mechanischen Anforderungen an Batterien für Hörgeräte sind sehr hoch:

Aufgrund der Miniaturisierung von Hörgeräten müssen auch die Batterien sehr kleine Bauformen aufweisen,

Dieses setzt eine sehr hohe Energiedichte (bis zu 400 Wh/kg) voraus.

Hörgerätebatterien sind kurzlebige Massenprodukte Material- und Produktionsaufwand müssen daher gering sein. 

Die Klemmenspannung (1,0 bis 1,4V) soll möglichst konstant über die gesamte Nutzungsdauer (ca. 30 Tage) anstehen.

 

Abb. 3.6: Zink-Luft-Batterien für Hörgeräte. Die Farbe der Siegelfolie Kennzeichnet die Kapazität der Batterie [5]

   

Aufbau und Funktionsweise

Die Funktionsweise einer Zink-Luft-Batterie ähnelt der einer Brennstoffzelle. Dabei ist der Energieträger/Brennstoff Zink, der mit der mit dem Luftsauerstoff reagiert. Die Reaktionsrate kann über die Luftzufuhr gesteuert werden. Für eine Amperestunde (1 Ah) Strom wird ca. 1 Liter Luft benötigt. Daher können Zink-Luft-Batterien auch nicht in von der Luft abgeschlossenen Gehäusen betrieben werden.

Hörgerätebatterien sind für die Lagerung mit einer Folie versiegelt. Erst mit dem Entfernen des Siegels gelangt Luft in die Batterie und der elektrochemische Prozess beginnt.

Abb. 3.7: Querschnitt einer Zink-Luftbatterie Quelle [3]

 

Eine Zink-Luft-Hörgerätebatterie besteht aus einer zweiteiligen metallenen Kapsel. Der obere Teil, der Deckel, ist mit einem porösen Zinkpulver gefüllt und mit einem Elektrolyt (Kalilauge) getränkt. Das Ganze bildet die Anode der Zelle. Der untere Teil der Der Zelle,  der Kathodenbecher, ist am Boden mit kleinen Löchern versehen, Für die Lagerung, bis zum Einsatz der Batterie, sind die Löcher mit aber mit dem Foliensiegel verschlossen.  Wird das Siegel entfernt, kann durch die Löcher Luft in die Batterie eintreten. Eine poröse Membrane verteilt die Luft über die gesamte Elektrodenfläche.

Die katalytische Schicht der Kathode besteht aus einem mit Nickel beschichtetem Metallgewebe, auf das eine Mischung aus Kohlenstoff (Carbon Nanoröhrchen), Teflon und Mangandioxid laminiert wurde. Der Luftsauerstoff reagiert mit dem Katalysator zu Hydroxid-Ionen, die über die Separatormembran in das wässrige Elektrolyt übergehen können und zur Anode wandern.

Halbzellenreaktion Kathode: 1/2 O2 + H2O + 2e → 2OH (E0 = 4,1V )

An der Anode oxidieren die Hydroxid-Ionen das Zink der Anode zu Zinkhydroxid in Form von löslicher Zinkat-Ionen[Zn(OH)42-] Diese zerfallen bei entladener Batterie zu Zinkoxid.

Halbzellenreaktion Anode: Zn + 4OH → Zn(OH)42− + 2e   (E0 = -1.99 V)

Bei der Anodenreaktion werden Elektronen frei, die zur Kathode wandern.

Reaktion im Elektrolyt: Zn(OH)42− → ZnO + H2O + 2OH

Zellreaktion: 2Zn + O2 → 2ZnO (ΔE0 = 1.59 V)

 

Die Zink-Luft, bzw. Metall-Luft-Zellen-Technologie ist bei Weitem noch nicht ausgereizt. und hat noch ein riesiges Entwicklungspotential in Bezug auf Leistung als auf Wiederaufladbarkeit.

 

 

3.2.6 Silberoxid-Zink-Batterie (AgO)

 

 

 

Abb. 3.8: Querschnitt einer Silberoxid-Zink-Batterie Quelle [3]

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Halbzellenreaktion Anode (Minus-Pol):  Ag2O + 2 H+2e→  2 Ag↓ +H2O (Eo= +1,17V)

Reaktion im Elektrolyt: 2 H2O → 2H+ +2 OH-  Eo=0,83V

Halbzellenreaktion Kathode (Pluspol: Zn + 2 OH- → Zn (OH)2 + 2e- (E0=1,22V

Zellreaktion: ]= 1.59 V)

 

 

Zuletzt bearbeitet im Juni 2020

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