Batterie - Versionsgeschichte

Jan Appel am 9. August 2016 um 19:49 Uhr

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Jan Appel: Verbesserung 1

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Verbesserung 1

Jan Appel am 19. Juni 2016 um 19:29 Uhr

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Jan Appel am 19. Juni 2016 um 19:26 Uhr

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Jan Appel am 19. Juni 2016 um 19:22 Uhr

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Jan Appel am 19. Juni 2016 um 19:13 Uhr

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Jan Appel am 19. Juni 2016 um 19:04 Uhr

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Jan Appel am 19. Juni 2016 um 18:36 Uhr

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Jan Appel am 19. Juni 2016 um 18:32 Uhr

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Jan Appel am 19. Juni 2016 um 18:27 Uhr

2016-06-19T18:27:35Z

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 == Funktionsweise einer Batterie ==
-[[image:Batterie-Querschnitt.jpg|thumb|right|Querschnitt der Alkali-Mangan-Batterie]]
+Das Grundprinzip einer Batterie basiert darauf, dass Elektronen aufgrund von [[Grundlagen_Redox|Redox-Reaktionen]] zu wandern beginnen, also von einem Ort an einen anderen zu fliessen. Das liegt daran, dass der Oxidator Elektronen stärker anzieht als der Reduktor.
 Beim Verbrennen von Aluminiumpulver gehen Elektronen vom Aluminium zum Sauerstoff über. Das ist eine exotherme Redox-Reaktion, bei der natürlich Energie freigesetzt wird. Nur ist diese Energie so nicht nutzbar. Wie kann man also nun dieses Prinzip nutzen, um daraus elektrischen Strom zu erzeugen?
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 === Beispiel der Funktionsweise einer Batterie an der Alu-Luft-Zelle ===
-Wichtig für diesen Batterietyp ist, dass Elektronen ''Nichtschwimmer'' sind. Das heisst, sie können nicht in Wasser transportiert werden, auch wenn das Wasser gelöste Salze enthält. Dafür verantwortlich, dass in Salzwasser elektrischer Strom geleitet wird, sind nicht die Elektronen, sondern die gelösten Ionen, die dabei chemisch verändert werden.
+Wichtig für diesen und andere Batterietypen ist, dass Elektronen ''Nichtschwimmer'' sind. Das heisst, sie können nicht in Wasser transportiert werden, auch wenn das Wasser gelöste Salze enthält. Dafür verantwortlich, dass in Salzwasser elektrischer Strom geleitet wird, sind nicht die Elektronen, sondern die gelösten Ionen, die dabei chemisch verändert werden.
-Füllt man eine Schale mit einer Kochsalzlösung und taucht sowohl eine Aluminiumfolie als auch einen Kohleblock, die beide miteinander über einen Verbraucher verbunden sind, in die Flüssigkeit, so erhält man einen Elektronenfluss von der Aluminiumfolie zum Kohleblock. Dieses Prinzip funktioniert, weil die Al<sup>3+</sup>- und die O<sup>2+</sup>-Ionen durch die Kochsalzlösung ausgeglichen werden können. Würde man die beiden Elektroden in einzelne Gefässe tauchen oder sie gar einfach an der Luft lassen, so gäbe es für die Ionen keinen Weg, zu wandern und die Ladung wieder auszugleichen.
+Füllt man eine Schale mit einer Kochsalzlösung und taucht sowohl eine Aluminiumfolie als auch eine Kohleelektrode, die beide miteinander über einen Verbraucher verbunden sind, in die Flüssigkeit, so erhält man einen Elektronenfluss von der Aluminiumfolie zum Kohleblock. Dieses Prinzip funktioniert, weil die Al<sup>3+</sup>- und die O<sup>2+</sup>-Ionen durch die Kochsalzlösung ausgeglichen werden können. Würde man die beiden Elektroden in einzelne Gefässe tauchen oder sie gar einfach an der Luft lassen, so gäbe es für die Ionen keinen Weg, zu wandern und die Ladung wieder auszugleichen. Ausserdem lösen die Chlorid-Ionen aus der Lösung die Aluminium-Schutzschicht auf.
 ==== Aufbau und Funktionen der verschiedenen Bestandteile ====
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 [[image:Alu-Luft-Batterie_klein.jpg|center|Die Alu-Luft-Batterie]]
-* Der Kohleblock links stellt den Katalysator für die Reduktion dar.
+* Der Kohleelektrode links stellt den Katalysator für die Reduktion dar.
 * Die Alufolie rechts stellt den Reduktor dar, bei dem die Oxidation stattfindet.
 * Der Ventolator oben stellt den Verbraucher dar, durch den die Elektronen von rechts nach links hindurchfliessen.
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 Somit fliessen die Elektronen vom Aluminium zum Kohlenstoff.
-===== Ausgleich durch Separator =====
+===== Ladungsausgleich durch Separator =====
 Wie oben schon erwähnt, können Elektronen nicht durch Wasser transportiert werden; auch nicht durch eine Kochsalzlösung. Sie sind somit gezwungen, den längeren und beschwerlicheren Weg über den Verbraucher zu nehmen. Das tun sie aber trotzdem gerne, weil sie von Kohlenstoff stärker angezogen werden als von Aluminium. Weil sich die negative Ladung aber nun zum Oxidator verschiebt, folgen die entstandenen positiv geladenen Al<sup>3+</sup>-Ionen über den kürzeren Weg, die Kochsalzlösung.
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 Die Leistungsfähigkeit von Kohle-Zink-Batterien nimmt wesentlich schneller ab als die von Alkali-Mangan-Batterien. In beiden Typen befinden sich Zn<sup>2+</sup>-Ionen. Dass die Leistungsfähigkeit abnimmt, liegt daran, dass die Zn<sup>2+</sup>-Ionen in Kohle-Zink-Batterien mit Cl<sup>-</sup>-Ionen, die vom Ammoniumchlorid als Elektrolyt zugegeben werden, einen festen Niederschlag bilden, während die Zn<sup>2+</sup>-Ionen in Alkali-Mangan-Batterien lange gelöst bleiben. Durch den Niederschlag nimmt die Ionenwanderung ab und mit ihr der Ladungsausgleich, was die Leistungsfähigkeit dann schnell sinken lässt. Noch dazu diffundieren die Zn<sup>2+</sup>-Ionen infolge dessen langsamer vom Minuspol weg: Die Rückreaktion steigt und die Leistungsfähigkeit sinkt noch tiefer.
-== Beispiele von Batterietypen ==
+== Beispiele von Batterietypen als Knopfzellen ==
 === Alkali-Mangan-Zelle ===
 ==== Funktion, Reaktionsgleichung ====
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 Ursprüngliche Spannung:
 :(0.95V) - (-3.03V) = 3.98V
 == Akkumulatoren ==

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 === Alu-Luft-Batterie ===
-==== Funktion, Reaktionsgleichung ====
+==== Reaktionsgleichung ====
 Reduktionsreaktion:
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 === Silberoxid-Zink-Zelle ===
-==== Funktion, Reaktionsgleichung ====
+==== Reaktionsgleichung ====
 Redox-Reaktion:
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 === Zink-Luft-Zelle ===
-==== Funktion, Reaktionsgleichung ====
+==== Reaktionsgleichung ====
 Redox-Reaktion:
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 === Lithium-Mangan-Zelle ===
-==== Funktion, Reaktionsgleichung ====
+==== Reaktionsgleichung ====
 Redox-Reaktion:

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 :4 Al + 3 O<sub>2</sub> + 6 H<sub>2</sub>O → 4 Al(OH)<sub>3</sub>
-Aluminium befindet sich in der dritten Hauptgruppe im [[C_Das_Periodensystem|Periodensystem]] und hält seine Elektronen nicht so stark wie Kohlenstoff, der sich rechts davon in der vierten Hauptgruppe befindet.
+Aluminium befindet sich in der dritten Hauptgruppe des [[C_Das_Periodensystem|Periodensystems]] und hält seine Elektronen nicht so stark wie Kohlenstoff, der sich rechts davon in der vierten Hauptgruppe befindet.
 Somit fliessen die Elektronen vom Aluminium zum Kohlenstoff.

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 :4 Al + 3 O<sub>2</sub> + 6 H<sub>2</sub>O → 4 Al(OH)<sub>3</sub>
-Aluminium befindet sich in der Gruppe 13 im [[C_Das_Periodensystem|Periodensystem]] und hält seine Elektronen nicht so stark wie Kohlenstoff, der sich rechts davon in der Gruppe 14 befindet.
+Aluminium befindet sich in der dritten Hauptgruppe im [[C_Das_Periodensystem|Periodensystem]] und hält seine Elektronen nicht so stark wie Kohlenstoff, der sich rechts davon in der vierten Hauptgruppe befindet.
 Somit fliessen die Elektronen vom Aluminium zum Kohlenstoff.

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 [[image:Lithium-Ionen-Akku.jpg|thumb|right|Prinzip des Lithium-Ionen-Akkus]]
-Lithium-Ionen-Akkus sind der Standard für heutige Handy-, Tablet-, Laptop- und Kameraakkus. Ihr Preis ist in den letzten Jahren stark gesunken, sodass der Preis in diesen Gebieten keine Rolle mehr spielt. Dabei spielen zwei Faktoren im Unterschied von Zink und Lithium eine grosse Rolle:
+Lithium-Ionen-Akkus sind der Standard für heutige Handy-, Tablet-, Laptop- und Kameraakkus und haben die Zink-Kohle-Batterie abgelöst. Ihr Preis ist in den letzten Jahren stark gesunken, sodass der Preis in diesen Gebieten keine Rolle mehr spielt. Dabei spielen zwei Faktoren im Unterschied von Zink und Lithium eine grosse Rolle:
 * Das Gewicht von Lithium ist proportional zur Energiedichte geringer als das von Zink: Die Dichte von Lithium ist mit ~0.534g/cm<sup>3</sup> deutlich kleiner als die von Zink mit ~7.14g/cm<sup>3</sup>.
 * Die Kapazität, die mit Lithium erreicht werden kann, ist bedeutend grösser als die mit Zink erreichbare: Das Redoxpotenzial von Lithium ist mit -3.03V sehr viel grösser als das von Zink mit -0.76V. Lithium gibt viel lieber seine Elektronen ab als Zink.
-==== Funktion, Reaktionsgleichung ====
+==== Reaktionsgleichung ====
 Redox-Reaktion:
-Li + 2 MnO<sub>2</sub> + 2 H<sub>2</sub>O → 2 Li + 2 MnOOH + 2 OH<up>-</sup>
+Li + 2 MnO<sub>2</sub> + 2 H<sub>2</sub>O → 2 Li + 2 MnOOH + 2 OH<sup>-</sup>
 === Haltbarkeit von Akkus ===
 Um aus einem Akku die beste Leistung und die längste Lebensdauer herauszuholen, sollte man folgende Punkte beachten:
-* Das richtige Ladegerät benutzen: Sowohl bei älteren Metallhydrid-Akkus als auch bei neueren Lithium-Ionen-Akkus sollte man das mitgelieferte oder ein baugleiches Ladegerät verwenden, denn bei vielen Akkus sind mehrere Zellen auf unterschiedliche Weise miteinander verbunden. Auch der Punkt der Überladung und der der Tiefentladung (siehe nächster Punkt) könne genauer berechnet werden.
+* Das richtige Ladegerät benutzen: Sowohl bei älteren Metallhydrid-Akkus als auch bei neueren Lithium-Ionen-Akkus sollte man das mitgelieferte oder ein baugleiches Ladegerät verwenden, denn bei vielen Akkus sind mehrere Zellen auf unterschiedliche Weise miteinander verbunden. Auch der Punkt der Überladung und der der Tiefentladung (siehe nächster Punkt) könnte genauer erkannt werden.
 * Den Akku im Normalfall nicht vollständig entladen: Eine vollständige Entladung verändert die Struktur der beteiligten Stoffe wesentlich stärker als eine Teilentladung. Das Ammenmärchen des ''Memory-Effekts'' ist bei Lithium-Ionen-Akkus schlichtweg nicht wahr und taucht auch bei den älteren Nickel-Cadmium-Akkus nur dann auf, wenn der Akku viele Male bis zum genau gleichen Zustand entladen wird.
 * Den Akku aber einmal pro Monat trotzdem vollständig entladen: Da der Überladungs- und Tiefentladungs-Schutz von der Kapazität des Akkus abhängt, werden viele Ladegeräte automatisch kalibriert, wenn ein Akku entladen wird, bis sich das Gerät von selbst ausschaltet. Das sollte etwa einmal pro Monat geschehen.

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 ==== Vor- und Nachteile, Anwendungsbereiche ====
-Die Spannung der Silberoxid-Zink-Batterie bleibt bis zum Schluss ziemlich konstant, bis sie dann schnell abfällt. Ihre Kapazität und Energiedichte sind mittelmässig gross. Das Problem ist der hohe Silberpreis, der die Batterie so teuer macht. Trotzdem eignet sie sich aufgrund ihrer eher höheren Qualität gut für Uhren oder Ähnliches.
+Die Spannung der Silberoxid-Zink-Batterie bleibt bis zum Schluss ziemlich konstant, bis sie dann abrupt abfällt. Ihre Kapazität und Energiedichte sind mittelmässig gross. Das Problem ist der hohe Silberpreis, der die Batterie eher teuer macht. Trotzdem eignet sie sich aufgrund ihrer eher höheren Qualität gut für teure Uhren oder Ähnliches.
 Ursprüngliche Spannung:
-:(0.34V) - (-1.26V) = 1.60V
+:(0.8V) - (-1.26V) = 2.06V
 === Zink-Luft-Zelle ===
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 Redox-Reaktion:
-Li + 2 MnO<sub>2</sub> + 2 H<sub>2</sub>O → 2 Li + 2 MnOOH + 2 OH<up>-</sup>
+Li + 2 MnO<sub>2</sub> + 2 H<sub>2</sub>O → 2 Li + 2 MnOOH + 2 OH<sup>-</sup>
 ==== Vor- und Nachteile, Anwendungsbereiche ====
-Die Kapazität der Lithium-Mangan-Batterie hält sich im Rahmen, ihre Energiedichte ist aber aufgrund der hohen Spannung eher gross. Der minimale Abfall der Spannung über Zeit der Benutzung ist vernachlässigbar. Bei zu hoher Spannung kann sich aus dem Wasser aber Wasserstoff bilden, das sich natürlich aufgrund der Wärmeausdehnung[https://de.wikipedia.org/wiki/W%C3%A4rmeausdehnung#Gase] ausdehnt und die Batterie zum Auslaufen bringen kann. Zusammen mit dem Sauerstoff von aussen bildet Wasserstoff dann ein Knallgas und wird so gefährlich. Zum Glück wird bei der Herstellung von Batterien dieses Typs stark darauf geachtet, dass das nicht passieren kann. Geeignet sind sie vor allem für teurere Geräte wie Fotoapparate oder solche mit militärischer Anwendung.
+Die Kapazität der Lithium-Mangan-Batterie hält sich im Rahmen, ihre Energiedichte ist aber aufgrund der hohen Spannung eher gross. Der minimale Abfall der Spannung über Zeit der Benutzung ist vernachlässigbar. Bei zu hoher Spannung kann sich aus dem Wasser aber Wasserstoff bilden, das sich natürlich aufgrund der geringeren Dichte von Gasen[https://de.wikipedia.org/wiki/W%C3%A4rmeausdehnung#Gase] ausdehnt und die Batterie zum Platzen und somit zum Auslaufen bringen kann. Zusammen mit dem Sauerstoff von aussen bildet Wasserstoff dann ein Knallgas und wird so gefährlich. Zum Glück wird bei der Herstellung von Batterien dieses Typs stark darauf geachtet, dass das nicht passieren kann. Geeignet sind sie vor allem für teurere Geräte wie Fotoapparate oder solche mit militärischer Anwendung.
 ''Siehe auch: [[Batterie#Konkurrenz-Reaktionen|Konkurrenz-Reaktionen]]''
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 === Anwendungsbereiche ===
-Knopfzellen werden in vielen verschiedenen elektronischen Geräten mit verschiedenen Anforderungen eingesetzt. Beispiele für Geräte mit tiefem Strombedarf etwa sind kleinere Wecker, Armbanduhren, Waagen, Drahtloskopfhörer oder auch Musikgratulationskarten. Knopfzellen können aber ihre Anwendung auch in Geräten wie zum Beispiel Herzschrittmachern finden.
+Knopfzellen werden in vielen verschiedenen elektronischen Geräten mit verschiedenen Anforderungen eingesetzt. Beispiele für Geräte mit tiefem Strombedarf etwa sind kleinere Wecker, Armbanduhren, Waagen, Drahtloskopfhörer oder auch Musikgratulationskarten. Knopfzellen können aber ihre Anwendung auch in Geräten mit hohen Ansprüchen auf Verlässlichkeit wie zum Beispiel Herzschrittmachern finden.
 ''Für eine Liste von Batterie- und Anwendungstypen siehe: [[Batterie#Beispiele_von_Batterietypen|Beispiele von Batterietypen]]''

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 ==== Funktion, Reaktionsgleichung ====
-Die Funktion der Alkali-Mangan-Zelle ähnelt der der Alu-Luft-Batterie; sie hat jedoch andere Inhaltsstoffe: Statt Kohle dient hier Manganoxid (MnO<sub>2</sub>), auch Braunstein genannt, als Oxidator. In einem Gel verteiltes Zinkpulver, das mehr Oberfläche als Nicht-Pulver hat und, anders als Aluminium, keine undurchdringliche Oxidschicht bildet, übernimmt die Arbeit der Aluminium-Folie und somit des die des Reduktors. Ein Separator aus Zellstoff, getränkt in KOH und durchlässig für Zink- und Hydroxid-Ionen, ersetzt die Kochsalzlösung.
+Die Funktion der Alkali-Mangan-Zelle ähnelt der der Alu-Luft-Batterie; sie hat jedoch andere Inhaltsstoffe: Statt Kohle dient hier Manganoxid (MnO<sub>2</sub>), auch Braunstein genannt, als Oxidator. In einem Gel verteiltes Zinkpulver, das mehr Oberfläche als Nicht-Pulver hat und, anders als Aluminium, keine undurchdringliche Oxidschicht bildet, übernimmt die Arbeit der Aluminium-Folie und somit die des Reduktors. Ein Separator aus Zellstoff, getränkt in KOH und durchlässig für Zink- und Hydroxid-Ionen, ersetzt die Kochsalzlösung.
 Reduktionsreaktion:
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 ==== Vor- und Nachteile, Anwendungsbereiche und Vorteile gegenüber der Kohle-Zink-Zelle ====
-Die Alkali-Mangan-Batterie ist die heutzutage weltweit meistverbreitete Batterie. Sie ist billig und man stellt an sie keine hohen Qualitätsanforderungen. Ihre Spannung nimmt nämlich während des Betriebs kontinuiertlich ab. Ihre Energiedichte ist mittelmässig, die Kapazität aber gering. Sie ist somit geeignet für Spielzeug oder Billiguhren.
+Die Alkali-Mangan-Batterie ist die heutzutage weltweit meistverbreitete Batterie. Sie ist billig und man stellt an sie keine hohen Qualitätsanforderungen. Ihre Spannung nimmt nämlich während des Betriebs kontinuiertlich ab. Ihre Energiedichte ist mittelmässig, die Kapazität aber gering. Man verwendet sie somit für Spielzeuge oder Billiguhren.
 Ursprüngliche Spannung:

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 :Standard-Zellspannung = Redoxpotenzial<sub>Oxidator</sub> - Redoxpotenzial<sub>Reduktor</sub>
-Um mit der Tabelle besser arbeiten zu können, kann man sich folgende Regeln merken:
+Um mit dieser Tabelle besser arbeiten zu können, kann man sich folgende Regeln merken:
-* Oben links sind die starken Reduktoren un dunten rechts die starken Oxidatoren.
+* Oben links sind die starken Reduktoren und unten rechts die starken Oxidatoren.
 * Befindet sich der Reduktor in der Tabelle weiter oben als der Oxidator, so findet ein Elektronenfluss statt.
 * Befindet sich der Reduktor in der Tabelle weiter unten als der Oxidator, so findet kein Elektronenfluss statt.

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 * Die weiter unten hängende Platinelektrode wird vom Wasserstoff umspült
 * Die Salzbrücke dient zur Ionenwanderung
-* Das ganze taucht in einer einmoligen H<sup>+</sup>-Lösung
+* Das Ganze taucht in einer einmolaren H<sup>+</sup>-Lösung
 Durch das Verbinden der Standardhalbzelle mit allen anderen Halbzellen kann die entstehende Spannung gemessen und in eine Tabelle eingetragen werden. Mit diesen Werten kann dann die Spannung zwischen zwei beliebigen Redox-Partnern ungefähr berechnet werden. Natürlich kann es in der Realität zu kleineren Abweichungen kommen.