Batterie

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Eine Batterie ist ein elektrochemischer Energiespeicher und ein Wandler. Bei der Entladung wird gespeicherte chemische Energie durch die elektrochemische Redoxreaktion in elektrische Energie gewandelt. Die umgewandelte Energie kann von einem vom Stromnetz unabhängigen elektrischen Verbraucher genutzt werden.

In nicht wiederaufladbaren Primärbatterien sind die Reaktionen bei der Entladung nicht oder nur teilweise umkehrbar. Dagegen sind in wiederaufladbaren Sekundärbatterien (Akkumulatoren) die Entladereaktionen weitgehend umkehrbar, sodass eine mehrfache Umwandlung von chemischer in elektrische Energie und zurück möglich ist.

Der Begriff „Batterie“ bezeichnet eine Zusammenschaltung mehrerer galvanischer Zellen. Umgangssprachlich wird der Begriff auch für einzelne galvanische Zellen verwendet.

Aufgrund der vielen Einsatzbereiche mit sehr unterschiedlichen Anforderungen bezüglich Spannung, Leistung und Kapazität gibt es heute Batterien in nahezu unüberschaubaren Ausführungen.

Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen 2 Entsorgung 3 Adapter und Kontaktierung 4 Geschichte 5 Typvariationen 5.1 Einsatzbereiche 5.2 Primärzellen 5.3 Baugrößen 6 Siehe auch 7 Literatur 8 Weblinks

[Bearbeiten] Grundlagen

Die Elektrodenmaterialien legen die Nennspannung der Zelle fest. Höhere Spannungen erhält man durch ein Hintereinanderschalten (Reihenschaltung) mehrerer Zellen.

Als Kapazität einer Batterie (nicht zu verwechseln mit der elektrischen Kapazität) wird die in der Batterie gespeicherte elektrische Ladung bezeichnet. Man unterscheidet die theoretische Kapazität (hängt von der Menge des aktiven Materials in der Batterie ab) beziehungsweise die unter bestimmten Bedingungen entnehmbare Ladung („praktische“ Kapazität). Die Kapazität wird meist in Amperestunden (Abkürzung: Ah) und selten in Coulomb (Einheitenzeichen: C) angegeben. Die Kapazität hängt nicht von der Anzahl der hintereinander in Reihe geschalteten Zellen ab, erhöht sich jedoch bei Parallelschaltung.

Die entnehmbare Kapazität einer Batterie hängt stark von den Entladebedingungen (beispielsweise Belastung, Entladeschlussspannung und Temperatur sowie der Vorgeschichte der Batterie (beispielsweise Dauer und Bedingungen der Lagerung vor der Entladung) ab. Deswegen werden Batteriekapazitäten durch genormte Entladeverfahren unter vorgegebenen Bedingungen bestimmt. Zu den üblichen Entladeverfahren zählen die Entladung mit konstantem Strom, die Entladung über einen konstanten Widerstand und die Entladung mit konstanter Leistung. Je nach Entladeverfahren weist die Batterie eine andere Kapazität auf. In einer sinnvollen Angabe der Nennkapazität müssen daher Entladeverfahren und Entladebedingungen mit aufgeführt werden. Batteriekapazitäten können den Datenblättern der Batteriehersteller entnommen werden.

Generell nimmt die entnehmbare Kapazität einer Batterie mit zunehmendem Entladestrom ab. Grund hierfür sind die zunehmenden Verluste am Innenwiderstand der Batterie als auch die Tatsache, dass die elektrochemischen Prozesse und Transportvorgänge in der Batterie nur mit begrenzter Geschwindigkeit ablaufen. Die Verringerung der entnehmbaren Kapazität mit zunehmendem Entladestrom ist stark vom elektrochemischen System und dem Aufbau der Batterie abhängig.

Die Batteriekapazität oder der Maximalstrom bei gegebener Spannung lassen sich durch größer gebaute Zellen oder durch Parallelschaltung von Zellen oder Batterien erhöhen.

Die Leistung einer Batterie ist die Menge an elektrischer Energie, die pro Zeiteinheit entnommen werden kann. Sie wird in der Regel in Watt (Einheitenzeichen: W) angegeben. Die Leistung einer Batterie ist das Produkt aus Entladestrom und Entladespannung.

Die in einer Batterie gespeicherte Energie wird meist nicht angegeben, die Energie pro Masse oder pro Volumen ist jedoch eine wichtige Kenngröße von Batteriesystemen.

Alle Batterien unterliegen bei Lagerung der Selbstentladung. Die Geschwindigkeit der Selbstentladung hängt unter anderem vom Batterietyp und der Temperatur ab. Je niedriger die Temperatur bei der Lagerung, desto langsamer ist die Selbstentladung. Die meisten Akkumulatoren verlieren ihre Ladung relativ schnell.

[Bearbeiten] Entsorgung

In Deutschland regelt die Batterieverordnung die Rücknahme und Entsorgung von Batterien. Sie legt unter anderem fest, dass in Deutschland keine Batterien oder Zellen mit einem Quecksilbergehalt von mehr als 0,0005 Gewichtsprozent in den Verkehr gebracht werden dürfen. Bei Knopfzellen darf der Quecksilbergehalt nicht über 2,0 Gewichtsprozent liegen. Alkali-Mangan-Batterien enthalten seit Beginn der 1990er Jahre kein Quecksilber mehr. Davor wurde es zum Amalgamieren des Elektrodenmaterials Zink verwendet.

Kleine Batterien können in Deutschland zurück in Batterien verkaufende Einzelhandelsgeschäfte gebracht werden, die zu diesem Zweck Sammelbehälter aufgestellt haben.

Für alte Autobatterien existiert in Deutschland ein Pfandsystem.

Batterien und Akkumulatoren gehören nicht in andere Müllsammelbehälter oder in die Umwelt, da sie potenziell umweltschädliche und zudem wiedergewinnbare wertvolle Rohstoffe enthalten.

[Bearbeiten] Adapter und Kontaktierung

Nicht jeder Batterietyp ist in jedem Land erhältlich. Deshalb gibt es zum Beispiel Flachbatterie-Adapter, welche drei AA-Zellen zu je 1,5 V aufnehmen. Der Adapter lässt sich dann überall dort verwenden, wo auch eine Flachbatterie hineinpasst. Nützlich sind Adapter auch, weil es bis dato keine wiederaufladbaren Flachbatterien gibt.

Manche Batteriehersteller bauen gleichartige Primärzellen in unterschiedliche Gehäusegrößen ein.

Die Kontaktierung kleiner Batterien erfolgt meist mit Federkontakten, zuverlässigere Ausführungen für Lithiumbatterien sind vergoldet, um die Zellenspannung exakt bestimmen zu können. Fest eingebaute Akkumulator-Batterien sind mit Steckkontakten, Polbolzen oder Lötfahnen versehen.

Batteriepacks aus mehreren Zellen sind untereinander mit Blechbändern verschweißt.

Auslaufende Batterien (besonders Zink-Kohle-Zellen, aber auch austretende Schwefelsäure bei Bleiakkumulatoren) führen zu Korrosion und erhöhten Kontakt-Übergangswiderständen.

[Bearbeiten] Geschichte

Das erste funktionierende galvanische Element und damit die erste Batterie wurde in Form der „Voltaschen Säule“ im Jahr 1800 von Alessandro Volta vorgestellt. Regelmäßig wieder auftretende Mutmaßungen über bereits in der Antike genutzte Batterien gründen sich hauptsächlich auf ein einzelnes Tongefäß, das 1936 von dem österreichischen Archäologen Wilhelm König südöstlich von Bagdad entdeckt wurde und in dem er ein galvanisches Element zu erkennen glaubte. Aus verschiedenen Gründen ist die Funktion dieses als „Bagdad-Batterie“ bekannt gewordenen Gefäßes zweifelhaft.

[Bearbeiten] Typvariationen

Handelsübliche Batterien und Zellen gibt es in zahlreichen Varianten sowohl nach dem zugrunde liegenden chemischen Redoxsystem als auch nach den elektrischen Werten oder der geometrischen bzw. konstruktiven Bauform. Von den nachfolgend aufgeführten Bezeichnungen können mehrere zusammen einen Batterietyp beschreiben, z. B. „Alkali-Mangan-Batterie – LR 6/AM-3 – AA – Mignon“. Oft wird aber nur ein bestimmtes Merkmal gefordert, z. B. die Größe „AA“ für eine speziell darauf abgestimmte Taschenlampe. Von einer Trockenbatterie spricht man, wenn der Elektrolyt, etwa durch Eindickung, nicht flüssig vorliegt. Dadurch wird die Batterie in beliebiger räumlicher Orientierung einsetzbar, also insbesondere für mobile Anwendungen.

[Bearbeiten] Einsatzbereiche

Je nach dem Einsatzgebiet gibt es folgende Begriffe und Zuordnungen:

• Gerätebatterien dienen zur Stromversorgung kleiner, meist tragbarer Geräte, beispielsweise in Taschenlampen oder Mobiltelefonen. Besonders kleine Ausführungen für Hörgeräte oder Quarzuhren werden als Knopfzellen bezeichnet.
• Starterbatterien für Kraftfahrzeuge, Traktionsbatterien für Elektrofahrzeuge und stationäre Batterien bei ortsfesten Anwendungen wie beispielsweise Unterbrechungsfreie Stromversorgung sind immer Akkumulatoren.

[Bearbeiten] Primärzellen

Primärzellen sind galvanische Zellen, die nach der Entladung nicht wieder neu aufgeladen werden können. Sie werden heute meist als Trockenbatterie ausgeführt. Die verschiedenen Typen werden nach den eingesetzten Materialien bezeichnet:

• Alkali-Mangan-Batterie; 1,5 Volt Nennspannung pro Zelle
• Zink-Kohle-Batterie; 1,5 Volt pro Zelle
• Nickel-Oxyhydroxid-Batterie; 1,5 Volt pro Zelle
• Lithium-Batterien; je nach Kathodenmaterial 2,9 bis 3,6 V
• Lithium-Eisensulfid-Batterie; 1,5 Volt pro Zelle
• Zink-Luft-Batterie; 1,5 Volt pro Zelle
• Zink-Chlorid-Batterie; 1,5 Volt pro Zelle
• Quecksilberoxid-Zink-Batterie; 1,35 Volt pro Zelle
• Silberoxid-Zink-Batterie; 1,55 Volt pro Zelle
• Natrium-Nickelchlorid-Batterie (Zebra-Batterie)

[Bearbeiten] Baugrößen

Als Gerätebatterien werden häufig die elektrischen Batterien bezeichnet, die sehr verbreitet im Alltag für die Energieversorgung von Elektrokleingeräten wie Uhren, Radios, Spielzeug, Taschenlampen u.ä. und auch in fest installierten Geräten wie Rauchmeldern verwendet werden.

Gerätebatterien müssen kompakt, lageunabhängig einsetzbar, leicht und trotzdem mechanisch robust sein. Sie dürfen bei normaler Lagerung und Verwendung im Gerät weder auslaufen noch ausgasen. Sie sind in einer Vielzahl von Ausführungen auf der Basis von Zink-Kohle- oder Alkali-Mangan-Batterie im Handel erhältlich. Ihre Bezeichnung folgt den von der IEC festgelegten Leistungsklassen und den von der ANSI genormten Baugrößen.

Die Zink-Kohle Batterien werden immer seltener angeboten und teilweise schon nicht mehr hergestellt.

Die am häufigsten verwendeten Batteriegrößen (sog. „Big-5“):

IEC Alkali-Mangan (Zink-Kohle)	ANSI	Bezeichnung	Größe	Nennspannung	Kapazität (mAh) Zink-Kohle	Kapazität (mAh) Alkali-Mangan
LR03 / AM-4 (R03 / UM-4)	AAA	Micro	Ø 10,3 x H 45 mm	1,5 V	370…540	900…1.450
LR06 / AM-3 (R6 / UM-3)	AA	Mignon	Ø 14,3 x H 51 mm	1,5 V	700…1.100	2.200…3.500
LR14 / AM-2 (R14 / UM-2)	C	Baby	Ø 27 x H 50 mm	1,5 V	1.800…3.800	≈ 8.000
LR20 / AM-1 (R20 / UM-1)	D	Mono	Ø 35 x H 62 mm	1,5 V	4.000…8.000	≈ 20.000
6LR61 / AM-6 (6F22)	1604D PP3	E-Block 9V Block	L 48,5 x B 26,2 x H 17 mm	9,0 V (beinhaltet 6 Zellen à 1,5 V) 6LR61 = 6x Rundzelle LR61 6F22 = 6x Flachzelle 22	190…330	500…600

Hier nicht aufgeführt ist die ebenfalls genormte Größe SUB-C.

Neben diesen „Standardtypen“ gibt es noch eine große Formenvielfalt bei produktspezifischen Batterien, beispielsweise für Fotoapparate und bei Knopfzellen. Batterien, die seltener eingesetzt werden und teilweise auch nur in Fachgeschäften erhältlich sind:

IEC Alkali-Mangan (Zink-Kohle)	ANSI	Bezeichnung	Größe	Nennspannung	Kapazität (mAh) Zink-Kohle	Kapazität (mAh) Alkali-Mangan
LR61	AAAA	Mini	Ø 8,3 x H 42,5 mm	1,5 V	300	500…600
LR1 / AM-5 (R1 / UM-5)	N	Lady	Ø 12 x H 30 mm	1,5 V	≈ 400	≈ 800
2LR10 (2R10)	Duplex	Stabbatterie	Ø 21,8 x H 74,6 mm	3,0 V (beinhaltet 2 Zellen à 1,5 V)	1.000…1.500
3LR12 (3R12 / 1203)		Flachbatterie	L 67 x B 62 x H 22 mm	4,5 V (beinhaltet 3 Zellen à 1,5 V)	≈ 1.800	≈ 5.900
4LR61	J	Flat Pack	L 49 x B 36 x H 8,5 mm	6,0 V (beinhaltet 4 Zellen à 1,5 V)		500…600
(6F90)	PP7		L 62,2 x B 46 x H 46 mm	9,0 V (beinhaltet 6 Zellen à 1,5 V)	ca. 2.000
(6F100)	PP9	Blockbatterie	L 80 x B 64,5 x H 51 mm	9,0 V (beinhaltet 6 Zellen à 1,5 V)	4.300
(4R25)	908D	Laternenbatterie	L 112 x B 66.7 x H 66.7 mm	6,0 V (beinhaltet 4 Zellen à 1,5 V)	8.500-9.500

[Bearbeiten] Siehe auch

• Separator (Batterie)
• Batterierecycling
• Atombatterie
• Deflagrator

[Bearbeiten] Literatur

• Lucien F. Trueb, Paul Rüetschi: Batterien und Akkumulatoren – Mobile Energiequellen für heute und morgen. Springer, Berlin 1998, ISBN 3-540-62997-1
• David Linden, Thomas B. Reddy (Hrsg.): Handbook of Batteries. 3. Auflage. McGraw-Hill, New York 2002, ISBN 0-07-135978-8 (englisch)
• Clive D.S. Tuck (Hrsg.): Modern Battery Technology. Ellis Horwood, New York 1991, ISBN 0-13-590266-5 (englisch)

[Bearbeiten] Weblinks

• Geschichte der elektrischen Energiespeicherung
• Battery Chemistry FAQ (Englisch)
• Die „ideale“ Batterie / Leistungsvergleich
• Stiftung Gemeinsames Rücknahmesystem Batterien
• Technische Daten und Vergleichslisten für Knopfzellen und Batterien (PDF)