Batterie (Elektrotechnik)

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Handelsübl. Batterien und Zellen

Mit dem Begriff der elektrischen Batterie wird eine Zusammenschaltung mehrerer gleichartiger galvanischer Zellen bzw. Elemente[1] bezeichnet, als welche zunächst, z. B. in der voltaschen Säule oder Zambonisäule, nur nicht wiederaufladbare (sogenannte „Primärzellen“ bzw. „Primärelemente“) zur Verfügung standen. Mit der Entwicklung wirtschaftlich einsetzbarer wiederaufladbarer „Akkumulatoren“, auch „Sekundärzellen“ bzw. „Sekundärelemente“, z. B. des Bleiakkumulators um 1850 bis 1886, wurde die Benutzung des Begriffs „Batterie“ auch auf die Zusammenschaltung mehrerer solcher Zellen erweitert, z. B. in den späteren Starterbatterien von Kraftfahrzeugen oder Traktionsbatterien von U-Booten usw.

In letzter Zeit schließlich hat sich die Verwendung des Begriffs „Batterie“ auch auf einzelne Primär- oder Sekundärzellen ausgedehnt, wobei für letztere die Bezeichnung „Akkuzelle“ oder abgekürzt „Akku“ verwendet wird. Der geschilderte Wandel des Sprachgebrauchs wurde in der DIN-Norm 40729 Akkumulatoren; Galvanische Sekundärelemente; Grundbegriffe angesprochen, welche unter Batterie „immer mehrere verbundene Zellen“ verstanden hat, diese Begrifflichkeit sich bei der alltäglichen „Unterscheidung jedoch verwischt“ hat.[2]

Unter Hinweis auf diese Begriffshistorie wird hier ausschließlich die Vielfalt „elektrischer Zellen“ beschrieben, die umgangssprachlich als „Batterien“ bezeichnet werden, wobei die Besprechung von „Primärzellen“ im Vordergrund steht – für eine nähere Besprechung von „Sekundärzellen“ siehe Hauptartikel Akkumulator.

Geschichte[Bearbeiten]

Batterien historischer galvanischer Zellen

Im Jahr 1780 bemerkte der italienische Arzt Luigi Galvani, dass ein Froschbein, das in Kontakt mit Kupfer und Eisen kam, immer wieder zuckte und hielt das für eine elektrische Wirkung. Das erste funktionierende galvanische Element und damit die erste Batterie wurde in Form der Voltaschen Säule im Jahr 1800 von Alessandro Volta vorgestellt. Lageunabhängige Trockenbatterien gehen auf die Arbeiten von Carl Gassner zurück, welcher dieser im Jahre 1887 patentierte.[3] Im Jahr 1901 setzte Paul Schmidt in Berlin erstmals die Trockenbatterie bei Taschenlampen ein.

Als Batterien gedeutete antike Gefäßanordnungen wie die „Bagdad-Batterie“ hätten durch ein Zusammenspiel aus Kupfer, Eisen und Säure eine elektrische Spannung von circa 0,8 V produzieren können. Ob diese Gefäße zum damaligen Zeitpunkt vor etwa 2.000 Jahren als Batterien im heutigen Sinn verwendet wurde, ist umstritten und konnte nicht zweifelsfrei nachgewiesen werden.

Grundlagen[Bearbeiten]

Spezifische Energiedichte (Wh/kg) verschiedener Primärzellen als Funktion der Temperatur
Lithium-Akkupack (3s) für Laptop mit Angabe von Nennspannung, Nennkapazität und Energiegehalt

Eine elektrische Zelle ist ein elektrochemischer Energiespeicher und ein Energiewandler. Bei der Entladung wird gespeicherte chemische Energie durch die elektrochemische Redoxreaktion in elektrische Energie umgewandelt. Diese kann von einem vom Stromnetz unabhängigen elektrischen Verbraucher genutzt werden. Alternativ kann sie auch in einem vom Stromnetz abhängigen Verbraucher eingesetzt werden, um kurzzeitige Ausfälle im Stromversorgungsnetz zu überbrücken und so eine unterbrechungsfreie Stromversorgung sicherstellen.

Primärzellen können nur einmal entladen und nicht wieder aufgeladen werden. In diesen Zellen sind die Reaktionen bei der Entladung teilweise umkehrbar, das führt jedoch nicht zur Wiederherstellung eines dem Neuzustand ähnlichen Energieinhalts. Dagegen sind die wiederaufladbaren Sekundärbatterien (Akkumulatoren) weitgehend in den Ladezustand ähnlich dem Neuzustand zu bringen, so dass eine mehrfache Umwandlung von chemischer in elektrische Energie und zurück möglich ist.

Die Elektrodenmaterialien legen die Nennspannung der Zelle fest, die Menge der Materialien die enthaltene Energie.

Wichtige Begriffe in Bezug auf die elektrischen Eigenschaften einer Batteriezelle sind:

Kapazität
Die in einer galvanischen Zelle gespeicherte elektrische Ladung wird als Kapazität bezeichnet, das ist nicht zu verwechseln mit der elektrischen Kapazität. Die Kapazität einer Batterie wird in der Dimension der elektrischen Ladung in Amperestunden (Einheitenzeichen: Ah), oder seltener in Amperesekunden (As) oder Coulomb (C; 1 As entspricht 1 C) angegeben.
Leistung
Die Leistung einer Batterie/Batteriezelle ist die Menge an elektrischer Energie, die pro Zeiteinheit entnommen werden kann. Sie wird in der Regel in Watt (W) angegeben und ist das Produkt aus Entladestrom und Entladespannung.
Energieinhalt
Die in einer Batterie gespeicherte Energie (elektrische Arbeit) wird nicht immer angegeben, die Energie pro Masse oder pro Volumen ist jedoch eine typische Kenngröße von Batteriesystemen und oftmals in Datenblättern der Hersteller angeführt. Eine Einschätzung je nach Typ geben Diagramme vergleichender Energieangaben (siehe Diagramm).
Selbstentladung
Alle galvanischen Zellen unterliegen bei Lagerung einer Selbstentladung. Die Geschwindigkeit der Selbstentladung hängt unter anderem vom Batterietyp und der Temperatur ab. Je niedriger die Lagertemperatur, desto geringer ist die Selbstentladung.

Die schwächste Zelle bestimmt die Qualität einer Batterie. In Parallelschaltung kommt es durch Ausgleichsströme zu größeren Verlusten, wenn die Zelle mit geringerer Kapazität früher entladen ist. In Reihenschaltung bricht die Spannung unter Last eher zusammen, weil stärkere, noch geladene Zellen Strom durch schwächere, schon entladene Zellen treiben. Deren Innenwiderstand führt nach dem Ohmschen Gesetz zu einer Zellerwärmung, ohne dass die elektrische Energie nutzbar ist.

Einsatzbereiche[Bearbeiten]

Je nach dem Einsatzgebiet gibt es folgende Begriffe und Zuordnungen:

  • „Gerätebatterien“ dienen zur Stromversorgung kleiner, meist tragbarer Geräte, beispielsweise in Taschenlampen oder Mobiltelefonen. Meist bestehen sie aus mehreren Zellen in standardisierten Baugrößen sowohl als einmal verwendbare Primärzelle, als auch als wiederaufladbaren Akkumulator. Besonders kleine Ausführungen z. B. für Hörgeräte oder Quarzuhren werden als Knopfzellen bezeichnet.

Typvariationen[Bearbeiten]

Aufgrund der vielfältigen Einsatzbereiche mit sehr unterschiedlichen Anforderungen bezüglich Spannung, Leistung und Kapazität gibt es heute Batterien in vielen Typen. Diese werden unterschieden beispielsweise

  • nach chemischer Qualität in der zugrunde liegenden chemischen Redoxreaktion,
  • Zusammenschaltung von Zellen
  • nach Zellengrößen.

Handelsübliche Batterien und Zellen unterscheiden sich sowohl in den elektrischen Werten als auch in der geometrischen bzw. konstruktiven Bauform. Von den nachfolgend aufgeführten Bezeichnungen können mehrere zusammen einen Zelltyp beschreiben, z. B. „Alkali-Mangan-Zelle – 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.

Im experimentellen Bereich und zur Veranschaulichung des Funktionsprinzips werden recht exotische galvanische Zellen, wie zum Beispiel Zitronenzellen, eingesetzt.

Primärzellen[Bearbeiten]

Schaltzeichen einer galvanischen Zelle (Primärzelle oder Akkumulator)

Als Primärzellen werden galvanische Zellen bezeichnet, die nach der Entladung nicht wieder neu aufgeladen werden können. Die verschiedenen Typen werden nach den eingesetzten Materialien bezeichnet (ausgenommen wiederaufladbare alkalische Zellen - diese werden trotzdem zu den Primärzellen gezählt):

Historisch wurde zwischen Trockenbatterien mit festem oder gelartigem Elektrolyt und Nassbatterien, wie dem Daniell-Element mit flüssigem Elektrolyt in einem Glasgefäss, unterschieden.

Baugrößen[Bearbeiten]

Als Gerätebatterien werden häufig Batterien bezeichnet, die sehr verbreitet 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 – Zink-Kohle-Batterien werden immer seltener angeboten und kaum noch hergestellt.

Es gibt sehr viele von der IEC genormte Typen und einige Bezeichnungen vom ANSI sowie inoffizielle Namen, insbesondere für die neun gängigsten Kategorien:[5][6][7]

IEC ANSI inoffiziell Abmessungen Nennspannung Abbildung
Zink-Kohle Alkali-Mangan
R20[5] LR20[5] D[5] Mono ca. 61 mm × Ø 34 mm[6] 1,5 V[7] Mono
R14[5] LR14[5] C[5] Baby ca. 50 mm × Ø 26 mm[6] 1,5 V[7] Baby
R6[5] LR6[5] AA[5] Mignon[5] ca. 50 mm × Ø 14 mm[6] 1,5 V[7] Mignon
R03[5] LR03[5] AAA[5] Micro ca. 44 mm × Ø 10 mm[6] 1,5 V[7] Micro
R8D425[5] LR8D425[5] AAAA[5] Mini[5] ca. 42,5 mm × Ø 8,3 mm[6] 1,5 V[7] Mini
R1[5] LR1[5] N[5] Lady ca. 30 mm × Ø 12 mm[6] 1,5 V[7] Lady
6F22[5] 6LR61[5] 9V[5] 9-Volt-Block ca. 48 mm × 26 mm × 17 mm[7] 9 V[7] 9-Volt-Block
3R12[5] 3LR12[5] 4.5V[5] Flachbatterie ca. 65 mm × 61 mm × 21 mm[7] 4,5 V[7] Flachbatterie
4R25[5] 4LR25[5] Lantern Laternenbatterie ca. 114 mm × 66 mm × 66 mm[7] 6 V[7] Laternenbatterie
8LR932 1811A 23A ca. 28,5 mm × Ø 10,3 mm 12 V 23A-Batterie
2R10   Duplex ca. 74 mm × Ø 21,5 mm 3 V Duplex-Batterie
15F20   15F20-Batterie ca. 50 mm × 25 mm × 15 mm 22,5 V 15F20-Batterie

Adapter und Kontaktierung[Bearbeiten]

Nicht jeder Batterietyp ist in allen Ländern erhältlich. Deshalb gibt es zum Beispiel Flachbatterie-Adapter, die drei AA-Zellen zu je 1,5 V aufnehmen. Diese lassen sich in allen Geräten verwenden, in die auch eine Flachbatterie hineinpasst. Nützlich sind diese Adapter auch, weil es bis dato keine wiederaufladbaren Flachbatterien gibt.

Die Kontaktierung kleiner Batterien erfolgt mit Federkontakten, zuverlässigere Ausführungen für Lithiumbatterien sind vergoldet. Fest eingebaute Akkumulatoren sind mit Steckkontakten, Schraubanschlüssen, Polbolzen oder Lötfahnen versehen.

Konfektionierte wiederaufladbare Batterien, sogenannte Akkupacks, bestehen aus mehreren Zellen, die untereinander fest verbunden und oft mit einer Ummantelung oder einem Gehäuse versehen sind. Bei Starterbatterien sind die Zellen untereinander mit Bleistegen, bei Traktionsbatterien in der Regel mit Kupferverbindern kontaktiert.

Microsoft offerierte 2010 eine „InstaLoad“ genannte, rein mechanische Lösung eines Batteriefaches, die das Einlegen von Batterie-Einzelzellen in beliebiger Orientierung erlaubt. Die Kontakte sind dabei so gestaltet, dass keine Verpolung auftreten kann.

Entsorgung[Bearbeiten]

Inneres und Äußeres einer Batterie
des Typs 4LR44 nach IEC 60086.

Batterien und Akkumulatoren gehören nicht in den haushaltsüblichen Restmüllbehälter oder in die Umwelt, da sie umweltschädliche und zudem erneut nutzbare wertvolle Rohstoffe enthalten, die das Batterierecycling für entsprechende Unternehmen wirtschaftlich attraktiv machen.

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 in Einzelhandelsgeschäfte zurückgebracht werden, wenn diese auch Batterien verkaufen. Gesetzlich verpflichtend ist zwar nur die Rücknahme von Batterietypen, die der jeweilige Händler auch im Sortiment führt; da die Teilnahme am Rücknahmesystem für den Händler aber kostenlos ist, werden üblicherweise auch "fremde" Typen akzeptiert, da dem Händler dadurch keine Nachteile oder Kosten entstehen. Zu diesem Zweck müssen dort Sammelbehälter aufgestellt sein. Für Starterbatterien existiert in Deutschland ein Pfandsystem.

Literatur[Bearbeiten]

  • 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).
  • Philipp Brückmann: Autonome Stromversorgung - Auslegung und Praxis von Stromversorgungsanlagen mit Batteriespeicher. Ökobuch, Staufen 2007, ISBN 978-3-936896-28-2.
  • Werner Döring: Einführung in die Theoretische Physik, Band II, Berlin, Göschen 1965 (speziell das Kapitel über Batterien).

Weblinks[Bearbeiten]

 Wiktionary: Batterie – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
 Commons: Batterien – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Grimsehl: Lehrbuch der Physik, Bd. II; Leipzig 1954, S. 38
  2. Dirk Flottmann, Detlev Forst, Helmut Roßwag: Chemie für Ingenieure: Grundlagen und Praxisbeispiele. Springer, 2003, ISBN 354006513X, S. 225
  3. Patent US373064: Galvanic Battery. Veröffentlicht am 15. November 1887, Erfinder: Carl Gassner.
  4. http://science.orf.at/stories/1735591/ Biobatterie löst sich im Körper auf, Materialwissenschaft, ORF.at vom 26. März 2014
  5. a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z aa ab ac BIO Intelligence Service: Battery capacity and labelling (PDF; 3,04 MB) Europäische Kommission. 2008. Abgerufen am 15. März 2012.
  6. a b c d e f g IEC 60086-1-2006 (PDF; 529 KB) Abgerufen am 15. März 2012.
  7. a b c d e f g h i j k l m IEC 60086-2-2006 (PDF; 521 KB) Abgerufen am 15. März 2012.