Zink-Kohle-Zelle

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Die Zink-Kohle-Zelle oder Zink-Kohle-Element, umgangssprachlich oft auch als Zink-Kohle-Batterie oder Zink-Kohle-Trockenbatterie bezeichnet, ist als galvanisches Element ein chemischer Energiespeicher zur Abgabe von elektrischer Energie. Die Zink-Kohle-Zelle ist eine Variante aus der Familie der Zink-Braunstein-Zellen und stellt eine Weiterentwicklung des historischen Leclanché-Elementes dar.

Allgemeines[Bearbeiten]

Die Zink-Kohle-Zelle zählt zu den Primärelementen, da sie, anders als Akkumulatoren, nicht wiederaufladbar ist. Sie war bis in die 1970er Jahre in verschiedenen Baugrößen weit verbreitet, ist aber mittlerweile durch die weitaus leistungsfähigeren (geringere Selbstentladung) und betriebssicheren (Auslaufsicherheit) Alkali-Mangan-Zellen großteils verdrängt worden.

Die Zelle liefert eine Spannung von etwa 1,5 Volt. Durch Anordnung mehrerer Zellen in einem gemeinsamen Gehäuse in Reihenschaltung zu einer Batterie kann die verfügbare Klemmenspannung erhöht werden. Gebräuchlich sind noch Typen mit 4,5 V (3R12, „Flachbatterie“), 6 V (4R25, „Laternenbatterie“) oder 9 V (6F22, „9-Volt-Blockbatterie“). Auch in den kleineren und weiter verbreiteten Baugrößen AAA, AA, C und D sind sie wegen ihres im Vergleich zu Alkaline geringeren Preises noch vereinzelt erhältlich.

Aufbau[Bearbeiten]

Zink-Kohle-Zelle im Schnitt

Das Zink-Kohle-Element besteht aus einer zu einem Becher geformten Zinkelektrode (negativer Pol) und Mangandioxidpulver (Braunstein) als positivem Pol sowie einem zentrischen Stab aus gepresster Kohle (Graphit) und metallischer Kappe als elektrische Zuleitung. Als Elektrolyt wird eine 20-prozentige Ammoniumchloridlösung eingesetzt. Der elektrische Verbraucher wird zwischen die beiden Elektroden geschaltet.

Der Zink-Becher, der den Elektrolyten und den „Braunstein“ umschließt, ist bei entladenen Batterien nahezu aufgebraucht. Frühe Produkte besaßen als äußere Ummantelung lediglich eine Papphülse. Diese saugte austretendes Elektrolyt nur teilweise auf. Eine gewickelte Metall-Ummantelung kann die mechanische Stabilität der Zelle sowie durch eine Kunststoff-Folie unter dem Metall-Mantel die Auslaufsicherheit der Zelle erhöhen. Der Graphitstift in der Mitte der Braunsteinummantelung wurde als Plus-Außenkontakt der Zelle zur besseren Kontaktierung etwas herausgezogen und mit einer Metallkappe versehen.[1]

Probleme[Bearbeiten]

Zink-Kohle-Zellen sind oft nicht auslaufsicher (leak proof). Kommt es zum Auslaufen des Elektrolyten in einem Gerät, so zerfrisst er die Batteriekontakte und oft auch die Leiterbahnen und Lötstellen benachbarter Leiterplatten. Aus diesem Grund soll man Zellen dieses Typs nicht in Geräten verwenden, in denen sie länger verbleiben.

Zudem besteht wie bei dem historischen Leclanché-Element das Problem, dass ein Zinkkomplex (Diaminzinkchlorid, [Zn(NH3)2]Cl2) ausfällt. Dieser schwerlösliche Komplex setzt sich an den Elektroden des Elementes ab, wodurch sich der elektrische Widerstand erhöht, sodass in der Folge die verfügbare Leistung schnell absinkt.

Durch die bei der Nutzung schnell absinkende Anfangsspannung und die geringe Strombelastbarkeit ist die Zelle für viele Anwendungen mit höherer Belastung ungeeignet.

Die Selbstentladung von Zink-Kohle-Elementen ist deutlich höher als bei den teilweise teureren Alkali-Mangan-Zellen, was eine Bevorratung und Lagerhaltung, sowie den Einsatz in sicherheitskritischen Bereichen verkompliziert und Wirtschaftlichkeit und Ökobilanz verschlechtert.

Reaktion (Entladungen)[Bearbeiten]

Minuspol (Anode):

\mathrm{ Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^-}

Pluspol (Kathode):

\mathrm{ 2MnO_2 + 2H_2O + 2e^- \rightarrow 2MnO(OH) + 2OH^-}

Nachlieferung des nötigen Wassers aus dem Ammoniumchlorid-Elektrolyten:

\mathrm{ 2NH_4^+ + 2OH^- \rightarrow 2NH_3 + 2H_2O }

Die entstandenen Ammoniakmoleküle werden von dem Zinkionen-Komplex gebunden:

\mathrm{ Zn^{2+} + 2NH_3 \rightarrow [Zn(NH_3)_2]^{2+} }

Die Reaktion dieses Komplexes mit den Chloridionen aus dem Ammoniumchlorid:

\mathrm{ [Zn(NH_3)_2]^{2+} + 2Cl^- \rightarrow [Zn(NH_3)_2]Cl_2 }

Gesamtgleichung:

\mathrm{ Zn + 2MnO_2 + 2NH_4Cl \rightarrow 2MnO(OH) + [Zn(NH_3)_2]Cl_2 }

Entsorgung[Bearbeiten]

Batterien und Akkumulatoren gehören nicht in den Hausmüll oder in die Umwelt, da sie umweltrelevante und wiedergewinnbare Stoffe enthalten. Zink-Kohle-Batterien müssen in Deutschland, wie auch andere Batterien, fachgerecht entsorgt werden. Batterien verkaufende Einzelhandelsgeschäfte und viele Recyclinghöfe haben zu diesem Zweck Sammelbehälter aufgestellt.

Literatur[Bearbeiten]

  •  Lucien F. Trueb, Paul Rüetschi: Batterien und Akkumulatoren. Springer, 1998, ISBN 3-540-62997-1.

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Zink-Kohle-Zellen – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Stiftung Warentest - test.de, 02/2006: Batterietypen: So entsteht der Strom für unterwegs, mehrfarbiges Schnittbild zum Vergleich von „Zink-Kohle-Batterie“=Zink-Braunstein-Zelle und Alkali-Mangan-Batterie, aufgerufen 7. August 2012