Wissen rund um elektrochemische Energiespeicher

Batterie

Der Begriff "Batterie" wird umgangssprachlich zumeist als Überbegriff verschiedener elektrochemischer Energiespeichersysteme verwendet. In wissenschaftlicher Literatur wird eine Zusammenschaltung mehrerer gleichartiger elektrochemischer Zellen als Batterie bezeichnet. Dabei wird weiters die Primärbatterie, welche nicht aufladbar ist und die wiederaufladbare Sekundärbatterie unterschieden. Im allgemeinen Sprachgebrauch werden Primärbatterien als Batterie und Sekundärbatterien als Akkumulatoren oder kurz "Akku" bezeichnet. Das in der EU geltende Batteriegesetz (BattG) schließt Akkumulatoren in den Begriff Batterie ein.

Energieinhalt

Die in einer Zelle gespeicherte Energie hängt vor allem von den Abmessungen und den chemischen Bestandteilen ab. Anders als bei Kondensatoren, bei denen er in As bzw. in Farad (F=As/V) angegeben wird, wird der Energiegehalt bei Batterien als mA/h (=3,6 As) angegeben.

Innenwiderstand

Die Spannung an den Klemmen einer realen Spannungsquelle ist in der Regel nicht konstant, sondern abhängig von der Stromstärke, welcher die Quelle liefert, der Temperatur, dem Ladezustand und anderen Einflussgrößen. Jene Spannung an der unbelasteten Quelle nennt man Ur- oder Leerlaufspannung. Jede Spannungsquelle besitzt bedingt durch ihren inneren Aufbau einen Innenwiderstand Ri, welchen man näherungsweise als konstant ansehen kann.Neben der Leitfähigkeit der Elektroden und der Ableiter bestimmt vor allem diejenige des Elektrolyten den Innenwiderstand der Stromquelle. Zum Teil lässt sich er sich aber auch mit der Kinematik der chemischen Reaktion, d.h. der Verlangsamung einer exothermen Reaktion durch Temperaturerhöhung erklären. Die von der Quelle gelieferte elektrische Energie soll der Verbraucher nutzen. Da der Verbraucherstrom jedoch auch durch die Spannungsquelle fließt, nimmt diese einen Teil der am gesamten Umsatz beteiligten Leistung auf.

Wärmequellen

Batterien erwärmen sich durch Joulesche Wärme am ohmschen Innenwiderstand und durch Polarisationsüberspannungen, sowie bei verschlossenen Blei-. NiCd- oder NiHM-Batterien durch nahe der Vollladung auftretende Wärme der internen Gasrekombination.

Zelle

Als elektrochemische- oder auch galvanische Zelle bezeichnet man die kleinste elektrochemische Einheit einer Vorrichtung zur spontanen Umwandlung von chemischer in elektrischer Energie. Diese besteht zumeist aus einem Elektrodenpaar die entsprechend der Polarität als positiv und negativ bezeichnet werden und über einen Elektrolyten miteinander verbunden sind. Die in der Regel festen Elektroden bestehen zumeist aus Metallen oder metallischen Verbindungen und werden bei äußerem Elektronen-Stromfluss oxidiert und reduziert. Per Definition wird die oxidierende (Elektronen abgebende) Elektrode als Anode und die reduzierende (Elektronen aufnehmende) als Kathode bezeichnet. Der Elektrolyt ist ein ionischer Leiter und zumeist flüssig wird aber auch in festem Zustand eingesetzt.

Darüber hinaus befindet sich häufig ein Separator im Elektrolyten, welcher verhindert, dass sich die beiden Elektroden berühren. Die Funktion der galvanischen Zelle basiert auf einer chemischen Reaktion, wobei chemische Komponenten von einem Zustand höherer Energie in einem Zustand geringerer Energie umgewandelt werden. Normalerweise würde die dabei frei werdende Energie als Wärme auftreten. Durch die Aufteilung der chemischen Reaktion in zwei räumlich voneinander getrennte Schritte fließt Strom über eine externe Verbindung, die als elektrische Enerdie nutzbar ist. Diese Schritte bestehen aus einer chemischen Reduktion bei der Elektronen aufgenommen werden und einer Oxidation, bei der es zur Abgabe von Elektronen kommt. Jene Elektrode an der die Oxidation stattfindet wird dabei als Anode bezeichnet und diejenige an der die Reduktion abläuft als Kathode. Ist der elektrische Stromkreis nicht geschlossen, stellt sich ein Gleichgewichtszustand in der Zelle ein, wobei das elektrische Potenzial welches dabei zwischen den Elektroden herrscht, als Gleichgewichtsspannung bezeichnet wird. Jedes Elektrolyt/Elektrodensystem hat dabei seine eigene charakteristische Gleichgewichtsspannung. Verbindet man die beiden Elektroden elektrisch miteinander, bewegen sich die Elektronen von der Anode zur Kathode und können dabei Arbeit verrichten. Innerhalb des Elektrolyten bewegen sich positiv geladene Ionen (Kathionen) zur Kathode und negativ geladene Ionen (Anionen) zur Anode.

Zellenspannung

Ist der Stromkreis einer Zelle nicht geschlossen, kann an den Anschlüssen die Ruhespanung gemessen werden, wobei diese nicht der Gleichgewichtsspannung entspricht, da in der Zelle stets Nebenreaktionen und damit ein Stromfluss - die sogenannte Selbstentladung - auftritt. Daher ist die tatsächliche Gleichgewichtsspannung nicht direkt messbar, sondern nur die Ruhespannung. Misst man die Spannung einer Zelle der Strom entnommen wird, kann immer nur die Klemmenspannung, welche um den internen Spannungsabfall vermindert ist, ermittelt werden.