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- Veröffentlicht am 7. Mai 2024
- Zuletzt bearbeitet am 7. Mai 2024
- 7 min
Grundlagen und Rolle einer Batterie
Batterien sind weit verbreitete und technisch hochentwickelte Energiespeicherlösungen, die sich an der Schnittstelle zwischen Physik und Chemie befinden. Verschiedene Materialien bieten je nach Nutzungsmodell unterschiedliche Lösungen. Sie haben ihre eigene wichtige Nische in der Industrie und werden in einer zunehmend digitalisierten Welt immer allgegenwärtiger.
Wie kann man die Frage: “Was ist eine Batterie?” einfach beantworten? Batterien sind Geräte, die durch elektrochemische Reaktionen Energie erzeugen und speichern. Sie enthalten elektrochemische Zellen mit zwei metallischen "Anschlüssen", den sogenannten Elektroden. Die Elektrode mit negativer Polarität wird als Anode und die Elektrode mit positiver Polarität als Kathode bezeichnet. Sie sind durch einen Leiter, den so genannten Elektrolyten, verbunden, der die Bewegung elektrischer Ionen zwischen der positiven und der negativen Platte ermöglicht. Elektrolyte sind entweder flüssig oder gelartig. Wird eine Batterie entladen, so fließt der elektrische Strom von der Anode zur Kathode, d. h. an der Anode findet eine Oxidation statt, bei der Elektronen freigesetzt werden, und an der Kathode eine Reduktion, bei der Elektronen gespeichert werden. Wird hingegen eine Batterie geladen, verlässt der elektrische Strom die Kathode und fließt zur Anode, d. h. an der Anode findet eine Reduktion statt, bei der Elektronen aufgenommen werden, und an der Kathode eine Oxidation, bei der Elektronen abgegeben werden. Herkömmliche Batterien, auch Primärbatterien genannt, sind solche, die nicht wieder aufgeladen werden können, während Sekundärbatterien wieder aufgeladen werden können (auch als Akkumulatoren bezeichnet).
Allgemeine Bestandteile einer Batterie
Batterien bestehen im Wesentlichen aus zwei Leitern erster Klasse (Metall- oder Kohlenstoff-Folien, die Elektroden genannt werden), die jeweils in einen Leiter zweiter Klasse eingetaucht sind, der aus elektrolytischen Lösungen, geschmolzenen Salzen, Feststoffen mit Ionenleitfähigkeit usw. besteht. Die beiden Elektroden werden durch eine halbdurchlässige Membran voneinander getrennt (damit die Ionen durchdringen können). Eine Elektrode, die in eine elektrolytische Lösung eingetaucht ist, bildet eine galvanische Zelle. Sobald die beiden Pole mit einem leitenden Material verbunden sind, wird elektrischer Strom erzeugt.
Der Batterie-Aufbau bleibt im Großen und Ganzen ähnlich; der große Unterschied zwischen den Batterien liegt in den verwendeten Materialien. Herkömmliche Autobatterien beispielsweise folgen ebenfalls diesem Grundprinzip, benötigen aber einige Anpassungen, die speziell auf ihre Nutzungsmodelle zugeschnitten sind. So benötigen sie beispielsweise einen speziellen Behälter und Deckel aus Polypropylen, das beim Abkühlen nicht spröde wird, Stößen standhält und von Säure und anderen Flüssigkeiten wie Benzin, Bremsflüssigkeit oder Frostschutzmittel nicht angegriffen wird. Das liegt daran, dass der Elektrolyt aus in Wasser verdünnter Schwefelsäure besteht.
Die gebräuchlichsten Batterien
Trockenbatterien werden häufig für Haushaltsgeräte und tragbare Geräte verwendet. Sie haben einen gelartigen Elektrolyten, daher der Name. Die am einfachsten erkennbaren Batterien sind diejenigen, die Benutzer üblicherweise anhand ihrer Größe bezeichnen (A, AA, AAA usw.). Sie können Primärbatterien (z. B. Alkali-, Lithium- oder Zink-Kohle-Batterien) oder Sekundärbatterien (z. B. Lithium-Ionen-, Nickel-Metallhydrid- oder Nickel-Cadmium-Batterien) sein.
Alkalibatterien verwenden eine starke Base als Elektrolyt, was ihnen eine längere Lebensdauer und ein wesentlich geringeres Risiko des Auslaufens verleiht. Sie werden in Geräten verwendet, die eine schnelle und intensive Entladung erfordern, wie z. B. in Radios, Taschenlampen, Digitalkameras usw.
Lithium-/Mangandioxid-Batterien sind leicht, haben die Form einer Münze und erzeugen eine hohe Spannung (etwa 3,4 V), weshalb sie häufig in kleinen Geräten wie Uhren und Taschenrechnern verwendet werden.
Die Nickel-Cadmium-Batterie ist eine Sekundärbatterie, die typischerweise in Geräten wie Camcordern und Mobiltelefonen zu finden ist, die häufig und schnell wieder aufgeladen werden müssen.
Lithium-Ionen-Batterien werden in den meisten Elektroautos und für Powerbanks verwendet. Sie haben eine sehr hohe Energiedichte, d. h. sie können drei- bis viermal mehr Energie speichern als eine Nickel-Cadmium-Batterie derselben Größe. Dies ist auch auf ihre charakteristische Zusammensetzung zurückzuführen, da sie auch zwei Kollektoren enthalten.
Blei-Säure-Batterien werden weltweit häufig verwendet, da sie sich bewährt haben, leicht verfügbar und relativ kostengünstig sind. Sie sind das häufigste Batterietyp in konventionellen Autos, für die sie mit einem flüssigen Elektrolyten zusammengebaut werden.
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Chemische Zusammensetzung einer Batterie
Eine Batterie besteht aus Chemikalien, die Elektronen erzeugen (Quecksilber, Blei, Cadmium, Mangan und Nickel). Die chemischen Reaktionen, die dabei ablaufen, werden als elektrochemische Reaktionen bezeichnet.
Alkalische Batterien verwenden Natriumhydroxid (NaOH) oder Kaliumhydroxid (KOH) als Elektrolyt.
Bei Lithium-Mangandioxid-Batterien besteht die Anode aus Lithium, die Kathode aus Mangandioxid und der Elektrolyt aus einer Kochsalzlösung.
Nickel-Cadmium (Ni-Cd)-Batterien haben eine Cd-Kathode, die sich in Cd(OH)2 umwandelt, und eine Anode aus NiO(OH), die sich in Ni(OH)2 umwandelt. Der Elektrolyt ist ein Gemisch aus KOH und Li(OH)2.
Batterien in der Industrie
Traktionsbatterien werden in der Industrie häufig für Geräte verwendet, die hohe Lasten für schwere Dienste benötigen. Sie bestehen aus einem Metallgehäuse, Kohlenstoffstahl, Blei und einer Säurelösung. Das Gehäuse umhüllt die innere Zusammensetzung, die zu 90 % aus Blei besteht. Durch die Reaktion dieses Elementes mit einer Säurelösung wird in den Zellen Energie gespeichert. Traktionsbatterien werden in der Regel auf Bestellung hergestellt und finden sich in Elektrohubwagen, Hebebühnen, Gabelstaplern, Bodenreinigungsmaschinen usw.
Nickel-Cadmium-Alkalibatterien sind in der Öl- und Gasindustrie weit verbreitet, insbesondere in Sensoren, Messgeräten, Instrumenten und Kommunikationsausrüstung. Alle diese Geräte sind für den Dauereinsatz bestimmt, weshalb sich diese Art von Batterien aufgrund ihrer Widerstandsfähigkeit gegenüber extremen Bedingungen besonders eignet. Außer in der Öl- und Gasindustrie sind sie daher auch in der Telekommunikation, in Kraftwerken, Flughäfen, Krankenhäusern usw. zu finden.
Stationäre Industriebatterien sind wesentliche Bestandteile für den Betrieb verschiedener Energiesysteme. Sie bestehen aus elektrochemischen Zellen, die durch chemische Reaktionen elektrische Energie speichern und abgeben. Beim** Batterien** Aufladen wandeln sie elektrische Energie in chemische Energie um und speichern diese in ihren Zellen. Bei der Entladung wandeln sie chemische Energie in elektrische Energie um. Ihre hohe Energiespeicherkapazität ermöglicht eine kontinuierliche Stromversorgung von Systemen über lange Zeiträume hinweg, auch unter variablen Lastbedingungen. Sie sind so konzipiert, dass sie ständigen Lade- und Entladezyklen standhalten, was sie ideal für Anwendungen macht, die eine hohe Zuverlässigkeit und Langlebigkeit erfordern.
Ein weiterer Vorteil ist ihre lange Batterie Lebensdauer. Sie sind wartungsarm und können viele Jahre lang genutzt werden. In Solarenergie-Systemen speichern sie die von Solarzellen erzeugte Energie. In der Telekommunikation werden stationäre Batterien eingesetzt, um den kontinuierlichen Betrieb von Sendetürmen und Kommunikationseinrichtungen bei einem Ausfall des Stromnetzes zu gewährleisten. Eine ähnliche Rolle spielen sie in anderen kritischen Umgebungen wie Krankenhäusern oder Rechenzentren.
Unterschied zwischen einer Batterie und einem Kondensator
Ein Kondensator ist ein Gerät, das in einem Stromkreis verwendet werden kann, um elektrische Ladungen und somit elektrostatische oder elektrische Energie zu speichern. Er besteht aus zwei leitenden Teilen, den sogenannten Ankern. Zwischen diesen Ankern befindet sich ein Material, das als Dielektrikum bezeichnet wird. Das Dielektrikum ist eine isolierende Substanz, die dem Stromfluss einen hohen Widerstand entgegensetzen kann.
Der Unterschied zwischen einem Kondensator und einer Batterie besteht darin, dass der Kondensator lediglich Energie speichert, während die Batterie Energie erzeugt und speichert. Im Vergleich zu Batterien entlädt der Kondensator die gespeicherte Energie viel schneller. Kondensatoren können in den unterschiedlichsten elektrischen Schaltkreisen eingesetzt werden, z. B. in Kameras, die Ladungen für den Blitz speichern. Sie können zylindrisch oder flach sein, je nach Schaltung, in der sie verwendet werden.
Batterien entsorgen und recyclen
Batterien recyclen erfordert große Aufmerksamkeit, um Schäden für die Umwelt und die Gesundheit der Menschen und Tiere zu vermeiden. Materialien wie Quecksilber, Blei und Kadmium sind äußerst schädlich und verseuchen Boden und Grundwasser. Alkalibatterien sind die einzigen Batterien, die im Hausmüll entsorgt werden können, da sie keine Schwermetalle enthalten; dennoch ist es sinnvoll, sie zu recyclen.
Der erste Schritt im Recyclingprozess besteht darin, die gebrauchten Batterien in trockenen, gut belüfteten Verpackungen vor direkter Sonneneinstrahlung geschützt zu lagern. Die Recyclingunternehmen holen die Altbatterien von den Sammelstellen ab und sortieren sie dann entsprechend. Anschließend werden die Materialien zerkleinert und einem chemischen Reaktionsprozess unterzogen, bei dem Salze und Metalloxide, die als Rohstoffe in industriellen Prozessen verwendet werden, in Form von Farbstoffen und Pigmenten zurückgewonnen werden. Sie werden in einem Industrieofen gegeben und hohen Temperaturen ausgesetzt, um das Zink abzutrennen. So kann das Mineral in seiner metallischen Form zurückgewonnen und als Rohstoff für die Herstellung neuer Batterien wiederverwendet werden. Auch andere Metalle und chemische Bestandteile können zurückgewonnen werden. Alle weiteren Abfälle aus dem Prozess werden ebenfalls behandelt und wiederverwendet, wie bei der Zementherstellung, oder einer umweltfreundlichen Entsorgungsanlage zugeführt.
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