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- Veröffentlicht am 7. Mai 2024
- Zuletzt bearbeitet am 7. Mai 2024
- 7 min
Was sind galvanische Zellen?
Die heutigen technologischen Fortschritte wären ohne die galvanischen Zellen nicht denkbar. Sie versorgen so viele Geräte, die allgegenwärtig geworden sind, von Uhren über Handys bis hin zu Elektrofahrzeugen. In diesem Leitfaden wird erläutert, wie galvanische Zellen aufgebaut sind, wie sie elektrische Energie erzeugen und wie sie eingesetzt werden. Kein Leitfaden wäre jedoch vollständig ohne einen Hinweis auf die Bedeutung des Recyclingprozesses.
Galvanische Zellen erzeugen elektrische Energie durch eine spontane Oxidation-Reduktion (auch Redox genannt). Da sie eine Reaktion anregen, um chemische in elektrische Energie umzuwandeln, werden sie als elektrochemische Zellen bezeichnet. Galvanische Zellen werden in Energiespeichern wie Batterien eingesetzt, um eine höhere Spannung zu erzeugen und kleine und große Geräte - vom Taschenrechner bis zum Auto - mit Strom zu versorgen.
Die Oxidations-Reduktionsreaktion ist ein chemischer Prozess, bei dem es zu einer Elektronenübertragung zwischen einigen an der Reaktion beteiligten Elementen kommt. Das Element, das Elektronen verliert, führt eine Oxidationsreaktion durch, während das Element, das Elektronen aufnimmt, eine Reduktionsreaktion durchläuft. Oxidation und Reduktion sind Reaktionen, die gleichzeitig ablaufen müssen, sie können nicht isoliert auftreten.
Anwendungen und Rolle von galvanischen Zellen
Galvanische Zellen sind die Grundlage des heutigen allumfassenden elektronischen Eco-Systems. Sie werden zwar in Einwegbatterien wie Alkali-Batterien verwendet, sind aber oft auch in wiederaufladbaren Batterien zu finden, wie in Laptops, Powerbanks, Mobiltelefonen, aber auch in Elektrofahrzeugen usw. In Systemen für erneuerbare Energien wie Sonnenkollektoren und Windturbinen werden sie zur Energiespeicherung eingesetzt. Aufgrund ihres besonderen Aufbaus sind sie in Form und Gestalt leicht anpassbar und können relativ einfach gestapelt werden, um leistungsstarke Batterien herzustellen.
Der Aufbau einer galvanischen Zelle
Eine galvanische Zelle ist in zwei Halbzellen unterteilt. Jede Zelle hat einen metallischen Leiter, die sogenannte Elektrode. Dieser Leiter befindet sich in einem Elektrolyten, einer Lösung, in der gelöste Stoffe in Ionen dissoziieren. In den meisten herkömmlichen Batterien ist der Elektrolyt eine gelartige Lösung. Die beiden Halbzellen sind durch eine Salzbrücke verbunden, so dass Ionen zwischen den beiden Halbzellen hindurchtreten können und die Elektroneutralität erhalten bleibt.
Die Elektroden bilden die Pole der Zelle. Der positive Pol wird als Kathode bezeichnet und ist die Elektrode, an der eine Reduktion stattfindet. Die Anode ist der negative Pol und hier findet die Oxidation statt. Bei der Oxidation an der Anode werden Elektronen freigesetzt, die dann durch den äußeren Stromkreis fließen und an der Kathode wieder in die Zelle eintreten, wo sie zur Reduktion beitragen. Dieser ständige Elektronenfluss vom Minus- zum Pluspol bildet den erzeugten elektrischen Strom.
Die Redoxreaktion
Die Oxidations-Reduktionsreaktion oder Redoxreaktion ist ein chemischer Prozess, bei dem Elektronen zwischen einigen Elementen der Reaktionspartner übertragen werden. Die Oxidationsreaktion findet bei dem Element statt, das Elektronen verliert, während die Reduktion bei dem Element stattfindet, das Elektronen gewinnt. Das Oxidationsmittel ist die chemische Substanz, die die Oxidation verursacht. Das Reduktionsmittel ist die chemische Substanz, die die Reduktion bewirkt.
Der bereits erwähnte Elektronentransfer erfolgt nicht immer spontan, sondern erfordert manchmal den Einsatz von thermischer und elektrischer Energie, um den Prozess zu ermöglichen. Galvanische Zellen haben die Besonderheit, dass sie einen spontanen Redoxprozess beinhalten.
Nach dem Gesetz der Massenerhaltung läuft eine chemische Reaktion in einem geschlossenen System unter Erhaltung der Masse ab. Neben der Massenerhaltung muss bei einer chemischen Reaktion auch die Ladungserhaltung gewährleistet sein, d. h. die Summe der Ladungen (NOx) der Reaktanten muss gleich der Summe der Ladungen der Produkte sein. Aus diesem Prinzip heraus wurde die Technik des Redox-Gleichgewichts für chemische Reaktionen entwickelt.
Beispiele für Redoxreaktionen sind die Photosynthese in Pflanzen, die Korrosion von Metallen und die Verbrennung, ein Prozess, bei dem ein Brennstoff durch die Einwirkung eines Oxidationsmittels, in der Regel Sauerstoffgas, oxidiert wird, das dann als Oxidationsmittel wirkt.
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Arten von galvanischen Zellen
Es gibt drei Haupttypen von Zellen, die derzeit verwendet werden, wobei der Typ den Einsatz galvanischer Zellen bestimmt:
Trockene Zellen bestehen aus einer Zinkhülle, die durch poröses Papier getrennt ist, und einem zentralen Graphitstab, der von Mangandioxid (MnO2), pulverisiertem Kohlenstoff (C) und einer feuchten Paste mit Ammoniumchlorid (NH4Cl) umgeben ist. , Zinkchlorid (ZnCl2) und Wasser (H2O). Zink fungiert als Anode, die Elektronen verliert, und Graphit fungiert als Kathode, die Elektronen zum Mangandioxid leitet. Dieser Batterietyp wird für Geräte empfohlen, die leichte und kontinuierliche Entladungen benötigen, wie z. B. Wanduhren, Fernbedienungen oder tragbare Radios.
Alkaline-Batterien funktionieren sehr ähnlich wie Trockenbatterien. Der Hauptunterschied besteht darin, dass sie eine starke Base wie Natriumhydroxid (NaOH) oder Kaliumhydroxid (KOH) enthalten, anstatt eines sauren Salzes wie Ammoniumchlorid. Sie sind gegenüber Säurebatterien im Vorteil, da sie eine längere Lebensdauer haben: Sie bieten 50 bis 100 % mehr Energie als eine herkömmliche Batterie der gleichen Größe, außerdem ist die Gefahr des Auslaufens geringer. Sie werden hauptsächlich für Geräte empfohlen, die eine schnelle und intensive Entladung erfordern, wie Taschenlampen, MP3-Player oder Digitalkameras.
Lithium/Mangandioxid-Batterien haben die Form einer Münze. Da sie leicht sind und eine hohe Spannung erzeugen, findet man sie in der Regel in kleinen Geräten wie Taschenrechnern oder Uhren. Ihre Anode besteht aus Lithium, ihre Kathode aus Mangandioxid und ihr Elektrolyt aus Kochsalzlösung.
Unterschied zwischen einer galvanischen Zelle und einer elektrolytischen Zelle
Elektrochemische Zellen, in denen nicht spontane Redoxreaktionen ablaufen, nennt man elektrolytische Zellen. In diesen Zellen erfolgt die Elektrolyse durch die Aufspaltung von Molekülen durch Anlegen eines elektrischen Stroms. Da die Reaktion nicht spontan abläuft, muss Energie zugeführt werden, damit der Prozess abläuft. Bei elektrolytischen Zellen setzt die elektrische Energie den Prozess in Gang und wird dann in chemische Energie der Produkte der Redoxreaktion umgewandelt.
Im Gegensatz zu galvanischen Zellen sind bei elektrolytischen Zellen die Elektroden an eine Batterie angeschlossen, die den für die Durchführung der Redoxreaktion erforderlichen Strom liefert. Die Batterie sorgt für den Elektronenfluss zu einer Elektrode, während sie der anderen Elektrode Elektronen "entzieht".
Bei elektrolytischen Zellen sind die Signale, die die Polarität der Elektroden anzeigen, entgegengesetzt zu denen, die zuvor für galvanische Zellen angegeben wurden. Bei elektrolytischen Zellen gilt die Anode als positiver Pol, da die Batterie Elektronen aus ihr entnimmt, und die Kathode als negativer Pol, da die Elektronen hier die Elektrodenoberfläche für die Reduktionsreaktion erreichen.
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Brennstoffzellen
Eine Brennstoffzelle funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie eine galvanische Zelle, allerdings mit kontinuierlicher Zufuhr und Verbrauch von Reduktions- und Oxidationsmitteln. Das bedeutet, dass sie viel länger in Betrieb sein können, da sich ihre Reaktanten nicht erschöpfen. Mit anderen Worten: Eine Brennstoffzelle muss nicht nachgeladen werden.
Es handelt sich um einen hocheffizienten Prozess, da die Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie direkt und ohne Verluste erfolgt, anders als bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe, bei der die chemische Energie zunächst in thermische, dann in kinetische und schließlich in elektrische Energie umgewandelt wird.
Es gibt verschiedene Arten von Brennstoffzellen, die je nach Ausführung den Anforderungen des elektrischen Systems des Geräts entsprechen müssen (erforderliche Reinheit des Brennstoffs, hohe Temperaturen usw.). Sie beruhen alle auf demselben Funktionsprinzip, bei dem durch einen Elektrolyten getrennte Elektroden miteinander verbunden sind und am negativen Pol (Anode) eine Wasserstoffoxidation und am positiven Pol (Kathode) eine Sauerstoffreduktion stattfindet.
Brennstoffzellen erzeugen Strom ohne jegliche Umweltverschmutzung, da sie nur Wasser produzieren. Ihre Lebenserwartung beträgt bis zu 40.000 Stunden. Da es sich um eine relativ neue Technologie handelt, wird sie noch nicht in großem Maßstab hergestellt, so dass die Kosten noch hoch sind. Es gibt jedoch konzertierte Bemühungen, diese Art der Energieerzeugung rentabel zu machen, insbesondere in der Automobilindustrie, obwohl die extrem hohe Entzündbarkeit von Wasserstoff ein großes Problem darstellt.
Umweltverschmutzung und galvanische Zellen
Wie Batterien enthalten auch galvanische Zellen giftige Chemikalien, die Boden, Wasser und Luft verunreinigen können. Es ist daher von größter Bedeutung, die Entsorgung galvanischer Zellen fachgerecht zu strukturieren. Zu diesem Zweck sollten an Arbeitsplätzen, an denen Zellen verwendet werden, spezielle Recyclingbehälter aufgestellt werden.
Batteriesammelbehälter sind bereits häufig an strategischen Orten aufgestellt, z. B. in Supermärkten, Elektrofachmärkten, Recyclinggenossenschaften und Müllsammelstellen. Wichtig ist auch, dass die Menschen über die Bedeutung der korrekten Entsorgung dieser Abfälle informiert werden und wissen, wo sie die speziellen Behälter für Batterien und Akkus finden.
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