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Knopfzellen sind ultraleichte, kostengünstige und langlebige Batterie-Lösungen für die Stromversorgung von kleinen Geräten, wie Herzschrittmacher, Armbanduhren oder Hörgeräte. Ihr Einsatz ist wenig flexibel, denn für größere Lasten sind sie nicht geeignet.
Die Internationale Elektrotechnische Kommission hat eine Norm für Knopfzellen-Batterien mit der Bezeichnung IEC 60086 - 3 herausgegeben. Sie enthält ein alphanumerisches Kodierungssystem, um die Art des chemischen Inhalts, die Größe des Durchmessers in mm (erste oder erste + zweite Zahl) und die Dicke in Zehntel mm (dritte oder dritte + vierte Zahl) anzugeben. Es ist zu beachten, dass dies nur für Primärbatterien gilt, sodass z. B. wiederaufladbare Batterien nicht eingeschlossen sind.
Die Anfangsbuchstaben von Knopfzellen geben das Kathodenmaterial an und lauten in der Regel L (Alkaline), C (Lithium) oder S (Silberoxid); der zweite Buchstabe R steht in der Regel für „rund“. Alle Knopfzellen müssen auf der Unterseite mit dem Pol (normalerweise Plus) und der zu verwendenden Spannung gekennzeichnet sein. Da die richtige Wahl einer Knopfzelle in Bezug auf Größe, Stromversorgung usw. von größter Bedeutung ist, um Risiken für Geräte und Benutzer zu vermeiden, sollte die Nomenklatur sorgfältig analysiert werden.
Knopfzellen sind hauptsächlich in kleinen Geräten wie Taschenrechnern oder Armbanduhren zu finden. Sie bestehen aus einer einzigen Zelle und haben eine erstaunlich lange Lebensdauer. Sie weisen eine sehr geringe Selbstentladung auf, was bedeutet, dass sie ihre Ladung auch bei Nichtbenutzung sehr lange beibehalten. In Bezug auf Design und Herstellung ist es im Gegensatz zum Einsatz anderer Batterietypen interessant festzustellen, dass die Geräte hauptsächlich um die Zelle einer Knopfzelle herumkonstruiert werden. Die meisten Knopfzellen sind nicht wiederaufladbar, vor allem weil sich ihre Lebensdauer nach dem Aufladen drastisch verkürzt. Dies und die Tatsache, dass Knopfzellen in Geräten mit geringem Stromverbrauch verwendet werden, macht die Möglichkeit des Wiederaufladens weniger attraktiv.
Das Kodierungssystem ist von großer Bedeutung, da es dem Benutzer nicht nur bei der Wahl der richtigen Batterie hilft, sondern auch die Geräte schützt, da eine falsche Spannung ein Gerät zerstören und dann eine Gefahr für den Benutzer darstellen kann.
Wie bereits erwähnt, sind wiederaufladbare Knopfzellen selten. Man findet sie in Anwendungen, bei denen die interne Stromversorgung elektronischer Schaltkreise im Falle eines plötzlichen Stromausfalls von außen erforderlich ist. Sie sind mit Lötfahnen versehen, sodass sie auf den Platinen montiert werden können.
Die Zusammensetzung einer Knopfzelle hat einen direkten Einfluss auf ihre Lebensdauer und Spannungsstabilität.
Knopfzellen enthalten in der Regel Zinkoxid oder Silber. Es ist bemerkenswert, dass quecksilberhaltige Knopfzellen wegen ihrer katastrophalen Auswirkungen auf die Umwelt aus dem Verkehr gezogen wurden. Die Zink-Luft-Batterien, die sie ersetzt haben, haben jedoch eine kürzere Lebensdauer.
Zink-Luft-Batterien verwenden Luftsauerstoff als Elektrode und haben im Verhältnis zu ihrer Größe eine große Kapazität: Sie benötigen etwa 1 cm³ Luft pro Minute, um sich bei 10 mA zu entladen. Aufgrund ihrer Eigenschaften werden diese Batterien hauptsächlich für Hörgeräte verwendet. Sie haben in der Regel auch eine Art Kappe, die dazu dient, die Luft von der Zinkelektrode zu trennen.
Theoretisch können Batterien mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung für dasselbe Gerät verwendet werden, solange die Größe passt. Die falschen Eigenschaften können jedoch zu Problemen wie geringerer Leistung, kürzerer Lebensdauer oder im Extremfall zum Ausfall des Geräts führen. Insbesondere wenn eine Batterie mit einer wesentlich höheren Spannung als vorgeschrieben verwendet wird, kann dies zu ernsthaften Schäden führen.
Die wichtigsten Lithiumbatterien sind die in Herzschrittmachern verwendeten Lithium-Iod-Batterien und die in Mobiltelefonen verwendeten Lithium-Ionen-Batterien.
Batterien mit Lithium als Hauptbestandteil zeichnen sich unter anderem dadurch aus, dass sie sehr leicht sind, denn Lithium ist das Metall mit der geringsten Dichte, das bisher entdeckt wurde. Dieses silbrig-weiße Metall schwimmt im Wasser, weil es über die doppelte Dichte von Wasser verfüg. Das liegt daran, dass Lithium nur drei Protonen und drei Neutronen hat.
Ein besonderer Typ ist die Lithium-Iod-Batterie. Sie wurde ursprünglich für Herzschrittmacher entwickelt, ist hermetisch verschlossen, sodass keine Gase freigesetzt werden. Sie ist äußerst leicht und kann bis zu 10 Jahre lang halten. Außerdem bietet sie eine gute Spannung von 2,8 V in Verbindung mit einer hohen Ladedichte (0,8 Wh/cm³).
Die Elektroden bestehen aus Lithium und einem Iod-Komplex, die durch eine kristalline Schicht aus Lithiumiodid getrennt sind, die den Stromfluss ermöglicht. Das Lithiummetall fungiert als Anode dieser Batterie, d. h. es ist der negative Pol, der oxidiert und Elektronen verliert. Die Kathode, der positive Pol, der reduziert und Elektronen aufnimmt, ist der Iod-Komplex.
Eine weitere Lösung auf Lithiumbasis ist die Lithium-Ionen-Batterie. Ihr Name leitet sich von der Tatsache ab, dass ihr Betrieb auf der Bewegung von Lithium-Ionen (Li+) beruht. Sie wird derzeit häufig in Mobiltelefonen verwendet.
Es gibt auch Knopfzellen auf Alkali Basis, die jedoch im Vergleich zu den oben genannten Beispielen eine wesentlich geringere Kapazität und eine wesentlich weniger stabile Spannung aufweisen.
Aufgrund ihrer relativ geringen Kosten und ihrer langen Lebensdauer sind Knopfzellenbatterien auch die bevorzugte Wahl für sehr kleine Projekte mit geringem Stromverbrauch.
Knopfzellen sind kleine Sensoren auf der Basis von Spannungsmessern, die in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, u. a. in der Prüf- und Messtechnik und für allgemeine Zwecke.
Aufgrund ihrer robusten Bauweise sind Knopfzellen ideal für den Einbau in Maschinen, die starken Vibrationen ausgesetzt sind. Sie sind so konzipiert, dass sie über Millionen von Belastungszyklen hinweg eine gleichbleibend hohe Genauigkeit bieten. Sie sind vollständig aus Edelstahl gefertigt und haben geklebte oder vollverschweißte Dichtungen.
Die am häufigsten verwendete Knopfzelle ist der Typ C, eine 3-Volt-Lithiumbatterie, die in PC-Motherboards und Uhren zu finden ist. Das Modell CR 2032 zum Beispiel ist in jedem Elektrogeschäft und sogar in Supermärkten und an Kiosken erhältlich.
Knopfzellen sind häufig in Fernbedienungen, Taschenrechnern, Hauptplatinen, Mikrocontrollern, LED-Projekten und vielen anderen kleinen Geräten zu finden.
Die Miniaturisierung elektronischer Geräte und ihrer Programmierplatinen hat unweigerlich zur Miniaturisierung von Batterien geführt. Die Vorteile der Verkleinerung von Geräten können sehr offensichtlich sein, z. B. im Falle medizinischer Geräte. Diese Vorteile sind jedoch hinfällig, wenn es keine Batterien gibt, die mit den reduzierten Abmessungen kompatibel sind – hier kommen Knopfzellen ins Spiel.
Dieser Leitfaden bietet einen Einblick in die verschiedenen Typen und Anwendungen von Knopfzellen und zeigt die wichtigsten Eigenschaften auf, die es zu beachten gilt. Informieren Sie sich auf unserer Website über das Sortiment und die Verwendung der besten Knopfzellen.