Im 19. Jahrhundert wurden die Leclanches Zink-Kohlezelle und Plantes Bleiakkumulator erfunden.

Um 1900 folgte der Jungner Nickel-Cadmium-Akkumulator.

Die Leclanches Zink-Kohlezelle zählt man zu der nicht aufladbaren Batterie, die sogenannten Primär-Batterie. Die Batterie wurde in den 60er Jahren weiterentwickelt, es handelt sich hierbei um die Alkali-Mangan Batterie. Diese Batterie wird bis heute für verschiedenste Geräte wie zum Beispiel Taschenlampen, Radios, Fernbedienungen usw. verwendet. Durch ihr nahezu perfektes Preis-Leistungsverhältnis haben es diese Batterien geschafft, bis heute ein fixer Bestandteil am Markt zu bleiben. Natürlich wurden diese Batterie-Arten trotzdem noch weiterentwickelt. Sie sind schadstoffärmer, auslaufsicherer, lagerfähiger, zuverlässiger und leistungsstärker geworden.

Jungner Nickel-Cadmium-Akku und Plantes Bleiakku gehören zu der Gattung der Sekundär-Batterie. Sekundär-Batterien sind geläufiger unter dem Namen Akkumlatoren (kurz: Akkus). Plantes Sekundär-Batterie wird bis heute für den Antrieb von Elektrofahrzeugen und in Automobilen verwendet. Er besitzt eine hohe Lebensdauer, einen verhältnismäßig günstigen Preis und hat sich aus diesen Gründen trotz seines hohen Gewichts bis heute durchgesetzt. Im Laufe der Jahre wurde die Sekundär-Batterie immer mehr verbessert, ihr Gewicht wurde reduziert und die Zuverlässigkeit und Lebensdauer erhöht. Die Selbstentladung wurde vermindert und die Säure immobilisiert.

Jungners Nickel-Cadmium-Akku hat sich anfangs aufgrund seines geringen Gewichts für den Betrieb mobiler Geräte durchgesetzt.

Die Silberoxid-Zink Batterie wird für den Betrieb von Uhren verwendet. Die Zink-Luft-Zelle wird in Hörgeräten verwendet, die Lithium-Iod Batterie findet Verwendung in Herzschrittmachern. Der Lithium-Ion Akku wird in mobilen Endgeräten, wie z.B. dem Laptop, verwendet.

Zink Kupfer Batterie mit spiralförmigen Elektroden. Baujahr 1822

Die Volta-Säule war erste elektrochemische Stromquelle und damit der Vorläufer der heutigen Batterien. Die Volta-Säule besteht aus einer bipolaren Anordnung von Kupfer und Zinkplatten. Dazwischen befinden sich Kartonplatten, die in Salzlösung oder Säure getränkt sind. In der Volta-Säule kann statt Zink kann auch Zinn und statt Kupfer Messing verwendet werden. Am Ende dieser Säulen kann die entstehende Spannung entnommen werden.

Die Einzelteitel der Volta-Säule werden Volta-Elemente genannt. Diese Voltaelemente sind eine Aneinanderreihung von galvanischen Zellen. Die Volta-Säule besteht aus aneinander gestapelten Zink und Kupferplättchen. Zwischen diesen Plättchen befinden sich Scheiben aus Karton oder Baumwolltuch, die mit verdünnter Kochsalzlösung getränkt sind.

Durch die Oxidation (Abgabe von Elektronen) der negativen Zinkanode und die Reduktion von Sauerstoff das durch das intermediär entstehende Kupferoxid an der postiven Kupferkathode bildet die elektrochemische Stromquelle. Durch die unterschiedliche Konsistenz lösen sich die Plättchen unterschiedlich schnell auf. Die Zinkelemente lösen sich rascher auf und geben zwei ihrer Elektronen ab. Dadurch entsteht ein Elektronenüberschuss in der Zinkelektrode. Dadurch wird das Zink zur negativen Elektrode. An positive Kupferkathode, die Elektronen aufnimmt, passiert eine Reduktion. Am Ende dieser Säulen wird dann die Spannung abgenommen. Diese Spannung entspricht der Summe der Einzelspannungen der Elemente, das sind ca, 1,1 Volt pro Kupfer-Zink Kombination.

Abbildung: Die Galvanische Zelle

Die galvanische Zelle besteht aus zwei Elementen (Kammern), die durch eine Membran voneinander getrennt sind. In der einen Kammer der galvanischen Zelle befindet sich ein eine Zinkelektrode die in einer Zinksulfatlösung getaucht ist. In der anderen Kammer der galvanischen Zelle befindet sich ein Kupferelement. Zink und Kupfer lösen sich durch die Flüssigkeit auf, in die sie getaucht sind. Durch die Zinksulfatlösung gehen einige Zink-Atome in Lösung, die Elektronen bleiben auf der Zinkelektrode, es entsteht eine negative Ladung auf der Zinkelektrode.
Die positiv geladenen Ionen lösen sich in der Lösung und es entsteht eine so genannte Doppelschicht. Die Doppelschicht besteht aus einer negativen Schicht, die durch die negativen Ionen an der Zinkelektrode entsteht. Die hydratisierten Ionen, setzen sich durch elektrostatische Kräfte an der Oberfläche der Elektrode ab.

Die andere Kammer der galvanischen Zelle, in der sich die Kupferelektrode befindet, ist mit Kupfersulfalösung gefüllt. Hier lösen sich auch Kupferatome. Es entsteht ebenfalls durch die Sammlung der Elektronen an der Kupferelektrode eine negative Ladung und eine Lösung der positiven Kupfer-Ionen. Bei der Kupferelektrode werden aber weniger Elektronen abgegeben, das heißt, die negative Ladung ist geringer. Nach einiger Zeit würde die Auflösung stoppen, da die negative Spannung die weitere Auflösung von Atomen verhindern würde. Die beiden Kammern der galvanischen Zelle sind durch einen Draht (der elektrische Leiter), durch die die freigegebenen Elektronen geleitet werden können, verbunden. Dadurch entsteht Spannung, aber noch kein Strom. Darum werden die beiden Kammer der galvanischen Zelle mittels einer Ionenbrücke verbunden.

Erklärungsvideo zur Galvanischen Zelle:

Video-Quelle:oberprima.com Video bei Sevenload.

Die Weiterentwicklung dieser Batterie folgte 1896, als ein fester Stoff das flüssigen Elektrolyt ersetzte. Dafür wurde aus Ammoniumchloridlösung eine Art Gel gekocht. Die Zinkelektrode wurde zu einem Becher geformt und diente von da an zusätzlich als Gefäß.

Mangan Zink Flachzelle

In den 20er Jahren wurde das tragbare Röhrenradio erfunden. Dieses brauchte eine kompakte Batterie mit einer relativen hohen Spannung (20-100 Volt). Dafür wurden die Flachzellen entwickelt. Statt des Zinkbechers wurde eine Zinkblechscheibe verwendet. Diese Zinkblechscheibe war auf der einen Seite mit einem Seperatorpapier beschichtet, die andere Seite mit einer leitfähigen Kohlenstoff-Kunsstoff-Lösung. Diese bipolaren Zellen wurden übereinander gestapelt und man erhielt damit Batterien mit einer hohen Spannung.

Zink Kohle Batterie auch bekannt als Zink Braunstein Zelle

Eine Zink-Kohle Batterie besteht aus einem Zink-Behälter in dem sich Salmiaklösung und Braunstein befinden. In dieser Füllung der Zink-Kohle Batterie befindet sich ein Kohlestift.
Bei der Entladung werden bei der negativen Elekrode die Zinkatome zu Zinkionen oxidiert, dabei werden pro Zinkatom zwei Elektronen abgegeben. Die Elektrode wird dadurch negativ.

Die Zink-Elektrode der Zink-Kohle Batterie kann, solange sie nicht mit dem Zinkkohlestift verbunden ist, ihre überschüssigen Elektronen nicht abgeben. Es ensteht ein Überschuss an negativ geladenen Zink-Ionen. Dadurch entsteht ein Gleichgewicht. Es können keine weiteren Elektronen aus dem Zink-Kohle-Stift austreten.
Wird der äußere Stromkreis der Zink-Kohle Batterie geschlossen, fließen die negativ geladenen Ionen zum positiv geladenen Kupferstab und ziehen die positiv geladenen Ionen ebenfalls mit.
Das Gleichgewicht auf der Seite der Zinkelektrode ist nun wieder aufgehoben, es können weitere Elektroden aus dem Zink austreten. Dies hält an, bis Elektrolyt keine Elektronen mehr aufnehmen kann, oder der Stromkreis wieder unterbrochen wird.

Hieraus ergibt sich folgende Reaktion beim Entladen ableiten:

Minuspol (Anode):

Pluspol (Kathode):

Alkaline Mangan Batterie

Das pulverförmige Kathoden-Material der Alkali-Mangan Batterie erhält man durch pulverisiertem Braunstein, Graphit und Alkalilauge.
Die Alkali-Mangan Batterie selbst wird durch einen Kunststoffdeckel abgedichtet. Dieser Kunststoffdeckel wird zentral verstärkt, weist aber ein kleines Loch auf. Durch dieses Loch wird ein Messingnagel, der als Stromableiter dient, in die Zinkmasse gepresst.
Die Alkali-Mangan Batterien werden zur Überprüfung ihrer Dichte unter erschwerten Bedingungen (hohe Temperatur und Feuchtigkeit) 10-12 Tage gelagert. Nach dieser Lagerung und der Aussortierung der lecken Batterien wird die Alkali-Mangan Batterie mit einer Hülle umwickelt, die aus metallisiertem Kunststoff besteht.

Zink-Kohle Batterien sind sehr beschränkt aufladbar und das nur dann, wenn sie zuvor nur geringfügig entladen worden sind. Alkali-Mangan können einfacher aufgeladen werden, sie haben eine größere innere Oberfläche der Zink-Oberfläche. Trotzdem werden Alkali-Mangan Batterien nicht zu den Akkus gezählt. Beim Aufladen besteht eine hohe Gefahr des Austretens der Alkali-Lauge, die stark ätzend für den Menschen ist und Korrosion der Metallteile in Geräten verursacht.
Die Versionen der Alkali-Mangan Batterie, die man aufladen kann nennt man Rechargeable Alkaline Manganese (RAM) allerdings sind diese nicht weit verbreitet. Sie werden mit einem speziellen billigen Ladegerät angeboten. Hiermit können Alkali-Mangan Batterien des Typs LR6 oder AA (14 mm Durchmesser, 50 mm Länge) auf 200 mA. Die Ladespannung beträgt 0,65-1,70 V pr Zelle, auf den jeweiligen Batterie-Typ abgestimmt. Hier besteht jedoch weiterhin das Risiko von Lecks.

Knopfzellen

Die erste Art der Knopfzellen wurde schon 1883 zum Patent angemeldet.
Anfangs waren die Knopfzellen nur im militärischen Bereich und in der Raumfahrt vertreten, Grund dafür war der hohe Preis der Silberelektrode. Wiederaufladbare Knopfzellen unterscheiden sich in ihrem Aufbau nur gering von nicht aufladbaren Kopfzellen. Sie besitzen eine Membran die als zusätzliche Separator für eine längere Lebensdauer dienen.
Knopfzellen besitzen eine hohe Leistungsdichte. Silberoxid-Zink Knopfzellen besitzen eine relative niedrige Lebensdauer bedingt durch den Abbau des Separators beim Laden und der Verformung der Zinkelektrode.

Die Herstellung einer Lithium-Knopfzellen bedeutet viel Aufwand. Das darin enthaltene Lithium-Metall ist reagiert sehr empfindlich auf Feuchtigkeit. Die Herstellung erfolgt in begehbaren Trockenräumen oder Handschuhkästen. Die Anode dieser Knopfzelle ist aus Lithium-Metall.
Diese Art von Knopfzellen wird meistens in Taschenrechnern, Computern, Quarzuhren, Herzschrittmachern, Hörgeräten und tragbaren Instrumenten verwendet. Die durchschnittliche Lebensdauer beträgt 6-7 Jahre. Lithium-Batterien besitzen eine hohe Energiedichte und eine geringe Selbstentladung, stellen jedoch auch ein Sicherheitsrisiko dar. Bei Knopfzellen ist dieses Risiko noch sehr gering.

Heutige Knopfzellen kommen ganz ohne Zusatz von Quecksilber aus.
Als Elekrolyt der Knopfzellen wird 40%ige Natron- oder Alkalilauge verwendet. Bei der Entladung entsteht Silber- oder Zinkoxid.

Beschreibende Darstellung einer Knopfzelle

Abbildung Lithium Ion Akku

Die negative Elektrode vom Lithium-Ion Akku besteht aus Graphit die positive Elektrode besteht häufig aus Lithium-Metalloxid. Die positive Elektrode muss aus einem möglichst leichten Material bestehen, die Lithium-Ionen, die beim Entladen von der negativen Elektrode abgegeben werden, aufnehmen zu können.
Weitere Weiterentwicklung vom Lithium-Ion Akku ist der Lithium-Titanat-Akkumulator und der Lithium-Schwefel-Akkumulator

Der Lithium-Polymer-Akku ist eine Verbesserung des Lithium-Ion Akkus. Das Elektrolyt vom Lithium-Polymer-Akku ist nicht mehr flüssig, sondern ist in Polymerform (geleartig bis fest). Der Vorteil dieser Polymerform ist, dass schon bei Zimmertemperatur der Lithium-Polymer-Akku volle Leistung erbringt und damit eine höhere Energie-Dichte besitzt. Der Nachteil ist, dass er sehr empfindlich auf Überladung, Tiefentladung und zu hohen oder niedrigen Temperaturen ist. Um das zu verhindern sind handelsübliche Lithium-Polymer-Akku mit einer Schutzschaltung versehen.

Achtung: Aktuell werden viele Lithium Polymer Akkus wegen Feuergefahr zurück gerufen. Herr Thomas Pfeifer hat in einem Versuchsaufbau dargestellt was passiert wenn ein Lithium Polymer Akku überladen wird.

Abbildung Lithium Batterie / Akku

Der Lithium Akku besitzt einen großen Vorteil, er besitzt keinen Memoryeffekt. Der Lithium-Akku wird sehr häufig in mobilen Geräten wie z.B. Handys und Laptops verwendet. Das Lithium ist das leichteste Alkalimetall und reagiert sehr stark mit Wasser. Daher muss bei einem Lithium-Akku ein Elektrolyt verwendet werden, das eine hohe chemische Beständigkeit und Löslichkeit der Lithiumsalze besitzt. Als Leitsalz in einem Lithium Akku werden Carbonate, wie z.B. das Polycarbonat eingesetzt. Die Elektroden vom Lithium-Akku werden mit einem hitzeunempfindlichen Stoff ummantelt, da bei einer zu starken Beanspruchung oder beim Kurschließen das Lithium schmelzen kann. Dadurch wird die Deckschicht beschädigt und das Metall reagiert mit dem Elektrolyt, was zu explosionsartigen Zerstörung führen kann. Wenn man einen Lithium-Akku länger unbenutzt lagern will, sollte man ihn davor etwa zur Hälfte enladen damit er sich nicht tiefentlädt. Die Tiefenladung vom Lithium-Akku kann dazu führen, dass er sich selbst „auffrisst“. Auch die Temperatur spielt bei der Lebensdauer eine große Rolle. Wenn ein Lithium-Akku lange über eine Temperatur von 50° Celsius gelagert wird, sinkt die Lebensdauer rapide. Darum ist die Lebensdauer vom Lithium-Akku in einem Gerät, das viel Wärme ausstrahlt automatisch kürzer. Dies ist z.B. bei einem Laptop der Fall.