Batterie (Elektrotechnik)
Eine elektrische Batterie ist eine Galvanische Zelle oder eine Kombination (Zusammenschaltung) mehrerer gleicher Zellen in gemeinsamem Gehäuse. Ursprünglich bezeichnete Batterie nur die Zusammenschaltung mehrerer Zellen, jedoch hat sich die Wortbedeutung im Sprachgebrauch entsprechend erweitert. Eine einzeln verwendete Zelle heißt zur Verdeutlichung auch Monozelle. Wiederaufladbare Batterien werden als Akkumulator bezeichnet.
Grundlagen
Die Elektrodenmaterialien legen die Nennspannung der Zelle fest. Höhere Spannungen erhält man durch ein Hintereinanderschalten (Reihenschaltung) mehrerer Zellen.
Die Kapazität einer Batterie wird als theoretisch entnehmbare Ladungsmenge in Amperestunden (Einheit: Ah) angegeben (im Gegensatz zu einem Kondensator, wo sie in Ladung pro Spannung gemessen wird).
Vorwiegend aus Marketinggründen ist die Kapazität bei nicht wiederaufladbaren Batterien nicht angegeben und findet sich nur in den Datenblättern der Hersteller.
Die Batteriekapazität lässt sich bei einem Entladevorgang nach einer vorgegebenen Norm messen.
Die entnehmbare Kapazität hängt vom Entladestrom und der Entladespannung der Batterie ab. Es sind verschiedene Entladeverfahren üblich, u. a.: Entladung mit konstantem Strom, Entladung über konstanten Widerstand oder Entladung mit konstanter Leistung. Je nach Entladeverfahren weist die Batterie eine andere Kapazität auf. In einer sinnvollen Angabe der Nennkapazität müssen daher Entladestrom und Entladeschlussspannung mit aufgeführt werden.
Generell nimmt die entnehmbare Kapazität einer Batterie mit zunehmendem Entladestrom ab. Grund hierfür sind sowohl die zunehmenden Verluste am Innenwiderstand der Batterie als auch die Tatsache, dass die chemischen Prozesse in der Batterie mit begrenzter Geschwindigkeit ablaufen. Die Verringerung der entnehmbaren Kapazität mit zunehmendem Entladestrom ist stark vom Typ der Batterie abhängig.
Die im praktischen Gebrauch entnehmbare Ladungsmenge hängt ab vom Batterietyp, der Höhe des Entladestroms, der Restspannung bei Entladungsende, des Batteriealters und der Temperatur (Siehe auch Energiedichte).
Die Batteriekapazität oder der Maximalstrom bei gegebener Spannung lassen sich durch größer gebaute Zellen erhöhen. Ein Parallelschalten von Zellen zur Kapazitätserhöhung könnte demgegenüber zur gegenseitigen Entladung führen, da sich einzelne Zellen in ihrer Leerlaufspannung etwas unterscheiden, so dass Ausgleichsströme zwischen den Zellen fließen würden.
Alle Batterien unterliegen bei Lagerung einer gewissen Selbstentladung, abhängig vom Batterietyp und der Lagerungstemperatur: Je niedriger die Temperatur, desto weniger Selbstentladung findet statt. Akkus verlieren ihre Ladung relativ schnell. Zink-Luft-Batterien für Hörgeräte sind hingegen am haltbarsten, weil sie nur unter Luftzufuhr Strom liefern - und die Öffnungen an der Batterie sind während der Lagerung mit einem Kunststoffkleber verschlossen.
In Deutschland regelt die Batterieverordnung die Rücknahme und Entsorgung von Batterien. Sie legt unter anderem fest, dass in Deutschland keine Batterien oder Zellen mit einem Quecksilbergehalt von mehr als 0,0005 Gewichtsprozent in den Verkehr gebracht werden dürfen. Bei Knopfzellen darf der Quecksilbergehalt nicht über 2,0 Gewichtsprozent liegen. Auch Alkali-Mangan-Batterien enthalten heutzutage kein Quecksilber mehr, während es in den ersten Baureihen noch zum Amalgieren des Elektrodenmaterials erforderlich war. Siehe auch Batterierecycling.
Nicht jeder Batterietyp ist in jedem Land erhältlich. Deshalb gibt es insbesondere Flachbatterie-Adapter, welche drei AA-Batterien zu je 1,5 V aufnehmen. Der Adapter lässt sich dann überall dort verwenden, wo auch eine Flachbatterie hineinpasst. Nützlich sind Adapter auch, weil es bis jetzt keine wiederaufladbaren Flachbatterien gibt.
Typen-Variationen
Handelsübliche Batterien gibt es in zahlreichen Varianten sowohl nach dem zugrunde liegenden chemischen Redoxsystem als auch nach den elektrischen Werten oder der geometrischen bzw. konstruktiven Bauform. Von den nachfolgend aufgeführten Bezeichnungen können mehrere zusammen einen Batterietyp beschreiben, z. B. "Alkali-Mangan-Batterie – LR 6/AM-3 – AA – Mignon". Oft wird aber nur ein bestimmtes Merkmal gefordert, z. B. die Größe „AA“ für eine speziell darauf abgestimmte Taschenlampe. Von einer Trockenbatterie spricht man, wenn der Elektrolyt, z. B. durch Eindickung, nicht flüssig vorliegt. Dadurch wird die Batterie in beliebiger räumlicher Orientierung, also insbesondere für transportable Anwendungen, einsetzbar.
Einsatzbereiche
Nach dem Einsatzgebiet gibt es folgende Begriffe und Zuordnungen:
- Gerätebatterien dienen zur Stromversorgung kleiner, meist tragbarer Geräte, beispielsweise in Taschenlampen. Besonders kleine Ausführungen werden als Knopfzelle bezeichnet.
- Insbesondere für Kraftfahrzeuge werden Starterbatterien verwendet.
- Elektrofahrzeuge verfügen über Traktionsbatterien.
- Stationäre Batterien werden bei ortsfesten Anwendungen wie beispielsweise unterbrechungsfreien Stromversorgungen eingesetzt.
Primärzellen
Primärzellen sind galvanische Zellen, die nach der Entladung nicht wieder neu aufgeladen werden können. Die verschiedenen Typen werden nach den eingesetzten Materialien bezeichnet:
- Alkali-Mangan-Batterie; 1,5 Volt Nennspannung pro Zelle
- Zink-Kohle-Batterie; 1,5 Volt pro Zelle
- Nickel-Oxyhydroxid-Batterie; 1,5 Volt pro Zelle
- Lithium-Batterien; je nach Kathodenmaterial 2,9 bis 3,6 V
- Lithium-Eisensulfid-Batterie; 1,5 Volt pro Zelle
- Zink-Luft-Batterie; 1,5 Volt pro Zelle
- Quecksilberoxid-Zink-Batterie; 1,35 Volt pro Zelle
- Silberoxid-Zink-Batterie; 1,55 Volt pro Zelle
Sekundärzellen
Sekundärzellen oder Akkumulatoren sind galvanische Zellen, die nach der Entladung wieder aufgeladen werden können. Verbreitete Typen werden ebenfalls nach den verwendeten Materialien bezeichnet:
- Bleiakkumulator (Bleidioxid/Blei); 2 Volt Nennspannung pro Zelle. Der Elektrolyt (Schwefelsäure H2SO4) kann in flüssiger Form, in Vlies gebunden oder als Gel eingedickt (Blei-Gel-Akku) vorhanden sein.
- Nickel-Cadmium-Akku; 1,2 Volt pro Zelle
- Nickel-Metallhydrid-Akku; 1,2 Volt pro Zelle
- Lithium-Ionen-Akku; 3,7 Volt pro Zelle
- Lithium-Polymer-Akku; meist 3,7 Volt pro Zelle
- Alkali-Mangan-Batterie (englisch: Reusable Alkaline Manganese, kurz: RAM); 1,5 Volt pro Zelle
- Silber-Zink-Akku; 1,5 Volt pro Zelle
- Nickel-Wasserstoff-Akku; 1,2 V pro Zelle
- Zink-Brom-Akku; 1,76 V pro Zelle
Baugrößen
Als Gerätebatterien werden häufig die elektrischen Batterien bezeichnet, die sehr verbreitet im Alltag für die Energieversorgung von Elektrokleingeräten wie Uhren, Radios, Spielzeug, Taschenlampen u. ä. und auch in fest installierten Geräten wie Brandmeldern verwendet werden.
Gerätebatterien müssen kompakt, lageunabhängig einsetzbar, leicht und trotzdem mechanisch widerstandsfähig sein. Sie dürfen bei normaler Lagerung und Verwendung im Gerät weder auslaufen noch gasen. Sie sind in einer Vielzahl von Ausführungen auf der Basis von Zink-Kohle- oder Alkali-Mangan-Batterie im Handel erhältlich. Ihre Bezeichnung folgt den von der IEC festgelegten Leistungsklassen und den von der ANSI genormten Baugrößen:
| IEC, geringe Leistung (C) | IEC, höhere Leistung (KOH) | ANSI | Bezeichnung | Größe | Spannung (V) | Kapazität (Ah) Zink-Kohle ca. | Kapazität (Ah) Alkali-Mangan ca. |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| E96 | LR 61 | AAAA | Mini | Ø 8,3 mm, h 42,5 mm | 1,5 V | ? | 0,5 - 0,6 |
| R03/UM-4 | LR 03/AM-4 | AAA | Micro | Ø 10,3 mm, h 45 mm | 1,5 V | 0,37 - 0,54 | 0,9 - 1,25 |
| R6/UM-3 | LR 6/AM-3 | AA | Mignon | Ø 14,3 mm, h 51 mm | 1,5 V | 0,7 - 1,1 | 2,2 - 2,85 |
| R14/UM-2 | LR 14/AM-2 | C | Baby | Ø 27 mm, h 50 mm | 1,5 V | 1,8 - 3,8 | ca. 8 |
| R20/UM-1 | LR 20/AM-1 | D | Mono | Ø 35 mm, h 62 mm | 1,5 V | 4 - 8 | ca. 20 |
| UM-5 | AM 5/LR-1 | N | Lady | Ø 12 mm, h 30 mm | 1,5 V | 0,4 | ca. 0,8 |
| 2R10 | Duplex | Stabbatterie | Ø 21,8 mm, h 74,6 mm | 3,0 V | ? | ? | |
| 1203 | LR 12/Flach | J | Flat Pack oder Flachbatterie | l 67 mm, b 62 mm, h 22 mm | 4,5 V (3 Zellen á 1,5 V) | 2,7 | 5,9 |
| F22/E-Block | E-Block/AM-6 | 1604D | E-Block oder 9-V-Block | l 48,5 mm, b 26,2 mm, h 17 mm | 9 V (6 Zellen á 1,5 V) | 0,19 - 0,33 | 0,5 - 0,6 |
Neben diesen „Standardtypen“ gibt es noch eine große Formenvielfalt bei produktspezifischen Batterien für z. B. Fotoapparate und bei Knopfzellen.
Siehe auch
Literatur
- Lucien F. Trueb, Paul Rüetschi: Batterien und Akkumulatoren – Mobile Energiequellen für heute und morgen. Springer, Berlin 1998 ISBN 3-540-62997-1
- David Linden, Thomas B. Reddy (Hrsg.): Handbook of Batteries. 3. Auflage. McGraw-Hill, New York 2002 ISBN 0-071-35978-8
- DIN 40 729 Akkumulatoren – Galvanische Sekundärelemente – Grundbegriffe
- Andreas Jossen, Wolfgang Weydanz: Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen, Printyourbook 2006, ISBN 9783939359111
Weblinks
- Die richtige Batterie für den richtigen Einsatz, die wichtigsten Größen und Typen
- Battery University (englisch / deutsch)
Gerätebatterien
- Batterie-Glossar
- Battery Chemistry FAQ (Englisch)
- Stiftung Gemeinsames Rücknahmesystem Batterien
- Leitfaden für die Gleichstromversorgung
- Datenblätter zu Gerätebatterien des Herstellers B.B. Battery
