Batterie (Elektrotechnik)
Eine Batterie ist ein elektrochemischer Energiespeicher und ein Wandler. Bei der Entladung wird gespeicherte chemische Energie durch die elektrochemische Redoxreaktion in elektrische Energie gewandelt. Die umgewandelte Energie kann von einem vom Stromnetz unabhängigen elektrischen Verbraucher genutzt werden.
In nicht wiederaufladbaren Primärbatterien sind die Reaktionen bei der Entladung nicht oder nur teilweise umkehrbar. Dagegen sind in wiederaufladbaren Sekundärbatterien (Akkumulatoren) die Entladereaktionen weitgehend umkehrbar, sodass eine mehrfache Umwandlung von chemischer in elektrische Energie und zurück möglich ist.
Der Begriff „Batterie“ bezeichnet eine Zusammenschaltung mehrerer galvanischer Zellen. Umgangssprachlich wird der Begriff auch für einzelne galvanische Zellen verwendet.
Aufgrund der vielen Einsatzbereiche mit sehr unterschiedlichen Anforderungen bezüglich Spannung, Leistung und Kapazität gibt es heute Batterien in nahezu unüberschaubaren Ausführungen.
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. 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 Entladeschlussspannung 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 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 oder durch Parallelschaltung von Zellen oder Batterien erhöhen.
Praktisch alle Batterien unterliegen bei Lagerung einer gewissen Selbstentladung, abhängig vom Batterietyp und der Lagerungstemperatur: Je niedriger die Temperatur, desto weniger Selbstentladung findet statt. Die meisten Akkus verlieren ihre Ladung relativ schnell. Zink-Luft-Batterien für Hörgeräte sind hingegen am haltbarsten, weil sie nur unter Luftzufuhr Strom liefern; die Öffnungen an der Batterie sind während der Lagerung mit einem Folienaufkleber 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-Zellen 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 dato keine wiederaufladbaren Flachbatterien gibt.Die Nutzungsbedingungen sind dabei in jeder der Antworten vorhanden. Engel ich liebe dich
Geschichte
Das erste funktionierende galvanische Element und damit die erste Batterie wurde in Form der „Voltaschen Säule“ im Jahr 1800 von Alessandro Volta vorgestellt. Regelmäßig wieder auftretende Mutmaßungen über bereits in der Antike genutzte Batterien gründen sich hauptsächlich auf ein einzelnes Tongefäß, das 1936 von dem österreichischen Archäologen Wilhelm König südöstlich von Bagdad entdeckt wurde und in dem er ein galvanisches Element zu erkennen glaubte. Aus verschiedenen Gründen ist die Funktion dieses als „Bagdad-Batterie“ bekannt gewordenen Gefäßes zweifelhaft.
Typvariationen
Handelsübliche Batterien und Zellen 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, etwa durch Eindickung, nicht flüssig vorliegt. Dadurch wird die Batterie in beliebiger räumlicher Orientierung einsetzbar, also insbesondere für mobile Anwendungen.
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
- Zink-Chlorid-Batterie; 1,5 Volt pro Zelle
- Quecksilberoxid-Zink-Batterie; 1,35 Volt pro Zelle
- Silberoxid-Zink-Batterie; 1,55 Volt pro Zelle
- Natrium-Nickel-Chlorid-Batterie
Sekundärzellen
Sekundärzellen, auch als Akkumulatoren bezeichnet, sind galvanische Zellen, die nach der Entladung wieder aufgeladen werden können. Näheres zu Sekundärzellen ist im Hauptartikel Akkumulator beschrieben. 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. Der Bleiakkumulator ist massenhaft verbreitet als Autobatterie.
- 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: Rechargeable Alkaline Manganese, kurz: RAM); 1,5 Volt pro Zelle
- Silber-Zink-Akku; 1,5 Volt pro Zelle
- Nickel-Wasserstoff-Akku; 1,50 V pro Zelle
- Zink-Brom-Akku; 1,76 V pro Zelle
- Natrium-Nickelchlorid-Akku (bekannt als Zebra Batterie)
- Nickel-Eisen-Akku; 1.2-1.9V Nennspannung/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 robust sein. Sie dürfen bei normaler Lagerung und Verwendung im Gerät weder auslaufen noch ausgasen. 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 (Zink-Kohle) |
IEC (Alkali-Mangan) |
ANSI | Bezeichnung | Größe | Nennspannung | Kapazität (mAh) Zink-Kohle |
Kapazität (mAh) Alkali-Mangan |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| LR 61 | AAAA | Mini | Ø 8,3 mm, H 42,5 mm | 1,5 V | 300 | 500...600 | |
| R03/UM-4 | LR 03/AM-4 | AAA | Micro | Ø 10,3 mm, H 45 mm | 1,5 V | 370...540 | 900...1250 |
| R6/UM-3 | LR 6/AM-3 | AA | Mignon | Ø 14,3 mm, H 51 mm | 1,5 V | 700...1.100 | 2.200...2.850 |
| SUB-C | Ø 23 mm, H 43 mm | 1,5 V | 1.700...2.600 | ||||
| R14/UM-2 | LR 14/AM-2 | C | Baby | Ø 27 mm, H 50 mm | 1,5 V | 1.800...3.800 | ≈ 8.000 |
| R20/UM-1 | LR 20/AM-1 | D | Mono | Ø 35 mm, H 62 mm | 1,5 V | 4.000...8.000 | ≈ 20.000 |
| R 1/UM-5 | LR 1/AM-5 | N | Lady | Ø 12 mm, H 30 mm | 1,5 V | ≈ 400 | ≈ 800 |
| 2R10 | 2LR10 | Duplex | Stabbatterie | Ø 21,8 mm, H 74,6 mm | 3,0 V (2 Zellen à 1,5 V) | 1.000...1.500 | |
| 3R12/1203 | 3LR12 | Flachbatterie | L 67 mm, B 62 mm, H 22 mm | 4,5 V (3 Zellen à 1,5 V) | ≈ 2.700 | ≈ 5.900 | |
| 4LR61 | J | Flat Pack | L 49 mm, B 36 mm, H 8,5 mm | 6 V (4 Zellen à 1,5 V) | 500...600 | ||
| 6F22 | 6LR61/AM-6 | 1604D | E-Block oder 9 V-Block |
L 48,5 B 26,2 mm, H 17 mm | 9,0 V (6 Zellen à 1,5 V) 6F22 = 6x Flachzelle 22 6LR61 = 6x Rundzelle LR61 | 190...330 | 500...600 |
Neben diesen „Standardtypen“ gibt es noch eine große Formenvielfalt bei produktspezifischen Batterien, beispielsweise für Fotoapparate und bei Knopfzellen.
Siehe auch
- Batterieseparator
- Batterierecycling
- Atombatterie (Radioisotopengenerator)
- Deflagrator
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 0-07-135978-8 (englisch)
- Clive D.S. Tuck (Hrsg.): Modern Battery Technology. Ellis Horwood, New York 1991, ISBN 0-13-590266-5 (englisch)
- DIN 40 729 Akkumulatoren – Galvanische Sekundärelemente – Grundbegriffe
- Andreas Jossen, Wolfgang Weydanz: Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen. Printyourbook, 2006, ISBN 978-3-939359-11-1
Weblinks
- Geschichte der elektrischen Energiespeicherung (Deutsch)
- Battery University, detaillierte Informationen zu Batterien (Englisch / Deutsch)
- Battery Chemistry FAQ (Englisch)
- Leitfaden für die Gleichstromversorgung
- Die "ideale" Batterie / Leistungsvergleich
