Batterie (Elektrotechnik)
Der Begriff Batterie bezeichnet ursprünglich eine Zusammenschaltung (zumeist die Reihenschaltung) mehrerer als Energiequelle genutzter galvanischer Zellen. Es ist in der Alltagssprache üblich geworden, auch eine einzelne Zelle so zu bezeichnen.
Grundlagen
Eine solche Zelle ist ein elektrochemischer Energiespeicher und ein Energiewandler. Bei der Entladung wird gespeicherte chemische Energie durch die elektrochemische Redoxreaktion in elektrische Energie umgewandelt. Diese kann von einem vom Stromnetz unabhängigen elektrischen Verbraucher genutzt werden. Alternativ kann sie auch in einem vom Stromnetz abhängigen Verbraucher eingesetzt werden, um kurzzeitige Ausfälle im Stromversorgungsnetz zu überbrücken und so eine unterbrechungsfreie Stromversorgung sicherstellen.
Primärzellen können nur einmal entladen und nicht wieder aufgeladen werden. In diesen Zellen sind die Reaktionen bei der Entladung teilweise umkehrbar, dies führt jedoch nicht zur Wiederherstellung eines dem Neuzustand ähnlichen Energieinhalts. Dagegen sind die wiederaufladbaren Sekundärbatterien (Akkumulatoren) weitgehend in den Ladezustand ähnlich dem Neuzustand zu bringen, so dass eine mehrfache Umwandlung von chemischer in elektrische Energie und zurück möglich ist.
Die Elektrodenmaterialien legen die Nennspannung der Zelle fest. Höhere Spannungen erhält man durch Hintereinanderschalten (Reihenschaltung) mehrerer Zellen.
Als Kapazität einer Batterie (nicht zu verwechseln mit der Kapazität eines elektrischen Kondensators) wird die in der Batterie gespeicherte elektrische Ladung bezeichnet. Man unterscheidet die theoretische Kapazität (hängt von der Menge des aktiven Materials in der Batterie ab) von der unter bestimmten Bedingungen entnehmbaren Ladung („praktische“ Kapazität). Die Kapazität wird meist in Amperestunden (Abkürzung: Ah), seltener in Amperesekunden = Coulomb (Einheitenzeichen: C) angegeben. Die Kapazität hängt nicht von der Anzahl der in Reihe ("hintereinander") geschalteten Zellen ab, erhöht sich jedoch bei Parallelschaltung.
Die entnehmbare Kapazität einer Batterie hängt von den Entladebedingungen (beispielsweise Belastung, Entladeschlussspannung, Temperatur) sowie der Vorgeschichte der Batterie (beispielsweise Dauer und Bedingungen der Lagerung vor der Entladung) ab. Deswegen werden praktische Batteriekapazitäten durch genormte Entladeverfahren unter vorgegebenen Bedingungen bestimmt. Zu den üblichen Entladeverfahren zählen die Entladung mit konstantem Strom, die Entladung über einen konstanten Widerstand und die Entladung mit konstanter Leistung. Je nach Entladeverfahren weist die Batterie eine andere Kapazität auf. In einer sinnvollen Angabe der Nennkapazität müssen daher Entladeverfahren und Entladebedingungen mit aufgeführt werden. Batteriekapazitäten können den Datenblättern der Batteriehersteller entnommen werden.
Generell nimmt die entnehmbare Kapazität einer Batterie mit zunehmendem Entladestrom ab. Dieser Effekt wird durch die Peukert-Gleichung beschrieben. Gründe dafür sind die zunehmenden Verluste am Innenwiderstand der Batterie und die begrenzte Geschwindigkeit der elektrochemischen Prozesse und Transportvorgänge in der Batterie. Die Verringerung der entnehmbaren Kapazität mit zunehmendem Entladestrom ist stark vom elektrochemischen System und dem Aufbau der Batterie abhängig.
Die Batteriekapazität oder der Maximalstrom bei gegebener Spannung lassen sich durch größer gebaute Zellen oder durch Parallelschaltung von Zellen oder Batterien erhöhen.
- Leistung
- Die Leistung einer Batterie ist die Menge an elektrischer Energie, die pro Zeiteinheit entnommen werden kann. Sie wird in der Regel in Watt (Einheitenzeichen W) angegeben und ist das Produkt aus Entladestrom und Entladespannung.
- Energieinhalt
- Die in einer Batterie gespeicherte Energie elektrische Arbeit wird meist nicht angegeben, die Energie pro Masse oder pro Volumen ist jedoch eine typische Kenngröße von Batteriesystemen. Eine Einschätzung je nach Typ geben Diagramme vergleichender Energieangaben (siehe Diagramm).
- Selbstentladung
- Alle Batterien unterliegen bei Lagerung der Selbstentladung. Die Geschwindigkeit der Selbstentladung hängt unter anderem vom Batterietyp und der Temperatur ab. Je niedriger die Lagertemperatur, desto geringer ist die Selbstentladung.
Einsatzbereiche
Je nach dem Einsatzgebiet gibt es folgende Begriffe und Zuordnungen:
- Gerätebatterien dienen zur Stromversorgung kleiner, meist tragbarer Geräte, beispielsweise in Taschenlampen oder Mobiltelefonen. Besonders kleine Ausführungen für Hörgeräte oder Quarzuhren werden als Knopfzellen bezeichnet.
- Starterbatterien für Kraftfahrzeuge, Traktionsbatterien für Elektrofahrzeuge und stationäre Batterien bei ortsfesten Anwendungen wie beispielsweise Unterbrechungsfreie Stromversorgung sind immer Akkumulatoren.
Adapter und Kontaktierung
Nicht jeder Batterietyp ist in allen Ländern erhältlich. Deshalb gibt es zum Beispiel Flachbatterie-Adapter, die drei AA-Zellen zu je 1,5 V aufnehmen. Diese lassen sich in allen Geräten verwenden, in die auch eine Flachbatterie hineinpasst. Nützlich sind diese Adapter auch, weil es bis dato keine wiederaufladbaren Flachbatterien gibt.
Die Kontaktierung kleiner Batterien erfolgt mit Federkontakten, zuverlässigere Ausführungen für Lithiumbatterien sind vergoldet, um die Zellenspannung exakt bestimmen zu können. Fest eingebaute Akkumulatoren sind mit Steckkontakten, Polbolzen oder Lötfahnen versehen.
Batteriepacks bestehen aus mehreren Zellen, die untereinander mit Blechbändern kontaktiert sind.
Microsoft offerierte 2010 eine InstaLoad genannte rein mechanische Lösung eines Batteriefaches die das einlegen von Batterie- Einzelzellen in beliebiger Orientierung erlaubt. InstaLoad stellt je Kontaktfläche beide Pole bereit, der vorstehende Pluspol der Batterie dient dabei als Indikator. Wie standfest diese Konstruktion gegenüber in Batteriefächer häufig durch ausschwitzende Säure anzutreffende Korrosion ist muss sich erst weisen.
Entsorgung
Batterien und Akkumulatoren gehören nicht in andere Müllsammelbehälter oder in die Umwelt, da sie umweltschädliche und zudem erneut nutzbare wertvolle Rohstoffe enthalten, die das Batterierecycling für entsprechende Unternehmen wirtschaftlich attraktiv machen.
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. Alkali-Mangan-Batterien enthalten seit Beginn der 1990er Jahre kein Quecksilber mehr. Davor wurde es zum Amalgamieren des Elektrodenmaterials Zink verwendet.
Kleine Batterien können in Deutschland in die Einzelhandelsgeschäfte zurückgebracht werden, wenn diese auch Batterien verkaufen. Zu diesem Zweck müssen dort Sammelbehälter aufgestellt sein. Für Autobatterien existiert in Deutschland ein Pfandsystem.
Typvariationen
Aufgrund der vielfältigen Einsatzbereiche mit sehr unterschiedlichen Anforderungen bezüglich Spannung, Leistung und Kapazität gibt es heute Batterien in vielen Typen. Diese werden unterschieden beispielsweise
- nach chemischer Qualität in der zugrunde liegenden chemischen Redoxreaktion,
- Zusammenschaltung von Zellen
- nach Zellengrößen.
Handelsübliche Batterien und Zellen unterscheiden sich sowohl als auch in 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.
Im experimentellen Bereich und zur Veranschaulichung des Funktionsprinzips werden recht exotische Batterien, wie zum Beispiel Zitronenbatterien, eingesetzt.
Bestimmte Batterietypen haben eine breite Anwendung über die originäre Verwendung hinaus erfahren, wobei diese Originalprodukte heute (Stand: 2009) bereits nicht mehr im Markt verfügbar sind.
Primärzellen
Als Primärzellen werden Batterien bezeichnet, die nach der Entladung nicht wieder neu aufgeladen werden können. Die verschiedenen Typen werden nach den eingesetzten Materialien bezeichnet (ausgenommen wiederaufladbare alkalische Zellen - diese werden trotzdem zu den Primärzellen gezählt):
- Alkali-Mangan-Batterie; 1,5 V Nennspannung pro Zelle
- Zink-Kohle-Batterie; 1,5 V pro Zelle
- Nickel-Oxyhydroxid-Batterie; 1,5 V pro Zelle
- Lithium-Batterien; je nach Kathodenmaterial 2,9 V bis 3,6 V
- Lithium-Eisensulfid-Batterie; 1,5 V pro Zelle
- Zink-Luft-Batterie; 1,5 V pro Zelle
- Zinkchlorid-Batterie; 1,5 V pro Zelle
- Quecksilberoxid-Zink-Batterie; 1,35 V pro Zelle
- Silberoxid-Zink-Batterie; 1,55 V pro Zelle
- Natrium-Nickelchlorid-Batterie (Zebra-Batterie); 2,58 V pro Zelle
Historisch wurde zwischen Trockenbatterien mit festen oder gelartigen Elektrolyt und Nassbatterien mit flüssigen Elektrolyt unterschieden. Nassbatterien spielen heute keine Rolle mehr.
Baugrößen
Als Gerätebatterien werden häufig Batterien bezeichnet, die sehr verbreitet für die Energieversorgung von Elektrokleingeräten wie Uhren, Radios, Spielzeug, Taschenlampen u.Ä. und auch in fest installierten Geräten wie Rauchmeldern 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[1] und den von der ANSI genormten Baugrößen.
Zink-Kohle-Batterien werden immer seltener angeboten und teilweise schon nicht mehr hergestellt. Die am häufigsten verwendeten Batteriegrößen (sog. „Big-5“):
| IEC Alkali-Mangan (Zink-Kohle) |
ANSI | Bezeichnung | Größe | Nennspannung | Kapazität in mAh Zink-Kohle |
Kapazität in mAh Alkali-Mangan |
|---|---|---|---|---|---|---|
| LR03 / AM-4 (R03 / UM-4) |
AAA | Micro | Ø 10,3 mm × H 45 mm | 1,5 V | 370…540 | 900…1.450 |
| LR06 / AM-3 (R6 / UM-3) |
AA | Mignon | Ø 14,3 mm × H 51 mm | 1,5 V | 700…1.100 | 2.200…3.500 |
| LR14 / AM-2 (R14 / UM-2) |
C | Baby | Ø 27 mm × H 50 mm | 1,5 V | 1.800…3.800 | ≈ 8.000 |
| LR20 / AM-1 (R20 / UM-1) |
D | Mono | Ø 35 mm × H 62 mm | 1,5 V | 4.000…8.000 | ≈ 20.000 |
| 6LR61 / AM-6 (6F22) |
1604D PP3 |
E-Block 9-V-Block |
L 48,5 mm × B 26,2 mm × H 17 mm | 9,0 V (beinhaltet 6 Zellen à 1,5 V) 6LR61 = 6× Rundzelle LR61 6F22 = 6x Flachzelle 22 |
190…330 | 500…600 |
Hier nicht aufgeführt ist die ebenfalls genormte Größe SUB-C.
Neben diesen „Standardtypen“ gibt es noch eine große Formenvielfalt bei produktspezifischen Batterien, beispielsweise für Fotoapparate und bei Knopfzellen.
Batterien, die seltener eingesetzt werden und teilweise auch nur in Fachgeschäften erhältlich sind:
| IEC Alkali-Mangan (Zink-Kohle) |
ANSI | Bezeichnung | Größe | Nennspannung | Kapazität in mAh Zink-Kohle |
Kapazität in mAh Alkali-Mangan |
|---|---|---|---|---|---|---|
| LR23 | A | R23 | Ø 17 mm × H 50 mm | 1,5 V | ||
| LR61 | AAAA | Mini | Ø 8,3 mm × H 42,5 mm | 1,5 V | 300 | 500…600 |
| F | Ø 33 mm × H 91 mm | 1,5 V | ||||
| LR1 / AM-5 (R1 / UM-5) |
N | Lady | Ø 12 mm × H 30 mm | 1,5 V | ≈ 400 | ≈ 800 |
| 2LR10 (2R10) |
Duplex | Stabbatterie | Ø 21,8 mm × H 74,6 mm | 3,0 V (beinhaltet 2 Zellen à 1,5 V) |
1.000…1.500 | |
| 3LR12 (3R12 / 1203) |
Flachbatterie | L 67 mm × B 62 mm × H 22 mm | 4,5 V (beinhaltet 3 Zellen à 1,5 V) |
≈ 1.800 | ≈ 5.900 | |
| 4LR61 | J | Flat Pack | L 49 x B 36 mm × H 8,5 mm | 6,0 V (beinhaltet 4 Zellen à 1,5 V) |
500…600 | |
| (6F90) | PP7 | L 62,2 mm × B 46 mm × H 46 mm | 9,0 V (beinhaltet 6 Zellen à 1,5 V) |
ca. 2.000 | ||
| (6F100) | PP9 | Blockbatterie | L 80 mm × B 64,5 mm × H 51 mm | 9,0 V (beinhaltet 6 Zellen à 1,5 V) |
4.300 | |
| (4R25) | 908D | Laternenbatterie | L 112 mm × B 66,7 mm × H 66,7 mm | 6,0 V (beinhaltet 4 Zellen à 1,5 V) |
8.500…9.500 | |
| 8LR23 | 1181A | A23 Batterie | Ø 10,3 mm × H 28,9 mm | 12,0 V (beinhaltet 8 Zellen à 1,5 V) |
≈ 33 |
Geschichte
Das erste funktionierende galvanische Element und damit die erste Batterie wurde in Form der Voltaschen Säule im Jahr 1800 von Alessandro Volta vorgestellt. 1901 entwickelte Paul Schmidt in Berlin die Trockenbatterie und begründete die DAIMON-Werke.
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. Nachgewiesen wurde allerdings, dass das Zusammenspiel aus Kupfer, Eisen und Essig elektrische Energie erzeugt, welche bei circa einem Volt liegt. Drei dieser Batterien würde demnach genug Energie erzeugen, um bei der Vergoldung von Münzen oder von anderen Kupfergebilden zu helfen. Dies würde beweisen, dass bereits in der Antike Elektrizität zur Oberflächen-Galvanisierung genutzt worden wäre und somit das Erscheinungsjahr der Batterie um etwa 2000 Jahre vorverlegen.
Einzelnachweise
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)
- Philipp Brückmann: Autonome Stromversorgung - Auslegung und Praxis von Stromversorgungsanlagen mit Batteriespeicher. Ökobuch, Staufen 2007, ISBN 978-3-936896-28-2
Siehe auch
Weblinks
- Geschichte der elektrischen Energiespeicherung
- Battery Chemistry FAQ (Englisch)
- Stiftung Gemeinsames Rücknahmesystem Batterien
- Technische Daten und Vergleichslisten für Knopfzellen und Batterien (PDF; 195 kB)
- Vergleichtabelle für Bezeichnungen diverser Hersteller
- Marken Mignon Batterien Kapazitätsmessung mit verschiedenen Stromstärken
