Die Batterie - Elektrochemische Stromgewinnung

Historischer Hintergrund

Zu Beginn des 19. Jahrhunderts beschränkte sich die Auseinandersetzung mit der Elektrizität auf die Vorführung auf Jahrmärkten, oder in vornehmen Salons, um die Gesellschaft in Erstaunen zu versetzen. Erst im Laufe der Zeit wurde den Naturwissenschaftlern bewusst, welche Vorteile die Nutzung der Elektrizität für die Menschheit bringen konnte.

Der Forscher Allesandro Graf Volta (1745-1827) war tief beeindruckt von dem Mediziner Luigi Galvani. Dieser hatte durch Zufall beim berühmten Froschschenkelversuch eine neuartige Spannungsquelle gefunden: Ein präparierter Froschschenkel zuckte jedes Mal, sobald ein Funke von der zufällig eingeschalteten Elektrisiermaschine übersprang. Galvani selbst deutete dies fälschlicherweise als "tierische Elektrizität".

Volta glaubte nicht an die Existenz "tierischer Elektrizität". Nach zahllosen 'galvanischen Versuchen', konstruierte er eine Volta'sche Säule, bei der über sechzig Silber- und Zinkplatten übereinander gestapelt waren.

Aufbau einer Batterie

Vor der Erfindung des Generators war die Batterie die einzige zuverlässige Spannungsquelle. Mit einem sogenannten galvanischen Element (die Volta im Jahr 1800 zur Voltasäule verbessert hat) gelingt es, chemische Energie in elektrische umzuwandeln.

Bei galvanischen Elementen handelt es sich um die Kombination zweier verschiedener Metalle, die mit einem Elektrolyten - Stoffe, deren wäßrige Lösung elektrisch leitend sind - verbunden werden. Zwischen den Metallen tritt eine Spannung auf:

• Jedes Metall löst sich mehr oder weniger in Flüssigkeiten und gibt dabei positive Ionen an die Flüssigkeit ab. Das Metall lädt sich gegen den Elektrolyten negativ auf. An den Grenzen zwischen Metall und Flüssigkeit entsteht eine elektrische Doppelschicht, deren elektrisches Feld die Ionen wieder zum Metall hinzieht.
• Die Ionen werden auch durch Diffusion in das Metall zurückgezogen und treten wieder in dieses ein. Ist nun die Anzahl der in der Zeiteinheit durch die Diffusion und durch die Auswirkung des elektrischen Feldes in der Grenzschicht wieder in das Metall eintretender Ionen gleich der in der Lösung befindlichen Ionen, so stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein. Zwischen Metall und Flüssigkeit herrscht dann ein bestimmtes elektrolytisches  Potential, das von der Art des Metalls abhängt. Bringt man nun zwei verschiedene Metalle zusammen, so haben diese auch verschiedene Potentiale E1  und E2. Zwischen den Metallen gibt es jetzt eine Potentialdifferenz (d.h. Spannung): E_1/2 = E2 - E1

Hinweis: Während in der Physik für die Spannung das Symbol U verwendet wird, verwendet man für die identische Größe in der Chemie oft das Symbol E.

Ein beliebtes Beispiel ist das Daniell-Element:
 

Dabei läuft an der Anode (an einer Anode findet immer eine Oxidation statt) folgender Prozess ab: Zn <=> Zn2+ + 2 Elektronen An der Kathode (an einer Kathode findet immer eine Reduktion statt): Cu2+ + 2 Elektronen <=> Cu

Bei diesem galvanischen Element wandern Elektronen zur Kupferelektrode und reduzieren dort die Kupferionen. Das Zink wird oxidiert, d.h. es verliert Elektronen und geht in Ionenform in Lösung, die Zinkelektrode löst sich dabei auf. Es fließt dabei solange Strom, bis entweder die Zinkelektrode sich aufgelöst hat oder bis alle Kupferionen zu Kupfer reduziert sind.

Das Elektrolyt ist in diesem Falle 1 mol/l H₂SO₄-Lösung. Es sorgt dafür, dass die Lösung insgesamt neutral bleibt.
Das Diaphragma verhindert, dass Zink- und Kupferionen sich bereits direkt in der Lösung reagieren. Schließlich soll der Elektronenaustausch über die Leitung stattfinden, sodass z.B. eine Lampe oder ein Elektromotor angetrieben werden kann. Das Diaphragma ist jedoch für die SO₄^2--Ionen durchlässig. Das hängt damit zusammen, dass freie Ionen in Lösungen beweglich sind, nicht jedoch freie Elektronen.

Die Berechnung der Spannung aus den Normalpotentialen der elektrochemischen Spannungsreihe:

Für Lösungen mit jeweils der Konzentration 1 mol/l gilt:

                E(Cu/Cu2+) = +0.35 Volt
                E(Zn/Zn2+)  = -0.76 Volt

                E(ges) = 0.35 Volt - (-0.76 Volt) = +1.1 Volt

Die beim Volta-Element auftretende Spannung sollte demnach 1,1 Volt betragen. Die Stromstärke ist von der Oberfläche der Elektroden abhängig, d.h. eine große Oberfläche hat eine große Stromstärke zur Folge.

Vor einem Jahrzehnt noch sehr gebräuchliche Zink-Kohlebatterien heißen auch Leclanché-Element. Sie sind folgendermaßen aufgebaut:

Von links nach rechts:

• Pluspol einer Batterie
• Abdeckscheibe
• Kohlestift
• Gemisch aus Braunstein (MnO₂) und Ruß dient als Kathode
• Becher aus Zink dient als Anode
• Isolierung
• Mantel aus Metall
• Minuspol einer Batterie

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