Batterien sind zu einem wesentlichen Bestandteil der modernen Technologie geworden. Man findet sie in Telefonen und Laptops, aber auch in Autos und sogar bei der Speicherung erneuerbarer Energie. Wir sehen eine Batterie oft als eine einzige Einheit. Ihre Grundlage ist jedoch eine kleinere Komponente, die Batteriezelle. Daraus ergibt sich in der Regel eine Frage: Was sind Batteriezellen, und wie funktionieren sie?
Eigentlich ist jede Zelle eine kompakte Einheit, die Energie speichert und abgibt. Diese kleinen Mehrfachzellen bilden die Batterien, auf die wir uns im täglichen Leben verlassen. Deshalb ist es wichtig, die Grundlagen einer Zelle zu verstehen, um zu wissen, wie eine Batterie funktioniert. Wenn Sie sich noch nicht mit Batteriezellen auskennen, machen Sie sich keine Sorgen! Dieser ausführliche Leitfaden gibt Ihnen einen klaren Einblick in die Batteriezellen. Also, fangen wir an!
Was ist eine Batteriezelle?
Machen wir uns zunächst ein Bild davon, was Batteriezellen eigentlich sind!
Eine Batteriezelle ist eine kleinere Einheit einer Batterie, die Energie speichert und sie in Elektrizität umwandelt. Sie hat zwei Enden, die Elektroden genannt werden, und ein dazwischen liegendes Medium, das Elektrolyt. Wenn sie an einen Stromkreis angeschlossen wird, reagieren die Chemikalien im Inneren der Zelle und erzeugen einen elektrischen Strom. Dieser Strom versorgt Ihre Geräte mit Energie.
Einfach ausgedrückt, ist eine Batteriezelle ein Kraftwerk, das die moderne tragbare Technologie erst möglich macht. Diese Zellen sind der Grund dafür, dass Energie immer und überall mitgeführt und genutzt werden kann. Es ist jedoch wichtig zu wissen, dass eine einzelne Zelle kleine Geräte mit Strom versorgen kann. Für größere Geräte müssen jedoch in der Regel mehrere Zellen zu einem Batteriesatz verbunden werden.
Deshalb hängt die Leistung eines Akkus direkt von der Qualität und der Kapazität seiner Zellen ab. Mit anderen Worten: Je stärker die Zellen sind, desto besser ist die Leistung der Batterie. Außerdem sind nicht alle Batteriezellen gleich. Es gibt sie in einer Vielzahl von Formen und Größen, um den unterschiedlichen Energiebedarf zu decken. Dank dieser Vielfalt sind sie in vielen verschiedenen Branchen einsetzbar.
Die grundlegenden Teile einer Batteriezelle
Ich hoffe, Sie haben aus dem obigen Abschnitt ein grundlegendes Verständnis von Batteriezellen gewonnen. Jede Batteriezelle mag von außen wie ein einfaches Objekt aussehen. In ihrem Inneren hat sie jedoch eine sorgfältig konzipierte Struktur. Jeder Teil der Zelle hat eine bestimmte Aufgabe, und zusammen ermöglichen sie es der Zelle, Energie zu speichern und abzugeben. Lassen Sie uns also eintauchen und einige gängige Batteriezellenkomponenten untersuchen.
- Anode: Die Anode ist das negative Ende der Zelle. Sie besteht in der Regel aus Materialien wie Graphit, Lithium oder Zink, je nach Batterietyp. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, Elektronen freizusetzen, wenn die Batterie in Betrieb ist. Sie ist also der Ausgangspunkt, an dem der Strom zu fließen beginnt.
- Kathode: Die Kathode ist das positive Ende der Zelle. Sie besteht häufig aus Metallen wie Lithium-Kobalt-Oxid oder Mangan-Oxid. Die Aufgabe der Kathode ist es, die von der Anode kommenden Elektronen aufzunehmen. Zusammen bilden Anode und Kathode den Weg, auf dem der Strom fließt.
- Elektrolyt: Zwischen der Anode und der Kathode befindet sich der Elektrolyt. Dabei handelt es sich um eine chemische Substanz, die in flüssiger, gelartiger oder fester Form vorliegen kann. Sie ermöglicht es winzigen geladenen Teilchen, den Ionen, sich zwischen den beiden Seiten zu bewegen. Ohne den Elektrolyten würde die Bewegung der Ladungen nicht stattfinden.
- Abscheider: Der Separator ist wie eine Schutzwand zwischen Anode und Kathode. Er verhindert, dass sie sich direkt berühren, was zu einem Kurzschluss führen kann. Er lässt jedoch weiterhin Ionen durch.
- Aktuelle Sammler: Die Funktion eines Stromabnehmers besteht darin, dafür zu sorgen, dass Strom aus der Batterie fließen und ein Gerät mit Strom versorgen kann. Dabei handelt es sich um dünne Metallschichten, die an der Anode und Kathode angebracht sind. Sie sammeln die Elektronen und leiten sie über den externen Stromkreis weiter. So können Sie Ihr Gerät mit Strom versorgen.
Wie funktioniert eine Batteriezelle?
Wie ich bereits erwähnt habe, wandelt eine Batteriezelle chemische Energie in elektrische Energie um. Dieser Prozess ist jedoch nicht so einfach, wie er klingt. Dies geschieht in einem umfassenden, schrittweisen Prozess. Lassen Sie uns also eintauchen und herausfinden, wie eine Batterie tatsächlich funktioniert!
Schritt 1: Beginn der chemischen Reaktion
Wie Sie wissen, gibt es im Inneren der Zelle zwei Enden, die Anode und die Kathode. Beide Elektroden sind in ein gelartiges Material getaucht, das Elektrolyt genannt wird. Wenn Sie eine Batterie an ein Gerät anschließen, beginnen die Materialien in der Anode mit dem Elektrolyten zu reagieren. Durch diese Reaktion wird die Anode gezwungen, winzige geladene Teilchen, sogenannte Elektronen, freizusetzen. Diese Elektronen sind nun bereit, sich zu bewegen. Sie können jedoch nicht direkt durch das Innere der Batterie wandern.
Schritt 2: Elektronenfluss
Da die Elektronen den Elektrolyten nicht durchqueren können, nehmen sie den einzigen verfügbaren Weg. Dieser Weg ist ein externer Stromkreis, der einen Draht enthält. Das heißt, sie verlassen die Anode, wandern durch den Draht oder das daran angeschlossene Gerät und bewegen sich zur Kathode. Diese Bewegung der Elektronen von der Anode zur Kathode erzeugt elektrische Energie. Das ist der Strom, der Ihr Gerät mit Energie versorgt.
Schritt 3: Bewegung der Ionen
Während sich die Elektronen außerhalb der Batterie bewegen, geschieht im Inneren etwas anderes. Im Inneren des Elektrolyten befinden sich nämlich andere winzige Teilchen, die als Ionen bezeichnet werden. Diese Ionen tragen eine elektrische Ladung. Sie bewegen sich durch den Elektrolyten von der Anode zur Kathode. Durch diese Bewegung wird das Gleichgewicht der chemischen Reaktion aufrechterhalten und ihr reibungsloser Ablauf ermöglicht. Ohne diese Ionenbewegung würde die Batterie bald nicht mehr funktionieren.
Schritt 4: Elektrizität versorgt das Gerät mit Strom
Während die Elektronen durch den externen Stromkreis wandern, durchlaufen sie das an die Batterie angeschlossene Gerät. Ihre Bewegung liefert die Energie, mit der das Gerät betrieben wird. Bei einer Fernbedienung zum Beispiel bringen die Elektronen den kleinen Schaltkreis zum Leuchten. Dadurch wird ein Signal an Ihr Gerät, z. B. einen Fernseher, gesendet. In einem Telefon betreiben sie den Bildschirm, die Anwendungen und andere Funktionen. Mit einfachen Worten: Die Bewegung der Elektronen erweckt Ihr Gerät zum Leben.
Schritt 5: Aufladen und Entladen
Die Entladung von Batteriezellen erfolgt, wenn Sie die Batterie zum Betrieb eines elektrischen Geräts verwenden. Während der Entladung reagieren die Chemikalien so, dass Elektronen von der Anode zur Kathode fließen. Diese Elektronen wandern durch ein Kabel und versorgen Ihr Gerät mit Strom. Auf der anderen Seite erfolgt die Aufladung nur bei wiederaufladbaren Batterien, wie z. B. LiFePO4 und Blei-Säure-Batterien.
Es ist das Gegenteil von Entladung. Wie das? Wenn Sie die Batterie an eine Stromquelle anschließen, schiebt der Strom die Elektronen dorthin zurück, wo sie entstanden sind. Gleichzeitig kehren auch die Ionen in der Batterie in ihre ursprüngliche Position zurück. Durch diesen Vorgang wird die Chemie der Batterie wiederhergestellt, so dass sie wieder einsatzbereit ist.
Arten von Batteriezellen
Batteriezellen sind nicht immer in der gleichen Form gebaut. Ihr Design und ihre Struktur ändern sich, je nachdem, wo sie eingesetzt werden sollen. Ausgehend von diesen Faktoren gibt es fünf Haupttypen von Batteriezellen. In diesem Abschnitt werden wir ihre Details und Besonderheiten aufschlüsseln.
1- Alkalische Zellen
Alkalische Zellen gehören zu den häufigsten und am weitesten verbreiteten Batteriezellen im täglichen Leben. Sie werden "alkalisch" genannt, weil sie einen alkalischen Elektrolyten, in der Regel Kaliumhydroxid, enthalten. Dieser Elektrolyt sorgt dafür, dass sie länger halten und mehr Strom liefern als ältere Zink-Kohle-Batterien. Allerdings sind diese Zellen nicht wiederaufladbar. Das bedeutet, dass sie, sobald sie vollständig verbraucht sind, nicht wieder aufgeladen werden können. Man findet sie in ferngesteuerten Autos, Uhren, Taschenlampen und anderen ähnlichen Geräten.
2- Blei-Säure-Zellen
Blei-Säure-Zellen sind eine der ältesten und zuverlässigsten Arten von Batteriezellen. Aufgrund ihrer geringen Kosten, ihrer Langlebigkeit und ihrer Fähigkeit, eine hohe Leistung zu erbringen, werden sie auch heute noch häufig verwendet. Diese Zellen bestehen aus Bleiplatten und einem Elektrolyt aus Schwefelsäure. Dank dieser Kombination bieten sie eine gleichmäßige und zuverlässige Energiequelle. Denken Sie daran, dass nicht wiederaufladbare Blei-Säure-Batterien nicht aufgeladen werden können. Daher verursachen sie im Vergleich zu wiederaufladbaren Batterien mehr Abfall.
3- Nickel-Cadmium (NiCd)-Zellen
Nickel-Cadmium-Zellen, oft auch als NiCd-Batterien bezeichnet, sind eine Art von wiederaufladbaren Batterien. Diese Batterien verwenden Nickeloxidhydroxid und metallisches Cadmium als Hauptmaterialien. Sie sind aufgrund ihrer Robustheit, ihrer Langlebigkeit und ihrer Fähigkeit, mit einer Vielzahl von Temperaturen umzugehen, sehr beliebt. Außerdem können diese Zellen eine starke, gleichmäßige Leistung erbringen. Dadurch eignen sie sich für den Einsatz im Haushalt und in der Industrie.
4- Nickel-Metallhydrid (NiMH)-Zellen
Nickel-Metallhydrid (NiMH)-Batteriezellen sind eine weiterentwickelte Version von Zellen auf Nickelbasis. Anstelle von Cadmium, Batteriezellenhersteller verwenden ein Metallhydridmaterial als negative Elektrode. Die positive Elektrode bleibt jedoch Nickeloxidhydroxid. Diese Änderung macht NiMH-Batterien sicherer für die Umwelt, da sie kein giftiges Cadmium enthalten. Außerdem bieten sie eine höhere Energiedichte. Daher können sie bei gleicher Größe mehr Energie speichern als NiCd-Zellen. Aus diesem Grund wurden NiMH-Zellen in der Unterhaltungselektronik, in Digitalkameras und sogar in Hybridfahrzeugen eingesetzt.
5- Lithium-Ionen-Zellen
Lithium-Ionen-Zellen sind die gebräuchlichsten und modernsten wiederaufladbaren Zellen, die heute verwendet werden. Diese Zellen funktionieren, indem Lithium-Ionen während des Ladens und Entladens zwischen Kathode und Anode bewegt werden. Dank dieser Konstruktion sind sie hocheffizient und können eine beträchtliche Energiemenge in kompakter Größe speichern.
Das macht sie nicht nur leicht, sondern auch leistungsstark. Ein weiterer Vorteil von Lithium-Ionen-Zellen ist ihre hohe Energiedichte. Das bedeutet, dass sie im Vergleich zu älteren Batterien länger halten, bevor sie wieder aufgeladen werden müssen. Aus diesem Grund werden diese Zellen häufig verwendet in Hochstrombatterien.
Häufig gestellte Fragen
Was ist der Unterschied zwischen einer Zelle und einer Batterie?
Eine Zelle ist die Grundeinheit, die durch eine chemische Reaktion Strom erzeugt. Zum Beispiel ist eine AA-Batterie, die in einer Fernbedienung verwendet wird, eigentlich eine einzelne Zelle. Eine Batterie besteht jedoch aus einer oder mehreren Zellen, die in Reihe geschaltet sind. Die Batterie in Ihrem Smartphone oder Auto besteht zum Beispiel aus vielen kleinen Zellen.
Aus wie vielen Zellen besteht eine Batterie?
Die Anzahl der Zellen in einer Batterie hängt von der benötigten Spannung und Leistung ab. Eine AA- oder AAA-Batterie besteht zum Beispiel in der Regel aus nur einer Zelle. Eine 9-Volt-Batterie hat jedoch sechs winzige Zellen mit jeweils etwa 1,5 Volt. Alle diese Zellen sind miteinander verbunden, um eine Gesamtspannung von 9 Volt zu erhalten.
Können tote Zellen in Batterien wiederverwendet werden?
Nein, die leeren Zellen in den Batterien können nicht wiederverwendet werden. Der Grund dafür ist, dass die chemische Reaktion im Inneren der Zelle bereits verbraucht wurde und sie nicht wiederaufladbar sind. Der Versuch, sie wieder aufzuladen, kann also unsicher sein.
Schlussfolgerung
Batteriezellen sind die Grundlage der moderne Energiespeicherung. Sie treiben alles an, von Haushaltselektronik bis hin zu großen Systemen für erneuerbare Energien. Diese Zellen erzeugen jedoch Energie nach einem grundlegenden Funktionsprinzip. Sie wandeln zum Beispiel chemische Energie durch die Bewegung von Elektronen in elektrische Energie um.
Außerdem gibt es je nach Verwendungszweck verschiedene Arten von Batteriezellen. Jeder dieser Typen hat seine eigenen Vor- und Nachteile. Einige von ihnen sind wiederaufladbar, während andere nicht wiederaufladbar sind, aber eine längere Lebensdauer haben. Diese Vielfalt ermöglicht es der Industrie, die beste Option auf der Grundlage von Kosten, Leistung und Zuverlässigkeit zu wählen.