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Batterie

Definition: ein Erzeuger elektrischer Energie basierend auf elektrochemischen Vorgängen

Spezifischere Begriffe: Gerätebatterie, Autobatterie, Starterbatterie, Traktionsbatterie, Hybridbatterie, Solarbatterie, Haushaltsbatterie, wiederaufladbare Batterie, Lithium-Ionen-Batterie, Blei-Batterie, Nickel-Metallhydrid-Batterie, Alkali-Mangan-Batterie, Zink-Kohle-Batterie, Knopfzelle, Flachbatterie, Blockbatterie

Englisch: battery

Kategorien: elektrische Energie, Energiespeicherung, Energieträger, Fahrzeuge

Autor:

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 06.04.2012; letzte Änderung: 06.11.2021

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Eine Batterie ist streng genommen eine Zusammenschaltung (meist Serienschaltung) mehrerer galvanischer Zellen. Jedoch hat sich der Begriff auch für einzelne galvanische Zellen eingebürgert und wird deswegen trotz einer gewissen Ungenauigkeit hier so verwendet – als Oberbegriff für elektrochemische Erzeuger elektrischer Energie.

Batterien
Abbildung 1: Diverse Gerätebatterien. Von links: 9-V-Zelle (Alkali-Mangan), Nickel-Metallhydrid-Akku und Alkali-Mangan-Zelle (beide im Format AA = Mignon), Alkali-Mangan-Zelle in AAA-Größe.

Dieser Artikel behandelt sowohl wiederaufladbare als auch nur einmal verwendbare Batterien. Wiederaufladbare Batterien werden auch als Akkumulatoren bezeichnet und werden ausführlicher im Artikel über Akkumulator behandelt.

Bezeichnungen für Batterien richten sich teils nach deren elementaren Bestandteilen; beispielsweise gibt es Lithium-Ionen-Batterien, Blei-Batterien und Nickel-Metallhydrid-Batterien. In anderen Fällen gibt die Bezeichnung über die vorgesehene Anwendung Auskunft; Beispiele hierfür sind Traktionsbatterien (für den Antrieb von Fahrzeugen), Starterbatterien (für das Starten von Verbrennungsmotoren) und Hybridbatterien (für die Verwendung in Hybridantrieben).

Physikalisches Grundprinzip

Das Grundprinzip jeder galvanischen Zelle ist, dass durch elektrochemische Vorgänge chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Die Zelle hat zwei elektrisch leitende Anschlüsse (Elektroden genannt), die im Inneren der Zelle nicht direkt verbunden sind, sondern über einen Elektrolyten (ein nicht-metallisches, aber elektrisch leitfähiges Material z. B. in flüssiger oder in Gel-Form). Bei der Entladung (Energieabgabe) wird Material an der elektrisch negativen Elektrode (z. B. Zink) oxidiert, d. h. dieses Material gibt Elektronen ab, die über die Elektrode abfließen. Gleichzeitig wird an der positiven Elektrode ein anderes Material (z. B. Mangandioxid) reduziert, d. h. es nimmt Elektronen auf. Da die Elektrodenmaterialien unterschiedlich sind, ist die für die Reduktion benötigte Energiemenge geringer als die bei der Oxidation frei werdende. Somit entsteht netto ein “Antrieb” für die fließenden elektrischen Ladungen, der sich als eine elektrische Spannung äußert. Die Höhe dieser Zellenspannung hängt im Wesentlichen von der Kombination von Elektrodenmaterialien ab und bewegt sich meist zwischen ca. 1 V und wenigen Volt.

Die elektrochemischen Reaktionen laufen im Idealfall nur genau in dem Maße ab, in dem der Batterie Strom entnommen wird: Wenn die Stromentnahme gestoppt wird, hören die elektrochemischen Reaktionen ebenfalls auf. Jedoch zeigen Batterien auch eine gewisse Selbstentladung aufgrund unerwünschter chemischer Reaktionen, vor allem wenn sie bei erhöhten Temperaturen gelagert werden.

Durch Serienschaltung (Reihenschaltung) mehrerer Zellen zu einer Batterie erhöht sich nicht die entnehmbare Menge elektrischer Ladung, jedoch die Energie pro Ladungsmenge, also die elektrische Spannung, und damit natürlich auch der Energieinhalt. Beispielsweise enthält eine 9-V-Blockbatterie sechs Zellen (Rundzellen oder rechteckige Knopfzellen) mit je 1,5 V. Das geringe Volumen jeder einzelnen Zelle ermöglicht nur eine relativ geringe Kapazität von ca. 500 bis 600 mAh (bei Alkali-Mangan-Zellen) – zu vergleichen mit knapp 7800 mAh für eine nur unwesentlich schwerere 1,5-V-Baby-Zelle. Wegen der höheren Spannung liegt der Energiegehalt immerhin bei knapp der Hälfte dessen der Baby-Zelle.

Häufig werden auch separate Batteriezellen in Serie geschaltet. Beispielsweise gibt es viele Geräte, bei denen das Batteriefach zwei oder vier 1,5-V-Rundzellen fast, um insgesamt eine Spannung von 3 V bzw. 6 V zu erzielen. Man beachte, dass eine Serienschaltung von Zellen immer nur mit Zellen gleicher Art und gleicher Vorgeschichte vorgenommen werden sollte.

Ein Sonderfall ist die Brennstoffzelle, bei der chemische Energie in Form z. B. von Wasserstoff zugeführt wird. Sie kann als eine Batterie betrachtet werden, bei welcher das energiespeichernde Material im Betrieb kontinuierlich ausgetauscht wird.

Wiederaufladbare Batterien

Viele galvanische Zellen (sogenannte Primärzellen) sind nur für die einmalige Entladung gedacht. Jedoch gibt es auch speziell optimierte Zellen, die wieder aufgeladen werden können. Sie werden als wiederaufladbare Batterien, Akkumulatoren oder Sekundärzellen bezeichnet, auch als elektrochemische Energiespeicher. Beim Aufladen wird von einem Ladegerät ein elektrischer Stromfluss erzwungen, der der Stromrichtung beim Entladen entgegengerichtet ist. Das Ladegerät muss also gegen die Zellenspannung arbeiten. Hierbei laufen die elektrochemischen Vorgänge in umgekehrter Richtung ab, d. h. Material an der negativen Elektrode wird wieder reduziert und an der positiven Elektrode oxidiert.

Es sei angemerkt, dass auch manche nominell nicht wiederaufladbare Batterien (z. B. Alkali-Mangan-Batterien) durch Laden wieder ein Stück weit regenerierbar sind, insbesondere wenn sie frühzeitig nachgeladen (aufgefrischt) werden. (Hierfür werden spezielle Ladegeräte benötigt mit höherer Spannung und kleinerer Stromstärke als bei Nickel-Akkus.) Jedoch wird in der Regel nicht mehr die volle Kapazität erreicht, und dies auch nur in wenigen Ladezyklen. Zudem ist die Ladezeit wesentlich länger als bei Akkumulatoren, da nur ein geringer Ladestrom angewandt werden sollte. (Gewöhnliche Ladegeräte für Akkumulatoren sind hierfür häufig ungeeignet.) Bei manchen Batterien (insbesondere Knopfzellen, z. B. basierend auf Silberoxid) sollte das Laden nicht probiert werden, weil sie explodieren können.

Es gibt auch begrenzt wiederaufladbare Batterien wie die RAM-Zellen (engl. Rechargeable Alkaline Manganese), die z. B. etwa 25 mal aufladbar sind statt hunderte mal wie richtige Akkumulatoren. Vorteile sind die höhere Zellenspannung und die viel niedrigere Selbstentladung. Die RAM-Zellen sind jedoch nicht unbedingt besser als gewöhnliche Alkali-Mangan-Zellen [1].

Mehr Details zu aufladbaren Batterien finden sich im Artikel über Akkumulatoren. Der Rest des gegenwärtigen Artikels behandelt im Wesentlichen nur nicht wiederaufladbare Batterien, obwohl Vieles genauso für aufladbare Batterien gilt.

Wichtige Eigenschaften von Batterien

Die wichtigsten Eigenschaften von Batterien sind die folgenden:

  • Die elektrische Spannung ist die Energiemenge pro Ladungseinheit (z. B. 1,5 V = 1,5 Joule pro Coulomb Ladung). Anschaulich gesehen ist dies der “Druck”, mit dem die elektrischen Ladungen geliefert werden. Die Spannung einer Batterie nimmt beim Entladen allmählich ab, bis die Batterie bei einer gewissen Mindestspannung (der Entladeschlussspannung) nicht mehr brauchbar ist. Typischerweise nimmt die Spannung beim langsamen Entladen für längere Zeit kaum ab und bleibt nahe bei der sogenannten Nennspannung, um dann bei weitgehender Entladung deutlich rascher abzusacken.
  • Zusätzlich nimmt die Spannung auch sehr kurzzeitig ab, solange eine hohe Stromstärke entnommen wird; dies liegt am Innenwiderstand der Batterie, der zum guten Teil durch die begrenzte Geschwindigkeit der elektrochemischen Reaktionen verursacht wird. Der Innenwiderstand begrenzt damit die entnehmbare Stromstärke. Hierfür gibt es keine feste Grenze, jedoch wird man diese Stromstärke weit unter der Höhe des Kurzschlussstroms halten, um ein zu starkes Einbrechen der Spannung zu vermeiden. Der Innenwiderstand kann bei starker Belastung ansteigen und nach einer Erholzeit von einigen Stunden wieder abnehmen. Die entnehmbare Leistung ist das Produkt von Spannung und Stromstärke.
  • Unter der Kapazität einer Batterie versteht man die insgesamt entnehmbare Ladungsmenge – meist nicht in der SI-Grundeinheit Coulomb (C) angegeben, sondern in Amperestunden (Ah) oder Milliamperestunden (mAh). Beispielsweise kann eine Batterie mit 5 Ah = 5000 mAh eine Stromstärke von 50 mA über 100 Stunden liefern, oder 25 mA über 200 Stunden. Die Kapazität hängt hauptsächlich vom Volumen und Typ der Zelle (z. B. Zink-Kohle oder Alkali-Mangan) ab, kaum vom Hersteller.
  • Die abrufbare Energiemenge (der Energieinhalt) ist etwa das Produkt der Nennspannung und der Kapazität. Wenn eine Batterie viele Zellen in Serienschaltung enthält, hat sie (bei gegebenem Gewicht) eine geringe Kapazität (weil die einzelnen Zellen klein sind), jedoch eine höhere Spannung, und effektiv speichert sie eine ähnliche Energiemenge wie eine einzelne Zelle mit dem gleichen Gesamtgewicht.
  • Die gravimetrische oder volumetrische Energiedichte ist der Energieinhalt pro Masse- bzw. Volumeneinheit. Batterietypen mit hoher Energiedichte sind von Interesse für Geräte, die klein sind und trotzdem lange mit einer Batterie laufen sollen.
  • Auch bei Nichtbenutzung einer Batterie gibt es eine gewisse Selbstentladung, die allerdings bei den meisten nicht wiederaufladbaren Batterien relativ gering ist. Manche Typen können problemlos jahrelang gelagert und betrieben werden.

(Bei Akkumulatoren kommen noch etliche Eigenschaften dazu.)

Von praktischer Bedeutung ist die Auslaufsicherheit. Vor allem alte Typen von Zink-Kohle-Batterien neigten bei längerer Lagerung (insbesondere im entladenen Zustand) zum Auslaufen des Elektrolytmaterials, so dass mancher Batteriekasten eines Geräts arg verschmutzt wurde; im Extremfall kann ein Gerät durch korrosive Stoffe sogar völlig zerstört werden. Heutige Haushaltsbatterien sind allerdings weitgehend auslaufsicher.

Die meisten nicht wiederaufladbaren Batterien können in jeder Lage betrieben werden. Auf Umwelteinflüsse reagieren sie kaum, außer das die Energiedichte bei niedrigen Temperaturen (z. B. unter 0 °C) wie auch bei hohen Temperaturen (z. B. über 50 °C) meist deutlich nachlässt.

Manche Batterien können explodieren, wenn sie für einige Zeit kurzgeschlossen werden. Dies resultiert aus einer Gasbildung im Innenraum, wodurch sich ein hoher Druck aufbaut.

Am Ende der Lebensdauer muss jede Batterie ordnungsgemäß entsorgt werden, da sie diverse giftige Stoffe enthalten können und auch wiederverwertbare Materialien. Für die Endverbraucher stehen Sammelbehälter bei den Einzelhändlern zur Verfügung [2]. Leider gelangen immer noch viele gebrauchte Batterien in den Hausmüll. Weder die Müllverbrennung noch die Deponierung sind geeignet, das große Gefahrenpotenzial giftiger Stoffe wie Quecksilber, Cadmium und Blei zu entschärfen.

Die Herstellung von Batterien erfordert weitaus mehr Energie, als die Batterien im Betrieb abgeben können. (Mit anderen Worten enthalten Batterien sehr viel graue Energie.) Schon deswegen ist klar, dass elektrische Energie aus Batterien weitaus teurer ist als die aus dem Stromnetz.

Typen nicht wiederaufladbarer Batterien

Früher waren Zink-Kohle-Batterien (Zink-Braunstein-Zellen) sehr gängig. Sie wurden jedoch zunehmend von Alkali-Mangan-Batterien (Alkaline-Batterien) verdrängt, die ebenfalls auf Zink basieren, aber mit einem alkalischen Elektrolyten und Mangandioxid statt Graphit für die positive Elektrode. Alkali-Mangan-Batterien weisen die gleiche Nennspannung von ca. 1,5 V auf, jedoch eine über doppelt so hohe Energiedichte wie die von Zink-Kohle-Batterien und einen wesentlich geringeren Innenwiderstand. Hinzu kommt eine viel schwächere Selbstentladung und geringere Neigung zum Auslaufen, also eine viel bessere Lagerfähigkeit. Alkali-Mangan-Batterien sind zwar etwas teurer pro Stück, aber kostengünstiger in Bezug auf die Energiemenge.

Batterietypen mit erhöhter Energiedichte (aber höheren Preisen) sind die Lithiumbatterien und die Nickel-Oxyhydroxid-Batterien. Sie weisen auch höhere Zellspannungen auf und können deswegen nicht allgemein die herkömmlichen Alkali-Mangan-Batterien ersetzen. Lithium-Batterien werden z. B. häufig in Form der relativ großen Knopfzelle CR2032 mit 3 V Zellenspannung verwendet, beispielsweise in Taschenrechnern oder als CMOS-Stützbatterie in PCs. (Wenn ein PC im ausgeschalteten Zustand ständig die Uhrzeit “vergisst”, muss meist diese Batterie ausgetauscht werden.) Lithium-Eisensulfid-Knopfzellen sind neben Silberoxid-Zink-Knopfzellen gut geeignet für Uhren.

Zink-Luft-Batterien werden meist in Form von Knopfzellen verwendet, z. B. in Hörgeräten. Sie ersetzen die früher verbreiteten Quecksilberoxid-Zink-Batterien (die wegen ihres Quecksilbergehalts kaum mehr verwendet werden). Sie können zwar lange gelagert werden, solange ihre Lufteintrittsöffnung mit einer Lasche geschlossen bleibt. Nach Aktivierung durch Entfernung der Lasche müssen sie dann aber innerhalb einiger Wochen verwendet werden, da sie eine hohe Selbstentladerate aufweisen. Sie sind somit z. B. für Hörgeräte gut geeignet, aber nicht für Uhren.

Baugrößen

Knopfzellen
Abbildung 2: Diverse Knopfzellen. Links oben liegt eine relativ große CR2032 (mit 20 mm Durchmesser), wie sie häufig für Taschenrechner und anderen Kleingeräten verwendet wird.

Gerätebatterien (Haushaltsbatterien) werden vor allem in den folgenden Bauformen verwendet:

  • Besonders häufig gebraucht sind die zylindrischen AA-Zellen (Mignon-Zellen) mit ca. 50 mm Länge und 14 mm Durchmesser. Als Alkali-Mangan-Zellen haben sie eine Nennspannung von 1,5 V und eine Kapazität von z. B. 2,8 Ah.
  • Größere Geräte vewenden ebenfalls zylindrische C-Zellen (Baby-Zellen) mit ca. 50 mm × 26 mm, oder die noch größeren D-Zellen (Mono-Zellen) mit 61 mm × 34 mm, die entsprechend höhere Kapazitäten und Strombelastbarkeiten haben.
  • Eine kleinere Bauform ist die AAA-Zelle (Micro-Zelle) mit 44 mm × 10 mm.
  • Eine 9-Volt-Blockbatterie enthält sechs Primärzellen, so dass sich die Spannung zu 6 × 1,5 V = 9 V ergibt.
  • Eine Vielzahl von Baugrößen existiert bei den Knopfzellen, was das Finden der richtigen Zelle oft schwierig macht. Neben den unterschiedlichen Baugrößen gibt es auch sehr unterschiedliche Batterietypen und entsprechend unterschiedliche Spannungen zwischen ca. 1,3 V und 3 V. Der erste Buchstabe in der Typenbezeichnung gibt Aufschluss über den Zellentyp: C = Lithium-Mangandioxid, B = Lithium-Kohlenstoffmonofluorid, S = Silber, L = Alkali-Mangan, P = Zink-Luft, M = Quecksilberoxid-Zink.

Seltener kommen heute 4,5-Volt-Flachbatterien zum Einsatz, die drei Primärelemente je 1,5 V enthalten. Ebenfalls gibt es spezielle (häufig recht teure) Bauformen von zylindrischen Zellen, z. B. Lithium-Batterien mit ca. 34,5 mm × 17 mm für Fotoapparate.

Typ Kürzel Nenn­spannung Kapazität (AA-Zelle) Selbst­entladung Auflade­zyklen
Alkali-Mangan AM oder RAM 1,5 V 1,8 bis 2,9 Ah 0,3 % pro Monat einige zehn
Zink-Kohle 1,5 V 0,8 bis 1,2 Ah 0,6 % pro Monat
Nickel-Metallhydrid NiMH 1,2 V 2 bis 2,7 Ah 20 % pro Monat viele hundert
Nickel-Cadmium NiCd 1,2 V 0,6 bis 1,1 Ah 20 % pro Monat viele hundert

Tabelle 1: Vergleich von diversen (teilweise wiederaufladbaren) Batterietypen, die in Form von AA-Zellen erhältlich sind. Man beachte, dass die Zahlenwerte v. a. für die Entladeraten und möglichen Aufladezyklen nur grobe Anhaltspunkte sind, da sie stark von den Herstellungsdetails und den Betriebs- und Lagerbedingungen abhängen.

Beurteilung der Restkapazität

Die Restkapazität einer in Gebrauch befindlichen Batterie lässt sich nicht leicht bestimmen. Die elektrische Spannung lässt sich zwar leicht messen, gibt aber wenig Aufschluss über die Restkapazität: Häufig bleibt die Spannung lange fast konstant, um dann erst bei weitgehender Erschöpfung rasch abzusacken. Häufig ist auch zu beobachten, dass die Leerlaufspannung (also die Spannung im unbelasteten Zustand) zwar noch relativ hoch ist (nahe der Nennspannung), die Spannung aber bereits bei mäßiger Belastung stark abnimmt; der Innenwiderstand ist also stark angestiegen. Am einfachsten lässt sich dies durch Messung des Kurzschlussstroms erkennen, also durch Messung bei Stromstärke, die sich beim direkten Anschließen eines Amperemeters an die beiden Batterieklemmen ergibt. (Dies sollte allerdings nur sehr kurzzeitig getan werden, da die Batterie dabei ja schnell weiter entladen wird.) Eine Batterie mit reduziertem Kurzschlussstrom mag in einem Verbraucher mit niedrigem Strombedarf noch eine Weile durchhalten.

Zusammenfassend lässt sich also sagen:

  • Wenn die gemessene Spannung der Batterie schon ohne Belastung deutlich unter der Nennspannung liegt, ist die Batterie mit Sicherheit erschöpft.
  • Wenn die Spannung noch nahe der Nennspannung liegt, kann auf dieser Basis keine sichere Aussage getroffen werden. Ein Anzeichen für erhebliche Erschöpfung ist dann aber eine starke Reduktion des Kurzschlussstroms.

Am besten ließe sich die Restkapazität abschätzen, wenn die entnommene Ladung vom Gerät gemessen würde. Dies ist allerdings nur bei den wenigsten Geräten möglich.

Zweites Leben von Batterien

In manchen Fällen werden Batterien, die vor die ursprünglich vorgesehene Anwendung zu viel an Kapazität verloren haben, danach noch für eine andere, diesbezüglich weniger kritische Anwendung eingesetzt; das nennt man ein zweites Leben (second life). Dies kommt vor allem bei Batterien für mobile Anwendungen vor (etwa Elektroautos), bei denen eine deutlich reduzierte Kapazität wegen der mangelnden Fahrzeugreichweite nicht mehr tolerierbar ist; solche Batterien können trotzdem noch nützlich sein beispielsweise Solarstromspeicher oder für die Deckung von Lastspitzen, um den maximalen Leistungsbezug aus dem Netz zu reduzieren und damit den gezahlten Leistungspreis zu vermindern. hier ist ein gewisser Verlust an Kapazität weniger kritisch, und die Energieeffizienz des Speichers wird hoffentlich nicht allzu sehr vermindert.

Solche Sekundäranwendungen sind natürlich positiv zu bewerten im Hinblick auf die Ressourceneffizienz. Sie sind allerdings nicht unbedingt kostengünstiger als die Verwendung neuer Batterien, da oft ein zusätzlicher Arbeitsaufwand entsteht, um Batterien unterschiedlicher Arten geeignet in ein Speichersystem einzubinden.

Fragen und Kommentare von Lesern

22.10.2021

Ich möchte eine Knopfzelle CR2032 gegen einen Supercap (Gold Cap) ersetzen. Die CR2032 hält in dieser Anwendung ca. 1,5 Jahre. Meine Frage, welche Kapazität muss der Supercap haben?

Antwort vom Autor:

Der Gold Cap ist kein richtiger Supercap, sondern eine Kombination davon mit einer Batterie. Er arbeitet bei maximal ca. 2,7 V, gegenüber 3 V für die CRC2032. Das wird wohl vermutlich nicht gehen.

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Literatur

[1]Stiftung Warentest über Akkus, 2000
[2]GRS Batterien – gemeinsames Rücknahmesystem
[3]Gerd Giese, “Elektromodellflug”, http://elektromodellflug.de/lithium-akku-technologie.php, mit einer Einführung von Frank Siegert zur Lithium-Polymer-Akku-Technologie (mit vielen Details zu Zellchemie, Alterung und Run-away)

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Akkumulator, Kapazität einer Batterie, Laden von Elektroautos, Brennstoffzelle, Ladegerät, elektrische Energie, Energiespeicher, Speicher für elektrische Energie, chemische Energiespeicherung
sowie andere Artikel in den Kategorien elektrische Energie, Energiespeicherung, Energieträger, Fahrzeuge

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