C – Funtkionsweise einer Batterie

Die Batterie ist die Spannungsquelle in einem sehr einfachen Stromkreis. Handelsübliche Batterien liefern Spannungen von beispielsweise 1,5 Volt (z.B. AAA-, AA-, A-Batterien, Monozellen) oder 4,5 V (Flachbatterien) oder 9 V (Blockbatterien). Wenn sie über einen guten elektrischen Leiter kurzgeschlossen werden, können sie eine ernstzunehmende Hitze entwickeln. Ihre Spannungen sind ansonsten für den menschlichen Körper sehr ungefährlich.

C.1 Aufgabe: Ladungstrennung

Eine Spannungsquelle wie eine Batterie oder auch eine Steckdose mit Netzspannung stellen einen Minus und einen Pluspol, also zwei Pole mit einer Ladungsdifferenz bereit. Am Minuspol liegt dabei ein Überschuss an Elektronen vor, am Pluspol ein Mangel an Elektronen. Zwischen beiden Polen breitet sich ein elektrisches Feld aus, dass den angeschlossenen Leiter durchdringt, und die Elektronen in Richtung des Minuspols beschleunigt. Ist der Stromkreis geschlossen, können die Elektronen fließen.

Wir betrachten nun (ohne in die chemischen Details zu gehen) die Funktionsweise einer Batterie.

Ladungstrennungen lassen sich auch erreichen, wenn man zwei Materialien in engen Kontakt miteinander bringt und dabei aneinander reibt. Reiben Plastikkamm  oder Luftballon und Haare aneinander, werden beide elektrisch aufgeladen. Elektronen gehen von den Haaren auf Kamm oder Luftballon über. Die Haare sind danach also positiv aufgeladen, Kamm / Luftballon hingegen negativ. Das merken wir beispielsweise daran, dass die positiv geladenen Haare einander abstoßen und dadurch abstehen. Welches Material nun Elektronen abgibt und welches Elektronen vom anderen aufnimmt hängt mit der Materialeigenschaft der Elektronenaffinität zusammen. Diese Eigenschaft beschreibt die Fähigkeit, Elektronen an sich bin den zu können. Im oberen Beispiel ist die Eigenschaft der Haare (Kreatin), Elektronen an sich binden zu können, schwächer ausgeprägt als bei Plastik oder PVC. Daher nehmen Kamm / Luftballon die Elektronen auf, die das Kreatin der Haare bei der Reibung abgibt.

Auch elektrische Leiter unterscheiden sich in ihrer Eigenschaft, wie stark sie Elektronen an sich binden können, bzw. wie stark sie unter Abgabe von Elektronen in Lösung gehen. Dies kann man sich zu Nutze machen, wenn man zwei Metalle in Kontakt miteinander bringt. Dies wird auch „Kontaktspannung“ genannt.

C.2 Historischer Hintergrund und elektrochemische Spannungsreihe

Volta entdeckte dieses Phänomen um 1800, als er systematisch verschiedene Metalle über einen Elektrolyten in Kontakt brachte. In Ermangelung eines genügend sensitiven Messgerätes verwendete er zum Test seine Zunge, über die er den Stromkreis zwischen Metallen und Elektrolyt schloss. Anhand der Stärke des leichten Kribbelns und geschmacklicher Veränderungen auf der Zunge, eine Folge des induzierten Stromflusses, brachte er die getesteten Metalle in eine Reihenfolge: die elektrochemische Spannungsreihe. Heute sind den Elementen dieser Spannungsreihe elektrochemische Potentiale zugeordnet wie Abbildung C.2 zu entnehmen ist. Als Vergleichspotential dient der Wasserstoff, der auf 0,0V festgelegt ist.

Element Elektrochemisches Potential
Gold +1,42
Platin +1,20
Silber +0,80
Kupfer +0,34
Wasserstoff 0,00
Zinn -0,14
Eisen -0,44
Zink -0,76
Aluminium -1,67

Bringt man zwei Metalle nun miteinander in Kontakt, kann zwischen ihnen unter günstigen Bedingungen eine maximale Kontaktspannung entstehen, die der Differenz der beiden elektrochemischen Potentiale entspricht. Hieraus lässt sich nun eine Batterie bauen.

Volta stellte beispielsweise fest, dass Kupfer und Zink eine recht annehmbare Spannung von ca. 1 V (genau: bis zu 1,1V) lieferte, und die beiden Metalle sich außerdem aufgrund ihrer guten Handhabbar- und Bezahlbarkeit gut anboten. Volta stellte daher eine Batterie (französisch für: aus vielen Einheiten bestehend) zusammen, indem er immer Kupfer- und Zinkplättchen mit einem dazwischenliegenden salzwassergetränkten Lederlappen als Elektrolyt stapelte. Eine solche „Voltasäule“ kann es leicht auf Spannungen über 20V bringen. (eine solche Voltasäule lässt sich auch mit 5-Cent-Münzen, verzinkten Unterlegscheiben und salzwassergetränktem Küchenkrepp nachbauen.) Andere Material-Kombinationen der elektrochemischen Spannungsreihe würden theoretisch noch mehr als die hier erreichbare 1,1 V Spannung liefern. Aber sie sind in Fällen wie Gold und Platin schlicht zu kostspielig oder zu anfällig beispielsweise für Oxidation und andere chemische Prozesse wie beispielsweise Aluminium und Magnesium.

Abbildung Voltasäule

Die Voltasäule als Prototyp der Batterie lieferte also vor mehr als 200 Jahren zum ersten Mal kontinuierliche Spannung und erlaubte einen andauernden Stromfluss. Führende Persönlichkeiten wie Napoleon ließen sich die neue Erfindung vorführen und waren begeistert. Volta wurde für seinen Beiträge zur Elektrizitätslehre die Copley-Medaille verliehen.

Einen gelungenen Film zu den Hintergründen finden Sie hier (gekürzte Version, ansonsten suchen nach: Meilensteine der Naturwissenschaft und Technik – Volta):

C.3 Verschiedene Typen von Batterien – auch zum Selberbauen

Wenn Sie einmal recherchieren finden Sie sehr verschiedene Typen von Batterien / Akkus: Nickel-Cadmium-Batterien, Kohle-Zink-Batterien, Lithium-Ionen-Batterien – oder in Kinder-Experimentierbüchern auch: Limobatterien, Zitronenbatterien, Red Bull-Batterien, …

Bei letzteren ist allerdings Vorsicht geboten, hier ist die Namensnennung spektakulärer als der Inhalt. Namensgeber bei Limo, Zitronen und Red Bull sind nämlich die Elektrolyte. Diese sind zwar wichtig, um die chemischen Prozesse möglichst lange aufrecht zu halten. Das eigentlich ausschlaggebende bleibt allerdings das elektrochemische Potential der beiden Elektroden. Eine Zitronenbatterie funktioniert nur, denn ich in die Zitrone ein Kupfer- und ein Zinkplättchen stecke. Die Zitrone alleine erzeugt weder Spannung noch Strom.

Eine selbstgebaute Batterie allerdings bietet eine gute Gelegenheit, den Einfluss verschiedener Parameter genau zu untersuchen. Dazu können beispielsweise gehören:

      • Wahl der Materialien für die Elektroden
      • Art und Konzentration des Elektrolyts
      • Temperatur des Elektrolyts
      • Größe der Elektroden / Menge des Elektrolyts usw.

Diese Parameter lassen sich beispielsweise untersuchen in Bezug auf die Spannung, die die Batterie liefert, ihre Lebensdauer oder auch ihre Leistung und Belastung, d.h. ihre Arbeitsfähigkeit, wenn sie tatsächlich in einen Stromkreis eingebunden wird, in dem auch Strom fließt.

Hier einige Beispiele von Messreihen:

Verschiedene Temperaturen des Elektrolyts (Salzwasser)

Verschiedene (Salz-)Konzentrationen des Elektrolyts

Verschiedene Größen der Elektrodenplatten

Denn in letzterem Fall zeigt sich ein großer Nachteil dieser selbstgebauten Batterien: Zwar lassen sich auch drei Zitronenbatterien in Reihe hintereinanderschalten, so dass ihre Gesamtspannung bei ca. 3 x 1V=3V liegt. Eine kleine Lampe lässt sich damit aber bei weitem nicht betreiben, selbst wenn sie mit 3V schon leuchten könnte. Die so gebauten Batterien sind nicht sehr leistungsstark. Dies bedeutet vereinfacht gesagt, dass ihre Spannung schwindet, wenn sie tatsächlich in einen Stromkreis eingebunden werden. Wenn dies der Fall ist, muss die Batterie nicht nur einmal, sondern auch dauerhaft dafür sorgen, dass ein Ladungsunterschied zwischen Plus- und Minuspol besteht. Dies ist für sehr einfache selbstgebaute Batterien allerdings nur bei sehr geringen Spannungen leistbar.