Batterien und Zelltypen einfach erklärt: Die Grundlagen

Stell dir vor, dein Smartphone-Akku ist leer und du müsstest jedes Mal das Gerät aufschrauben und eine neue Batterie einsetzen. Zum Glück können wir Handys aufladen! Aber warum geht das bei manchen Batterien und bei anderen nicht? Und wusstest du, dass die normale AA-Batterie aus der Fernbedienung chemisch gesehen gar keine „Batterie“ ist?

In diesem Artikel lüften wir die Geheimnisse der mobilen Stromspeicher. Du wirst die Grundlagen von Batterien und Zelltypen lernen, wie man sie chemisch korrekt benennt, warum manche wiederaufladbar sind und woher sie eigentlich ihre Energie nehmen.

Vorwissen

• Galvanische Zelle: Ein System, das chemische Energie in elektrische Energie umwandelt. Beispiel: Ein Zink-Kupfer-Element erzeugt Strom durch eine freiwillige Redoxreaktion.
• Elektrische Spannung ($U$): Der „Druck“, der die Elektronen durch den Stromkreis treibt. Beispiel: Eine höhere Spannung bedeutet, dass die Elektronen stärker angetrieben werden.

Aufgabentyp 1: Klassifizierung und Prinzipien von Batterien

Im Alltag nennen wir fast jeden mobilen Stromspeicher „Batterie“. In der Chemie müssen wir bei den Grundlagen von Batterien und Zelltypen jedoch genauer sein.

Zelle vs. Batterie

Eine einzelne Stromquelle nennen wir galvanische Zelle. Eine echte Batterie ist fachsprachlich eine Reihenschaltung aus mehreren galvanischen Zellen. Man schaltet sie hintereinander, um die Spannungen der Einzelzellen zu addieren.

Eine normale 1,5-Volt-AA-Stromquelle ist also eigentlich nur eine Zelle. Ein 9-Volt-Block hingegen ist eine echte Batterie, denn in seinem Inneren stecken sechs kleine 1,5-Volt-Zellen.

Primärzellen und Sekundärzellen

Wir teilen diese Stromquellen in zwei große Gruppen ein:

• Primärzellen: Das sind die klassischen Einweg-Batterien. Die chemische Reaktion in ihrem Inneren läuft nur in eine Richtung ab. Sie ist nicht reversibel (nicht umkehrbar). Wenn die Chemikalien verbraucht sind, ist die Zelle leer und muss recycelt werden.
• Sekundärzellen (Akkumulatoren/Akkus): Diese Zellen sind wiederaufladbar. Wenn man von außen Strom anlegt, wird die chemische Reaktion umgekehrt (reversibel). Die Ausgangsstoffe werden wiederhergestellt.

Das chemische Grundprinzip

Woher kommt die Energie? Das Kernprinzip fast aller Batterien ist die Oxidation eines unedlen Metalls (wie Zink oder Lithium). Unedle Metalle geben sehr gerne Elektronen ab. Wenn wir diese Elektronen durch ein Kabel zwingen, bevor sie vom Reaktionspartner aufgenommen werden, fließt Strom.

Die Nennspannung

Auf jeder Batterie steht ein Wert, zum Beispiel $1{,}5 \text{ V}$. Das ist die Nennspannung. Sie gibt nicht die absolute Maximalspannung an, wenn die Batterie brandneu ist (die ist oft etwas höher), sondern die durchschnittliche Spannung während der normalen Entladung bei geringer Stromstärke.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Prüfe den Aufbau: Besteht die Stromquelle aus nur einer Kammer (galvanische Zelle) oder sind mehrere Zellen in Reihe geschaltet (Batterie)?
2. Prüfe die Wiederaufladbarkeit: Ist die chemische Reaktion umkehrbar (Sekundärzelle/Akku) oder nicht (Primärzelle)?
3. Berechne die Nennspannung: Falls es sich um eine Batterie handelt, teile die Gesamtnennspannung durch die Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen.

Durchgerechnete Beispiele

Beispiel 0

Aufgabe

Ein Gabelstapler wird mit einem großen Stromspeicher betrieben, der aus 24 in Reihe geschalteten Blei-Säure-Einheiten besteht. Die Gesamtnennspannung beträgt $48 \text{ V}$. Der Speicher kann nach der Schicht an der Steckdose wieder aufgeladen werden. Klassifiziere diesen Stromspeicher mit den korrekten Fachbegriffen und berechne die Nennspannung einer einzelnen Einheit.

Lösung Schritt für Schritt

Fortschritt

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   Schritt 1
   Aufbau prüfen

   Der Speicher besteht aus 24 in Reihe geschalteten Einheiten. Es handelt sich fachsprachlich also um eine Batterie.

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   Schritt 2
   Wiederaufladbarkeit prüfen

   Da der Speicher an der Steckdose wieder aufgeladen werden kann, sind die chemischen Reaktionen reversibel. Es handelt sich um Sekundärzellen (Akkumulatoren).

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   Schritt 3 · Ergebnis
   Nennspannung der Einzelzelle berechnen

   Wir teilen die Gesamtspannung durch die Anzahl der Zellen: $U_{\text{Zelle}} = \frac{48 \text{ V}}{24}$ $= 2 \text{ V}$

Ergebnis:

Die Stromquelle ist eine Batterie aus Sekundärzellen. Die Nennspannung einer einzelnen Zelle beträgt $2 \text{ V}$.

Wichtigste Erkenntnisse

• Fachsprachlich ist eine Batterie eine Reihenschaltung mehrerer galvanischer Zellen.
• Primärzellen sind Einweg-Zellen (nicht reversibel).
• Sekundärzellen sind wiederaufladbare Akkus (reversibel).
• Die Energie stammt meist aus der Oxidation eines unedlen Metalls.
• Die Nennspannung ist die durchschnittliche Spannung bei der Entladung.