Geschichte

Der italienische Physiker Alessandro Volta baute und beschrieb 1800 die erste elektrochemische Batterie, die Voltasäule . Dies war ein Stapel aus Kupfer- und Zinkplatten, die durch mit Sole getränkte Papierscheiben getrennt waren und über einen beträchtlichen Zeitraum einen konstanten Strom erzeugen konnten. Volta verstand nicht, dass die Spannung auf chemische Reaktionen zurückzuführen war. Er hielt seine Zellen für eine unerschöpfliche Energiequelle und die damit verbundenen Korrosionseffekte an den Elektroden eher für ein Ärgernis als für eine unvermeidliche Folge ihres Betriebs, wie Michael Faraday 1834 zeigte.

Obwohl frühe Batterien für experimentelle Zwecke von großem Wert waren, schwankten ihre Spannungen in der Praxis und sie konnten über einen längeren Zeitraum keinen großen Strom liefern. Die 1836 vom britischen Chemiker John Frederic Daniell erfundene Daniell-Zelle war die erste praktische Stromquelle , die zum Industriestandard wurde und als Stromquelle für elektrische Telegrafennetze weit verbreitet war . Es bestand aus einem mit einer Kupfersulfatlösung gefüllten Kupfertopf , in den ein mit Schwefelsäure und einer Zinkelektrode gefüllter unglasierter Tonbehälter eingetaucht war .

Diese Nasszellen verwendeten flüssige Elektrolyte, die bei unsachgemäßer Handhabung zum Auslaufen und Verschütten neigten. Viele benutzten Glasgefäße, um ihre Komponenten aufzubewahren, was sie zerbrechlich und potenziell gefährlich machte. Diese Eigenschaften machten Nasszellen für tragbare Geräte ungeeignet. Gegen Ende des neunzehnten Jahrhunderts machte die Erfindung von Trockenbatterien , die den flüssigen Elektrolyten durch eine Paste ersetzten, tragbare elektrische Geräte praktisch.

Kategorien und Arten von Batterien

Batterien werden in primäre und sekundäre Formen eingeteilt:

• Primärbatterien sind so konzipiert, dass sie verwendet werden können, bis ihre Energie erschöpft ist, und dann entsorgt werden. Ihre chemischen Reaktionen sind im Allgemeinen nicht umkehrbar, sodass sie nicht wieder aufgeladen werden können. Wenn der Vorrat an Reaktanten in der Batterie erschöpft ist, produziert die Batterie keinen Strom mehr und ist nutzlos.
• Sekundärbatterien können wieder aufgeladen werden; Das heißt, ihre chemischen Reaktionen können umgekehrt werden, indem elektrischer Strom an die Zelle angelegt wird. Dadurch werden die ursprünglichen chemischen Reaktanten regeneriert, sodass sie mehrmals verwendet, aufgeladen und erneut verwendet werden können.

Einige Arten von Primärbatterien, die beispielsweise für Telegrafenschaltungen verwendet wurden , wurden durch Austausch der Elektroden wieder in Betrieb genommen. Sekundärbatterien sind aufgrund von Verlust der aktiven Materialien, Elektrolytverlust und innerer Korrosion nicht unbegrenzt wiederaufladbar.

Primär

Primärbatterien oder Primärzellen können sofort nach dem Zusammenbau Strom erzeugen. Diese werden am häufigsten in tragbaren Geräten verwendet, die eine geringe Stromaufnahme haben, nur zeitweise verwendet werden oder weit entfernt von einer alternativen Stromquelle verwendet werden, z. B. in Alarm- und Kommunikationskreisen, in denen andere elektrische Energie nur zeitweise verfügbar ist. Einweg-Primärzellen können nicht zuverlässig wiederaufgeladen werden, da die chemischen Reaktionen nicht leicht umkehrbar sind und aktive Materialien möglicherweise nicht in ihre ursprüngliche Form zurückkehren. Batteriehersteller raten davon ab, Primärzellen aufzuladen. Diese haben im Allgemeinen höhere Energiedichten als wiederaufladbare Batterien, aber Einwegbatterien schneiden bei High-Drain-Anwendungen mit Lasten unter 75 Ohm (75 Ω) nicht gut ab. Übliche Arten von Einwegbatterien sind Zink-Kohle-Batterien und Alkalibatterien .

Sekundär

Sekundärbatterien, auch Sekundärzellen oder wiederaufladbare Batterien genannt, müssen vor dem ersten Gebrauch aufgeladen werden; sie werden üblicherweise im entladenen Zustand mit Aktivmaterialien bestückt. Wiederaufladbare Batterien werden durch Anlegen von elektrischem Strom (wieder) aufgeladen, wodurch die chemischen Reaktionen, die während des Entladens/Gebrauchs auftreten, umgekehrt werden. Geräte zur Bereitstellung des entsprechenden Stroms werden als Ladegeräte bezeichnet.

Die älteste Form der wiederaufladbaren Batterie ist die Blei-Säure-Batterie , die in Automobil- und Bootsanwendungen weit verbreitet ist . Diese Technologie enthält Flüssigelektrolyt in einem unversiegelten Behälter, was erfordert, dass die Batterie aufrecht gehalten und der Bereich gut belüftet wird, um eine sichere Verteilung des Wasserstoffgases zu gewährleisten , das während des Überladens entsteht. Die Blei-Säure-Batterie ist relativ schwer für die Menge an elektrischer Energie, die sie liefern kann. Seine niedrigen Herstellungskosten und seine hohen Stoßstrompegel machen es dort üblich, wo seine Kapazität (über etwa 10 Ah) wichtiger ist als Gewichts- und Handhabungsprobleme. Eine gängige Anwendung ist die moderne Autobatterie , die in der Regel einen Spitzenstrom von 450 Ampere liefern kann .

Die verschlossene ventilregulierte Blei-Säure-Batterie (VRLA-Batterie) ist in der Automobilindustrie als Ersatz für die Blei-Säure-Nasszelle beliebt. Die VRLA-Batterie verwendet einen immobilisierten Schwefelsäureelektrolyten , wodurch die Wahrscheinlichkeit eines Auslaufens verringert und die Haltbarkeit verlängert wird . VRLA-Batterien immobilisieren den Elektrolyten. Die zwei Arten sind:

• Gelbatterien (oder "Gelzellen") verwenden einen halbfesten Elektrolyten.
• Absorbed Glass Mat (AGM) Batterien absorbieren den Elektrolyten in einer speziellen Glasfasermatte.

Zu anderen tragbaren wiederaufladbaren Batterien gehören mehrere versiegelte "Trockenzellen"-Typen, die in Anwendungen wie Mobiltelefonen und Laptop-Computern nützlich sind . Zellen dieses Typs (in der Reihenfolge zunehmender Leistungsdichte und Kosten) umfassen Nickel-Cadmium- (NiCd), Nickel-Zink- (NiZn), Nickel-Metallhydrid- (NiMH) und Lithium-Ionen- (Li-Ion-) Zellen. Li-Ion hat bei weitem den höchsten Anteil am Markt für wiederaufladbare Trockenzellen. NiMH hat NiCd aufgrund seiner höheren Kapazität in den meisten Anwendungen ersetzt, aber NiCd wird weiterhin in Elektrowerkzeugen , Funkgeräten und medizinischen Geräten verwendet .

Zu den Entwicklungen in den 2000er Jahren gehören Batterien mit eingebetteter Elektronik wie USBCELL , die das Laden einer AA-Batterie über einen USB- Anschluss ermöglichen, Nanoball-Batterien , die eine etwa 100-mal höhere Entladerate als aktuelle Batterien ermöglichen, und intelligente Batteriepacks mit Ladezustand Monitore und Batterieschutzschaltungen, die Schäden bei Tiefentladung verhindern. Geringe Selbstentladung (LSD) ermöglicht das Aufladen von Sekundärzellen vor dem Versand.

Zelltypen

Viele Arten von elektrochemischen Zellen wurden mit unterschiedlichen chemischen Prozessen und Designs hergestellt, einschließlich galvanischer Zellen , elektrolytischer Zellen , Brennstoffzellen , Durchflusszellen und Voltaiksäulen.

Nasszelle

Eine Nassbatterie hat einen flüssigen Elektrolyten . Andere Bezeichnungen sind geflutete Zelle, da die Flüssigkeit alle Innenteile bedeckt oder belüftete Zelle, da im Betrieb entstehende Gase in die Luft entweichen können. Nasszellen waren ein Vorläufer der Trockenzellen und werden häufig als Lernwerkzeug für die Elektrochemie verwendet . Sie können mit üblichen Labormaterialien wie Bechergläsern gebaut werden, um zu demonstrieren, wie elektrochemische Zellen funktionieren. Eine bestimmte Art von Nasszelle, bekannt als Konzentrationszelle, ist wichtig für das Verständnis von Korrosion . Nasszellen können Primärzellen (nicht wiederaufladbar) oder Sekundärzellen (wiederaufladbar) sein. Ursprünglich wurden alle praktischen Primärbatterien wie die Daniell-Zelle als oben offene Naßzellen aus Glas gebaut. Andere primäre Nasszellen sind die Leclanche - Zelle , die Grove - Zelle , die Bunsen - Zelle , die Chromsäurezelle , die Clark - Zelle und die Weston - Zelle . Die Zellchemie von Leclanche wurde an die ersten Trockenzellen angepasst. Nasszellen werden immer noch in Autobatterien und in der Industrie für die Notstromversorgung von Schaltanlagen , Telekommunikation oder großen unterbrechungsfreien Stromversorgungen verwendet , aber vielerorts wurden stattdessen Batterien mit Gelzellen verwendet. Diese Anwendungen verwenden üblicherweise Blei-Säure- oder Nickel-Cadmium- Zellen.

Trockenbatterie

Eine Trockenzelle verwendet einen Pastenelektrolyten mit nur genügend Feuchtigkeit, um Strom fließen zu lassen. Im Gegensatz zu einer Nasszelle kann eine Trockenzelle in jeder Ausrichtung betrieben werden, ohne dass etwas verschüttet wird, da sie keine freie Flüssigkeit enthält, wodurch sie für tragbare Geräte geeignet ist. Im Vergleich dazu waren die ersten Nasszellen typischerweise zerbrechliche Glasbehälter mit Bleistangen, die oben offen hingen, und erforderten eine sorgfältige Handhabung, um ein Verschütten zu vermeiden. Blei-Säure-Batterien erreichten erst mit der Entwicklung der Gel-Batterie die Sicherheit und Tragbarkeit der Trockenzelle .

Eine übliche Trockenzelle ist die Zink-Kohle-Batterie , manchmal auch trockene Leclanché-Zelle genannt , mit einer Nennspannung von 1,5 Volt , die gleiche wie die Alkalibatterie (da beide die gleiche Zink - Mangandioxid -Kombination verwenden). Eine Standard-Trockenzelle besteht aus einer Zinkanode , meist in Form eines zylindrischen Topfes, mit einer Kohlenstoffkathode in Form eines zentralen Stabes. Der Elektrolyt ist Ammoniumchlorid in Form einer Paste neben der Zinkanode. Der verbleibende Raum zwischen Elektrolyt und Kohlenstoffkathode wird von einer zweiten Paste aus Ammoniumchlorid und Mangandioxid ausgefüllt, wobei letzteres als Depolarisator wirkt . Bei einigen Konstruktionen wird das Ammoniumchlorid durch Zinkchlorid ersetzt .

Geschmolzenes Salz

Salzschmelzebatterien sind Primär- oder Sekundärbatterien, die ein geschmolzenes Salz als Elektrolyt verwenden. Sie arbeiten bei hohen Temperaturen und müssen gut isoliert sein, um die Wärme zurückzuhalten.

Reservieren

Eine Reservebatterie kann unmontiert (nicht aktiviert und ohne Strom) über einen langen Zeitraum (vielleicht Jahre) gelagert werden. Wenn die Batterie benötigt wird, wird sie zusammengebaut (z. B. durch Hinzufügen von Elektrolyt); Nach dem Zusammenbau ist der Akku aufgeladen und betriebsbereit. Beispielsweise könnte eine Batterie für einen elektronischen Artilleriezünder durch den Aufprall beim Abfeuern einer Waffe aktiviert werden. Die Beschleunigung zerbricht eine Elektrolytkapsel, die die Batterie aktiviert und die Schaltkreise des Zünders mit Strom versorgt. Reservebatterien sind in der Regel für eine kurze Lebensdauer (Sekunden oder Minuten) nach langer Lagerung (Jahre) ausgelegt. Eine wasseraktivierte Batterie für ozeanografische Instrumente oder militärische Anwendungen wird beim Eintauchen in Wasser aktiviert.

Zellleistung

Die Eigenschaften einer Batterie können aufgrund vieler Faktoren, einschließlich der internen Chemie, des Stromverbrauchs und der Temperatur, über den Ladezyklus, über den Ladezyklus und über die Lebensdauer hinweg variieren. Bei niedrigen Temperaturen kann eine Batterie nicht so viel Leistung liefern. Daher installieren einige Autobesitzer in kalten Klimazonen Batteriewärmer, bei denen es sich um kleine elektrische Heizkissen handelt, die die Autobatterie warm halten.