Galvanische Zelle

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Prinzipieller Aufbau einer galvanischen Zelle
Schnitt durch eine Alkali-Mangan-Rundzelle
Mit Methanol betriebene Brennstoffzelle

Eine galvanische Zelle - auch galvanisches Element oder galvanische Kette genannt - dient der spontanen Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie. Benannt ist sie nach Luigi Galvani (1737-1798), der bei seinem berühmten Froschschenkel-Experiment den Galvanismus entdeckte.

Ein galvanisches Element besteht prinzipiell aus zwei Elektroden und einem Elektrolyten und dient als Gleichspannungsquelle. Seine Funktion beruht auf einer Redoxreaktion, wobei aber die Oxidation und die Reduktion räumlich getrennt voneinander in jeweils einer Halbzelle (Halbelement) ablaufen, die intern durch eine Ionenbrücke verbunden sind. Um der Zelle elektrische Energie zu entnehmen, muss auch der äußere Stromkreis geschlossen werden. Zu diesem Zweck werden die beiden Elektroden durch einen elektrischen Leiter, in den in der Regel auch ein elektrischer Verbraucher (z.B. eine Lampe, ein Elektromotor etc.) eingeschaltet ist. Die eingeprägte Spannung der Zelle hängt von dem verwendeten Redox-Paar ab.

Bauformen

Primärzelle

Eine Primärzelle - die klassische elektrische Batterie - kann nur entladen, aber nicht wieder neu aufgeladen werden. Eine ursprünglich sehr verbreitete Bauform war die Zink-Kohle-Zelle, die aber heute überwiegend durch die weiterentwickelte Alkali-Mangan-Zelle. Beide Bauarten liefern eine Nennspannung von 1,5 V. In beiden Fällen besteht die Anode aus Zinkpulver (Zn) und die Kathode aus Mangandioxid (MnO2.

Sekundärzelle

Eine Sekundärzelle kann nach der Entladung durch Umkehrung der Stromrichtung wieder aufgeladen werden. Sie wird daher auch als Akkumulator oder kurz als Akku bezeichnet. Die Redoxreaktion wird beim Laden umgekehrt.

In Kraftfahrzeugen werden zumeist Bleiakkumulatoren (kurz Bleiakku) als Starterbatterie verwendet, bei denen die Elektroden aus Blei bzw. Bleidioxid und der Elektrolyt aus verdünnter Schwefelsäure besteht. Nachteilig ist das hohe Gewicht und die vergleichsweise geringe Energiedichte. In elektronischen Geräte und Elektrofahrzeugen werden daher überwiegend leichtere und leistungsfähigere Lithium-Ionen-Akkumulatoren benutzt.

Tertiärzelle

Ein Tertiärzelle, auch Brennstoffzelle genannt, beruht darauf, dass das der Energieerzeugung dienende Redox-Paar, d.h. der Brennstoff und das Oxidationsmittel, kontinuierlich von außen zugeführt wird. Das Redox-Paar bestimmt die erzielbare Nennspannung. Die Elektroden bestehen üblicherweise aus Metall oder Kohlenstoff und sind meist mit einem Katalysator aus Platin oder Palladium beschichtet. Der Elektrolyt kann flüssig (z.B. Säuren oder Laugen) oder fest sein (z.B. Keramik oder eine semipermeable Membran).

Eine typische Bauform ist die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle, bei der Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet wird. Es können aber auch andere Brennstoffe wie beispielsweise Erdgas (Methan), Butan oder Methanol benutzt werden.

Siehe auch