Zellen und Batterien – Chemie

Der chemische Prozess des Elektronenaustauschs, bekannt als Oxidations-Reduktion, ist fĂŒr die Funktionsweise und Eigenschaften von verantwortlich Batterien unseres Alltags. đŸ‡§đŸ‡·Im Alltag verwenden wir die Begriffe Stack und Akku synonym. Eine Batterie ist ein GerĂ€t, das nur aus zwei Elektroden und einem Elektrolyten besteht, die so angeordnet sind, dass sie elektrische Energie erzeugen. Eine Batterie ist ein Satz von Zellen, die in Reihe oder parallel gruppiert sind, je nach Bedarf nach höherem Potenzial oder Strom.“1

Somit ist der in einer Zelle oder einer Batterie beteiligte elektrolytische Prozess derselbe und befasst sich mit einem Austausch von Elektronen zwischen zwei Spezies, einem Oxidationsmittel und einem Reduktionsmittel. Zum Beispiel gibt es im Fall einer Alkalibatterie einen elektrolytisch reinen metallischen Manganstab, der in eine Zinkhydroxidpaste eingetaucht ist. Daraus sind die jeweiligen Standardreduktionspotentiale gemĂ€ĂŸ den folgenden Gleichungen bekannt:

Mn2+ + 2e → Mn0 E0 = -1,18 V

Zn2+ + 2e → Zn0 E0 = -0,76 V

ZunÀchst stellen beide Gleichungen eine Reduktion dar (Aufnahme von Elektronen). Um zu dem von der Batterie erzeugten Potential zu gelangen, muss die Gleichung mit dem niedrigsten Wert unabhÀngig von ihrer Art umgedreht werden, wodurch ihr Vorzeichen umgekehrt wird, um zu gelangen zu:

Mn0 → Mn2+ + 2e E0 = +1,18 V

Zn2+ + 2e → Zn0 E0 = -0,76 V

Durch Addition der Oxidationspotentiale (erste Gleichung) und Reduktionspotentiale (zweite Gleichung) erhÀlt man das von der Batterie erzeugte Potential im Verbund der beiden Metalle. In diesem Fall hat die Batterie ein Potential von +0,42 Volt. Indem wir einzelne SÀtze dieser Metallpaare in Reihe oder parallel verbinden und das angegebene Potential einzeln erhöhen, bilden wir eine Batterie.

Die Hauptfunktion einer Batterie besteht darin, chemische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, und zwar durch eine spontane Reaktion des Elektronenaustauschs zwischen zwei Arten (Elektroden), die im Allgemeinen metallisch sind. Eine Elektrode entsteht, wenn ein Metallfragment in eine Lösung seiner Ionen getaucht wird. In diesem Fall kann dieses GerÀt als galvanische Batterie, elektrische Batterie oder einfach als Batterie bezeichnet werden.

Insbesondere in Bezug auf Batterien besteht derzeit eine grĂ¶ĂŸere Umweltbedenken bei deren Entsorgung, die immer noch problematisch und sehr umweltaggressiv ist. Zum Beispiel „stellen Metallhydrid/Nickeloxid- und Lithium-Ionen-Batterien ein viel geringeres Umweltrisiko dar als Nickel/Cadmium-Batterien. Trotzdem waren 1999 von den 5 Millionen Handybatterien, die es in Brasilien gab, immer noch 80 % Nickel-Cadmium-Batterien; nur 18 % waren Metallhydrid/Nickeloxid und 2 % Lithiumionen.“1. Derzeit dominieren Lithium-Ionen-Zellen und -Batterien den Markt.

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Verweise:
1. http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc11/v11a01.pdf
FELTRE, Ricardo; Grundlagen der Chemie, Bd. Einzigartig, Hrsg. Moderne, São Paulo/SP – 1990.
RUSSELL, John B.; Allgemeine Chemie Bd. 1, SĂŁo Paulo: Pearson Education do Brasil, Makron Books, 1994.