Trockenelement

Trockenelement (auch Trockenbatterie), technische Bezeichnung für die Taschenbatterie, die man typischerweise in elektronischen Kleingeräten (z. B. Taschenlampe, Kofferradios, Taschenrechner und Armbanduhren) als Stromquelle (siehe Elektrizität) verwendet. Trockenelemente sind im Prinzip galvanische Elemente (siehe elektrische Zelle), die sich allgemein in Einwegzellen und in wieder aufladbare Zellen untergliedern lassen.

Bei den Einwegzellen handelt es sich um so genannte Primärzellen. Diese Trockenelemente arbeiten nach dem Prinzip eines Leclanché-Elements, benannt nach seinem Erfinder, dem französischen Chemiker Georges Leclanché (1860). Der Pluspol – bei der Batterie die Kathode – besteht aus einem Graphit- oder Kohlestab mit Braunstein (Mangandioxid; siehe Mangan), als Minuspol – bei der Batterie die Anode – dient die äußere Batterieumhüllung: Zinkblech. Der Kohlestab taucht in eine pastöse Mischung aus Ammoniumchlorid (Salmiaklösung; siehe Ammoniak) und Zinkchlorid, die praktisch den Elektrolyten (siehe Elektrochemie; siehe elektrolytische Dissoziation) darstellt. Diese Mischung enthält meist noch andere zusätzliche Stoffe (z. B. Stärke- oder Weizenmehl).

Beim Betrieb dieser Batterie bilden sich an der Anode in einer elektrochemischen Reaktion aus dem Zink Zinkionen und Elektronen:

Zn → Zn2+ + 2e-

An der Kathode laufen im Prinzip zwei Prozesse ab: 1.) bilden sich aus dem Ammonium Protonen:

NH4+ ⇄ NH3 + H+

und 2.) reagieren der Braunstein, die Protonen und Elektronen zu Dimangantrioxid und Wasser:

2MnO2 + 2H+ + 2e- → Mn2O3 + H2O

Die Gesamtreaktion (Kathode + Anode) liefert eine Zellspannung von etwa 1,5 Volt.

Andere Formen von Primärzellen wären beispielsweise Alkali-Mangandioxid-Zellen und Lithiumbatterien. Bei Alkali-Mangandioxid-Zellen besteht die Kathode aus einer stark verdichteten Mangandioxid-Graphit-Mischung. Sie umgibt praktisch die Anode aus Zinkpulver, die in dem Elektrolyten Kaliumhydroxid (siehe Kalium) enthalten ist. Kathode und Anode sind durch eine poröse Schicht von einander getrennt. Bei den Lithiumbatterien besteht die Anode aus Lithium. Die Kathode ist ähnlich wie bei der Alkali-Zelle aufgebaut, aber aus unterschiedlichen Materialien zusammengesetzt. Ein ausgewähltes Beispiel arbeitet mit hochreinem Mangandioxidpulver und einer organischen Verbindung als Elektrolyt.

In quecksilberhaltigen Trockenbatterien besteht die Anode aus Zinkamalgam in gepresster Pulverform. Dabei handelt es sich um eine Legierung aus Zink und Quecksilber. Das Amalgampulver ist in vielen Ausführungen mit dem Elektrolyten (Kaliumhydroxid in Gel) vermischt. Die Kathode einer Quecksilberbatterie setzt sich aus Graphit- und Quecksilberoxidpulver zusammen. Beide Elektroden sind durch eine poröse Schicht getrennt.

Wieder aufladbare Trockenbatterien sind z. B. Nickel-Cadmium- oder Nickel-Eisen-Batterien. Sehr weit verbreitet ist die Nickel-Cadmium-Batterie. Sie enthält eine Cadmium-Elektrode und eine Nickel(III)-hydroxid-Elektrode (in einigen Fachbüchern auch Nickel(III)-metahydroxid) sowie Kaliumhydroxid als Elektrolyt. Die chemische Gesamtreaktion, die diesen Batterien zu Grunde liegt, lautet:

Cd + 2NiOOH + 2H2O → Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2

Trockenbatterien sind in verschiedenen Ausführungen im Handel erhältlich. Ausgewählte Beispiele für die Primärzellen sind u. a. die Mono-, Baby- und die Mignonzellen. Quecksilberhaltige oder auch lithiumhaltige Batterien gibt es beispielsweise in Form von so genannten Knopfzellen.

Nicht nur die verbrauchten cadmium- und quecksilberhaltigen Batterien, sondern generell alle verbrauchten Trockenbatterien sind Sondermüll und gehören daher nicht in den Hausmüll. Meistens werden verbrauchte Trockenbatterien dem Recycling zugeführt – man gewinnt dabei die Metalle (z. B. Quecksilber, Cadmium, Nickel, Zink) zurück. Dies gelingt jedoch nicht für alle Batteriesorten. So gibt es für Lithiumbatterien zurzeit noch kein adäquates Recyclingverfahren. Ein Teil der verbrauchten Batterien wird auf speziellen Mülldeponien (meist Sondermülldeponien) gelagert.

Siehe auch Elektrische Zelle; Batterie; Elektrochemie; Abfallbeseitigung