Elektrische Zelle

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Einleitung

Elektrische Zelle, auch als galvanische Zelle oder galvanisches Element bezeichnete Vorrichtung, die auf elektrochemischem Weg elektrische Energie erzeugt.

Eine elektrische Zelle besteht aus einer positiven und einer negativen Elektrode (Anode und Kathode) sowie einem flüssigen, pastenartigen oder festen Elektrolyt. Der Elektrolyt dient als Ionenleiter und fördert den elektrochemischen Vorgang (siehe Elektrolyse). Es fließt elektrischer Strom, wenn beide Elektroden mit einem elektrischen Leiter zu einem Stromkreis zusammengeschlossen werden. Dabei zersetzt sich die eine Elektrode unter Elektronenabgabe (siehe Oxidation), während die andere Elektronen aufnimmt (siehe Reduktion).

Eine Vorrichtung, die aus zwei oder mehreren elektrischen Zellen besteht, bezeichnet man als Batterie. Nach ihren Entladungseigenschaften werden Primär- und Sekundärelemente unterschieden. Primärelemente laden sich nicht wieder auf, weil sich die chemischen Stoffe, welche die Energieumwandlung herbeiführen, dabei selbst verändern und nicht wieder zurückführen lassen. Genau dies gelingt aber den Sekundärelementen, wenn man elektrischen Strom in entgegengesetzter Richtung durch sie hindurchleitet.

Brennstoffzellen gehören ebenfalls zu den elektrischen Zellen. Im Unterschied zu den Primär- und Sekundärelementen, werden die chemischen Stoffe hier kontinuierlich zu- und abgeführt.

Nicht zu den elektrischen Zellen gezählt werden Solar- oder Photozellen. Sie erzeugen elektrischen Strom nicht auf elektrochemischem Weg, sondern auf der Basis eines rein physikalischen Prozesses, des Photoeffekts. Photozellen werden auch als lichtelektrische Zellen bezeichnet.

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Primärelemente

Der gebräuchlichste Typ ist das um 1860 von dem französischen Chemiker Georges Leclanché entwickelte Leclanché- oder Trockenelement. Die heute verwendete Form ist der ursprünglichen Ausführung immer noch sehr ähnlich. Der Elektrolyt besteht aus einer Mischung aus Ammoniumchlorid (NH₄Cl) und Zinkdichlorid (ZnCl₂); beide liegen in Pastenform vor. Die äußere Zinkhülle der Batterie ist die Kathode oder negative Elektrode (Minuspol), an der die Elektronenabgabe (Oxidation) stattfindet. Dabei gehen Zinkatome (Zn⁰) in Zinkionen (Zn²⁺) über, und es werden Elektronen (e^-) frei:

Zn0 + 2NH4Cl → [ZnII(NH3)2Cl2] + 2H+ + 2e-.

Die Anode oder positive Elektrode (Pluspol) besteht aus einem Kohlenstoffstab, der von einer Mischung aus Aktivkohle und Mangandioxid oder Braunstein (auch Mangan(IV)-oxid, MnO₂) umgeben ist. Hier findet die Elektronenaufnahme (Reduktion) statt. Dabei nimmt das Mangan(IV)-ion im Mangandioxid ein Elektron auf und wird zu einem Mangan(III)-ion reduziert:

2MnIVO2 + 2H+ + 2e- → 2MnIIIO(OH).

Die Aktivkohle der positiven Elektrode ist mit Sauerstoff angereichert, der den sich bildenden Wasserstoff zu Wasser oxidiert. Ein Leclanchéelement erzeugt eine Spannung von circa 1,5 Volt.

Die Alkali-Mangan-Zelle beruht ebenfalls auf dem System Zink-Mangandioxid, arbeitet aber, anders als ein Leclanchéelement, nicht im schwach sauren, sondern im alkalischen Milieu. Die negative Elektrode besteht aus mit Elektrolyt (Kaliumhydroxidlösung, KOH) getränktem Zinkpulver, an der das Zink zu Zink(II)-oxid oxidiert wird:

Zn0 + 2OH- → ZnIIO + H2O + 2e-.

Die positive Elektrode besteht aus Mangandioxid oder Braunstein, der mit einer Ruß- oder Graphitschicht ummantelt wird. Hier wird das Mangan(IV)-oxid in Mangan(III)-oxid überführt:

2MnIVO2 + H2O + 2e- → Mn2IIIO3 + 2OH-.

Die Alkali-Mangan-Zelle liefert ebenfalls eine Spannung von circa 1,5 Volt.

Übliche Primärelemente sind auch Lithiumbatterien wie die Lithium-Mangandioxid-Zellen. Diese müssen aufgrund des Alkalimetalls mit wasserfreien Elektrolyten ausgestattet sein, häufig Salzmischungen mit organischen Lösungsmitteln. Die negative Elektrode besteht meist aus Lithiumfolie, aus der bei der Entladung Lithiumionen austreten. Bei Metalloxidsystemen wandern die Lithiumionen in die positive Elektrode und lagern sich dort ein.

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Sekundärelemente

Das Funktionsprinzip von Sekundärelementen erfand 1859 der französische Physiker Gaston Planté. Diese auch als Akkumulatoren (Akku) bezeichneten Vorrichtungen lassen sich durch den umgekehrten Ablauf der chemischen Reaktion wieder aufladen. Bei der Batterie von Planté handelte es sich um einen Bleiakkumulator, wie er auch heute noch verwendet wird. Das System enthielt drei oder sechs elektrische Zellen, die in Reihe geschaltet waren.

Bleiakkus werden in Kraftfahrzeugen verwendet, weil sie so starken elektrischen Strom liefern, wie er beispielsweise zum Starten eines Motors benötigt wird. Als Elektrolyt dient verdünnte Schwefelsäure; die negative Elektrode besteht aus Blei, die positive aus Bleidioxid. Bei der Entladung wird an der negativen Elektrode Blei zu Blei(II)-sulfat oxidiert:

Pb + H2SO4 « PbIISO4 + 2H+ + 2e-.

An der positiven Elektrode findet die Reduktion von Blei(IV)-oxid zu Blei(II)-sulfat statt:

PbIVO2 + H2SO4 +2H+ + 2e- « PbIISO4 + 2H2O.

Beim Aufladen der Batterie verlaufen diese Reaktionen in umgekehrter Richtung.

Ein Bleiakkumulator ist nach einiger Zeit erschöpft, weil die Schwefelsäure allmählich in Wasser übergeht und die Elektroden in Bleisulfat umgewandelt werden. Seine Lebensdauer liegt bei ungefähr fünf Jahren. Er liefert circa zwei Volt pro Zelle. Handelsübliche Bleiakkus für Kraftfahrzeuge liefern eine Spannung von sechs oder von zwölf Volt.

Weitere häufig verwendete Sekundärelemente sind der Nickel-Metallhydrid-Akku und der Lithiumionenakku. Sie werden in tragbaren Elektrogeräten eingesetzt, z. B. Nickel-Akkus in Digital- und Videokameras und Lithiumionenakkus in Handys und Notebooks.

Beim Nickel-Metallhydrid-Akku besteht die negative Elektrode aus einer Metalllegierung, die Wasserstoff gespeichert hat, und die positive Elektrode aus Nickel(III)-oxidhydroxid (NiOOH). Als Elektrolyt dient eine Kaliumhydroxidlösung (Kalilauge). Beim Entladen wird an der negativen Elektrode der locker an der Metalllegierung gebundene Wasserstoff zu Wasser oxidiert:

MH0 + OH- « M + H2O + e-.

An der positiven Elektrode werden Nickel(III)-ionen zu Nickel(II)-ionen reduziert:

NiIIIOOH + H2O + e- « NiII(OH)2 + OH-.

Nickel-Metallhydrid-Akkus liefern eine Spannung von 1,2 Volt pro Zelle und sollen künftig die Nickel-Cadmium-Akkus ersetzen.

Im Lithiumionenakku nehmen beide Elektroden reversibel Lithium auf. Die negative Elektrode besteht aus einer Kohle-Graphit-Mischung (C_n), in der eine vom Ladezustand bestimmte Menge (x) Lithiumatome eingelagert ist. Als Elektrolyt dienen wasserfreie organische Lösungsmittel, z. B. Propylencarbonat, in denen Lithiumsalze, etwa Lithiumperchlorat, gelöst sind. Beim Entladen geben die Lithiumatome Elektronen ab und wandern als Lithiumionen zur positiven Elektrode:

CnLix0 « Cn + xLi+ + xe-.

Diese besteht vorwiegend aus einem Metalloxid (M^ZO_y). In dessen Gitter befinden sich bereits Lithiumionen, es lassen sich aber noch weitere einlagern. Dabei nimmt das Metall (M^Z) die Elektronen auf:

Li1-xMZOy + xLi+ +xe- « Li1+xMZ-xOy.

Beim Aufladen verlassen die Lithiumionen das Metalloxidgitter und wandern zurück zur negativen Elektrode. Lithiumionenakkus liefern eine Spannung von 3,6 Volt pro Zelle.