3.

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.