Alkali-Mangan-Batterien werden auch als Alkali-Mangan-Zelle bezeichnet. Es handelt sich hierbei um ein galvanisches Element, welches zu den bedeutendsten elektrochemischen Energiespeichern zählt. Im Gegensatz zu Zink-Kohle-Batterien weisen Alkali-Mangan Batterien eine deutlich höhere Kapazität auf. Zudem sind Alkali-Mangan-Batterien wesentlich belastbarer und sie können länger gelagert werden. Aufgrund dieser drei Vorteile haben diese innovativen Batterien Zink-Kohle-Batterien aus zahlreichen Anwendungen verdrängt.
Aufbau einer Batterie
Die verbreitetste Bauart der Batterien ist die Alkali-Mangan-Batterie.
Eine Batterie setzt sich entweder aus einer oder aus gleich mehreren galvanischen Zellen zusammen. Diese sind in der Lage, chemische Energie zu speichern und an elektrische Energie abzugeben.
Die Batterie ist von einer Hülle aus Metall umgeben. Diese Metallhülle dient als Pluspol. Die Unterseite der Hülle ist vorerst offen.
Das Mangan befindet sich am Rand der Batterie. Dieses Mangan stellt die positive Elektrode dar. Die positive Elektrode wird als Kathode bezeichnet.
Die Kathode wird durch einen Separator von der Anode, also der negativen Elektrode getrennt.
Eine treffendere Bezeichnung wäre Zink-Braunstein-Zelle samt alkalischem Elektrolyt, da in der negativen Elektrode Zink als elektrochemisch aktiver Stoff verwendet wird.
Bei Alkali-Mangan-Batterien kommt die konzentrierte Kalilauge Kaliumhydroxid als Elektrolyt zum Einsatz.
Sowohl der Bereich der Kathode als auch der Bereich der Anode sind mit Kaliumhydroxid-Lauge getränkt. Die Kalilauge verbessert die Leitfähigkeit der Materialien.
An der Unterseite der Batterie ist eine Metallplatte angebracht. Den Kontakt zu dieser Platte aus Metall stellt ein Metallstift dar, der sich mittig in der Batterie in der Zinkmasse befindet.
Diese Metallplatte bildet sowohl den Minuspol als auch den unteren Abschluss der Batterie.
Funktionsweise einer Batterie
Sobald Du die Batterie in ein elektrisches Gerät einlegst, entsteht ein Stromkreis. Wenn Du beispielsweise eine Glühbirne anschließt, können die Elektronen durch den Glühdraht vom Minuspol zum Pluspol fließen. Hier stellt sich jedoch die Frage, warum dies geschieht.
Chemiker bezeichnen Zink als unedles Metall, welches dazu tendiert, Elektronen abzugeben. Im Gegensatz zu Zink ist Mangan ein edles Metall, welches Elektronen aufnehmen kann.
Wenn die Kathode mit der Anode verbunden wird, gibt das mit Kaliumhydroxid-Lauge getränkte Zink Elektronen über den Leiter an Mangan ab.
Die in der Zinkmasse befindlichen Elektronen entstehen aufgrund einer Reaktion der Kalilauge mit Zink. Es bildet sich Zinkhydroxid ebenso wie zwei Elektronen.
Im Anschluss daran kommt es bei der Oxidation des Zinkhydroxids zu Zinkoxid und Wasser.
Ist das gesamte Zink samt Kalilauge zu Wasser und Zinkoxid oxidiert und wurden alle freien Elektronen abgegeben, so ist die Batterie leer.
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Das Prinzip einer Batterie
Batterien basieren auf dem Prinzip der Galvanischen Zelle. Hierbei sausen die winzigen elektrisch geladene Teilchen inmitten eines Kreislaufs umher und produzieren Strom. Somit kannst Du Deine Bluetooth-Maus zum Laufen und Deine Taschenlampe zum Leuchten bringen! Einer Galvanische Zelle setzt sich aus zwei Gefäßen zusammen, die mit unterschiedlichen Metallen und Flüssigkeiten gefüllt sind.
Metalle und ihre Eigenschaften
Metalle sind in der Lage, winzige elektrisch geladene Teilchen abzugeben. Diese negativ geladenen Teilchen werden als Elektronen bezeichnen.
Einige Metalle geben Elektronen gerne ab, während andere Metalle die negativ geladenen Teilchen lieber behalten. Metalle werden folglich als edel oder unedel bezeichnet. Edle Metalle wie Gold, Silber und Kupfer behalten die Elektronen lieber bei sich. Weniger edle Metalle wie beispielsweise Zink geben ihre negativ geladenen Teilchen lieber ab und genau diese Eigenschaft wird bei Batterien ausgenutzt.
Warum bewegen sich die Teilchen im Kreis?
Bei einer Alkali-Mangan-Batterie entsprechen diese Gefäße dem Plus- und Minuspol.
Das unedle Metall, welches in einer Flüssigkeit getränkt ist, strebt danach, seine Elektronen abzugeben. Das edle Metall ist hingegen mit seinem Zustand zufrieden und möchte diesen beibehalten. Allerdings befinden sich in der Flüssigkeit gewisse Teilchen, welche die Elektronen an sich binden möchten, da auch sie ein edles Metall sein möchten. Dies hat zur Folge, dass die Flüssigkeit Elektronen anzieht.
Schaltest Du beispielsweise Deine Taschenlampe ein, so gibt das unedle Metall Elektronen ab. Die in der Flüssigkeit befindlichen Teilchen möchten diese abgegebenen Teilchen gerne aufnehmen und es entsteht ein Energiefluss von einem Behälter zum anderen. Die Elektronen sausen im Kreis und bringen somit die Glühbirne Deiner Taschenlampe zum Leuchten. Damit die Verbindung zwischen den zwei Gefäßen nicht unterbrochen wird, weisen Batterien eine Ionenbrücke auf.
Batterie – woher stammt dieser Begriff?
Die Bezeichnung wurde aus dem militärischen Sprachgebrauch entnommen. Beim Militär bedeutet eine Batterie eine Zusammenstellung mehrerer Geschütze.
Dieser Begriff bezeichnet bei einer Batterie die Zusammenschaltung von mehreren galvanischen Zellen.
Seit der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wird diese Bezeichnung auch für einzelne Primär- und Sekundärzellen verwendet. Heutzutage bezeichnet eine Batterie eine Primärzelle, während eine Sekundärzelle als Akkuzelle oder Akku bekannt ist.
Geschichte der Batterie
Im Jahr 1780 stellte der aus Italien stammende Arzt Luigi Galvani Zuckungen eines Froschbeins bei Kontakt mit Eisen und Kupfer fest. Galvani hielt dieses Zucken für eine elektrische Wirkung.
1800 erfand Alessandro Volta das erste funktionierende galvanische Element. Seine erste Batterie war eine Voltasche Säule.
In den folgenden Jahren wurde die Voltasche Säule konstruktiv verbessert und William Cruickshank entwickelte die Trog-Batterie. Bei dieser Batterie wurde der vertikale Aufbau vermieden.
Im Laufe der Zeit entwickelten sich zwei Arten von Batterien. Neben den Trockenbatterien mit gelartigem oder festem Elektrolyt waren auch Nassbatterien verbreitet. Jedoch sind Nassbatterien mit ihrem flüssigen Elektrolyt heutzutage nicht mehr gebräuchlich. Ein wesentlicher Nachteil der historischen Nassbatterien war, dass der Betrieb ausschließlich in bestimmter Lage möglich war. Zu den bekanntesten Erfindern von Nassbatterien zählten in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts John Frederic Daniell, Johan Christian Poggendorff und William Grove. Im Jahre 1866 entwickelte Georges Leclanché das Leclanché-Element. Mit diesen Nasszellen wurden die drahtgebundenen Telegrafie-Stationen mit Strom versorgt.
Das historische Leclanché-Element wurde weiterentwickelt und es gingen aus diesem Patent lageunabhängigen Trockenbatterien hervor. Carl Gasser meldete 1887 sein Patent auf die erste Trockenbatterie an und 1901 setzte der Berliner Paul Schmidt zum ersten Mal seine Trockenbatterie in eine Taschenlampe ein.
Unterschied zwischen Batterie und Akku
Bei einer elektrischen Batterie handelt es sich um einen Energiespeicher, der nicht aufladbar ist. Dieser nicht aufladbare Speicher wird auch als Primärbatterie oder Primärzelle bezeichnet.
Im Gegensatz dazu können Akkumulatoren wieder aufgeladen werden. Somit stellen Akkus oder Sekundärzellen Energiespeicher dar, die aufladbar sind.
Warum können Batterien auslaufen?
Batterien können aus zwei Gründen auslaufen:
Eine mögliche Ursache ist das Zink, welches sich in der Zink-Kohle-Batterie befindet. Das Zink umschließt die Batterie becherförmig. Wird die Batterie verwendet, so kommt es zu einer Entladung.
Diese Entladung greift das Zink an und es können winzige Löcher entstehen, aus welchen die Flüssigkeit auslaufen kann. Häufig findest Du diese Löcher am Minuspol, welcher flach ist.
Eine weitere Ursache für das Auslaufen beruht darauf, dass das Elektrolyt die Bestandteile der Zinkhülle auch im Ruhezustand angreift. Dies bedeutet, dass sich das Elektrolyt durch den flachen, leeren Minuspol durchfressen kann.
Jedoch gehören auslaufende Batterien der Vergangenheit an, da die innovativen Alkali-Mangan-Batterien diesen unliebsamen Effekt normalerweise nicht aufweisen.
Sollte dennoch eine Batterie ausgelaufen sein, so solltest Du die Rückstände gründlich entfernen. Nach Kontakt mit Deiner Haut solltest Du Deine Hände und die betroffene Stelle sorgfältig abwaschen. Verwende ein feuchtes Tuch, um das Gerät gründlich von der ausgelaufenen Flüssigkeit zu befreien.
Du kannst das Auslaufen verhindern, wenn Du die Batterien aus jenen Geräten entfernst, welche Du für einen längeren Zeitraum nicht verwenden wirst.