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Elektrochemische Stromquellen

Elektrochemische Stromquellen

Galvanische Elemente bieten die Möglichkeit, einen Teil der bei chemischen Reaktionen frei werdenden Reaktionsenthalpie in Form von elektrischer Energie zu gewinnen. Elektrochemische Stromquellen sind im Alltag als "Batterien" bekannt. Man unterscheidet drei Arten von elektrochemischen Stromquellen:

  • Primärzellen (-elemente)können nur so lange elektrischen Strom liefern bis das Oxidations- bzw. Reduktionsmittel erschöpft ist. Sie sind nicht wieder aufladbar und werden nach Gebrauch sinnvollerweise gezielt entsorgt, da sie meist toxische Schwermetalle enthalten.
  • Sekundärzellen (-elemente), Akkumulatorenkönnen nach Entladung durch einen Elektrolyseprozess wieder aufgeladen werden.
  • Brennstoffzellen (-elemente)enthalten das Oxidations- und Reduktionsmittel nicht von vornherein, sondern die Reaktionspartner werden bei Stromabgabe kontinuierlich zugeführt.

Da man Primärzellen nach Entladung nicht wieder aufladen kann, müssen sie aus möglichst billigen Materialien hergestellt werden; sie müssen außerdem praktisch wartungsfrei und sehr betriebssicher sein. Diesen Anforderungen entsprechen nur wenige Systeme.

Das älteste und weitverbreitetste Primärelement ist die bereits 1865 entwickelte Leclanché-Zelle (Braunsteinzelle, Zink-Kohle-Batterie) :

Abb.1

Als Oxidationsmittel an der mit "+" gekennzeichneten Elektrode dient Braunstein MnO2. Die negative Elektrode wird von Zink gebildet, das gleichzeitig als Behälter dient. Der Elektrolyt besteht aus einer verdickten, von porösem Material, Stärke oder Methylcellulose aufgesaugten, wässrigen Ammoniumchloridlösung. Dadurch ist das Element relativ auslaufsicher und wird deshalb auch als "Trockenelement" bezeichnet. Vereinfacht dargestellt laufen bei Stromabgabe folgende Elektrodenreaktionen ab:

Abb.2

Die Zellspannung beträgt 1,25-1,5 V.

Nachteile der Leclanché-Zelle sind die ungenügende Ausnutzung der Elektrodenmaterialen, der starke Abfall der Zellspannung nach etwa halber Entladung und der Verbrauch des Elektrolyten im Verlauf der Entladung.

In der alkalischen Braunsteinzelle dient verdickte Kalilauge als Elektrolyt. Der Braunstein oxidiert wiederum Zink, das hier allerdings in Form von Zinkpulver eingesetzt wird:

Zn+ 2MnO2+ 2H2O KOH Zn(OH)2+ 2MnO(OH)

Die Zelle erfordert den Einsatz hochreiner Ausgangsstoffe, ist dementsprechend teurer, dafür aber höher belastbar.

Ganz allgemein versucht man bei den Primärelementen unedle Metalle mit geeigneten Oxidationsmitteln elektrochemisch zu oxidieren:

Tab.1
ReduktionsmittelElektrolytOxidationsmittel
ZnNH4ClMnO2
ZnKOHHgO
ZnKOHAg2O
LiLiClO4MnO2
ZnNH4ClO2
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