Batterien und Akkus
In dieser Lektion lernst du, wie Batterien und Akkus aus einer Redoxreaktion elektrischen Strom erzeugen. Du verstehst das Prinzip des galvanischen Elements und den entscheidenden Unterschied zwischen einer Batterie und einem wiederaufladbaren Akku.
- Fach: Chemie
- Klasse 10
- Thema: Chemische Reaktionen
- Dauer: 18 Min
- Niveau: Mittel
Chemie liefert elektrischen Strom
Eine Batterie wandelt chemische Energie direkt in elektrische Energie um, ohne den Umweg über Wärme oder Bewegung wie bei einem Kraftwerk. Möglich macht das eine Redoxreaktion, bei der Elektronen von einem Stoff auf einen anderen übertragen werden. Trennt man den Ort der Elektronenabgabe vom Ort der Elektronenaufnahme räumlich, müssen die Elektronen einen äußeren Draht durchqueren – und genau dieser Elektronenfluss ist der elektrische Strom.
In jeder Batterie stecken zwei unterschiedliche Elektroden aus verschiedenen Stoffen, meist Metallen, die in eine leitende Lösung, den Elektrolyten, eintauchen. An der einen Elektrode läuft die Oxidation ab, dort werden Elektronen abgegeben. An der anderen Elektrode läuft die Reduktion ab, dort werden die Elektronen wieder aufgenommen. Zusammen bilden beide Elektroden ein sogenanntes galvanisches Element.
Der Spannungswert einer Batterie hängt davon ab, wie stark die beiden Elektrodenmaterialien unterschiedlich bereitwillig Elektronen abgeben. Je größer dieser Unterschied, desto höher die erzeugte Spannung. Eine gewöhnliche Alkali-Mangan-Batterie liefert etwa 1,5 Volt, mehrere Zellen lassen sich in Reihe schalten, um höhere Spannungen zu erreichen, etwa 9 Volt bei einer Blockbatterie.
Batterie oder Akku?
Umgangssprachlich werden beide oft gleich genannt, chemisch gesehen unterscheiden sie sich grundlegend in einem Punkt: der Umkehrbarkeit der ablaufenden Reaktion. Diese Gegenüberstellung zeigt dir, woran du beide unterscheidest und warum man sie nicht beliebig austauschen darf.
Bei einer Batterie laufen die Elektrodenreaktionen nur in eine Richtung ab. Sind die Ausgangsstoffe an einer Elektrode verbraucht, liefert die Zelle keinen Strom mehr und muss entsorgt werden. Bei einem Akku dagegen lässt sich die Reaktion durch Anlegen einer äußeren Spannung umkehren, sodass die Ausgangsstoffe wiederhergestellt werden und der Akku erneut genutzt werden kann.
Batterie
Die Redoxreaktion läuft nur in eine Richtung ab und ist nicht umkehrbar.
Beispiele
- Alkali-Mangan-Batterie (AA, AAA)
- Knopfzelle in der Armbanduhr
- Zink-Kohle-Batterie
Signalwörter
- Nicht wiederaufladbar
- Nach Entladung Entsorgung nötig
- Meist günstiger in der Anschaffung
- Geeignet für seltene, geringe Belastung
Akku
Die Redoxreaktion lässt sich durch elektrische Energie von außen umkehren.
Beispiele
- Lithium-Ionen-Akku im Smartphone
- Nickel-Metallhydrid-Akku
- Bleiakku im Auto
Signalwörter
- Wiederaufladbar durch Elektrolyse
- Hunderte bis tausende Ladezyklen möglich
- Höhere Anschaffungskosten, aber wiederverwendbar
- Geeignet für häufige, hohe Belastung
| Typ | Spannung pro Zelle | Wiederaufladbar? | Typischer Einsatz |
|---|---|---|---|
| Zink-Kohle-Batterie | 1,5 V | nein | Wanduhr, Fernbedienung |
| Alkali-Mangan-Batterie | 1,5 V | nein | Taschenlampe, Spielzeug |
| Nickel-Metallhydrid-Akku | 1,2 V | ja | Ersatz für AA-Batterien |
| Lithium-Ionen-Akku | etwa 3,6–3,7 V | ja | Smartphone, Laptop, E-Auto |
| Bleiakku | 2,0 V | ja | Starterbatterie im Auto (6 Zellen = 12 V) |
Beispiel 1: Die Zink-Kupfer-Zelle
Erkläre, wie in einer Zink-Kupfer-Zelle Strom entsteht, und stelle die beiden Teilreaktionen auf.
Gegeben:
- Eine Zink-Elektrode in Zinksulfat-Lösung
- Eine Kupfer-Elektrode in Kupfersulfat-Lösung, verbunden durch einen Draht
Gesucht:
Ablauf der Reaktion und TeilgleichungenLösung:
- Zink ist unedler als Kupfer und gibt an seiner Elektrode leichter Elektronen ab: Oxidation.
- Teilgleichung Oxidation: Zn → Zn2+ + 2 e-
- Die frei werdenden Elektronen fließen durch den äußeren Draht zur Kupfer-Elektrode.
- Dort nehmen Kupfer-Ionen aus der Lösung die Elektronen auf und scheiden sich als festes Kupfer ab: Reduktion. Teilgleichung: Cu2+ + 2 e- → Cu
Der Elektronenfluss vom Zink zum Kupfer durch den äußeren Draht ist der nutzbare elektrische Strom. Insgesamt läuft die Redoxreaktion Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu ab.
Beispiel 2: Laden eines Akkus
Erkläre, was beim Aufladen eines Akkus auf Teilchenebene passiert und warum dabei elektrische Energie zugeführt werden muss.
Gegeben:
- Ein entladener Akku, dessen Elektrodenmaterial teilweise umgewandelt ist
- Ein Ladegerät, das eine äußere Spannung anlegt
Gesucht:
Erklärung des Ladevorgangs auf TeilchenebeneLösung:
- Beim Entladen liefen an den Elektroden freiwillig ablaufende Redoxreaktionen ab, die Ausgangsstoffe wurden dabei umgewandelt.
- Das Ladegerät legt eine äußere Spannung an, die höher ist als die vom Akku selbst erzeugte Spannung.
- Dadurch werden die Elektronen in die entgegengesetzte Richtung gedrückt, die Redoxreaktion läuft rückwärts ab.
- Die ursprünglichen Ausgangsstoffe an beiden Elektroden werden dabei wiederhergestellt.
Beim Laden wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt, indem die Entladereaktion umgekehrt wird. Deshalb kann ein Akku im Gegensatz zu einer Batterie immer wieder verwendet werden.
Typische Fehler
Ein häufiger Fehler ist, Batterie und Akku als reine Bezeichnungssache zu behandeln und beliebig auszutauschen. Eine normale, nicht wiederaufladbare Batterie darf niemals in ein Ladegerät für Akkus gesteckt werden, weil das angelegte Ladesignal in der Batterie unkontrollierte Reaktionen auslösen kann, die zu Überhitzung oder sogar einem Auslaufen der Batterie führen.
Ein zweiter Fehler ist die Annahme, in einer Batterie fließe der Strom „durch die Lösung wie durch einen Draht“. Tatsächlich transportieren in der Elektrolytlösung Ionen die Ladung, nicht frei bewegliche Elektronen. Erst im äußeren Stromkreis, also im Draht und im angeschlossenen Gerät, sind es tatsächlich Elektronen, die fließen.
Ein dritter Fehler ist, die Elektrodenbezeichnungen zu verwechseln. An der Elektrode, an der die Oxidation abläuft, werden Elektronen abgegeben, das ist die negative Elektrode beim Entladen. An der Elektrode, an der die Reduktion abläuft, werden Elektronen aufgenommen, das ist die positive Elektrode. Beim Aufladen eines Akkus kehren sich diese Rollen dagegen um.
Sicherheit und Umgang mit Batterien
Batterien und Akkus enthalten teils giftige oder umweltschädliche Stoffe wie Schwermetalle oder ätzende Elektrolyte und gehören deshalb niemals in den Hausmüll. In Deutschland gibt es an fast jedem Verkaufsort eine Sammelbox, in der alte Batterien und Akkus fachgerecht entsorgt und recycelt werden. Wertvolle Metalle wie Zink, Nickel und Kobalt lassen sich daraus zurückgewinnen.
Beschädigte oder aufgeblähte Akkus, besonders Lithium-Ionen-Akkus, sind besonders gefährlich, weil sie sich bei einem Defekt selbst entzünden können. Solche Akkus sollten nicht weiterverwendet, sondern getrennt von anderem Müll und mit besonderer Vorsicht an einer Sammelstelle abgegeben werden. Auf keinen Fall sollten Batterien geöffnet, kurzgeschlossen oder ins Feuer geworfen werden.
Jetzt bist du dran
Welche Reaktionsart liegt jeder Batterie zugrunde?
Noch nicht. In jeder Batterie laufen Oxidation und Reduktion räumlich getrennt an zwei Elektroden ab, die entstehenden Elektronen fließen als Strom durch den äußeren Draht.
Das Wichtigste in Kürze
- Eine Batterie wandelt chemische Energie einer Redoxreaktion direkt in elektrischen Strom um.
- Oxidation und Reduktion laufen räumlich getrennt an zwei Elektroden ab, verbunden durch einen äußeren Draht.
- Bei einer Batterie ist die Reaktion nicht umkehrbar, bei einem Akku lässt sie sich durch Laden umkehren.
- In der Elektrolytlösung transportieren Ionen die Ladung, im äußeren Draht fließen Elektronen.
- Batterien und Akkus enthalten Schwermetalle und gehören immer in die Batterie-Sammelbox, nie in den Hausmüll.
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Häufige Fragen zu Batterien und Akkus
- Wie erzeugt eine Batterie elektrischen Strom?
- In einer Batterie laufen an zwei getrennten Elektroden eine Oxidation und eine Reduktion ab. Da beide Elektroden über einen äußeren Draht verbunden sind, müssen die bei der Oxidation freiwerdenden Elektronen durch diesen Draht zur anderen Elektrode wandern. Dieser gerichtete Elektronenfluss ist der nutzbare elektrische Strom, den ein angeschlossenes Gerät antreibt.
- Was ist der Unterschied zwischen einer Batterie und einem Akku?
- Eine Batterie liefert ihre Redoxreaktion nur in eine Richtung und muss nach der Entladung entsorgt werden. Ein Akku dagegen lässt sich durch Anlegen einer äußeren Spannung wieder aufladen, weil sich seine Elektrodenreaktion umkehren lässt. Dadurch kann ein Akku hunderte bis tausende Male genutzt werden, während eine Batterie nur einmal funktioniert.
- Warum sinkt die Spannung einer Batterie mit der Zeit?
- Während sich die Batterie entlädt, werden die Ausgangsstoffe an den Elektroden nach und nach verbraucht und in die Reaktionsprodukte umgewandelt. Je weniger Ausgangsstoff noch vorhanden ist, desto langsamer läuft die Reaktion und desto geringer wird die abgegebene Spannung, bis die Batterie schließlich leer ist.
- Warum darf man normale Batterien nicht aufladen?
- In einer normalen Batterie ist die ablaufende Reaktion chemisch nicht ohne Weiteres umkehrbar. Legt man trotzdem eine Ladespannung an, können unkontrollierte Nebenreaktionen entstehen, die Gas erzeugen oder die Batterie stark erhitzen. Im schlimmsten Fall kann die Batterie dabei auslaufen oder sogar bersten, deshalb sind nur speziell konstruierte Akkus zum Wiederaufladen geeignet.
- Was passiert chemisch beim Laden eines Lithium-Ionen-Akkus?
- Beim Laden wird durch die angelegte äußere Spannung die Entladereaktion umgekehrt: Lithium-Ionen wandern von der positiven zur negativen Elektrode zurück und lagern sich dort wieder ein. Diese Vorgänge sind auf molekularer Ebene sehr komplex, folgen aber demselben Grundprinzip wie bei jedem anderen Akku – die Redoxreaktion läuft rückwärts.
- Warum werden alte Batterien gesammelt statt in den Restmüll geworfen?
- Batterien und Akkus enthalten teils giftige Schwermetalle und ätzende Elektrolyte, die die Umwelt belasten könnten, wenn sie unkontrolliert verrotten. Über die Sammelboxen im Handel werden sie fachgerecht recycelt, wobei wertvolle Rohstoffe wie Zink, Nickel oder Kobalt zurückgewonnen und wiederverwendet werden können.
- In welcher Klasse lernt man Batterien und Akkus?
- Batterien und Akkus werden meist in der zehnten Klasse behandelt, aufbauend auf dem Verständnis von Redoxreaktionen und Elektrolyse. Wer bereits weiß, wie Oxidation und Reduktion zusammenhängen, versteht deutlich leichter, warum eine Batterie funktioniert und wie sich ein Akku wieder aufladen lässt.
- Warum liefern verschiedene Batterien unterschiedliche Spannungen?
- Die Spannung einer Batterie hängt davon ab, wie unterschiedlich stark die beiden Elektrodenmaterialien dazu neigen, Elektronen abzugeben oder aufzunehmen. Je größer dieser Unterschied zwischen den beiden Materialien, desto höher die erzeugte Spannung. Deshalb liefern unterschiedliche Materialkombinationen wie Zink-Kohle oder Lithium-Ionen jeweils andere typische Spannungswerte.
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