BATTERIETYPEN, EIGENSCHAFTEN UND REAKTIONEN - CHEMIE - 2025

Auf dem Markt gibt es verschiedene Batterietypen mit eigenen Eigenschaften . Batterien, die nichts anderes als Voltaikzellen sind, bieten Verbrauchern den Vorteil, dass sie überall Strom mitnehmen können (solange die Bedingungen nicht drastisch sind).

Batterien können im Allgemeinen isoliert gekauft werden; Sie werden aber auch in Reihe oder parallel miteinander gekoppelt erreicht, deren Satz das ist, was sie Batterien nennen. Und so werden die Begriffe "Batterien" und "Batterien" manchmal wahllos verwendet, auch wenn sie nicht gleich sind.

Alkaline-Batterien: einer der beliebtesten Batterietypen. Quelle: Pexels.

Stapel können in unzähligen Farben, Formen und Größen geliefert werden, genauso wie sie aus anderen Materialien hergestellt werden können. Und was noch wichtiger ist, seine innere Struktur, in der die chemischen Reaktionen stattfinden, die Elektrizität erzeugen, dient dazu, sie voneinander zu unterscheiden.

Das obige Bild zeigt beispielsweise drei Alkalibatterien, eine der häufigsten. Der Begriff alkalisch bezieht sich auf die Tatsache, dass das Medium, in dem die Freisetzung und der Fluss von Elektronen stattfinden, basisch ist; das heißt, es hat einen pH-Wert von mehr als 7 und OH ^- Anionen und andere negative Ladungen überwiegen .

Allgemeines Ranking

Bevor Sie sich mit einigen der verschiedenen Batterietypen befassen, müssen Sie wissen, dass diese global als primär oder sekundär klassifiziert sind.

Primär

Primärbatterien sind solche, die nach dem Verbrauch weggeworfen oder recycelt werden müssen, da die chemische Reaktion, auf der der elektrische Strom basiert, irreversibel ist. Daher können sie nicht aufgeladen werden.

Sie werden hauptsächlich in Anwendungen eingesetzt, in denen das Aufladen elektrischer Energie unpraktisch ist. wie in militärischen Geräten, mitten auf dem Schlachtfeld. Ebenso sind sie für Geräte konzipiert, die wenig Energie verbrauchen, so dass sie länger halten; Zum Beispiel Fernbedienungen oder tragbare Konsolen (wie Gameboy, Tetris und Tamagotchi).

Alkalibatterien, um ein anderes Beispiel zu nennen, gehören ebenfalls zum Primärtyp. Sie haben normalerweise zylindrische Formen, obwohl dies nicht bedeutet, dass zylindrische Batterien nicht sekundär oder wiederaufladbar sein können.

Hochschulen

Im Gegensatz zu Primärbatterien können Sekundärbatterien aufgeladen werden, wenn die Stromversorgung aufgebraucht ist.

Dies liegt daran, dass die chemischen Reaktionen, die in ihnen auftreten, reversibel sind und daher nach Anlegen einer bestimmten Spannung dazu führen, dass die Produktspezies wieder reaktiv wird und die Reaktion erneut gestartet wird.

Einige Sekundärzellen (Batterien genannt) sind normalerweise klein, wie die Primärzellen. Sie sind jedoch für Geräte gedacht, die mehr Energie verbrauchen und für die die Verwendung von Primärbatterien wirtschaftlich und energetisch unpraktisch wäre. Beispielsweise enthalten Handybatterien Sekundärzellen.

Sekundärzellen sind auch für große Geräte oder Schaltkreise ausgelegt. Zum Beispiel Autobatterien, die aus mehreren Batterien oder Voltaikzellen bestehen.

Sie sind im Allgemeinen teurer als Primärzellen und Batterien, aber für den Langzeitgebrauch sind sie eine geeignetere und effektivere Option.

Andere Aspekte

Stapel werden entweder als primär oder sekundär klassifiziert; Im Handel oder im Volksmund werden sie jedoch normalerweise nach ihrer Form (zylindrisch, rechteckig, knopftypisch), dem vorgesehenen Gerät (Kameras, Fahrzeuge, Taschenrechner), ihren Namen (AA, AAA, C, D, N, A23 usw.) klassifiziert. ) und ihre IEC- und ANSI-Codes.

Auch Eigenschaften wie ihre Spannung (1,2 bis 12 Volt) sowie ihre Nutzungsdauer und Preise sind dafür verantwortlich, dass sie in den Augen des Verbrauchers eine bestimmte Klassifizierung erhalten.

Liste der Batterietypen

-Kohlenstoff-Zink

Kohlenstoff-Zink-Batterien (auch als Leclanché-Zellen oder Salzbatterien bekannt) gehören zu den primitivsten und werden derzeit im Vergleich zu anderen Batterien als fast unbenutzt angesehen. insbesondere im Vergleich zu Alkalibatterien, die zwar etwas teurer sind, aber eine längere Lebensdauer und Spannung haben.

Wie der Name schon sagt, bestehen die Elektroden aus einer Zinkdose und einem Graphitstab, die der Anode bzw. Kathode entsprechen.

In der ersten Elektrode, der Anode, entstehen Elektronen durch Oxidation von metallischem Zink. Diese Elektronen durchlaufen dann einen externen Stromkreis, der das Gerät mit elektrischer Energie versorgt, und landen dann an der Graphitkathode, wo der Zyklus durch Reduzieren des Mangandioxids, in das es eingetaucht ist, abgeschlossen wird.

Reaktionen

Die chemischen Gleichungen für die Reaktionen, die an den Elektroden stattfinden, sind:

Zn (s) → Zn ²⁺ (ac) + 2e ^- (Anode)

2 MnO ₂ (s) + 2e ^- + 2 NH ₄ Cl (aq) → Mn ₂ O ₃ (s) + 2 NH ₃ (aq) + H ₂ O (l) + 2 Cl ^- (aq) (Kathode)

Diese Batterien sind Alkalibatterien sehr ähnlich: Beide sind zylindrisch (wie die auf dem Bild). Kohlenstoff-Zink-Batterien können jedoch unterschieden werden, wenn die außen gekennzeichneten Eigenschaften detailliert gelesen werden oder wenn ihrem IEC-Code der Buchstabe R vorangestellt ist. Ihre Spannung beträgt 1,5 V.

-Alkalisch

Alkali - Batterien sind sehr ähnlich zu dem Kohlenstoff-Zink - Typ, mit dem Unterschied , daß das Medium , in dem die Elektroden angeordnet sind , enthält OH ^- Anionen . Dieses Medium besteht aus starken Elektrolyten von Kaliumhydroxid, KOH, die das OH beitragen ^- das an der Migration von Elektronen beteiligt ist und "zusammenarbeitet".

Es kommt in verschiedenen Größen und Spannungen, obwohl die häufigste ist 1,5V. Sie sind vielleicht die bekanntesten Batterien auf dem Markt (zum Beispiel Duracell).

Die Reaktionen, die an Ihren Elektroden auftreten, sind:

Zn (s) + 2OH ^- (aq) → ZnO (s) + H ₂ O (l) + 2e ^- (Anode)

2MnO ₂ (s) + H ₂ O (1) + 2e ^- → Mn ₂ O ₃ (s) + 2OH ^- (aq) (Kathode)

Je höher die Temperatur, desto schneller treten die Reaktionen auf und desto schneller entladen sich die Batterien. Interessanterweise verbreiteten sich populäre Gerüchte, um sie in den Gefrierschrank zu stellen und ihre Lebensdauer zu verlängern. Beim Abkühlen kann sich sein Inhalt jedoch möglicherweise verfestigen, was zu nachfolgenden Fehlern oder Risiken führen kann.

Merkur

Wahrscheinliche Quecksilberbatterie, die mit der Silberoxidbatterie verwechselt werden kann. Quelle: Multicherry.

Quecksilberbatterien sind aufgrund ihrer besonderen Form von silbernen Knöpfen sehr charakteristisch (Bild oben). Fast jeder würde sie auf den ersten Blick erkennen. Sie sind auch alkalisch, aber ihre Kathode enthält neben Graphit und Mangandioxid Quecksilberoxid, HgO; das nach seiner Reduktion in metallisches Quecksilber umgewandelt wird:

Zn (s) + 2OH ^- (aq) → ZnO (s) + H ₂ O (l) + 2e ^-

HgO (s) + H ₂ O + 2e ^- → Hg (s) + 2OH ^-

Beachten Sie, wie OH ^- Anionen bei diesen Zellreaktionen verbraucht und regeneriert werden .

Da es sich um kleine Batterien handelt, ist es für kleine Geräte wie Uhren, Taschenrechner, Spielzeugsteuerungen usw. vorgesehen. Jeder, der eines dieser Objekte verwendet hat, wird erkannt haben, dass es nicht notwendig ist, die Batterien für fast eine "Ewigkeit" zu wechseln. Das entspricht ungefähr 10 Jahren.

Silberoxid

Silberoxidbatterien. Quelle: Lukas A, CZE.

Der Hauptfehler von Quecksilberbatterien besteht darin, dass sie beim Entsorgen aufgrund der toxischen Eigenschaften dieses Metalls ein ernstes Problem für die Umwelt darstellen. Vielleicht fehlen deshalb IEC- und ANSI-Codes. Bei Silberoxidbatterien steht vor dem IEC-Code der Buchstabe S.

Einer der Ersatzstoffe für Quecksilberbatterien entspricht der Silberoxidbatterie, die viel teurer ist, aber weniger ökologische Auswirkungen hat (oberes Bild). Sie enthielten ursprünglich Quecksilber, um Zink vor alkalischer Korrosion zu schützen.

Es ist mit einer Spannung von 1,5 V erhältlich und seine Anwendungen sind denen der Quecksilberbatterie sehr ähnlich. Tatsächlich sehen beide Batterien auf den ersten Blick identisch aus. obwohl es viel größere Silberoxidhaufen geben kann.

Die Reaktionen an den Elektroden sind:

Zn (s) + 2 OH ^- (aq) → Zn (OH) ₂ (s) + 2 e ^-

Ag ₂ O (s) + 2H ⁺ (aq) + 2e ^- → 2Ag (s) + H ₂ O (l)

Das Wasser wird anschließend einer Elektrolyse unterzogen, die sich in H ^{+ -} und OH ^- -Ionen zersetzt .

Es ist zu beachten, dass anstelle von Quecksilber metallisches Silber an der Kathode gebildet wird.

-Nickel-Cadmium (NiCad)

NiCd-Akku. Quelle: LordOider.

Ab diesem Punkt werden die Sekundärzellen oder Batterien berücksichtigt. Wie Quecksilberbatterien sind Nickel-Cadmium-Batterien aufgrund des Metall-Cadmiums umweltschädlich (für Wildtiere und Gesundheit).

Sie zeichnen sich durch die Erzeugung hoher elektrischer Ströme aus und können mehrfach aufgeladen werden. Tatsächlich können sie insgesamt 2000 Mal aufgeladen werden, was einer außergewöhnlichen Haltbarkeit entspricht.

Seine Elektroden bestehen aus Nickeloxidhydroxid, NiO (OH) für die Kathode und metallischem Cadmium für die Anode. Das chemische Grundprinzip bleibt im Wesentlichen dasselbe: Cadmium (anstelle von Zink) verliert Elektronen und Cadmium NiO (OH) gewinnt sie.

Die Halbzellreaktionen sind:

Cd (s) + 2OH ^- (aq) → Cd (OH) ₂ (s) + 2e ^-

2NiO (OH) (s) + 2H ₂ O (1) + 2e ^- → 2Ni (OH) ₂ (s) + OH ^- (aq)

Die OH ^- Anionen stammen wiederum aus dem KOH - Elektrolyten. NiCad-Batterien erzeugen dann Nickel- und Cadmiummetallhydroxide.

Sie werden einzeln verwendet oder in Paketen gekoppelt (wie die in Gelb, Bild oben). Sie kommen also in großen oder kleinen Paketen. Die Kleinen finden Verwendung in Spielzeug; aber die großen werden für Flugzeuge und Elektrofahrzeuge verwendet.

-Nickel-Metallhydrid (Ni-HM)

Ni-HM-Batterien. Quelle: Ramesh NG von Flickr (https://www.flickr.com/photos/rameshng/5645036051)

Eine andere bekannte Zelle oder Batterie, deren Energiekapazität NiCad übersteigt, ist Ni-HM (Nickel und Metallhydrid). Es kann im zylindrischen Format (herkömmliche Batterien, Bild oben) oder in einer Batterie eingekoppelt sein.

Chemisch hat es fast die gleichen Eigenschaften wie NiCad-Batterien, mit dem Hauptunterschied in der negativen Elektrode: Die Kathode ist kein Cadmium, sondern eine intermetallische Legierung aus Seltenen Erden und Übergangsmetallen.

Diese Legierung ist für die Absorption des beim Laden gebildeten Wasserstoffs verantwortlich und erzeugt ein komplexes Metallhydrid (daher der Buchstabe H in seinem Namen).

Obwohl Ni-HM-Akkus mehr Strom liefern (ca. 40% mehr), sind sie teurer, nutzen sich schneller ab und können nicht so oft aufgeladen werden wie NiCad-Akkus. Das heißt, sie haben eine kürzere Nutzungsdauer. Ihnen fehlt jedoch der Memory-Effekt (Leistungsverlust der Batterien aufgrund nicht vollständiger Entladung).

Aus diesem Grund sollten sie nicht in Maschinen verwendet werden, die langfristig arbeiten. obwohl dieses Problem mit den LSD-NiHM-Batterien gelindert wurde. Ebenso weisen Ni-HM-Zellen oder -Batterien sehr stabile thermische Eigenschaften auf und können in einem weiten Temperaturbereich betrieben werden, ohne ein Risiko darzustellen.

Reaktionen

Die Reaktionen, die an Ihren Elektroden auftreten, sind:

Ni (OH) ₂ (s) + OH ^- (aq) ⇌ NiO (OH) (s) + H ₂ O (l) + e ^-

H ₂ O (1) + M (s) + e ^- OH ^- (aq) + MH (s)

-Ion-Lithium

Lithium-Ionen-Akku für einen Laptop. Quelle: Kristoferb aus Wikipedia.

In Lithiumzellen und Batterien basieren sie auf der Migration von Li ⁺ -Ionen , die von der Anode zur Kathode übertragen werden, ein Produkt elektrostatischer Abstoßungen aufgrund der zunehmenden positiven Ladung.

Einige können aufgeladen werden, z. B. Laptop-Akkus (oberes Bild), andere zylindrische und rechteckige Akkus (LiSO ₂ , LiSOCl ₂ oder LiMnO ₂ ) nicht.

Lithium-Ionen-Batterien zeichnen sich durch ihre Leichtigkeit und Energie aus, sodass sie in vielen elektronischen Geräten wie Smartphones und medizinischen Geräten verwendet werden können. Ebenso leiden sie kaum unter dem Memory-Effekt, ihre Ladungsdichte übersteigt die von NiCad- und Ni-HM-Zellen und -Batterien und die Entladung dauert länger.

Sie sind jedoch sehr empfindlich gegenüber hohen Temperaturen und explodieren sogar. Darüber hinaus sind sie im Vergleich zu anderen Batterien tendenziell teurer. Dennoch werden Lithiumbatterien auf dem Markt positiv bewertet, und viele Verbraucher bewerten sie als die besten.

-Säure führen

Typische Blei-Säure-Batterie für Automobile. Quelle: Tntflash

Und schließlich, Bleisäurebakterien, wie der Name schon sagt, enthalten keine OH ^- aber H ⁺ -Ionen ; speziell eine konzentrierte Lösung von Schwefelsäure. Die Voltaikzellen befinden sich in ihren Boxen (oberes Bild), wo drei oder sechs von ihnen in Reihe geschaltet werden können, was eine 6- bzw. 12-V-Batterie ergibt.

Es ist in der Lage, große Mengen elektrischer Ladung zu erzeugen, und da sie sehr schwer sind, sind sie für Anwendungen oder Geräte vorgesehen, die nicht manuell transportiert werden können. Zum Beispiel Autos, Sonnenkollektoren und U-Boote. Diese Säurebatterie ist die älteste und gibt es noch in der Automobilindustrie.

Seine Elektroden bestehen aus Blei: PbO ₂ für die Kathode und schwammiges metallisches Blei für die Anode. Die Reaktionen, die in ihnen auftreten, sind:

Pb (s) + HSO ^- ₄ (aq) → PbSO ₄ (s) + H ⁺ (aq) + 2e ^-

PbO ₂ (s) + HSO ^- ₄ (aq) + 3H ⁺ (aq) + 2e ^- → PbSO ₄ (s) + 2H ₂ O (l)

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