Heutzutage dienen Batterien in zahlreichen Geräten (z.B. Belichtungsmesser, Uhr, Taschenlampe, usw.) als Spannungsquelle. Es gibt verschiedenste Batterietypen, von denen hier nur die weit verbreitete Zink-Kohle-Batterie näher besprochen werden soll. Ihr Aufbau geht auf den französischen Chemiker Georges LECLANCHÉ (1839 - 1882) zurück. Man bezeichnet eine Zn-C-Batterie auch als eine Primärbatterie, sie kann nur einmal entladen werden und ist dann unbrauchbar.
Batterieabfälle sind unter Umweltgesichtspunkten problematisch. Überlege also stets, ob der Einsatz von Batterien in einem Gerät unumgänglich ist.
Aufbau einer Zink-Kohle-Batterie
Die übliche Zink-Kohle-Batterie besteht im wesentlichen aus einem Zinkbecher, in den eine eingedickte Salmiaklösung (\({\rm{N}}{{\rm{H}}_{\rm{4}}}{\rm{Cl}}\)) und Braunstein (\({\rm{Mn}}{{\rm{O}}_2}\)) gefüllt sind. In diesem eingedickten Brei - man nennt diesen Batterietyp daher auch Trockenbatterie - steckt ein Kohlestift. Die Spannung einer frischen Zn-C-Zelle beträgt \(1{,}5\,\rm{V}\).
Schneidet man eine stark gebrauchte Zn-C-Batterie (z.B. Monozelle) auf, so sieht man, dass der Zinkbecher stark zerfressen ist. Offensichtlich findet bei Stromentnahme eine Zersetzung des Zinks statt. Im Folgenden wird eine möglichst einfache Erklärung für die Wirkungsweise der Batterie gegeben. Dabei soll zunächst auf die Verwendung chemischer Formeln verzichtet werden.
Funktionsweise einer Zink-Kohle-Batterie
Zunächst soll auf die Verwendung chemischer Formeln verzichtet werden. Die Vorgänge in der Zink-Kohle Batterie sind wie folgt:
- Das unedle Metall Zink löst sich im Elektrolyten (Salmiak) selbst auf, d.h. die Zinkelektrode gibt Zn++-Ionen ab und lädt sich dadurch negativ auf.
- Solange die Zinkelektrode nicht durch einen äußeren Stromkreis leitend mit dem Kohlestift verbunden ist, können die "überschüssigen" Elektronen der Zn-Elektrode nicht abfließen. Die negative Überschussladung der Elektrode verhindert den Austritt weiterer Zn++-Ionen, es stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein.
- Die positiven, im Elektrolyten gelösten, Zinkionen laden diesen und den damit leitend verbundenen Kohlestab positiv auf. Es bildet sich eine Spannung von \(1{,}5\,\rm{V}\) zwischen den Elektroden aus.
- Wird nun der äußere Stromkreis geschlossen, fließen die Elektronen der Zinkelektrode über den "Verbraucher" zur Kohleelektrode und ziehen dadurch die positiven Ionen zur Kohleelektrode.
- Aufgrund der nun abgeflossenen Elektronen ist das Gleichgewicht an der Zinkelektrode gestört, es gehen weiter Zn++-Ionen in Lösung. Dieser Vorgang dauert solange, bis entweder der äußere Stromkreis wieder unterbrochen wird oder der Elektrolyt keine Zn-Ionen mehr aufnehmen kann.
Chemischen Reaktionen in der Batterie
Im folgenden noch eine genauere Beschreibung der chemischen Reaktionen in der Batterie.
Am negativen Pol (Zinkelektrode) kommt es zu folgenden Reaktionen:
Zinkionen lösen sich, die Elektrode wird negativ: \({\rm{Zn}} \to {\rm{Z}}{{\rm{n}}^{ + + }}{\rm{ + 2}} \cdot {{\rm{e}}^ - }\)
Zinkionen reagieren mit dem Salmiak: \({\rm{Z}}{{\rm{n}}^{{\rm{ + + }}}}{\rm{ + 2N}}{{\rm{H}}_{\rm{4}}}{\rm{Cl }} \to {\rm{ ZnC}}{{\rm{l}}_{\rm{2}}}{\rm{ + 2N}}{{\rm{H}}_{\rm{3}}}{\rm{ + 2}}{{\rm{H}}^{\rm{ + }}}\)
Am positiven Pol kommt es zu folgenden Reaktionen:
Reaktion der Wasserstoffionen und Elektronen, die über den äußeren Kreis zum positiven Pol gelangen, mit Braunstein: \({\rm{2}}{{\rm{H}}^{\rm{+}}}{\rm{+2}}{{\rm{e}}^ - }{\rm{+2Mn}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}} \to {\rm{M}}{{\rm{n}}_{\rm{2}}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}}{\rm{ + }}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}}\)
Somit ergibt sich als Gesamtreaktion \({\rm{2N}}{{\rm{H}}_{\rm{4}}}{\rm{Cl+Zn+2Mn}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}} \to {\rm{ZnC}}{{\rm{l}}_{\rm{2}}}{\rm{+M}}{{\rm{n}}_{\rm{2}}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}}{\rm{ + 2N}}{{\rm{H}}_{\rm{3}}}{\rm{ + }}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}}\).
Der maßgebliche Vorgang in der Batterie ist die Elektronenabgabe des Zinks und die Elektronenaufnahme durch das Mangan des Braunsteins. Der Kohlestab hat nur die Funktion, den elektrischen Kontakt zwischen dem äußeren Kreis und dem Braunstein herzustellen.
Im äußeren Stromkreis geschieht der Ladungstransport durch die negativen Elektronen von der Zn- zur C-Elektrode. In der Zelle geschieht der Ladungstransport durch das Wandern der positiven Ionen von der Zn- zur C-Elektrode.
Hinweise
- Mit zunehmender Stromentnahme sinkt die Konzentration des Elektrolyten (Salmiak), was ein Absinken der Zellenspannung zur Folge hat. Man benutzt daher zunehmend die Alkaline-Mangan-Zink-Zellen, die im Wesentlichen auf der gleichen Redox-Reaktion basieren, jedoch als Elektrolyten Kalilauge verwenden. Bei diesen Zellen lautet die Gesamtreaktion \({\rm{Zn + 2Mn}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}}{\rm{ + }}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}} \to {\rm{Zn}}{\left( {{\rm{OH}}} \right)_{\rm{2}}}{\rm{ + M}}{{\rm{n}}_{\rm{2}}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}}\)
- Der entscheidende Unterschied zur oben beschriebenen Zink-Kohle-Batterie besteht darin, dass bei den Alkaline-Mangan-Zink-Zellen der Elektrolyt nicht verbraucht wird und somit die Spannung der Zelle fast bis zum Betriebsende \(1{,}5\,\rm{V}\) beträgt.
- Taucht man eine Zink- und eine Kupferelektrode in verdünnte Schwefelsäure, so hat man das sogenannte Voltaelement, das ziemlich genau die Spannung \(1\,\rm{V}\) besitzt.