Batterie (Elektrotechnik)

Handelsübliche Batterien und Zellen

Mit dem Begriff der elektrischen Batterie wird eine Zusammenschaltung mehrerer gleichartiger galvanischer Zellen bzw. Elemente bezeichnet, als welche zunächst, z. B. in der voltaschen Säule oder Zambonisäule, nur nicht wiederaufladbare (sogenannte „Primärzellen“ bzw. „Primärelemente“) zur Verfügung standen. Mit der Entwicklung wirtschaftlich einsetzbarer wiederaufladbarer „Akkumulatoren“, auch „Sekundärzellen“ bzw. „Sekundärelemente“, z. B. des Bleiakkumulators um 1850 bis 1886, wurde die Benutzung des Begriffs „Batterie“ auch auf die Zusammenschaltung mehrerer solcher Zellen erweitert, z. B. in den späteren Starterbatterien von Kraftfahrzeugen oder Traktionsbatterien von U-Booten usw.

In letzter Zeit schließlich hat sich die Verwendung des Begriffs „Batterie“ auch auf einzelne Primär- oder Sekundärzellen ausgedehnt, wobei für letztere die Bezeichnung „Akkuzelle“ oder abgekürzt „Akku“ verwendet wird. Der geschilderte Wandel des Sprachgebrauchs wurde in der DIN-Norm 40729 Akkumulatoren; Galvanische Sekundärelemente; Grundbegriffe angesprochen, welche unter Batterie „immer mehrere verbundene Zellen“ verstanden hat, diese Begrifflichkeit sich bei der alltäglichen „Unterscheidung jedoch verwischt“ hat.

Unter Hinweis auf diese Begriffshistorie wird hier ausschließlich die Vielfalt „elektrischer Zellen“ beschrieben, die umgangssprachlich als „Batterien“ bezeichnet werden, wobei die Besprechung von „Primärzellen“ im Vordergrund steht – für eine nähere Besprechung von „Sekundärzellen“ siehe Hauptartikel Akkumulator.

Geschichte

Batterien historischer galvanischer Zellen

Im Jahr 1780 bemerkte der italienische Arzt Luigi Galvani, dass ein Froschbein, das in Kontakt mit Kupfer und Eisen kam, immer wieder zuckte und hielt das für eine elektrische Wirkung. Das erste funktionierende galvanische Element und damit die erste Batterie wurde in Form der Voltaschen Säule im Jahr 1800 von Alessandro Volta vorgestellt. Lageunabhängige Trockenbatterien gehen auf die Arbeiten von Carl Gassner zurück, welcher dieser im Jahre 1887 patentierte. Im Jahr 1901 setzte Paul Schmidt in Berlin erstmals die Trockenbatterie bei Taschenlampen ein.

Als Batterien gedeutete antike Gefäßanordnungen wie die „Bagdad-Batterie“ hätten durch ein Zusammenspiel aus Kupfer, Eisen und Säure eine elektrische Spannung von circa 0,8 V produzieren können. Ob diese Gefäße zum damaligen Zeitpunkt vor etwa 2.000 Jahren als Batterien im heutigen Sinn verwendet wurde, ist umstritten und konnte nicht zweifelsfrei nachgewiesen werden.

Grundlagen

Spezifische Energiedichte (Wh/kg) verschiedener Primärzellen als Funktion der Temperatur

Lithium-Akkupack (3s) für Laptop mit Angabe von Nennspannung, Nennkapazität und Energiegehalt

Eine elektrische Zelle ist ein elektrochemischer Energiespeicher und ein Energiewandler. Bei der Entladung wird gespeicherte chemische Energie durch die elektrochemische Redoxreaktion in elektrische Energie umgewandelt. Diese kann von einem vom Stromnetz unabhängigen elektrischen Verbraucher genutzt werden. Alternativ kann sie auch in einem vom Stromnetz abhängigen Verbraucher eingesetzt werden, um kurzzeitige Ausfälle im Stromversorgungsnetz zu überbrücken und so eine unterbrechungsfreie Stromversorgung sicherstellen.

Primärzellen können nur einmal entladen und nicht wieder aufgeladen werden. In diesen Zellen sind die Reaktionen bei der Entladung teilweise umkehrbar, das führt jedoch nicht zur Wiederherstellung eines dem Neuzustand ähnlichen Energieinhalts. Dagegen sind die wiederaufladbaren Sekundärbatterien (Akkumulatoren) weitgehend in den Ladezustand ähnlich dem Neuzustand zu bringen, so dass eine mehrfache Umwandlung von chemischer in elektrische Energie und zurück möglich ist.

Die Elektrodenmaterialien legen die Nennspannung der Zelle fest, die Menge der Materialien die enthaltene Energie.

Wichtige Begriffe in Bezug auf die elektrischen Eigenschaften einer Batteriezelle sind:

Kapazität

Die in einer galvanischen Zelle gespeicherte elektrische Ladung wird als Kapazität bezeichnet, das ist nicht zu verwechseln mit der elektrischen Kapazität. Die Kapazität einer Batterie wird in der Dimension der elektrischen Ladung in Amperestunden (Einheitenzeichen: Ah), oder seltener in Amperesekunden (As) oder Coulomb (C; 1 As entspricht 1 C) angegeben.

Leistung

Die Leistung einer Batterie/Batteriezelle ist die Menge an elektrischer Energie, die pro Zeiteinheit entnommen werden kann. Sie wird in der Regel in Watt (W) angegeben und ist das Produkt aus Entladestrom und Entladespannung.

Energieinhalt

Die in einer Batterie gespeicherte Energie (elektrische Arbeit) wird nicht immer angegeben, die Energie pro Masse oder pro Volumen ist jedoch eine typische Kenngröße von Batteriesystemen und oftmals in Datenblättern der Hersteller angeführt. Eine Einschätzung je nach Typ geben Diagramme vergleichender Energieangaben (siehe Diagramm).

Selbstentladung

Alle galvanischen Zellen unterliegen bei Lagerung einer Selbstentladung. Die Geschwindigkeit der Selbstentladung hängt unter anderem vom Batterietyp und der Temperatur ab. Je niedriger die Lagertemperatur, desto geringer ist die Selbstentladung.

Die schwächste Zelle bestimmt die Qualität einer Batterie. In Parallelschaltung kommt es durch Ausgleichsströme zu größeren Verlusten, wenn die Zelle mit geringerer Kapazität früher entladen ist. In Reihenschaltung bricht die Spannung unter Last eher zusammen, weil stärkere, noch geladene Zellen Strom durch schwächere, schon entladene Zellen treiben. Deren Innenwiderstand führt nach dem Ohmschen Gesetz zu einer Zellerwärmung, ohne dass die elektrische Energie nutzbar ist.

Einsatzbereiche

Je nach dem Einsatzgebiet gibt es folgende Begriffe und Zuordnungen:

• „Gerätebatterien“ dienen zur Stromversorgung kleiner, meist tragbarer Geräte, beispielsweise in Taschenlampen oder Mobiltelefonen. Meist bestehen sie aus mehreren Zellen in standardisierten Baugrößen sowohl als einmal verwendbare Primärzelle, als auch als wiederaufladbaren Akkumulator. Besonders kleine Ausführungen z. B. für Hörgeräte oder Quarzuhren werden als Knopfzellen bezeichnet.

• Starterbatterien für Kraftfahrzeuge, Traktionsbatterien bzw. zyklenfeste Speicherbatterien für Elektrofahrzeuge und stationäre, ortsfeste Anwendungen wie beispielsweise Unterbrechungsfreie Stromversorgungen. Diese Batterien sind immer Akkumulatoren.

Typvariationen

Aufgrund der vielfältigen Einsatzbereiche mit sehr unterschiedlichen Anforderungen bezüglich Spannung, Leistung und Kapazität gibt es heute Batterien in vielen Typen. Diese werden unterschieden beispielsweise

• nach chemischer Qualität in der zugrunde liegenden chemischen Redoxreaktion,
• Zusammenschaltung von Zellen
• nach Zellengrößen.

Handelsübliche Batterien und Zellen unterscheiden sich sowohl in den elektrischen Werten als auch in der geometrischen bzw. konstruktiven Bauform. Von den nachfolgend aufgeführten Bezeichnungen können mehrere zusammen einen Zelltyp beschreiben, z. B. „Alkali-Mangan-Zelle – LR 6/AM-3 – AA – Mignon“. Oft wird aber nur ein bestimmtes Merkmal gefordert, z. B. die Größe „AA“ für eine speziell darauf abgestimmte Taschenlampe.

Im experimentellen Bereich und zur Veranschaulichung des Funktionsprinzips werden recht exotische galvanische Zellen, wie zum Beispiel Zitronenzellen, eingesetzt.

Primärzellen

Schaltzeichen einer galvanischen Zelle (Primärzelle oder Akkumulator)

Als Primärzellen werden galvanische Zellen bezeichnet, die nach der Entladung nicht wieder neu aufgeladen werden können. Die verschiedenen Typen werden nach den eingesetzten Materialien bezeichnet (ausgenommen wiederaufladbare alkalische Zellen - diese werden trotzdem zu den Primärzellen gezählt):

• Standardbatterien (Basis: Zink-Mangan)
  • Alkali-Mangan-Batterie; 1,5 V Nennspannung pro Zelle
  • Zinkchlorid-Batterie; 1,5 V pro Zelle (nahezu vollständig durch Alkali-Mangan Batterie ersetzt)
  • Zink-Kohle-Batterie; 1,5 V pro Zelle (in Europa nahezu vollständig durch Alkali-Mangan Batterie ersetzt, abgesehen von einigen größeren Bauformen wie z. B. Laternenbatterien)
• Spezialbatterien
  • Zink-Luft-Batterie; 1,4 V pro Zelle
  • Quecksilberoxid-Zink-Batterie; 1,35 V pro Zelle
  • Silberoxid-Zink-Batterie; 1,55 V pro Zelle
  • Nickel-Oxyhydroxid-Batterie; 1,7 V pro Zelle
  • Lithiumbatterien; je nach Kathodenmaterial 1,8 V (FeS₂) bis 3,7 V (SOCl₂)
  • Lithium-Eisensulfid-Batterie; 1,5 V pro Zelle
  • Aluminium-Luft-Batterie; 1,2 V pro Zelle
  • Biobatterie auf Basis Magnesium/NaCl/Eisen+Molybdän+Wolfram, im Körper zersetzlich
• Historische Batterien
  • Edison-Lalande-Element; 0,75 V pro Element

Historisch wurde zwischen Trockenbatterien mit festem oder gelartigem Elektrolyt und den heute nicht mehr gebräuchlichen Nassbatterien, wie das Leclanché-Element, dem Daniell-Element und dessen Vorläufer wie die Gravity-Daniell-Elementen und dem Grove-Element mit flüssigem Elektrolyt in einem Glasgefäss, unterschieden.

Baugrößen

Als Gerätebatterien werden häufig Batterien bezeichnet, die sehr verbreitet für die Energieversorgung von Elektrokleingeräten wie Uhren, Radios, Spielzeug, Taschenlampen u. Ä. und auch in fest installierten Geräten wie Rauchmeldern verwendet werden.

Gerätebatterien müssen kompakt, lageunabhängig einsetzbar, leicht und trotzdem mechanisch robust sein. Sie dürfen bei normaler Lagerung und Verwendung im Gerät weder auslaufen noch ausgasen. Sie sind in einer Vielzahl von Ausführungen auf der Basis von Zink-Kohle- oder Alkali-Mangan-Batterie im Handel erhältlich – Zink-Kohle-Batterien werden immer seltener angeboten und kaum noch hergestellt.

Es gibt sehr viele von der IEC genormte Typen und einige Bezeichnungen vom ANSI sowie inoffizielle Namen, insbesondere für die neun gängigsten Kategorien:

IEC		ANSI	inoffiziell	Abmessungen	Nennspannung	Abbildung
Zink-Kohle	Alkali-Mangan
R20	LR20	D	Mono	ca. 61 mm × Ø 34 mm	1,5 V
R14	LR14	C	Baby	ca. 50 mm × Ø 26 mm	1,5 V
R6	LR6	AA	Mignon	ca. 50 mm × Ø 14 mm	1,5 V
R03	LR03	AAA	Micro	ca. 44 mm × Ø 10 mm	1,5 V
R8D425	LR8D425	AAAA	Mini	ca. 42,5 mm × Ø 8,3 mm	1,5 V
R1	LR1	N	Lady	ca. 30 mm × Ø 12 mm	1,5 V
6F22	6LR61	9V	9-Volt-Block	ca. 48 mm × 26 mm × 17 mm	9 V
3R12	3LR12	4.5V	Flachbatterie	ca. 65 mm × 61 mm × 21 mm	4,5 V
4R25	4LR25	Lantern	Laternenbatterie	ca. 114 mm × 66 mm × 66 mm	6 V
-	4LR44	-	4AG13; L1325	ca. 25 mm × Ø 13 mm	6 V
—	8LR932	1811A	23A	ca. 28,5 mm × Ø 10,3 mm	12 V
2R10	—		Duplex	ca. 74 mm × Ø 21,5 mm	3 V
15F20	—		15F20-Batterie	ca. 50 mm × 25 mm × 15 mm	22,5 V

Adapter und Kontaktierung

Nicht jeder Batterietyp ist in allen Ländern erhältlich. Deshalb gibt es zum Beispiel Flachbatterie-Adapter, die drei AA-Zellen zu je 1,5 V aufnehmen. Diese lassen sich in allen Geräten verwenden, in die auch eine Flachbatterie hineinpasst. Nützlich sind diese Adapter auch, weil es bis dato keine wiederaufladbaren Flachbatterien gibt.

Die Kontaktierung kleiner Batterien erfolgt mit Federkontakten, zuverlässigere Ausführungen für Lithiumbatterien sind vergoldet. Fest eingebaute Akkumulatoren sind mit Steckkontakten, Schraubanschlüssen, Polbolzen oder Lötfahnen versehen.

Konfektionierte wiederaufladbare Batterien, sogenannte Akkupacks, bestehen aus mehreren Zellen, die untereinander fest verbunden und oft mit einer Ummantelung oder einem Gehäuse versehen sind. Bei Starterbatterien sind die Zellen untereinander mit Bleistegen, bei Traktionsbatterien in der Regel mit Kupferverbindern kontaktiert.

Microsoft offerierte 2010 eine „InstaLoad“ genannte, rein mechanische Lösung eines Batteriefaches, die das Einlegen von Batterie-Einzelzellen in beliebiger Orientierung erlaubt. Die Kontakte sind dabei so gestaltet, dass keine Verpolung auftreten kann.

Entsorgung

Inneres und Äußeres einer Batterie
des Typs 4LR44 nach IEC 60086.

Batterien und Akkumulatoren gehören nicht in den haushaltsüblichen Restmüllbehälter oder in die Umwelt, da sie umweltschädliche und zudem erneut nutzbare wertvolle Rohstoffe enthalten, die das Batterierecycling für entsprechende Unternehmen wirtschaftlich attraktiv machen. Auch ausgelaufene Batterien sollten mit Vorsicht behandelt werden, da sich teils ätzende Substanzen an den Kontakten befinden. Sie müssen ebenfalls einem Recycling zugeführt werden und gelten als Problemstoff.

Bild einer ausgelaufenen R6-Batterie, die ungefähr 20 Jahre alt ist. Der oxidierte Minuspol ist deutlich zu erkennen. Durch die lange Lagerung wurde bereits auch das Gehäuse chemisch angegriffen.

In Deutschland regelt die Batterieverordnung die Rücknahme und Entsorgung von Batterien. Sie legt unter anderem fest, dass in Deutschland keine Batterien oder Zellen mit einem Quecksilbergehalt von mehr als 0,0005 Gewichtsprozent in den Verkehr gebracht werden dürfen. Bei Knopfzellen darf der Quecksilbergehalt nicht über 2,0 Gewichtsprozent liegen. Alkali-Mangan-Batterien enthalten seit Beginn der 1990er Jahre kein Quecksilber mehr. Davor wurde es zum Amalgamieren des Elektrodenmaterials Zink verwendet.

Kleine Batterien können in Deutschland in Einzelhandelsgeschäfte zurückgebracht werden, wenn diese auch Batterien verkaufen. Gesetzlich verpflichtend ist zwar nur die Rücknahme von Batterietypen, die der jeweilige Händler auch im Sortiment führt; da die Teilnahme am Rücknahmesystem für den Händler aber kostenlos ist, werden üblicherweise auch "fremde" Typen akzeptiert, da dem Händler dadurch keine Nachteile oder Kosten entstehen. Zu diesem Zweck müssen dort Sammelbehälter aufgestellt sein. Für Starterbatterien existiert in Deutschland ein Pfandsystem.

Literatur

• Lucien F. Trueb, Paul Rüetschi: Batterien und Akkumulatoren – Mobile Energiequellen für heute und morgen. Springer, Berlin 1998, ISBN 3-540-62997-1.
• David Linden, Thomas B. Reddy (Hrsg.): Handbook of Batteries. 3. Auflage. McGraw-Hill, New York 2002, ISBN 0-07-135978-8 (englisch).
• Clive D. S. Tuck (Hrsg.): Modern Battery Technology. Ellis Horwood, New York 1991, ISBN 0-13-590266-5 (englisch).
• Philipp Brückmann: Autonome Stromversorgung - Auslegung und Praxis von Stromversorgungsanlagen mit Batteriespeicher. Ökobuch, Staufen 2007, ISBN 978-3-936896-28-2.
• Werner Döring: Einführung in die Theoretische Physik, Band II, Berlin, Göschen 1965 (speziell das Kapitel über Batterien).

Weblinks

Wiktionary: Batterie – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

 Commons: Batterien – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Geschichte der elektrischen Energiespeicherung
• Battery Chemistry FAQ (Englisch)
• Stiftung Gemeinsames Rücknahmesystem Batterien
• Technische Daten und Vergleichslisten für Knopfzellen und Batterien (PDF; 195 kB)
• Batteriegesetz vom 30. Juni 2009 (PDF; 112 kB)
• Allgemeine Hinweise für Akkus und Batterien (Entsorgung) (PDF; 82 kB)
• Kapazitätsmessung von Marken-Mignon-Batterien mit verschiedenen Stromstärken
• Informationen zu Batterien und Akkumulatoren auf www.batteryuniversity.com