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Lithiumbatterien, Alkali-Mangan-Batterien, Silberoxid-Batterien und sonstige Batterien (Zellen) – welche Bauarten und Typen von Batterien sind auf dem Markt erhältlich?

2020-07-06

Lithiumbatterien, Alkali-Mangan-Batterien, Silberoxid-Batterien und sonstige Batterien (Zellen) – welche Bauarten und Typen von Batterien sind auf dem Markt erhältlich?

Konstruiert wurden die bis heute eingesetzten „Batterien“ (wie sie umgangssprachlich, jedoch falsch bezeichnet werden) vom französischen Ingenieur Georges Leclanché, der seine Zelle (das ist die korrekte Bezeichnung) im Jahre 1866 entwickelt hat. Diese Zelle ist jedoch nicht mit den Akkumulatoren zu verwechseln, die in denselben Größen erhältlich sind, deren Funktionsweise jedoch völlig anders ist (der Unterschied zwischen den Batterien und Akkumulatoren wird am Ende dieses Beitrags erklärt). Not macht erfinderisch, daher wurde das ursprüngliche Leclanché-Element mit einer Nennspannung von ca. 1,5 V zur Versorgung von Eisenbahntelegraphen, Hausklingeln und den ersten Telefonapparaten eingesetzt. Heutzutage, nach über 150 Jahren, werden solche Batterien zur Versorgung von kleinen Geräten der Unterhaltungselektronik wie z.B. Spielzeuge, Radioempfänger, Musikabspielgeräte, Taschenlampen usw. eingesetzt. Außerdem werden in den Gebrauchsgütern immer häufiger teurere Zellen auf Lithiumbasis eingesetzt.

Lithiumbatterien, Alkali-Mangan-Batterien, Silberoxid-Batterien und sonstige Batterien (Zellen) – welche Bauarten und Typen von Batterien sind auf dem Markt erhältlich?

Die Vielfältigkeit der zu versorgenden Geräte stellt unterschiedliche Anforderungen betreffend die Kapazität, Spannung oder den Kurzschlussstrom der Zellen. Dies spiegelt sich in den Abmessungen oder der Form der Zellen, sowie in deren Aufbau und Art der als Elektroden bzw. Elektrolyt eingesetzten Stoffe. Wodurch unterscheiden sich einzelne „Batterien“ und wie sind sie bestimmungsgemäß zu gebrauchen?

Zink-Kohle-Zellen

Ein Nachteil des ursprünglichen Leclanché-Elements war der Einsatz vom flüssigen Elektrolyten. Das Leclanché-Element bestand aus einem Gefäß, in dem sich eine Anode aus Zink und ein Becher aus porösem Material befanden. In diesen Becher wurde ein feuchtes Mangandioxid-Pulver, vermengt mit Graphitstaub, gefüllt und darin wurde dann ein Graphitstab angebracht. Das äußere Gefäß wurde mit angedickter Ammoniumchloridlösung gefüllt. Mangandioxid wirkte als sog. Depolarisator der Graphitelektrode, indem es den entstehenden Wasserstoff absorbierte. Ansonsten würde das an der Oberfläche des Kohlestabes angesammelte Gas die Elektrode vom restlichen Elektrolyten isolieren und den Stromfluss unterbrechen.

Einen großen Einfluss auf die komfortable Nutzung dieser Energiequelle hatte die Entwicklung der Trockenbatterie. Ihre heutige Form geht auf die Erfindung des Deutschen Carl Gassner im Jahre 1887 zurück. Er ersetzte die flüssige Ammoniumchloridlösung mit einer Mischung von Ammoniumsalz mit feuchtem Gipsstaub (derzeit wird normalerweise entweder Stärkebrei oder Kieselgel eingesetzt).

Während seiner nahezu über 150 Jahre langen Karriere hat das Leclanché-Element zahlreiche Modifikationen erfahren, die seine Lebensdauer und Kapazität optimieren sollten. Eine der Methoden für eine längere Betriebsdauer ist das Hinzufügen von Zinkchlorid zu der Paste im Becher – solche Zellen werden als Heavy Duty bezeichnet und sind zur Versorgung anspruchsvollerer Geräte bestimmt. Es ist zu beachten, dass Ammoniumchlorid von schwacher Base und starker Säure abgeleitet wird, d.h. es hydrolysiert und erzeugt eine saure Reaktion der Lösung in der Zelle. In einer solchen Umgebung wird Zink ununterbrochen aufgeschlossen, sogar wenn vom System keine elektrische Energie entnommen wird. Um diesem Verfahren entgegenzuwirken werden unterschiedliche Techniken eingesetzt, die den Metallverbrauch minimieren, wenn die Batterie gerade nicht in Betrieb ist. Eine dieser Techniken ist die Amalgamation, d.h. das Auftragen von Quecksilber auf die Innenoberflächen des Zinkbechers. Quecksilber bildet eine Lösung mit Zink und Zinkamalgam reagiert kaum mit Säuren, sondern behält sämtliche elektrochemischen Eigenschaften des reinen Metalls. Dem Umweltschutz zuliebe wird jedoch diese Methode zur Erhöhung der Lebensdauer der Zellen immer seltener eingesetzt (auf den Zellen ohne Quecksilber steht „0% mercury” oder „mercury free”). Die heutigen Zink-Kohle-Zellen haben eine theoretische Energiedichte von 40 bis zu 70 Wh/kg. Der Betriebstemperaturbereich beträgt -10...+50 °C. Die Lebensdauer der Zink-Kohle-Zellen beträgt ca. 2 Jahre.

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„Ausgelaufene Batterien“

Es ist bei der Nutzung von Zink-Kohle-Zellen zu beachten, dass sie nach Entladung vom Gerät entfernt werden sollten, da der Elektrolyt möglicherweise auslaufen kann. Ein ausgelaufener Elektrolyt verursacht Korrosion und kann so das Gerät beschädigen.

Alkali-Mangan-Batterien von Energizer

Ein Meilenstein auf dem Gebiet der Einwegbatterien war das Jahr 1955 und die Entwicklung einer Alkali-Mangan-Zelle. Diese Erfindung verdanken wir dem kanadischen Ingenieur Lewis Frederick Urry, dem Mitarbeiter eines Unternehmens, das heute als Energizer bekannt ist. In seiner Zelle gibt es weder eine Kathode aus Graphit, noch einen Zinkbecher. Beide Elektroden bestehen aus einer feuchten Paste und sind voneinander abgetrennt. Die Mischung aus Mangandioxid und Graphit wirkt als Kathode, die Anode dagegen ist aus Zinkstaub mit Kaliumhydroxid gefertigt. Beide Mischungen werden zusätzlich mit Verdickungsmitteln ergänzt. Aus Metall bestehen lediglich die Batteriepole.

Alkali-Mangan-Zellen zeichnen sich durch deutlich bessere Nutzungseigenschaften aus, vor allem durch eine höhere Strombelastbarkeit und längere Lebensdauer. Sie haben auch eine höhere Energiedichte, die theoretisch von 80 bis zu 100 Wh/kg beträgt, und einen breiteren Betriebstemperaturbereich von -30…+70 °C. Die Lebensdauer einer solchen Batterie beträgt von 5 bis zu 7 Jahren. Bei der Bezeichnung von Alkali-Mangan-Zellen wird Buchstabe L verwendet, zum Beispiel trägt eine normale R6 Zelle (Mignonzelle) in der alkalischen Version die Bezeichnung LR6.

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Lithium-Mangandioxid-Zellen

Bei Lithiumbatterien, z.B. AA-Lithiumbatterien, handelt es sich in Wirklichkeit um Lithium-Mangandioxid-Batterien. Ihre Nennspannung beträgt 3 V. Sie sind beständig gegen Temperaturschwankungen und haben auch eine hohe Energiedichte – sogar bis zu 270 Wh/kg. Dadurch können die AA-Lithiumbatterien nahezu dreimal so viel Energie speichern, als ihre Äquivalente Alkali-Mangan AA. Sie kommen u.a. in den Haushaltsgeräten - in den Uhren, Kameras, Fotoapparaten sowie in den Computern zum Einsatz. Sie können die Energie noch länger speichern, bis zu 10 Jahren.

Zu der Familien vonLithiumbatterien gehören zahlreiche Untertypen, welche die Anwendung von Lithium oder Lithiumverbindungen als Anode gemeinsam haben. Zu den als Kathode eingesetzten Stoffen gehören u.a.: Mangandioxid, Thionylchlorid, Schwefeloxid, Jod, Silberchromat und andere. Solche Batterien können eine Spannung von 1,5 V bis zu 3,7 V erzeugen – je nach den eingesetzten chemischen Verbindungen.

Die Lithium-Mangandioxid-Batterien zeichnen sich durch eine äußerst lange Lebensdauer aus, daher werden sie häufig in Geräten eingesetzt, die eine lange Nutzungsdauer voraussetzen, wie beispielsweise die Herzschrittmacher, Cochlea-Implantate, Uhren, Konfigurationsspeicher in den Elektronikgeräten usw. Zu den unbestrittenen Vorteilen gehört auch die Beständigkeit gegen Entladung durch Hochstrom und ein breiter Betriebstemperaturbereich (ab -40 bis zu +65 °C).

Früher waren solche Batterien extrem teuer und wurden deswegen selten eingesetzt. Außer in Geräten, die eine lange Nutzungsdauer erfordern, finden sie heute sogar in manchen Spielzeugen Anwendung. Zu den beliebtesten Lithiumbatterien gehören die sogenannten Knopfzellen, umgangssprachlich als „Flachbatterien 3 V“ bezeichnet. Diesen Namen verdanken sie ihrer Optik, denn sie sind einem Knopf ähnlich, und den geringen Abmessungen. Im Handel sind auch andere Arten dieser Batterien erhältlich, wegen des relativ hohen Preises im Vergleich mit den Alkali-Mangan-Zellen, finden sie jedoch seltener Anwendung.

Wegen der hohen Beständigkeit verfügen die auf Basis solcher Zellen ausgeführten Batterien oft über angeschweißte Ausgänge, die an eine Platine angelötet werden können. In der Praxis, wenn wir eine solche Batterie zur Versorgung des statischen Speichers CMOS RAM oder des RTC-Uhrwerkes einsetzen, können wir uns über eine Betriebsdauer von mehreren Jahren freuen, ohne die Batterie ersetzen zu müssen.

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Silberoxid-Zellen

Die Nennspannung einer Silberoxid-Zelle beträgt 1,55 V. Die Kathode wurde in dieser Zelle aus Silberoxid und die Anode aus Zink ausgeführt. Als Elektrolyt kommt die Lösung von Kaliumhydroxid zum Einsatz. Die Silberoxid-Zellen wurden gegen Ende des 19. Jahrhunderts erfunden, die Massenherstellung begann jedoch erst in den 60er Jahren des 20. Jahrhunderts. Sie werden sehr oft auch als Silberoxid-Zink-Zellen bezeichnet.

Silberoxid-Zellen zeichnen sich durch eine stabile Eingangsspannung und flache Entladezyklen aus. Die Spannung an den Klemmen sinkt nach der Entladung sehr schnell. Die theoretische Energiedichte beträgt 130...150 Wh/kg. Die Silberoxid-Zellen sind für die Anwendung in Geräten bestimmt, die empfindlich auf eine Änderung der Versorgungsspannung reagieren und eine stabile Spannung erfordern, zum Beispiel in den Messgeräten.

Die Lebensdauer einer Silberoxid-Zelle beträgt ca. 2 Jahre. Als ein schwerwiegender Nachteil ist die Tatsache zu nennen, dass Zink in einem alkalischen Elektrolyten korrodiert, was wiederum zur Degradation der Zelle führt. Es ist also zu beachten, dass normalerweise nach ca. 5 Jahren diese Zellen undicht werden und damit eine Gefahr für die natürliche Umwelt bilden.

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Bezeichnungen und Abmessungen gängiger Batterien

Nachstehend präsentieren wir und erklären die Bezeichnungen und Abmessungen der gängigsten, auf dem Markt erhältlichen Batterien:

AA-Zellen (Mignonzellen)

AA-Zellen, umgangssprachlich auch „Mignon” genannt, alternativ als R6 in normaler Version und LR6 in alkalischer Version bezeichnet. Eine AA-Zelle hat einen Durchmesser von 14 mm und ist 50 mm hoch. Die Nennspannung dieser Batterie beträgt 1,5 V. Heutzutage angebotene AA-Zellen verfügen über eine Kapazität von 1600 bis ca. 2500 mAh.

AAA-Zellen (Microzellen)

Die AAA-Zellen als eine kleinere Version von Mignonzellen sind ebenso beliebt und werden als R03 in normaler Version und LR03 in alkalischer Version bezeichnet. Sie bieten dieselbe Spannung wie die AA-Zellen. Eine AAA-Zelle hat einen Durchmesser von 10 mm und ist 44 mm hoch. Sie hat auch eine geringere Kapazität – von 800 mAh bis ca. 1200 mAh.

 

LR61, R14, R20 Batterien und sonstige

Eine weitere Bauart noch kleinerer Batterien ist die Alkali-Mangan-Zelle LR61. Ihr Durchmesser beträgt 8,3 mm und sie ist 42,5 mm hoch. Die Nennspannung beträgt 1,5 V, die Kapazität bis zu 650 mAh. Ist eine größere Kapazität erforderlich, dann sind zylindrische Batterien mit der Bezeichnung R14 oder höher - R20 zu verwenden. Eine R14-Zelle hat einen Durchmesser von 23 mm und ist 50 mm hoch. Ihre Kapazität kann sogar bis zu 8000 mAh betragen. Unter den gängigen zylindrischen Batterien ist R20 am größten. Eine R20-Zelle hat einen Durchmesser von 33 mm und ist 58 mm hoch. Ihre Kapazität kann bis zu 21000 mAh betragen.

Batterien mit einer anderen Spannung als 1,5 V entstehen durch Reihenschaltung mehrerer Zellen. Zum Beispiel besteht die sog. Flachbatterie aus 3 reihengeschalteten R10-Zellen. Andere, wie zum Beispiel die gängige 6F22-Batterie 9 V besteht aus 6 reihengeschalteten F22-Zellen mit den Abmessungen 25 mm×15 mm×8 mm, die in einem quaderförmigen Gehäuse verschlossen sind.

Die vorstehend genannten Kapazitäten der Batterien sind als Orientierungswerte zu betrachten, denn der ständige technologische Fortschritt und enormer Bedarf nach den effizienten Energiequellen tragen dazu bei, dass diese Produkte weiterhin optimiert und deren Parameter geändert werden. Die Abmessungen und Bezeichnungen der gängigen Zink-Kohle-Zellen und Alkali-Mangan-Zellen wurden in der Tabelle angegeben.

Bezeichnung der Batterie Abmessungen der Batterie Nennspannung der Batterie
ANSI IEC NEDA Sonstige [mm] [V]
N R1 910A - L=30,2 mm; D=12 mm 1,5 V
AAAA LR61 25A MN2500 L=42 mm; D=8 mm 1,5 V
AAA R03 24A MN2400, AM4, UM4, HP16 L=44,5 mm; D=10,5 mm 1,5 V
AAAL - - - L=50 mm; D=10,5 mm 1,5 V
AA R6 15A MN1500, AM3, UM3, HP7 L=50 mm; D=14,2 mm 1,5 V
- R10 - - L=34 mm; D=21 mm 1,5 V
- 2R10 - - L=68 mm; D=21 mm 3 V
C R14 14A UM2, MN1400, HP11 L=50 mm; D=23 mm 1,5 V
D R20 13A MN1300, UM1, HP2 L=58 mm; D=33 mm 1,5 V
F - - - L=87 mm; D=32 mm 1,5 V
J - - - L=150 mm; D=2 mm 1,5 V
- 3R12 - GP312S, Flachbatterie Quader 67 mm × 22 mm × 67 mm 4,5 V
- - - lantern, 996 Quader 68 mm×115 mm×68 mm 6 V
PP3 6LR61, 6F22, 6R61 1604A MN1604, block Quader 48 mm×25 mm×15 mm 9 V
- 6F25 - - Quader 48 mm×25 mm×25 mm 9 V
PP9 6F100 1603 - Quader 51,6 mm×65,1 mm×80,2 mm 9 V
- 4R25X 908 MN908 Quader 110 mm×67,7 mm×67,7 mm 6 V
- 4R25 915A - Quader 110 mm ×67,7 mm×67,7 mm 6 V
- 4LR25-2 918A MN918 Quader 127 mm×136,5 mm×73 mm 6 V
- - - PC926 Quader 127 mm×136,5 mm×73 mm 12 V

Bei den Lithium-Knopfzellen muss man deren Parameter nicht auswendig kennen, denn sie haben alle die Nennspannung von 3 V und die Abmessungen wurden in der Bezeichnung der Batterie verschlüsselt, und zwar wie folgt: CR<2 Ziffern, Durchmesser in mm><2 Ziffern, Dicke – Wert ×0,1 mm>. Die Zahlen im Symbol der gängigen CR2032-Batterie stehen beispielsweise für den Durchmesser von 20 mm und die Dicke von 3,2 mm.

Leider gilt diese Feststellung nur für die gängigen Bauarten der Lithium-Mangandioxid-Batterien mit einer Nennspannung von 3 V. Unter den Knopfzellen sind auch Silberoxid-Zellen erhältlich, die anders bezeichnet werden.

Wodurch unterscheiden sich die Batterien von Akkumulatoren?

Um es kurz zu machen, bei einer Batterie handelt es sich um eine Einwegzelle, die nach der Entladung der darin gespeicherten Energie nutzlos ist, denn sie kann nicht erneut aufgeladen werden (d.h. die elektrische Energie kann darin nicht noch einmal gespeichert werden). Das Gegenstück von Batterien sind Akkumulatoren, d.h. die Zellen mit einer Lebensdauer von mehreren Hundert bis zu mehreren Tausend Ladezyklen.

Kurze Zusammenfassung der wichtigsten Informationen über die Batterien

In diesem kurzen Beitrag wurden lediglich die gängigsten Zink-Kohle-Zellen, Alkali-Mangan-Zellen und Lithium-Mangandioxid-Zellen beschrieben. Es ist unmöglich, die 150 Jahre der technologischen Entwicklung und Experimente mit unterschiedlichen Stoffen zusammenzufassen. Daher wurden hier die kaum noch verwendeten Quecksilberbatterien, die wegen der darin enthaltenen, für die Umwelt gefährlichen Stoffe vom Handel zurückgezogen werden, sowie andere, bei täglichem Gebrauch weniger gebräuchliche Batterien, wie beispielsweise die Zink-Luft-Zellen oder Silberoxid-Zellen, weggelassen.

Noch eine Warnung zum Schluss, die für alle Bauarten von Einwegzellen gilt. Trotz zahlreicher Versuche, die durch mehrere Personen unternommen wurden, sind die Einwegzellen für eine Regeneration ungeeignet und sie dürfen nicht aufgeladen werden! Der Ladevorgang kann die im Elektrolyten vorkommenden chemischen Prozesse nicht zurücksetzen, das bei Stromfluss entstehende Gas kann jedoch die Zelle zersetzen und eine Explosion verursachen.


Literaturverzeichnis:

  • mlodytechnik.pl/eksperymenty-i-zadania-szkolne/chemia/4695-ogniwa-uzywane-wspolczesnie
  • www.energizer.eu/pl/battery-history/
  • pl.wikipedia.org/wiki/Bateria_ogniw
  • telefix.ugu.pl/baterie.htm

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