Chemie · Klasse 10–13 · Grundlagen & Vertiefung
Was unterscheidet eine Batterie von einem Akku? Verstehe die chemischen Vorgänge beim Laden und Entladen, unterscheide Volt, Amperestunden und Wattstunden und stelle ein einfaches Akkupack zusammen.
Ah beschreibt Ladung.
Wh beschreibt Energie.
In einer elektrochemischen Zelle laufen Oxidation und Reduktion an getrennten Elektroden ab. Beim Entladen wird ein Teil der chemischen Energie als elektrische Energie nutzbar. Elektronen fließen durch den äußeren Stromkreis, Ionen übernehmen den Ladungstransport im Inneren.
Eine Zelle ist die grundlegende elektrochemische Einheit. Eine Batterie beziehungsweise ein Batteriepack kann aus einer oder mehreren Zellen bestehen. Im Alltag meint „Batterie“ häufig eine nicht wiederaufladbare Zelle; als technischer Oberbegriff kann das Wort auch Akkus einschließen.
Die Reaktion und der Aufbau sind für die einmalige Entladung ausgelegt. Ein Beispiel ist eine gewöhnliche nicht wiederaufladbare Alkali-Mangan-Batterie. Nach der Entladung lässt sie sich nicht einfach sicher in ihren Ausgangszustand zurückversetzen.
Die wesentlichen elektrochemischen Vorgänge sind innerhalb vorgesehener Betriebsgrenzen umkehrbar. Ein geeignetes Ladegerät führt Energie zu und stellt einen energiereicheren chemischen Zustand wieder her. Beispiele sind Blei- und Lithium-Ionen-Akkus.
„Leer“ bedeutet nicht, dass keine Elektronen mehr vorhanden sind. Der chemische Zustand und die Zellspannung haben sich verändert; die nutzbare Ladungsmenge ist unter den vorgesehenen Bedingungen weitgehend abgegeben. Elektronen sind weiterhin Bestandteile der Materie.
Nicht wiederaufladbare Zellen dürfen nicht versuchsweise geladen werden. Reale Akkus benötigen passende Ladetechnik und Schutzfunktionen. Die Modelle dieser Seite sind keine Bau- oder Ladeanleitung.
Hier finden Elektronenabgabe und Elektronenaufnahme statt. Die aktiven Materialien bestimmen wesentlich die Reaktion und den Spannungsbereich.
Er ermöglicht den ionischen Ladungstransport. Je nach Zelltyp ist er eine Flüssigkeit, ein Gel oder ein geeigneter Feststoff.
Er trennt die Elektroden elektrisch und verhindert direkten Kontakt. Zugleich ermöglicht er den vorgesehenen Ionentransport durch die Elektrolytphase beziehungsweise die Membranstruktur.
Über Anschlüsse, Leitungen und Verbraucher fließen die Elektronen. Ohne geschlossenen äußeren Weg fließt kein anhaltender Nutzstrom.
Das Beispiel zeigt einen Bleiakku. Die negative Bleielektrode liegt links, die positive Bleidioxid-Elektrode rechts. Wähle Entladen oder Laden und vergleiche die Reaktionstypen.
Oxidation: Blei wird zu Bleisulfat.
Reduktion: Bleidioxid wird zu Bleisulfat.
Modell eines korrekt betriebenen Bleiakkus innerhalb seines nutzbaren Ladebereichs. Nebenreaktionen, Alterung und Übergangseffekte werden nicht dargestellt. Die Bilder zeigen Reaktionsrollen, keinen gemessenen Ladezustand.
Blei wird von der Oxidationszahl 0 zu +II oxidiert. An der Elektrode entsteht Bleisulfat.
Das Blei im Bleidioxid wird von +IV zu +II reduziert. Auch an dieser Elektrode entsteht Bleisulfat. H⁺ ist hier die übliche Kurzschreibweise für hydratisierte Protonen.
Gebräuchliche zusammengefasste Schreibweise:
Beim Entladen wird Schwefelsäure verbraucht und Wasser gebildet. Beim Laden laufen die wesentlichen Teilreaktionen in Gegenrichtung ab.
In vielen Lithium-Ionen-Zellen werden Lithium-Ionen zwischen zwei Wirtsmaterialien umverteilt. Bei einem üblichen Aufbau mit Graphit als negativer Elektrode wandern Li⁺-Ionen beim Entladen von dort durch den Elektrolyten zur positiven Elektrode. Die Elektronen fließen außen über den Verbraucher zur positiven Elektrode.
Beim Laden führt die äußere Energiezufuhr die Vorgänge in Gegenrichtung. Die Lithium-Ionen werden wieder stärker in die negative Elektrode eingelagert. Dabei wird die Zelle nicht einfach mit „freien Elektronen aufgefüllt“: Entscheidend sind die gekoppelten Elektrodenreaktionen und die Verteilung der Ionen.
Es gibt verschiedene positive Elektrodenmaterialien und Zellchemien. Deshalb besitzen nicht alle Lithium-Ionen-Akkus denselben Spannungsbereich. Der Rechner unten verwendet 3,6 V als festgelegten Modellwert, nicht als allgemeinen Wert für jeden Akku.
Spannung beschreibt Energie pro Ladung: 1 V = 1 J/C. Sie ist nicht die gespeicherte Energiemenge.
1 Ah = 3600 C. Bei konstantem Strom gilt Q = I · t. Mit I in Ampere und t in Stunden erhältst du Q in Ah. 2000 mAh = 2 Ah.
Bei näherungsweise konstanter Spannung gilt W ≈ U · Q. Beispiel: 3,6 V · 2 Ah ≈ 7,2 Wh. 1 Wh = 3600 J.
Leistung beschreibt Energie pro Zeit. Bei konstanter Leistungsaufnahme gilt idealisiert t ≈ W/P. Eine Energie von 12 Wh reicht bei 3 W ungefähr vier Stunden.
Für n gleiche, passend ausgelegte Zellen unterscheidet man im idealisierten Modell:
Der Pluspol einer Zelle ist mit dem Minuspol der nächsten verbunden. Durch alle Zellen fließt derselbe Strom.
Die Spannungen addieren sich; die Ah-Kapazität bleibt gleich.
Gleichnamige Pole sind verbunden. Die Teilströme der Zweige addieren sich.
Die Spannung bleibt gleich; die Ah-Kapazitäten addieren sich.
In beiden Fällen beträgt die gesamte Energie idealisiert n-mal die Energie einer Zelle. Beim Vergleich der Laufzeiten musst du daher wissen, ob ein Verbraucher gleiche Leistung oder gleiche Stromstärke aufnimmt.
Reale Packs brauchen aufeinander abgestimmte Zellen, Schutz- und gegebenenfalls Ausgleichselektronik. Unterschiedliche Ladezustände können beim Zusammenschalten gefährliche Ausgleichsströme verursachen. Hier werden nur ideale Rechenmodelle verglichen.
Eine Modellzelle besitzt 3,6 V Nennspannung und 2,0 Ah Kapazität. Vergleiche die Energie bei gleicher Zellzahl.
Vereinfachung: konstante Nennspannung, vollständige nutzbare Modellkapazität, keine Leitungs- oder Wandlerverluste. Ein ideal passender Verbraucher nimmt die eingestellte Leistung bei beiden Spannungen auf. Die tatsächliche Laufzeit hängt zusätzlich von Zellzustand, Temperatur, Belastung und Abschaltgrenzen ab.
Ein Akku ist nicht unbegrenzt reversibel. Nebenreaktionen, Veränderungen an den Elektroden und Verlust nutzbarer aktiver Stoffe können Kapazität und Leistung verringern. Alterung hängt sowohl von Nutzung und Ladezyklen als auch von der Zeit und den Betriebsbedingungen ab.
Außerdem kann die Klemmenspannung unter Belastung sinken, unter anderem durch Innenwiderstand und Elektrodenprozesse. Eine Geräteabschaltung bedeutet daher nicht, dass die Materie plötzlich keine Ladungsträger mehr enthält.
Wähle eine Antwort.
Löse zuerst selbst. Nutze die Tipps nur bei Bedarf.
25–35 Minuten · ab Klasse 10: Erst beim Bleiakku Entladen und Laden gegenüberstellen. Eine Person erklärt die negative Elektrode, die andere die positive. Erwartung: Die Reaktionstypen wechseln, die Anschlussvorzeichen bleiben beim normalen Betrieb erhalten.
Rechenphase: Vier gleiche Modellzellen zuerst in Reihe, dann parallel vergleichen. Vor jeder Umschaltung Spannung, Ah-Kapazität und Wh-Energie vorhersagen lassen. Bei gleicher Leistungsaufnahme ist die ideale Laufzeit gleich; bei gleicher Stromstärke wäre der Vergleich anders.
Abschlussfrage: „Zwei Akkus haben jeweils 2 Ah. Speichern sie gleich viel Energie?“ Eine vollständige Antwort verlangt die Spannung und weist auf die Näherung mit der Nennspannung hin.
