Wie funktioniert eine Batterie?

Batterien sind in fast allen Bereichen unseres Lebens unverzichtbar. Vom Mobiltelefon bis zum E-Bike (E-Bike-Akku) treiben Batterien fast alle unsere modernen Geräte an. Deshalb müssen wir uns damit beschäftigen, wie Batterien funktionieren. In diesem Artikel werden wir uns mit der Funktionsweise von Batterien und den Unterschieden zwischen den verschiedenen Arten von Batterien beschäftigen.

Was ist eine Batterie?

Eine Batterie ist ein Gerät, das chemische Energie in elektrische Energie umwandelt. Wenn die Batterie an einen Stromkreis angeschlossen wird, bewirkt eine chemische Reaktion zwischen Anode und Kathode den Fluss von Elektronen durch den externen Stromkreis, wodurch ein elektrischer Strom erzeugt wird.

Dieser Strom kann eine Vielzahl von Geräten wie Mobiltelefone, Laptops und viele andere tragbare elektronische Geräte antreiben. Es gibt eine Vielzahl von Batterietypen, darunter Einwegbatterien und wiederaufladbare Batterien, und sie unterscheiden sich in Größe, Kapazität, Spannung und Leistung, um unterschiedlichen Verwendungszwecken und Bedürfnissen gerecht zu werden.

Unterschiede zwischen Spannung, Strom, Leistung und Kapazität?

Die Spannung, der Strom, die Leistung und die Kapazität sind die vier grundlegenden Parameter zur Bewertung der Leistung einer Batterie. Die Unterschiede zwischen ihnen sind wie folgt:

Spannung

Die Spannung einer Batterie ist die Potenzialdifferenz zwischen ihren beiden Polen. Sie bestimmt die Fähigkeit der Batterie, den Ladungsfluss zu steuern, kurz gesagt, die "Leistung" der Batterie. Batterien sind in der Regel für eine bestimmte Spannung ausgelegt, z. B. 1,5 Volt für AA-Batterien oder 3,7 Volt für Lithium-Ionen-Batterien.

Strom

Strom ist die Ladungsmenge, die pro Zeiteinheit durch einen Stromkreis fließt, gemessen in Ampere (A). Die Strommenge, die beim Entladen einer Batterie fließt, hängt von den Anforderungen der externen Schaltung und der maximalen Entladegeschwindigkeit der Batterie selbst ab.

Leistung

Die Leistung einer Batterie ist die Energiemenge, die sie pro Zeiteinheit liefern oder verbrauchen kann, ausgedrückt in Watt (W). Die Leistung einer Batterie kann aus dem Produkt von Spannung und Strom durch die Batterie berechnet werden (P = V × I). Dies ist die maximale Energiemenge, die die Batterie zu einem bestimmten Zeitpunkt bereitstellen kann.

Kapazität

Die Kapazität einer Batterie ist die Gesamtmenge an Ladung, die sie speichern kann, normalerweise ausgedrückt in Amperestunden (Ah) oder Milliamperestunden (mAh). Dieser Wert gibt an, wie lange eine Batterie bei voller Ladung noch Strom liefern kann. Eine 1000-mAh-Batterie kann zum Beispiel 1 Stunde lang funktionieren, wenn sie mit 1 Ampere Strom versorgt wird.

Energiedichte (Energy Density)

Ein weiterer gängiger Begriff ist die Energiedichte. Die Energiedichte beschreibt die Energiemenge, die in einer Batterie mit einer bestimmten Masse (gravimetrische Energiedichte in Wattstunden/kg, Wh/kg) oder einem bestimmten Volumen (volumetrische Energiedichte in Wattstunden/Liter, Wh/L) gespeichert ist.

Je höher die Energiedichte einer Batterie ist, desto besser ist sie in der Regel, da die Batterie dann kleiner und kompakter sein kann, was das Gewicht des Geräts verringert.

Diese Parameter helfen den Verbrauchern bei der Auswahl des am besten geeigneten Batterietyps für verschiedene Bedürfnisse und Anwendungsszenarien. Die Kenntnis dieser Parameter kann sicherstellen, dass die Batterie bei verschiedenen Anwendungen eine angemessene Leistung und eine lang anhaltende Energieversorgung bietet.

Welche verschiedenen Batterietypen gibt es?

Es gibt verschiedene Arten von Batterien, die sich hinsichtlich ihrer Zusammensetzung, Leistung und Anwendungsbereiche unterscheiden. Hier sind einige der gängigsten Typen und ihre Unterschiede:

Alkalibatterien (Alkaline-Batterien)

Diese häufig verwendeten Batterien sind für ihre Langlebigkeit und Zuverlässigkeit bekannt. Sie sind in Standardgrößen wie AA und AAA erhältlich und eignen sich besonders für Geräte mit geringem bis mittlerem Energiebedarf, wie Fernbedienungen und Uhren.

Blei-Säure-Batterien

Diese Batterien werden in der Regel für Anlasser und elektronische Systeme in Kraftfahrzeugen verwendet. Sie sind preiswert, leicht und haben eine hohe Kapazität, was sie ideal für Geräte macht, bei denen das Gewicht keine große Rolle spielt.

Nickel-Cadmium-Batterien (NiCd)

NiCd-Batterien sind wiederaufladbar und bieten eine gute Leistung bei niedrigen Temperaturen und schnellen Entladungen. Sie leiden jedoch unter dem Memory-Effekt, was bedeutet, dass ihre Kapazität mit der Zeit abnimmt, wenn sie nicht vollständig entladen und dann wieder aufgeladen werden.

Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH)

Diese wiederaufladbaren Batterien haben eine höhere Kapazität als NiCd-Batterien und keinen Memory-Effekt. Sie sind umweltfreundlicher und werden häufig in Haushaltsgeräten und Elektronik eingesetzt.

Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion)

Lithium-Ionen-Batterien (z. B. 18650 akku und 21700 Akku) sind bekannt für ihre hohe Energiedichte und werden häufig in Mobiltelefonen, Laptops und neuerdings auch in Elektroautos verwendet. Sie haben keine Probleme mit dem Memory-Effekt und bieten eine hohe Leistungsfähigkeit.

Lithium-Polymer-Batterien (LiPo)

LiPo-Batterien bieten ähnliche Vorteile wie Lithium-Ionen-Batterien, sind jedoch leichter und können in verschiedene Formen geformt werden, was sie ideal für moderne tragbare Geräte macht.

Knopfbatterien (Knopfzellen)

Knopfzellen, scheibenförmige Batterien, die in Uhren, Hörgeräten und anderen kleinen elektronischen Geräten verwendet werden. Sie sind typischerweise in Lithium-, Silberoxid- oder Alkalivarianten erhältlich und bieten eine konstante Spannung in einem kompakten Format.

Jede dieser Batterietypen hat spezifische Eigenschaften, die sie für bestimmte Anwendungen besser geeignet machen. Die Auswahl der richtigen Batterie hängt von den Anforderungen des spezifischen Geräts oder der spezifischen Anwendung ab.

Wie funktioniert eine Batterie?

Batterien funktionieren auf der Grundlage einer chemischen Reaktion, bei der chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Dieser Prozess beinhaltet die Bewegung von Elektronen zwischen den beiden Elektroden der Batterie. Die grundlegenden Komponenten und der Funktionsmechanismus einer Batterie sind wie folgt:

Elektroden

Eine Batterie enthält zwei Elektroden: Anode und Kathode. Die Anode ist die negative Elektrode der Batterie und die Kathode ist die positive Elektrode. Die beiden Elektroden bestehen aus unterschiedlichen Materialien und haben eine unterschiedliche Anziehungskraft für Elektronen. 

Elektrolyt

Der Elektrolyt ist eine Substanz in einer Batterie, normalerweise eine Flüssigkeit oder ein Gel, manchmal auch ein Feststoff. Der Elektrolyt dient dazu, den Transfer von Ionen zwischen den Elektroden zu erleichtern und verhindert, dass Elektronen direkt von einer Elektrode zur anderen wandern. Daher können Elektronen nur über einen externen Stromkreis von einer Elektrode zur anderen fließen.

Chemische Reaktionen

Beim Betrieb einer Batterie kommt es zu einer Oxidationsreaktion des Materials auf der Anode, bei der Elektronen freigesetzt werden, die über einen externen Stromkreis zur Kathode fließen. Gleichzeitig bewegen sich die Ionen im Elektrolyt zwischen den Elektroden, um das Ladungsgleichgewicht aufrechtzuerhalten. An der Kathode werden die Elektronen durch eine Reduktionsreaktion verbraucht.

Elektrische Energieausgabe

Wenn Elektronen durch den externen Stromkreis vom Anoden zum Kathoden fließen, treiben sie die Geräte oder Lasten im Stromkreis (wie Glühbirnen, Motoren usw.) an und führen die Energieausgabe durch. Dieser Flussprozess erzeugt einen elektrischen Strom.

Aufladen und Entladen

Bei wiederaufladbaren Batterien (wie Lithium Batterien) ist die chemische Reaktion während der Entladung umkehrbar. Durch das Zuführen von Strom zur Batterie können die Elektronen gezwungen werden, sich in die entgegengesetzte Richtung zu bewegen, wodurch die chemischen Substanzen wieder in ihren ursprünglichen Zustand umgewandelt werden. Dieser Prozess wird als Aufladen bezeichnet.

Das ist das grundlegende Arbeitsprinzip einer Batterie. Durch die Kontrolle und Nutzung des Flusses von Elektronen, die durch chemische Reaktionen erzeugt werden, kann die Batterie Energie für verschiedene Geräte bereitstellen.

Wie erzeugt eine Batterie Spannung?

Eine Batterie erzeugt Spannung durch elektrochemische Reaktionen, die zwischen der Anode, der Kathode und dem Elektrolyten stattfinden:

Diese Komponenten besitzen unterschiedliche chemische Potenziale, was bedeutet, dass die Anode dazu neigt, Elektronen abzugeben, während die Kathode dazu bereit ist, Elektronen aufzunehmen. Dieses Ungleichgewicht führt zu einem Elektronenüberschuss an der Anode im Vergleich zur Kathode, was eine Spannung oder elektromotorische Kraft (EMK) erzeugt.

Verschiedene Materialkombinationen und chemische Reaktionen in Batterien führen zu unterschiedlichen Spannungen, was zu einer Vielzahl von Batterietypen und -leistungen führt.

Da die Spannung einer einzelnen Zelle jedoch relativ niedrig ist, werden bei den meisten großen Batterien (z. B. 18650 akkupack und 21700 akkupack) mehrere Zellen in Reihe geschaltet, um die Spannung zu erhöhen. Die meisten 12-Volt-Batterien bestehen zum Beispiel aus vier bis sechs in Reihe geschalteten Zellen.

Warum hat eine Batterie eine negative und eine positive Elektrode?

Batterien haben einen Minus- und einen Pluspol, um eine Potenzialdifferenz zu erzeugen, die den Elektronenfluss antreibt und einen elektrischen Strom erzeugt. 

Während sich die Elektronen von einem Pol zum anderen bewegen, erzeugen sie in den Geräten auf ihrem Weg einen elektrischen Strom und liefern so Energie. Dieser Elektronenfluss vom Minuspol zum Pluspol ist darauf zurückzuführen, dass der Pluspol im Vergleich zum Minuspol ein höheres Potenzial hat und Elektronen immer von einem niedrigeren Potenzial zu einem höheren Potenzial fließen.

Daher sind die negativen und positiven Pole nicht nur grundlegend für die Struktur der Batterie, sondern auch entscheidend für ihre effiziente Funktion. Dieses Design ermöglicht es der Batterie, als zuverlässige Energiequelle in verschiedenen Geräten verwendet zu werden.

Wie fließt der Strom in einer Batterie?

In einer Batterie wird der Stromfluss durch die Bewegung von Elektronen und Ionen erreicht. Wenn eine Batterie an ein Gerät angeschlossen wird, setzt die negative Elektrode (Anode) durch eine chemische Reaktion Elektronen frei, die durch einen externen Stromkreis zur positiven Elektrode (Kathode) fließen und einen elektrischen Strom erzeugen.

Gleichzeitig bewegen sich die Ionen im Elektrolyt innerhalb der Batterie von einer Elektrode zur anderen, um das Ladungsgleichgewicht aufrechtzuerhalten. Dieser Elektronenfluss und die Ionenbewegung treiben zusammen den Strom in der Batterie an, so dass die Batterie eine Vielzahl von elektronischen Geräten mit Strom versorgen kann.

Was ist der Unterschied zwischen nicht wiederaufladbaren und wiederaufladbaren Batterien?

Der Unterschied zwischen nicht wiederaufladbaren (primären) und wiederaufladbaren (sekundären) Batterien liegt in ihrer Fähigkeit, wieder aufgeladen und wiederverwendet zu werden:

Der Hauptunterschied liegt also in der Nutzungsdauer und Wiederverwendbarkeit. Während nicht wiederaufladbare Batterien nach dem Gebrauch entsorgt werden müssen, bieten wiederaufladbare Batterien die Möglichkeit, durch Aufladen wieder ihre volle Leistungsfähigkeit zu erreichen, was sie sowohl umweltfreundlicher als auch kosteneffizienter macht.

Verliert eine Batterie ihre Ladung, wenn sie nicht benutzt wird?

Ja, eine Batterie verliert auch dann langsam ihre Ladung, wenn sie nicht benutzt wird. Diesen Vorgang bezeichnet man als Selbstentladung. Die Rate der Selbstentladung hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter:

Batterietyp

Verschiedene Arten von Batterien haben unterschiedliche Selbstentladungsraten. Zum Beispiel haben Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH) eine höhere Selbstentladungsrate als Lithium-Ionen-Batterien.

Temperatur

Höhere Temperaturen können die Selbstentladungsrate von Batterien beschleunigen. Es ist daher ratsam, Batterien in kühlen und trockenen Bedingungen zu lagern, um ihre Ladung länger zu erhalten.

Alter und Zustand der Batterie

Ältere Batterien oder solche, die in irgendeiner Weise beschädigt sind, können schneller ihre Ladung verlieren.

Diese Selbstentladung ist einer der Gründe, warum auch unbenutzte Batterien nach einiger Zeit aufgeladen oder ausgetauscht werden müssen.

Wie misst man eine Batterie?

Um eine Batterie zu messen und ihren Zustand zu beurteilen, können verschiedene Parameter herangezogen werden. Hier sind die Messmethoden:

Spannung messen

Die einfachste Methode, den Zustand einer Batterie zu überprüfen, ist die Messung der Spannung mit einem Multimeter. Eine voll aufgeladene Batterie sollte in der Nähe ihrer Nennspannung messen, während eine signifikant niedrigere Messung darauf hinweist, dass die Batterie entladen oder defekt sein könnte.

Kapazität testen

Die Kapazität einer Batterie gibt an, wie viel Energie sie speichern kann. Sie wird in Ampere-Stunden (Ah) gemessen. Kapazitätstests werden durchgeführt, indem die Batterie unter kontrollierten Bedingungen entladen und die tatsächlich abgegebene Strommenge gemessen wird. Spezielle Batterietester oder Lade-/Entladevorrichtungen können für diesen Zweck verwendet werden.

Innenwiderstand messen

Die Zunahme des Innenwiderstands kann darauf hinweisen, dass die Batterie altert oder beschädigt ist. Der Innenwiderstand kann mit speziellen Messgeräten, wie einem Innenwiderstandsmesser, gemessen werden. Dieses Gerät sendet einen kleinen Strom durch die Batterie und misst den daraus resultierenden Spannungsabfall. Im Allgemeinen gilt: Je niedriger der Innenwiderstand einer Batterie, desto besser ist ihre Leistung.

Lasttest durchführen

Lasttests sind hilfreich, um die Leistungsfähigkeit von Batterien unter realen Bedingungen zu bewerten. Indem man einen Lasttester verwendet, um eine reale Belastung auf die Batterie auszuüben und ihre Reaktion zu messen, kann ihre Leistung beurteilt werden. Diese Art von Test simuliert das Verhalten der Batterie unter tatsächlichen Nutzungsbedingungen und prüft ihre Stabilität sowie die Leistungsfähigkeit bei Änderungen der Belastung.

Diese Messmethoden helfen nicht nur, den aktuellen Zustand einer Batterie zu beurteilen, sondern auch vorherzusagen, wie viel Lebensdauer noch übrig ist und wann eine Batterie ersetzt werden sollte.

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Zusammenfassung

Durch die Lektüre dieses Artikels können die Leser den Funktionsmechanismus und die tägliche Anwendung von Batterien besser verstehen, um fundiertere Entscheidungen bei der Auswahl und Verwendung von Batterien treffen zu können.