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Transkript Batterien und Akkumulatoren – die Verwendung der galvanischen Zelle

Batterien und Akkumulatoren - die Verwendung der galvanischen Zelle

Hallo! Hast du dich schon einmal gefragt wie es dazu kommt, dass dein Telefon ohne direkte Stromzufuhr funktioniert? Sicher weißt du, dass in jedem Telefon ein Akku steckt und dieser das Telefon eine gewisse Zeit mit Strom versorgt.

Aber wie funktioniert dieser Akkumulator und warum kann man ihn immer wieder aufladen? Nun befinden sich ja in manchen Geräten keine Akkumulatoren, sondern gewöhnliche Batterien. Diese lassen sich aber nicht wieder aufladen. Warum ist dies nicht möglich? Mit diesen ganzen Fragen wollen wir uns heute einmal genauer auseinandersetzen.

Als erstes wollen wir uns die Funktion ansehen. Du solltest wissen, dass es sich bei Batterien und Akkumulatoren um Energiespeicher handelt. Sie sind also in der Lage, bei Bedarf elektrische Energie gezielt abzugeben.

Wie funktioniert das aber? Du musst wissen, dass sowohl Batterien als auch Akkumulatoren galvanische Elemente sind. Damit du alles gut verstehen kannst, wollen wir erst einmal besprechen was ein galvanisches Element eigentlich ist.

Ein bekanntes Beispiel für ein galvanisches Element ist das Daniell-Element. Hier tauchen eine Kupfer- und eine Zink-Elektrode jeweils in eine Zinksulfatlösung und eine Kupfersulfatlösung. Durch das unterschiedliche Bestreben der beiden Metalle in der Elektrolytlösung Ionen zu bilden, kommt es zu einem Redoxprozess. Das Zink ist das unedlere Metall und wird somit oxidiert. Es bilden sich aus elementarem Zink, zweiwertige Zink-Kationen. Kupfer ist das edlere Metal und so werden die zweiwertigen Kupfer-Kationen, welche sich in Lösung befinden, zu elementarem Kupfer reduziert.

Da die beiden Halbzellen miteinander verbunden sind, wird ein Stromkreis geschlossen. Dadurch wird ein elektrischer Stromfluss mit einer messbaren Spannung erzeugt. Grundsätzlich ist die Spannung abhängig von den beiden verwendeten Metallen.

Nun ist der Prozess, der in einem galvanischen Element abläuft, ein freiwillig ablaufender Prozess. Er läuft so lange ab, bis sich das galvanische Element vollständig entladen hat. Wenn es zu einer Entladung gekommen ist, fließt also auch kein elektrischer Strom mehr. Der Akkumulator oder die Batterie sind dann leer. Nun kann man den Akkumulator wieder aufladen, die Batterie aber nicht. Wir wollen uns an zwei Beispielen ansehen warum das so ist.

Bei normalen Batterien handelt es sich um so genannte Primärzellen. Das Problem daran ist, dass sich die, bei der Entladung ablaufenden Redoxprozesse nicht umkehren lassen. Aus diesem Grund können Batterien nicht wieder aufgeladen werden.

Sehen wir uns dazu das Beispiel der Alkali-Mangan-Batterie an. Diese Batterie liefert eine Spannung von 1,5 Volt. Die Hülle der Batterie besteht aus Stahl, welcher nicht an der Reaktion teilnimmt. Außerdem ist sie aus einer Zinkanode und eine Kathode aus einem Mangandioxid-Graphit-Gemisch aufgebaut. Als Elektrolyt wird eine Kaliumhydroxid-Lösung verwendet. Die Redoxprozesse, die während des Entladeprozesses ablaufen, sehen folgendermaßen aus.

Elementares Zink gibt zwei Elektronen ab , sodass ein zweiwertiges Zink-Kation entsteht. Zink wird hier also oxidiert. Es wird aber auch vierwertiges Mangan durch die Aufnahme eines Elektrons in dreiwertiges Mangan überführt. Hier findet eine Reduktion statt. Du siehst also, dass es sich hierbei um Redoxprozesse handelt, die beim Entladen der Batterie ablaufen.

Nun finden bei unserer Alkali-Mangan-Batterie aber auch noch einige Nebenreaktionen statt. Diese sind nicht umkehrbar und das ist der Grund, warum du diese Batterie nicht wieder aufladen kannst.

Schauen wir uns im Gegensatz dazu die Akkumulatoren an. Akkumulatoren sind so genannte Sekundärzellen. Die Redoxprozesse, die während des Entladens eines Akkumulators ablaufen, sind umkehrbar. Das bedeutet, dass du während des Aufladens die Prozesse umkehrst bis der Akkumulator wieder voll aufgeladen ist und ihn dann wieder entladen kannst.

Schauen wir uns nun den Bleiakkumulator an. Da es sich hier um einen Akkumulator handelt, können wir davon ausgehen, dass wir ihn nach Entladung wieder aufladen können. Der Akkumulator besteht aus einer Bleielektrode und einer Bleioxidelektrode, die in einer Elektrolytlösung aus Schwefelsäure stecken. Während des Entladungsprozesses bildet sich eine Schicht aus Bleisulfat an beiden Elektroden.

Schauen wir uns nun an, welche Reaktionen genau beim Entladungsprozess an den Elektroden statt finden. Zum einen wird elementares Blei oxidiert indem es zwei Elektronen abgibt und zu einem zweiwertigen Blei-Kation wird.

Die Reduktion verläuft folgendermaßen. Bleidioxid, in welchem das Blei die Oxidationsstufe 4 hat, wird reduziert und es entsteht wieder ein zweiwertiges Blei-Kation. Dieser Redoxprozess ist umkehrbar. Du kannst also den Bleiakkumulator immer wieder aufladen, wobei aus den Bleisulfatschichten wieder elementares Blei und Bleioxid entsteht.

Du hast heute gelernt, dass eine Batterie und ein Akkumulator nach dem Prinzip eines galvanischen Elements funktionieren. Du weißt nun, dass du einen Akkumulator immer wieder aufladen kannst weil die Redoxprozesse die während des Entladens auftreten umkehrbar sind. Bei einer Batterie ist das nicht möglich, weil sich die Prozesse nicht umkehren lassen. Nun kannst du dir vielleicht auch besser vorstellen wie der Akku in deinem Telefon oder in anderen Geräten funktioniert.

Tschüß und bis bald!

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3 Kommentare
  1. Default

    Ich danke herzlichst für dieses Video! Hat mir sehr geholfen, vielen Dank! Gerne mehr Videos zu Abi-Themen. LG

    Von C Valanti K, vor 9 Monaten
  2. Bianka

    Hallo,

    die Gleichung der Reduktion ist vollkommen richtig. Aus Blei in der Oxidationsstufe +IV wird Blei in der Oxidationsstufe +II. Dazu werden zwei Elektronen aufgenommen. Die Oxidationsstufe des Sauerstoffs bleibt unverändert bei -II.
    Viel Spaß auch weiterhin an der Chemie!

    Von Bianca Blankschein, vor fast 2 Jahren
  3. Default

    6:00
    entseht da nicht 2O^- und nicht 2O^2-? Sonst würde das nicht aufgehen von den Elektronen her

    Von R Springorum, vor fast 2 Jahren