Wie funktioniert eine Batterie?

Was sind die wichtigsten Dinge, die der moderne Mensch zum Überleben braucht? Klar: Akku und Netz fürs Handy. Wir wollen uns mit einem dieser Grundpfeiler der menschlichen Zivilisation beschäftigen, wobei wir uns den VORLÄUFER des Akkus genauer ansehen: die Batterie. Batterien und Akkus gibt es in verschiedenen Größen. Sie alle erfüllen denselben Zweck: Sie stellen eine elektrische Spannung her, die je nach Zusammensetzung unterschiedlich groß sein kann. Die Spannung ermöglicht einen Stromfluss, der von einem angeschlossenen "Verbraucher" genutzt werden kann. Aber wie ENTSTEHT die elektrische Spannung in einer Batterie? Um das zu verstehen, müssen wir die CHEMISCHEN Eigenschaften von Stoffen, genauer gesagt die von METALLEN, verstehen. Aber das ist nicht so wild, denn die Chemie dahinter lässt sich ganz einfach zusammenfassen: Haben wir zwei Metalle beieinander, gibt immer EINES Elektronen AB und das ANDERE nimmt diese AUF – wenn das für beide energetisch günstig ist. LITHIUM, das du vielleicht vom "Lithium-Ionen-Akku" kennst, ist zum Beispiel ein Metall, das sehr leicht Elektronen ABGIBT, während Edelmetalle wie Gold oder Platin das so gut wie NIE tun. Hat man also zwei Metalle beieinander, gibt es immer eines, das dem anderen seine Elektronen aufs Auge drücken möchte. Man spricht von einer "Potentialdifferenz" zwischen den beiden Elementen – und das ist nichts Anderes als die elektrische SPANNUNG, da die ausgetauschten Elektronen elektrische Ladungsträger sind. Nimmt man zum Beispiel die Metalle "Zink" und "Kupfer", ergibt die Potentialdifferenz eine Spannung von eins-Komma-eins Volt. Alessandro Volta hat DAMIT im Jahr 1799 seine "Volta-Säule" gebaut – die erste brauchbare Batterie. Der Trick dabei waren in Salzlösung getränkte Stofffetzen, die er zwischen die Zink- und Kupferscheiben gequetscht hat. Denn erst durch die Salzlösung werden die Ionen, also die geladenen Atome, die die Spannung aufrechterhalten, ausgetauscht. So wird die chemische Reaktion der beiden Metalle am Laufen gehalten und es bilden sich Minuspol und Pluspol. "Zwei Metalle und eine Salzlösung" – so sind auch heute noch Batterien aufgebaut. Statt der Stofffetzen hält man sich aber eher an den Aufbau einer "Galvanischen Zelle", auch "Galvanisches Element" genannt. Die beiden Metalle – bleiben wir mal bei Zink und Kupfer – stellen die "Elektroden" dar. Zink ist die "Anode" – der MINUS-Pol, an dem Elektronen FREIWERDEN. Kupfer ist die "Kathode" – der PLUS-Pol, der Elektronen BINDET. In diesem Aufbau tauchen die Elektroden jeweils in einer eigenen Kammer in eine Salzlösung, die sogenannte "Elektrolyt-Lösung", ein. Links entstehen Zink-Ionen durch die Abgabe von Elektronen, rechts befinden sich bereits Kupfer-Ionen, denn meist wird hier "Kupfersulfatsalz" als Elektrolyt-Lösung genommen. Eine "Salzbrücke", auch "Ionenbrücke" genannt, stellt sicher, dass Ionen zwischen den beiden Kammern ausgetauscht werden können, ohne dass sich die Lösungen vermischen. Das ist wichtig, wenn der "äußere Stromkreis" der Batterie geschlossen wird, also ein "Verbraucher" angeschlossen wird. Jetzt können die in der Anode freiwerdenden Elektronen zur Kathode übergehen – es fließt Strom. Dazu müssen allerdings Sulfat-Ionen aus der Elektrolyt-Lösung im "inneren Stromkreis" von der Kathode zur Anode wandern können, denn nur dann werden die positiven Ladungen der links entstehenden Zink-Ionen fortlaufend ausgeglichen, während rechts die Kupfer-Ionen weiterhin eintreffende Elektronen aufnehmen. So entsteht ein schöner Kreislauf: "Ionenstrom" unten, und "Elektronenstrom" oben. Dabei wird die CHEMISCHE Energie, die in der Galvanischen Zelle gespeichert ist, in ELEKTRISCHE Energie umgewandelt. Leider geht das nicht in alle Ewigkeit, denn irgendwann sind alle Sulfat-Ionen links angereichert und damit das chemische Potential abgebaut – die Batterie ist leer. Es sei denn, man schafft es irgendwie, den Prozess rückgängig zu machen, also ELEKTRISCHE Energie einzuspeisen, um das CHEMISCHE Potential der Zelle wiederherzustellen. Das klappt eher weniger gut mit Zink und Kupfersulfat, aber mit anderen Materialen dafür umso besser – wie zum Beispiel beim berühmten "Lithium-Ionen-Akku". "Akku" ist kurz für "Akkumulator", wobei "akkumulieren" soviel wie "ansammeln" bedeutet. Beim Laden eines Akkus werden also durch die Zufuhr von elektrischer Energie die Ionen wieder dort angesammelt, wo sie zu Beginn waren – und das chemische Potential so wiederhergestellt. Wir sammeln uns jetzt auch nochmal und fassen zusammen: Batterie und Akku folgen im Wesentlichen dem Aufbau einer "Galvanischen Zelle". Ein Elektronstrom fließt im ÄUẞEREN Stromkreis zwischen Anode und Kathode, solange im INNEREN Stromkreis der Ladungsausgleich über einen Ionenstrom stattfinden kann. So wird CHEMISCHE Energie in ELEKTRISCHE Energie umgewandelt. Mit unterschiedlichen Elektrodenmaterialien können unterschiedlich starke Spannungen erzeugt werden. Bestimmte Materialien ermöglichen es auch, die Energieumwandlung UMZUKEHREN, wie zum Beispiel beim "Lithium-Ionen-Akkumulator". Aber auch die geballte Macht dieser Umarmung von Chemie und Physik hilft dir nicht weiter, wenn du wieder mal das falsche Ladekabel eingesteckt hast.