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Batterien

Batterien: Clevere Stromquellen in allen Größen und Formen

Eine zuverlässige Stromversorgung ist das A und O in unserer modernen Gesellschaft. Das merkt jeder sofort, wenn bei Gewitter der Strom ausfällt. Aber auch bei den mobilen Geräten muss die Energieversorgung sicher gestellt sein. Wir zeigen Ihnen, wie Sie die richtigen Batterien für Taschenlampen, Fernbedienungen, Wetterstationen und Co. finden.

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Batterien, die cleveren Stromspender mit einer sehr langen Tradition

Mittlerweile ist es über 200 Jahre her, dass Alessandro Volta nachweislich mit mehreren Zink- und Kupferplatten die erste funktionierende Batterie mit galvanischen Zellen gebaut hat. Auch wenn die Volta`sche Säule, so wie sie damals genannt wurde, noch groß und unhandlich war, ebnete sie doch den Weg zur Elektrotechnik und zu vielen weiteren interessanten Entdeckungen. Und bis in die heutigen Tage hat sich am Funktionsprinzip einer Batterie nicht viel geändert.

Was ist eine Batterie?

Eine Batterie ist ein Energiespeicher, in dem die gespeicherte chemische Energie durch Reduktions-Oxidation in elektrische Energiegewandelt wird. Im Prinzip sind das zwei elektrochemische Stoffe (Elektroden) mit unterschiedlichen elektrochemischen Spannungspotentialen, die in einem Gehäuse mit Elektrolyt untergebracht sind (siehe Bild 1).

Im Falle einer Alkali-Mangan-Batterie bestehen die beiden Elektroden aus Zink (Minus-Pol/Anode) und Mangandioxid (Plus-Pol/Kathode). Als Elektrolyt wird konzentrierte Kalilauge (Kaliumhydroxid) verwendet, mit der die beiden Elektroden und der Separator getränkt sind (siehe Bild 2).

Da Batterien zum eimaligen Gebrauch vorgesehen sind, werden sie auch Primärzellen genannt. Im Gegensatz dazu werden wieder aufladbare Akkus auch als Sekundärzellen bezeichnet.
In der Umgangssprache werden die Begriffe aber oft auch falsch benutzt. So sprechen selbst Fachleute von einer Autobatterie oder Starterbatterie, obwohl es sich bei diesen Energiespendern um wieder aufladbare Blei-Akkus handelt.

Bild 1: Vereinfachter Aufbau einer Alkali-Batterie

Batterie oder Akku, was verwende ich wann?

Oft stellt sich bei batteriebetriebenen Geräten die Frage, ob der Einsatz von Akkus nicht sinnvoller wäre. Die Frage lässt sich leider nicht pauschal beantworten.

Da Akkus einer gewissen Selbstentladung (bis zu 60% im Monat) unterworfen sind, kann man aber sagen, dass für Verbraucher mit einer kurzen Einschaltdauer aber mit einer langen Bereitschaftszeit Batterien sinnvoll sind. Klassische Beispiele für diese Verbraucher wären Notfalltaschenlampen, Uhren, TV-Fernbedienungen oder auch Funksensoren für Wetterstationen oder Smart Home-Systeme.

Wenn die Einschaltzeiten der Verbraucher länger sind, sich öfters wiederholen oder auch der Strombedarf nicht unerheblich ist, so sind Akkus die bessere Wahl. Funkgeräte im Baustelleneinsatz, Taschenlampen für Sicherheitsdienste oder auch die Funkmaus am täglich genutzten Bürocomputer sollten demzufolge eher mit Akkus bestückt werden.

Aber oftmals muss jeder Anwender selber für sich entscheiden, ob er lieber Batterien oder Akkus verwendet. In einer Modellbaufernsteuerung, die nur hin und wieder benutzt wird machen Batterien duchaus Sinn. Wird das Modell aber regelmäßig benutzt, ist es wirtschaftlicher und auch nachhaltiger, Akkus in die Fernsteuerung einzusetzen.

Bild 2: In eine Taschenlampe für den Notfall gehören hochwertige Alkali-Mangan-Batterien

Wie ist eine Batterie aufgebaut?

Das Bild 3 zeigt den schematischen Aufbau einer Alkali-Mangan-Batterie.

  1. Metallbecher mit Pluspol an der Oberseite
  2. Außenfolie mit Hersteller-Beschriftung
  3. Mangandioxid (Kathode)
  4. Dichtscheibe aus Kunststoff
  5. Bodenplatte (Minus-Pol)
  6. Separator zur Trennung der Elektroden und als Ionenbrücke
  7. Ableitnagel
  8. Zinkpulver-Gel (Anode)
Bild 3: Schnittzeichnung einer Alkaline-Mangan-Batterie

Hinweis: 
Bei einer Zink-Kohle-Batterie bestand der Außenbecher aus Zink. Da sich die Zink-Elektrode beim Entladen zersetzt und löchrig wird, kam es häufig zum Auslaufen dieser Batterien, wenn sie aufgebraucht waren.

Bei einer Alkali-Mangan-Batterie besteht der Außenbecher aus Metall und die Zink-Elektrode ist im Kern der Batterie untergebracht. Somit wird ein Auslaufen der Batteriezuverlässig verhindert.

    Unterschiedliche Chemie ergibt unterschiedliche
    Spannungen

    Da die verschiedenen Substanzen, aus denen Batterie-
    Elektroden gefertigt werden können, unterschiedliche
    chemische Spannungspotentiale aufweisen, ergeben sich
    bei den jeweiligen Batterietypen auch unterschiedliche
    Nennspannungen.

  • 1,35 V für die Quecksilberoxid-Zink-Zelle
  • 1,5 V für die Alkali-Mangan-Zelle
  • 1,5 V für die Zink-Kohle-Zelle
  • 1,4 V für die Zink-Luft-Zelle
  • 1,5 V für die Lithium-Eisensulfid-Zelle
  • 1,55 V für die Silberoxid-Zink-Zelle
  • 2,9 bis 3,7 V für Lithium-Zellen, abhängig vom Kathodenmaterial

    Im Falle einer 4,5 V Flachbatterie oder 9 V Blockbatterie 
    werden innerhalb der Batterie mehrere Einzelzellen in
    Serie geschaltet, um so die höhere Spannungslage zu
    erhalten.

    Bei einer 4,5 V Flachbatterie sind das vier Zellen (3 x 1,5 V =
    4,5 V) und bei einer 9 V Blockbatterie sind das sechs Zellen
    (6 x 1,5 V = 9 V).

Wie funktioniert eine Batterie?

Vereinfacht ausgedrückt, wird bei einer Alkaline-Batterie die elektrische Energie durch die Oxidation des Zinks bzw. durch die Reduktion des Mangandioxids zur Verfügung gestellt. Da Oxidation und Reduktion gleichzeitig stattfinden, spricht man von einer Redoxreaktion. Die dabei freiwerdenden Elektronen stehen am Minuspol der Batterie zur Verfügung.

Wird mit der Batterie ein Verbraucher betrieben, wandern die Elektronen vom Minuspol (Anode) über den Verbraucher, z.B. einer Taschenlampen-Glühbirne, zum Pluspol (Kathode). Zum Ladungsausgleich wandern innerhalb der Batterie Hydroxid-Ionen von der Kathode zur Anode. Die chemischen Prozesse, die dabei in der Batterie ablaufen, erklärt das unten angefügte Video recht anschaulich.

Batteriearten im Vergleich

Wie bereits erwähnt, können Batterie-Elektroden aus den unterschiedlichsten chemischen Substanzen gefertigt werden. Neben den daraus resultierenden unterschiedlichen Spannungen ergeben sich zudem noch typenspezifische Vor- und Nachteile, sowie bevorzugte Einsatzgebiete.

Zink-Kohle

Die Zink-Kohle-Batterien (ZnC) sind vor allem für weniger anspruchsvolle Anwendungen wie z.B. in Fernbedienungen oder Wanduhren geeignet. Diese Batterien werden kaum noch angeboten oder von günstigeren Alkalis verdrängt.

Vorteile: 
      Preiswert
 

Nachteile:
    - Nicht auslaufsicher
    - Keine hohe Strombelastung

Alkali-Mangan

Die Alkali-Mangan (AlMn) oder meist auch nur Alkali-Batterien haben eine hohe Leistung und sind langlebig. Der häufigste Einsatzbereich ist in Radios, Fernbedienungen, Spielzeug und Uhren.

Vorteile:
    - Höhere Kapazität als Zink-Kohle
    - Höhere Strombelastbarkeit
    - Auslaufsicher

 

Nachteile:
    - Teurer als Zink-Kohle-Batterien
    - Temperaturempfindlich

Lithium

Lithium (LiMnO2) Batterien zeigen eine lange Haltbarkeit und eine sehr konstant bleibende Zellenspannung. Ihr Einsatzgebiet ist überall dort, wo man sich auf Batteriestrom verlassen muss.
Lithium-Batterien sollten vor allem in Geräten mit erhöhtem Strombedarf verwendet werden, wie z. B. in Fotoapparaten, Digicams, Camcorder, Laptops aber auch in Rauchmeldern und Außensensoren. Lithium-Batterien sollten auch in jeder Notfalltaschenlampe eingesetzt werden.

Vorteile:
    - Extrem hohe Kapazität
    - Ideal für Hochstromverbraucher
    - Geringe Selbstentladung (lange Lagerzeiten)
    - Breiter Temperaturbereich (-40 bis 60°C)

Nachteile:
    - Teurer als Alkaline-Battereien

Batteriegrößen im Vergleich

Bei der Auswahl der richtigen Batterie ist neben der Zellenchemie und der Zellenspannung die Batteriegröße bzw. die Bauform das wohl wichtigste Entscheidungskriterium. Schließlich muss die Ersatzbatterie auch in das Batteriefach des Gerätes passen. Dabei haben sich verschiedene Größenbezeichnungen bzw. Standards etabliert.

Standard-Batterien

Allgemeine Bezeichnung ANSI-Norm Nennspannung Abmessungen in mm Bezeichnugen
Lady N 1,5 V Ø x H   12 x 30 LR1, R1, A1, UM5
Micro AAA 1,5 V Ø x H   10,5 x 44,5 LR03, R03. AM4, UM4
Mignon AA 1,5 V Ø x H   14,5 x 50,5 LR6, R6, AM3, UM3, L91
Baby C 1,5 V Ø x H   26,2 x 50 LR14, R14, AM2
Mono D 1,5 V Ø x H   34,2 x 61,5 LR20, R20, AM1
9 V Block 1604D(PP3) 9 V L x B x H   26,5 x 17,5 x 48,5 6LR61, 6F22, 6AM6
4,5 V Flachbatterie - 4,5 V L x B x H   67 x 62 x 22 3LR12, 3R12, 1203

Spezialbatterien

Allgemeine Bezeichnung ANSI-Norm Nennspannung Abmessungen in mm Bezeichnugen
Mini
AAAA 1,5 V Ø x H   8,3 x 42,5
LR8, LR8D425, LR61, E96
Stabbatterie
- 3 V Ø x H   21,8 x 74,6
2R10, 2R10R, 3010, 2010
Flat Pack
J 6 V L x B x H   47 x 34 x 8
4LR61, 4018, 7K67, 866, KJ
Laternenbatterie
908D 6 V L x B x H   115 x 67 x 67
4R25, 4R25C, 430, GP908X
A23 Batterie
V23GA 12 V Ø x H   10 x 28
E23A, V23A, L1028, MN21
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