Batterien: Transportable Power

Wird nun ein Verbraucher an diese Stromquelle angelegt, beginnen Elektroden von der Anode via Verbraucher zur Kathode zu fließen. Die Anode oxidiert dabei allmählich, die Kathode nimmt Elektronen auf. Dabei entsteht Spannung, etwa in einer Zink-Kohle-Zelle 1,5V pro Zelle.

Hier kommt die Trennung zwischen Primär- und Sekundärzelle. Bei der Primärzelle erlischt der Prozess dann, wenn die Anode weitestgehend oxidiert ist – weshalb sie auch nicht mehr aufladbar ist. Beim Akkumulator werden indes für Anode und Kathode Materialien verwendet, bei denen die Oxidreaktion in beide Richtungen ablaufen kann.

3. Der Variantenreichtum

Alleine an jeder Supermarktkasse findet sich ein halbes Dutzend verschiedene Bauarten von Primär- und Sekundärzellen; dazu noch unzählige weitere, die weniger geläufig sind. Der Grund dafür ist recht lapidar: Jede Batterie, abhängig von Größe und Funktionsweise, hat ein anderes Aufgabenspektrum.

Vergleicht man beispielsweise klassische „Rundzellen“ (das sind sämtliche Batterien, die eine zylindrische Außenform aufweisen), etwa Mono und AAA, fällt zunächst nur der Größenunterschied auf. Bei der Spannung indes liefern beide Varianten die gleichen 1,5 Volt.

Warum dies? Ganz einfach: Es zählt hier einzig und alleine die Dauer, für die die jeweilige Batterie diese Spannung abgeben kann, die Energiekapazität. Eine Alkaline-Monozelle hat eine Kapazität von etwa 18.000mAh, eine Alkaline-AAA-Batterie nur 1200. Die unterschiedlichen Größen sind demnach vor allem die Antwort auf die Ansprüche unterschiedlichster Geräte, die Strom aus Batterien benötigen. Natürlich könnte die Infrarot-LED einer Fernseh-Fernbedienung auch mit zwei Monozellen betrieben werden – das würde die Konstruktion jedoch enorm unhandlich machen, sodass Verbraucher auch ohne Einbußen bei der Nutzungsdauer mit viel kleineren Zellen im Bereich AA oder AAA zufriedengestellt werden können.

Bei den unterschiedlichen Materialien (vgl. Zink-Kohle und Alkaline) spielen indes andere Faktoren eine Rolle. Primär die Entladungskurve. Hier ist es für manche Anwendungen notwendig, eine Kurve zu erzeugen, die über eine möglichst große Dauer flach verläuft, um erst gegen Ende der Reaktionsfähigkeit abzusinken – wo die Alkaline-Batterie einen großen Vorteil gegenüber der Zink-Kohle-Batterie hat, bei der die Entladungskurve viel schroffer verläuft. Des Weiteren muss auch die Auslaufsicherheit des Elektrolyts beachtet werden. Abermals ein Problem von Zink-Kohle-Zellen, weil hier die Zink-Anode außen liegt und so durch die Reaktion automatisch perforiert wird, wohingegen bei der Alkaline-Batterie die Anode innen liegt.

4. Problem Materialien

Eine Elektrolytflüssigkeit, die oft korrosiv ist. Dazu je nach Bauweise eine mehr oder weniger große Menge an Metallen, oft giftigen Schwermetallen. Das macht Batterien ungeachtet ihrer Vorteile zu einem Problem und zwar je nach Bauweise unterschiedlich:

Bei Primärzellen ist die Beschaffung der Konstruktionsmaterialien relativ unkompliziert, weil diese in der Erdkruste in großen Mengen vorkommen. Dafür aber müssen sie korrekt entsorgt werden

Bei Sekundärzellen ist häufig schon die Beschaffung der Konstruktionsmaterialien erschwert, weil es sich teilweise um seltene Erden handelt. Gleichsam muss aus Gründen der Umweltschädlichkeit und den oft hochwertigen Metallen ebenfalls sorgsam recycelt werden

Aus diesem Grund gibt es ein Gesetz, das jeden Händler verpflichtet, einen entsprechenden Hinweis zu zeigen und Batterien, die er entweder als Neubatterie verkauft oder speziellen Batterien, die in Geräten stecken, die er verkauft, unentgeltlich zurückzunehmen. Ferner müssen alle Batterien recycelt werden. Deponieren oder zerstörende Entsorgung ist verboten. Überdies nimmt das sogenannte BattG auch den Verbraucher in die Pflicht: Er muss Batterien einer geordneten Entsorgung zuführen, darf sie nicht über den Hausmüll wegwerfen.

5. Probleme der Forschung

Noch zu Beginn des Jahrtausends glaubte man, dass Batterieforschung keine allzu bedeutsame Rolle spielen würde. Das, was bereits entwickelt und serienreif war, war für alle bestehenden Anwendungen vollkommen ausreichend.

Allerdings sind seitdem beinahe 20 Jahre vergangen und zwei Elemente von gewaltiger, ja globaler Bedeutung, haben sich verwandelt: Sowohl die Primärstromerzeugung wie die Mobilität der Erde müssen schnellstmöglich elektrisch werden. Bei der Primärstromerzeugung durch regenerative Maßnahmen wie Windkraft und Photovoltaik, bei der Mobilität durch Elektroantriebe.

Für beides sind Sekundärzellen notwendig. Allerdings in Größenordnungen, die zu einem echten wissenschaftlichen Problem werden:

Bei der Stromerzeugung braucht es Akkumulatoren, welche maximale Speicherkapazität zu einem möglichst niedrigen Preis liefern

Bei der Elektromobilität braucht es Akkumulatoren, welche maximale Speicherkapazität bei kürzest-möglicher Aufladedauer zu einem möglichst niedrigen Gewicht und unter sämtlichen klimatischen und kinematischen Bedingungen liefern

Beide Batterieformen müssen zudem in der Lage sein, tausende Lade-Entladezyklen ohne nennenswerte Einbußen in der Kapazität („Memory-Effekt“) zu überstehen.

Das ist insofern aktuell ein so großes Problem, weil die einzigen derzeit bekannten Materialien für Anode und Kathode, die auch nur annähernd an diese Notwendigkeiten heranreichen, Seltenerdmetallen sind – von denen es nach derzeitigem Wissensstand zu geringe Mengen gibt, um alle Ziele, d.h. 1:1-Umstellung der globalen Mobilität UND Primärstromerzeugung abzudecken.

Zumal es eben auf der Erde nur 118 bekannte Elemente gibt, von denen nur 80 stabil sind. Das bedeutet, es gibt nur wenige Kombinationen für Batterien, weshalb sich ein Großteil der heutigen Forschung auf der Suche nach einer „Superbatterie“ auch auf das Optimieren von bereits bestehenden Systemen bzw. Kompositstoffe stützt.

Das ist auch mit einer der Hauptgründe, warum viele Forscher der Ansicht sind, dass die langfristige Zukunft, zumindest für die beiden am Anfang dieses Kapitels genannten Felder, im Bereich der Tertiärzelle liegt: Der Kraftstoff, etwa Wasserstoff, lässt sich auf elektrochemischer Basis durch Sonnenenergie bzw. Windkraft herstellen und ungleich einfacher speichern, als es in Sekundärzellen (und natürlich auch Primärzellen) der Fall ist.

28.08.2018

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