Die Funktionsweise einer Batterie

Die in den Normen verwendeten Begriffe galvanische Primärelemente (nicht wiederaufladbar) und galvanische Sekundärelemente bzw. Akkumulatoren (wiederaufladbar) werden heutzutage nur noch von Puristen verwendet. Auch Fachleute sprechen von Batterien, ohne zwischen wiederaufladbar und nicht wiederaufladbar bzw. Systemen bestehend aus einer Zelle oder in Reihe geschlateten Zellen zu unterscheiden.

Ein galvanisches Element besteht grundsätzlich aus zwei Elektroden, die sich nicht berühren dürfen, und einem Elektrolyten, der Ionen aber keine Elektronen leiten kann. Übliche Elektrolyte sind Säuren, häufig wässrige Schwefelsäure, weil die elektrische Leifähigkeit sehr hoch ist, oder Laugen, vor allem Kalilauge, oder Salze in Lösungsmitteln. An einer der Elektroden, der Kathode, findet bei Kontakt mit dem Elektrolyten eine chemische Reduktionsreaktion statt, die in der Elektrode zu einem Verbrauch von Elektronen und im Elektrolyten einen Verbrauch von Ionen führt. An der anderen Elektrode, der Anode, findet bei Kontakt mit dem Elektrolyten eine chemischen Oxydationsreaktion statt, die in der Elektrode zu einem Überschuss von Elektronen und im Elektrolyten zu einem Überschuss an Ionen führt. Werden die beiden Elektroden z.B. mit einem Draht elektrisch verbunden, so fließen Elektronen mit ihrer negativen Ladung von der Anode zur Kathode und Ionen mit ihrer positiven Ladung ebenfalls von der Anode zur Kathode. Die Reaktionen an den beiden Elektroden können unterschiedlich sein. Sie sind aber über die Zahl der umgewandelten Moleküle und die dabei umgesetzten Ionen gekoppelt. Die Elektroden müssen zur Vermeidung von Kurzschlüssen durch einen elektrolytgetränkten Separator dauerhaft voneinander getrennt bleiben.

Bei wiederaufladbaren Batterien (Akkumulatoren) ist die Reaktionsrichtung umkehrbar und es kann sehr häufig (bei einigen Systemen einige tausendmal) ge- und entladen werden. Sowohl das geladene als auch entladene aktive Material muss elektrisch leitend sein, ggf. müssen Zusätze verwendet werden.

Kennzeichnend für alle Batterien ist, dass das für die elektrochemische Umwandlung benötigte Material sowohl im geladenem als auch entladenem Zustand ein integraler Bestandteil der Elektrode ist.

Bei Metall Luft-Batterien, z.B. Zink-Luft-Batterien für Hörgeräte, wird Luftsauerstoff für die Energiegewinnung verwendet, und nur Zink wird als festes Elektrodenmaterial bereitgestellt. Die spezifische Energie (Wh/kg) ist deshalb sehr hoch. Diese Gasdiffusionselektrode entspricht in der Funktion der Kathode einer Brennstoffzelle.

Bei Redox-Flow-Systemen wird das geladene Material als Lösung zwischen Separator und Stromkollektor durchgepumpt. Die Materialien befinden sich in externen Tanks und Energieinhalt und Leistung sind technisch entkoppelt. Durch Umkehr der Pumprichtung und Anlegen einer Ladespannung kann das Material wieder aufgeladen werden. Es ist bisher noch nicht gelungen, eine reversible Brennstoffzelle zu bauen, die innerhalb des gleichen elektrochemischen Wandlers nicht nur Wasserstoff und Sauerstoff unter Energiegewinnung zu Wasser umwandelt, sondern Wasser unter Aufnahme von Energie auch in Wasserstoff und Sauerstoff zurückverwandeln kann. Eine derartige reversible Brennstoffzelle würde der Funktion eines Redox-Flow-Systems entsprechen.

Der Vergleich zeigt die hohe prinzipielle Ähnlichkeit zwischen Brennstoffzellen und Batterien bei gleichzeitig enormen Unterschieden bei den verwendeten Materialien und den Reaktionspfaden.