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Batterietypen

Zink-Kohle-Batterie

Die Zink-Kohle Batterie, auch Zink-Braunstein-Zelle genannt, ist sehr kostengünstig und weit verbreit. In ihr wird Zink nach der folgenden Halbreaktion an der Anode oxidiert:

Zn(s) → Zn2+(aq) + e-

Die in Klammern () gesetzten Buchstaben bezeichnen den Zustand der jeweiligen Substanz:
(s) - Fest (engl. solid), (g) - gasförmig, (aq) - gelöst (engl. aqueous solution), (l) - flüssig (engl. liquid)
An der Kathode wird Mangan reduziert:

2MnO2(s) + H2O(l) + 2e- → 2MnO(OH)(s) + 2OH-(aq)

Die benötigten Wassermoleküle entstammen dabei der Reaktion von Ammoniumchlorid:

2NH4+(aq) + 2OH-(aq) → 2NH3(aq) + H2O(l)

Das dabei gebildete Ammoniak ist nicht gasförmig, sondern wird in einem Zinkkomplex gebunden:

Zn2+(aq) + 2NH3(aq) → [Zn(NH3)2]2+(aq)

Die gesamte Reaktion ist gegeben durch:

Zn(s) + 2MnO2(s) + 2NH4Cl → 2MnO(OH) + [Zn(NH3)2]Cl2(aq)

Das Material der Kathode ist Kohlenstoff, woher sich der Name Zink-Kohlenstoff Batterie ableitet. Da die elektrische Leitfähigkeit von Manganoxid nicht sehr hoch ist, wird eine Kohlenstoffkathode verwendet, die von einer Mischung aus Manganoxid und Kohlenstoff-Pulver umgeben ist. Der negative Batteriepol (Anode) besteht aus einem Zinkbecher, der gleichzeitig als Hülle der Batterie dient. Der Elektrolyt besteht aus einer wässrigen Paste von Zink- und Ammoniumchlorid. Die Ausgangsspannung beträgt 1,5V.

Alkali-Mangan-Batterie

Die Alkali-Mangan-Zelle ist der oben beschriebenen Zink-Kohle-Batterie sehr ähnlich. Die Substanzen, welche die elektrische Energie bereitstellen, sind ebenfalls Zink und Manganoxid. Anstelle des Ammoniumchlorids der Zink-Kohle-Batterie, kommt hier allerdings ein alkalischer Elektrolyt aus Kaliumhydroxid zum Einsatz. Die Reaktion in der Zelle ist gegeben durch:

Zn(s) + 2MnO2(s) + H2O(l) → ZnO(s) + 2MnO(OH)(s)

Im Verlauf dieser Reaktion wird Wasser verbraucht, weswegen der Elektrolyt im während des Entladeprozesses austrocknet.
Der Becher der Alkali-Mangan-Zelle fungiert als der positive Pol. An der Innenseite des Bechers befindet sich die Mischung aus Mangandioxid und Kohlenstoff, die als Kathode fungiert. Die Anode (negativer Pol) befindet sich im Zentrum der Kathode und besteht aus einer Dispersion von Zinkpulver in einem Gel, das Kaliumhydroxid als Elektrolyt enthält. Zwischen Anode und Kathode befindet sich eine dünne Lage eines Separatormaterials.

Silberoxid-Zink-Batterie

Silber-Zink-Zellen sind meist als flache, zylinderförmige Batterien (Knopfzelle) erhältlich.
Die Anode dieser Batterien besteht aus Zinkpulver, die Kathode aus Silberoxid, mit normalerweise Natriumhydroxid (NaOH) oder Kaliumhydroxid (KOH) als Elektrolyt. Die Folgende Chemische Reaktion findet im Zellinneren statt:

Zn(s) + Ag2O(s) → ZnO(s) + 2Ag(s)

Die Ausgangsspannung beträgt 1,5V
Die Energiedichte beträgt 130Wh/kg, beziehungsweise 500Wh/dm3.

Zink-Luft-Batterie

Die Anode einer Zink-Luft-Batterie besteht aus porösen Zinkkörnern, die mit dem Elektrolyten getränkt sind. In der Halbreaktion an der Kathode reagieren Sauerstoff und Wasser zu Hydroxidionen:

O2(g) + 2H2O(l) + 4e- → 4OH-(aq)

An der Anode wird Zink nach der folgenden Halbreaktion oxidiert:

Zn + 4OH-(aq) → Zn(OH)42-(aq) + 2e-

Das Zinkat zerfällt in Zinkoxid und Wasser wird an den Elektrolyten zurückgegeben:

Zn(OH)42-(aq) → ZnO + H2O + 2OH-

Die Gesamtreaktion ist durch die folgende Gleichung gegeben:

2Zn(s) + 2O2 → 2ZnO(s)

Die theoretische Ausgangsspannung beträgt 1,65V, diese wird jedoch auf 1,4-1,35V reduziert, um die Kompatibilität mit anderen Batterietypen sicherzustellen (z.B. Silber-Zink-Zellen).
Die Energiedichte beträgt 470Wh/kg, beziehungsweise 1480Wh/dm3. Das theoretische Maximum liegt bei: 1370Wh/kg, beziehungsweise 9780Wh/dm3.

Lithium Batterie

Es gibt viele verschiedene Batterien mit einer Anode aus Lithium. Die verbreitetste Bauart verwendet metallisches Lithium als Anode und Mangandioxid als Kathode. Da metallisches Lithium sehr stark mit Wasser, Feuchtigkeit oder Sauerstoff reagiert, werden Elektrolyte verwendet, die aus einem Lithiumsalz bestehen, das in einer organischen Verbindung gelöst ist. Die chemische Reaktion an der Anode ist gegeben durch:

Li → Li+ + e-

An der Kathode werden durch die folgende Reaktion die an der Anode gebildeten Elektronen verbraucht:

MnO2 + Li+ + e- → LiMnO2

Die Gesamtreaktion ist durch folgende Gleichung gegeben:

MnO2 + Li → LiMnO2

Die Ausgangsspannung einer Lithium-Manganoxid-Batterie beträgt 3,0V.
Die Energiedichte beträgt 280Wh/kg, beziehungsweise 580Wh/dm3.

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