Wie funktionieren Batterien?

Nanodrahtbatterie dauern Tausende von Ladungen Kopf Kredit Borys ShevchukBorys Shevchuk / 123RF Die moderne Welt in all ihrer Größe und Komplexität stößt auf eine schockierend ursprüngliche Kraft, die lange vor dem Bau des ersten Motors durch den menschlichen Körper geflossen ist. Elektrizität, dieselbe Kraft, die menschliche Herzen so lange schlagen ließ, wie es menschliche Herzen gab, fließt heute durch die Adern der Zivilisation und treibt die Wolkenkratzer an, in denen wir arbeiten, und die Telefone in unseren Taschen.

Obwohl die großen Stromerzeuger, Kolosse wie der Hoover-Staudamm, am eindrucksvollsten sind, ist die menschliche Beherrschung elektrischer Ströme vielleicht am eindrucksvollsten in Form von Batterien. Einige sind klein genug, um auf einer Fingerspitze zu sitzen. Batterien versorgen viele der Geräte, die wir täglich verwenden: Telefone, Laptops, Taschenlampen, Uhren. Sie sind seit Jahrzehnten ein allgegenwärtiger Bestandteil des Lebens, aber wie viele von uns wissen, wie sie funktionieren?

Unter ihrem einfachen Äußeren ein einfacher Mechanismus

Eine typische Alkalibatterie ist vielen Menschen zumindest von außen bekannt. Im Allgemeinen in einem Metallzylinder eingeschlossen, hat die Batterie zwei Enden, die mit + (positiv) und - (negativ) gekennzeichnet sind. Die beiden Enden einer Batterie sind Anschlüsse, die mit Elektroden innerhalb der Batterie verbunden sind: Das positive Ende ist mit einer Kathode verbunden, während das negative Ende mit einer Anode verbunden ist. Ein Separator in der Batterie verhindert, dass sich die beiden berühren, während Strom zwischen ihnen fließen kann. Zwischen den beiden Enden befindet sich eine Elektrolytpaste, eine Substanz, die den Stromfluss ermöglicht.

Anatomie der Batterie

Elektronen wollen natürlich vom negativen Ende (wo es überschüssige Elektronen gibt) zum positiven Ende (wo es offene Räume für Elektronen gibt) fließen, können dies jedoch nicht, weil der Separator ihren Weg blockiert. Durch Verbinden der positiven und negativen Enden der Partei wird ein Stromkreis gebildet, der den Stromfluss ermöglicht.

Schaltplan

Wenn eine Batterie an ein Gerät wie eine Taschenlampe oder eine Fernbedienung angeschlossen wird, wird ein Stromkreis hergestellt und es treten chemische Reaktionen in der Anode und der Kathode auf. In der Anode findet eine Oxidationsreaktion statt, bei der sich Ionen mit der Anode verbinden und Elektronen freisetzen. In der Kathode findet eine Reduktionsreaktion statt, bei der Ionen und Elektronen Verbindungen bilden. Bei diesen Oxidations-Reduktions-Reaktionen fließen Elektronen von der negativ geladenen Anode zur positiv geladenen Kathode.

In einer Alkalibatterie besteht die Anode aus Zink, während die Kathode aus Mangandioxid besteht. Die Elektroden in diesen Batterien erodieren mit der Zeit. Wiederaufladbare Batterien bestehen normalerweise aus Lithium-Ionen. Beim Anschließen zum Aufladen kehrt sich der Stromfluss um und bringt die Anode und die Kathode in ihren ursprünglichen Zustand zurück.

Eine kurze Geschichte der Batterien

Das früheste Objekt, das einer Batterie ähnelt, wurde möglicherweise bereits im 3. Jahrhundert n. Chr. In Form von Tontöpfen gebaut, die 1938 von einem deutschen Maler, Wilhelm König, in der Nähe von Bagdad entdeckt wurden. In jedem Topf befand sich ein Eisenstab, der in ein Kupferblech gewickelt war. In den Gläsern war genug Platz, um eine Art Elektrolytlösung aufzunehmen, und so glaubte König, dass es sich bei den Töpfen um galvanische Zellen handelte, die möglicherweise von Bewohnern des Sasanian Empire zum Galvanisieren verwendet wurden. Dabei wurde elektrischer Strom zur Herstellung einer Metallbeschichtung verwendet.

Sicher genug, Experimente zur Neuerstellung dieser Geräte (einschließlich eines von der beliebten Show MythBusters ) haben ergeben, dass das Design eine kleine Spannung erzeugen kann, die groß genug für die Galvanisierung ist. Trotzdem glauben die meisten Archäologen heute, dass die Töpfe in der Zeit ihres Baus nicht als Batterien verwendet wurden, sondern als Vorratsgefäße für heilige Schriftrollen. Metallische Beschichtungen in der Zeit, in der die Gläser gebaut wurden, wurden durch einen Prozess der Feuervergoldung hergestellt, so dass König's Theorie der Galvanisierung schwach erscheint. Für welchen Zweck auch immer die Bagdad-Batterien entwickelt wurden, sie sind zumindest eine interessante Kuriosität, unbeabsichtigte Protobatterien, die lange bevor Wissenschaftler die elektrischen Ströme besser verstehen würden, gebaut wurden.

Die erste echte Batterie wurde 1800 von Alessandro Volta gebaut. In seiner Zeit als Professor an der Universität von Pavia arbeitete Volta mit Luigi Galvani zusammen, einem Biologen, der beim Präparieren eines Frosches entdeckte, dass seine Beine zucken würden, wenn sein Skalpell den Messinghaken berührte, der den Frosch hochhielt. Galvani (der das Wort „galvanisieren“ inspirieren würde) glaubte, dass dies ein Beweis für eine elektrische Kraft war, die das Leben belebt und die er „tierische Elektrizität“ nannte. Volta reproduzierte Galvanis Experiment, kam jedoch zu einem anderen Ergebnis: Es war die Verbindung zwischen dem Metallskalpell und dem Haken, nicht die Lebenskraft des Frosches, die elektrischen Strom erzeugte.

Voltas Forschungen führten ihn dazu, den Voltaic-Haufen zu schaffen, in dem Zink- und Silberscheiben gestapelt wurden, zwischen denen Pappe in Salzwasser getränkt war. Durch die Verbindung der oberen und unteren Scheibe mit einem Draht konnte Volta elektrischen Strom erzeugen und den Grundstein für zukünftige Batterien legen. Zu Ehren von Voltas Arbeit wird die Maßeinheit für das elektrische Potential als Volt bezeichnet.

Die Batterie, wie wir sie heute kennen, ist eine relativ junge Erfindung. Ingenieur Lewis Urry, der in den 1950er Jahren für Union Carbide an der Eveready-Batterielinie arbeitete, erhielt eine bemerkenswert banale Aufgabe: die Herstellung langlebigerer Batterien für Spielzeug. Anstatt das bestehende Design zu verbessern, wie es seine Chefs erwartet hatten, beschloss Urry, eine neue Batterie zu entwickeln, und entschied sich schließlich für eine Mischung aus Mangandioxid und Zinkpulver. So schuf Urry die moderne Alkalibatterie, die Geräte exponentiell länger als die bisherigen kommerziellen Batterien mit Strom versorgen kann. Obwohl die ersten Alkalibatterien 1959 auf den Markt kamen, wurden sie durch häufige Verbesserungen bis heute lebensfähig gehalten.