Wie Funktionieren Batterien?

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Ein blick auf die wissenschaft hinter den batterien, einschließlich der teile einer batterie und wie diese teile zusammenwirken, um einen elektrischen strom zu erzeugen, der in ihrer tasche getragen werden kann.

Batterien sind überall. Die moderne Welt ist auf diese tragbaren Energiequellen angewiesen, die in mobilen Geräten, Hörgeräten und Autos vorkommen.

Trotz ihrer Verbreitung im Alltag der Menschen werden Batterien oft übersehen. Denken Sie darüber nach: Wissen Sie wirklich, wie ein Akku funktioniert? Könntest du es jemand anderem erklären?

Hier ist ein Überblick über die Wissenschaft hinter der Energiequelle für Smartphones, Elektroautos, Schrittmacher und vieles mehr. [Quiz: Elektrische gegen Gasfahrzeuge]

Anatomie einer Batterie

Laut Ann Marie Sastry, Mitbegründerin und CEO von Sakti3, einem in Michigan ansässigen Startup für Batterietechnologie, enthalten die meisten Batterien drei Grundkomponenten: Elektroden, einen Elektrolyten und einen Separator.

In jeder Batterie befinden sich zwei Elektroden. Beide bestehen aus leitfähigen Materialien, erfüllen jedoch unterschiedliche Rollen. Eine als Kathode bekannte Elektrode ist mit dem positiven Ende der Batterie verbunden und befindet sich dort, wo der elektrische Strom während der Entladung die Batterie verlässt (oder Elektronen eintritt). Dies ist der Fall, wenn die Batterie verwendet wird, um etwas zu speisen. Die andere Elektrode, die als Anode bekannt ist, ist mit dem negativen Ende der Batterie verbunden und ist der Ort, an dem der elektrische Strom während der Entladung in die Batterie eintritt (oder Elektronen austreten).

Zwischen diesen Elektroden sowie innerhalb dieser Elektroden befindet sich der Elektrolyt. Dies ist eine flüssige oder gelartige Substanz, die elektrisch geladene Teilchen oder Ionen enthält. Die Ionen verbinden sich mit den Materialien, aus denen die Elektroden bestehen, und erzeugen chemische Reaktionen, durch die eine Batterie elektrischen Strom erzeugen kann. [Einblick in die Funktionsweise von Batterien (Infografik)]

></p><figcaption><p>Typische Batterien werden durch eine chemische Reaktion angetrieben. [Siehe vollständige Infografik]</p>Bildnachweis: Karl Tate, Infografics Artist </figcaption> </figure><p>Der letzte Teil der Batterie, der Separator, ist ziemlich einfach. Die Funktion des Separators besteht darin, die Anode und die Kathode innerhalb der Batterie voneinander getrennt zu halten. Ohne einen Separator würden sich die beiden Elektroden berühren, was einen Kurzschluss verursachen würde und die Batterie nicht richtig funktionieren würde, erklärte Sastry.</p><h2 id=Wie es funktioniert

Um sich vorzustellen, wie eine Batterie funktioniert, stellen Sie sich vor, wie Sie Alkalibatterien wie doppelte AAs in eine Taschenlampe stecken. Wenn Sie diese Batterien in die Taschenlampe einsetzen und dann einschalten, ist das, was Sie wirklich tun, einen Kreislauf. Die in der Batterie gespeicherte chemische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt, die aus der Batterie in den Sockel der Glühlampe der Taschenlampe gelangt und dort zum Leuchten gebracht wird. Dann tritt der elektrische Strom wieder in die Batterie ein, jedoch am entgegengesetzten Ende, wo er ursprünglich herauskam.

Alle Teile der Batterie arbeiten zusammen, um die Taschenlampe zum Leuchten zu bringen. Die Elektroden in der Batterie enthalten Atome bestimmter leitfähiger Materialien. In einer Alkalibatterie besteht die Anode zum Beispiel typischerweise aus Zink, und Mangandioxid wirkt als Kathode. Und der Elektrolyt zwischen und innerhalb dieser Elektroden enthält Ionen. Wenn diese Ionen auf die Elektrodenatome treffen, finden bestimmte elektrochemische Reaktionen zwischen den Ionen und den Elektrodenatomen statt.

Die Reihe von chemischen Reaktionen, die in den Elektroden ablaufen, wird als Oxidations-Reduktions-Reaktion (Redox-Reaktion) bezeichnet. In einer Batterie ist die Kathode als Oxidationsmittel bekannt, da sie Elektronen von der Anode aufnimmt. Die Anode ist als Reduktionsmittel bekannt, weil sie Elektronen verliert.

Letztendlich führen diese Reaktionen zu einem Ionenfluss zwischen der Anode und der Kathode sowie zur Freisetzung von Elektronen von den Atomen der Elektrode, sagte Sastry.

Diese freien Elektronen sammeln sich in der Anode (der untere, flache Teil einer Alkalibatterie). Infolgedessen haben die beiden Elektroden unterschiedliche Ladungen: Die Anode wird negativ aufgeladen, wenn Elektronen freigesetzt werden, und die Kathode wird positiv aufgeladen, wenn Elektronen (die negativ geladen sind) verbraucht werden. Dieser Ladungsunterschied bewirkt, dass sich die Elektronen zur positiv geladenen Kathode bewegen wollen. Sie haben jedoch keine Möglichkeit, in die Batterie zu gelangen, da das Separator dies verhindert.

Wenn Sie den Schalter Ihrer Taschenlampe betätigen, ändert sich alles. Die Elektronen haben jetzt einen Weg, um zur Kathode zu gelangen. Aber zuerst müssen sie durch die Unterseite der Lampe Ihrer Taschenlampe gehen. Die Schaltung ist abgeschlossen, wenn der elektrische Strom durch die Oberseite der Batterie an der Kathode wieder in die Batterie eintritt.

Wiederaufladbar vs. nicht wiederaufladbar

Bei Primärbatterien, wie bei einer Taschenlampe, hören die Reaktionen auf, dass die Batterie mit Brennstoff gefüllt wird, was bedeutet, dass die Elektronen, die die Batterie mit ihrer Ladung versorgen, keinen elektrischen Strom mehr erzeugen. In diesem Fall ist die Batterie entladen oder "leer", sagte Sastry.

Sie müssen solche Batterien wegwerfen, weil die elektrochemischen Prozesse, durch die die Batterie Energie erzeugt, nicht rückgängig gemacht werden können, erklärte Sastry. Die elektrochemischen Prozesse, die in Sekundärbatterien oder wiederaufladbaren Batterien auftreten, können jedoch umgekehrt werden, indem der Batterie elektrische Energie zugeführt wird. Dies geschieht beispielsweise, wenn Sie den Akku Ihres Mobiltelefons an ein Ladegerät anschließen, das an eine Stromquelle angeschlossen ist.

Einige der heute gebräuchlichsten Sekundärbatterien sind Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ion-Akkus), die die meisten elektronischen Verbrauchergeräte versorgen.Diese Batterien enthalten typischerweise eine Kohlenstoffanode, eine Kathode aus Lithiumkobaltdioxid und einen Elektrolyten, der ein Lithiumsalz in einem organischen Lösungsmittel enthält. Andere wiederaufladbare Batterien umfassen Nickel-Cadmium- (NiCd-) und Nickel-Metallhydrid- (NiMH-) Batterien, die beispielsweise in Elektrofahrzeugen und schnurlosen Elektrowerkzeugen eingesetzt werden können. Blei-Säure-Batterien (Pb-Acid-Batterien) werden häufig zum Antreiben von Autos und anderen Fahrzeugen zum Starten, Zünden und Zünden verwendet.

Alle diese wiederaufladbaren Batterien arbeiten nach demselben Prinzip, sagte Sastry: Wenn Sie die Batterie an eine Stromquelle anschließen, ändert der Elektronenfluss die Richtung, und die Anode und die Kathode werden in ihren ursprünglichen Zustand zurückversetzt. [Top 10 disruptive Technologien]

Akkusprache

Obwohl alle Batterien in etwa gleich funktionieren, weisen unterschiedliche Batterietypen unterschiedliche Merkmale auf. Hier einige Ausdrücke, die in jeder Diskussion über Batterien häufig vorkommen:

Stromspannung: Wenn es um Batterien geht, beschreibt Spannung - auch als Zellnennspannung bezeichnet - den Betrag der elektrischen Kraft oder den Druck, bei dem sich freie Elektronen vom positiven Ende der Batterie zum negativen Ende bewegen, erläutert Sastry. In Batterien mit niedrigerer Spannung bewegt sich ein Strom langsamer (mit weniger elektrischer Kraft) aus der Batterie als in einer Batterie mit einer höheren Spannung (mehr elektrische Kraft). Die Batterien in einer Taschenlampe haben typischerweise eine Spannung von 1,5 Volt. Wenn jedoch eine Taschenlampe zwei Batterien in Reihe verwendet, haben diese Batterien oder Zellen eine kombinierte Spannung von 3 Volt.

Blei-Säure-Batterien, wie sie in den meisten nichtelektrischen Autos verwendet werden, haben normalerweise eine Spannung von 2,0 Volt. In einer Autobatterie befinden sich jedoch normalerweise sechs dieser Zellen in Reihe, weshalb Sie diese Batterien wahrscheinlich als 12-Volt-Batterien bezeichnet haben.

Lithium-Kobaltoxid-Batterien - die häufigste Art von Li-Ionen-Batterien in der Unterhaltungselektronik - haben eine Nennspannung von etwa 3,7 Volt, sagte Sastry.

AmpereEin Amp oder Ampere ist ein Maß für den elektrischen Strom oder die Anzahl der Elektronen, die innerhalb eines bestimmten Zeitrahmens durch eine Schaltung fließen.

Kapazität: Die Kapazität oder Zellkapazität wird in Amperestunden gemessen. Dies ist die Anzahl der Stunden, die die Batterie eine bestimmte Menge an elektrischem Strom liefern kann, bevor ihre Spannung einen bestimmten Schwellenwert unterschreitet, so ein Beitrag der Elektro- und Computertechnik der Rice University Abteilung.

Eine 9-Volt-Alkalibatterie, wie sie in tragbaren Funkgeräten verwendet wird, ist für eine Amperestunde ausgelegt, was bedeutet, dass diese Batterie eine Stunde lang kontinuierlich einen Amperestrom liefern kann, bevor sie die Spannungsschwelle erreicht und als erschöpft gilt.

LeistungsdichteDie Leistungsdichte beschreibt die Energiemenge, die eine Batterie pro Gewichtseinheit liefern kann, sagte Sastry. Für Elektrofahrzeuge ist die Leistungsdichte wichtig, da sie sagt, wie schnell das Auto von 97 auf 100 km / h beschleunigen kann, sagte Sastry. Ingenieure versuchen ständig, Wege zu finden, um Batterien kleiner zu machen, ohne ihre Leistungsdichte zu verringern.

Energiedichte: Die Energiedichte beschreibt, wie viel Energie eine Batterie liefern kann, dividiert durch das Volumen oder die Masse der Batterie, sagte Sastry. Diese Zahl bezieht sich auf Dinge, die einen großen Einfluss auf die Benutzer haben, z. B. wie lange Sie brauchen, bevor Sie Ihr Mobiltelefon aufladen, oder wie weit Sie Ihr Elektroauto fahren können, bevor Sie es anhalten.

Elizabeth Palermo @ folgentechEpalermo. Folgen Sie WordsSideKick.com @wordssidekick, Facebook & Google+.

Zusätzliche Ressourcen

  • IEEE Standards Association: Batteriestandards
  • Environmental Protection Agency: Ressourcenschonung - Batterien
  • All-Battery.com: Größentabelle


Videoergänzungsan: Wie funktioniert eine Batterie?.




Forschung


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