Galvanische Zelle – Stromerzeugung, Spannung und Sicherheit

28.10.2022 | J. Morelli – Online-Redaktion, Forum Verlag Herkert GmbH

Oft nicht auf Anhieb zu erkennen, sind Stromspeicher aus dem heutigen Alltag nicht mehr wegzudenken – ja vielmehr unentbehrlich geworden. Mit fortschreitender Mobilisierung und dem Ausbau erneuerbarer Energien werden sowohl mobile Energiespeicher als auch ortsfeste Zwischenspeicher immer wichtiger. In letzter Zeit wird dabei wieder vermehrt auf elektrochemische Speichermedien wie galvanische Zellen zurückgegriffen, zu denen auch die Lithium-Ionen-Akkus gehören. Aber es gibt darüber hinaus eine Vielzahl von primären und sekundären galvanischen Zellen. Was macht eine galvanische Zelle aus und welche Gefahren existieren bei deren Verwendung?

 

Inhaltsverzeichnis

1. Erforschung von chemischer und elektrischer Energie
2. Was macht eine galvanische Zelle aus?
3. Alkali-Mangan-Zellen
4. Unter Spannung – wie stark und wie lange?
5. Gefährdung durch galvanische Zellen

Die Erforschung von chemischer und elektrischer Energie

Maßgeblich für moderne Batterien und Akkumulatoren war der Namensgeber der galvanischen Zelle: Luigi Galvani. Der italienische Arzt führte im ausgehenden 18. Jahrhundert Versuche durch, in denen anhand von elektrochemischen Impulsen Muskelgewebe zur Kontraktion gebracht werden konnte. Bereits zehn Jahre später existierte die erste frühneuzeitliche galvanische Zelle aus Kochsalz, Papier, Kupfer und Zink. Etwa hundert Jahre später erfanden Edison und Jungner nahezu zeitgleich die erste Sekundärzelle (Nickel-Eisen-Akkumulator).

Was macht eine galvanische Zelle aus?

Damit aus chemischer Energie Strom entsteht, benötigt die galvanische Zelle bestimmte Bestandteile, die auf gewisse Art und Weise miteinander interagieren:

• Positive Anode (Pluspol)
• Kathode (Minuspol)
• Elektrolyt (Katalysator für chemische Reaktion und Konduktor für elektrische Energie)
• Separator (Verhinderung eines internen Kurzschlusses)
• Gehäuse und Kontakte 

Galvanische Zellen werden zusätzlich in zwei Klassen unterteilt: Primär- und Sekundärzellen, bzw. Batterien oder Akkumulatoren. Zu den wiederaufladbaren Sekundärzellen gehören auch Lithium-Ionen-Akkus, ohne die sowohl die Elektromobilität als auch der Ausbau von regenerativen Energien nicht denkbar wäre. Mehr zu Lithium-Ionen-Akkus und speziell deren Brandgefahr erfahren Sie hier.

Redox-Reaktion

Der Elektrolyt ist Katalysator für eine chemische Reaktion, bei der das reinere Material Elektronen aufnimmt und das unreinere Material Elektronen abgibt (Redox-Reaktion). Das Material, das Elektronen aufnimmt wird reduziert, das andere, das Elektronen abgibt, entsprechend oxidiert.

Elektroden und Aufnahmekapazität

Im Falle von galvanischen Zellen, im Speziellen deren Elektroden, bestimmt die Größe der Elektroden innerhalb einer galvanischen Zelle die Aufnahmekapazität und somit das Ladevolumen der Zelle. In der Praxis wird aber auf Elektroden ab einer bestimmten Größe verzichtet, da durch Parallelschaltung mehrerer Zellen dieselbe Kapazitätssteigerung erfolgen kann. 

Alkali-Mangan-Zellen

Die häufigste Art von galvanischen Zellen stellt heutzutage die Alkaline-Batterie (Alkali-Mangan-Zelle) dar. Anders als bei Zink-Kohle-Zellen handelt es sich bei der Alkali-Mangan-Zelle um eine Trockenbatterie, da der Elektrolyt aus Zinkpulvergel und nicht aus Flüssigstoff (Nassbatterie) besteht.

Zwar wird in beiden galvanischen Zellen Mangandioxid verwendet, bei Zink-Kohle-Zellen jedoch innerhalb und bei Alkaline-Batterien außerhalb des Separators. Entsprechend anders ist der Aufbau der jeweiligen galvanischen Zelle. So bildet bei handelsüblichen Batterien der Ableiterkontakt (Kathode) den Kern. Bei den älteren Zink-Kohle-Zellen ist es hingegen der oxidierte Kohlestab.

Die in einer galvanischen Zelle verwendeten Materialien können positive wie auch negative Potentiale aufweisen (immer in Relation zum Nullpotential). Dabei beeinflussen die ausgewählten Materialien die vorhandene Spannung der Zelle.

Aber nicht alle Materialen eignen sich für eine Redox-Reaktion: So war bei Zink-Kohle-Batterien das Problem, dass der Zink-Becher als Gehäuse und elektrischer Pol zugleich fungierte. Das führte dazu, dass die chemische Reaktion gegen Ende der Nutzungsdauer auch den Zink-Becher auflöste und es somit zum Auslaufen des Elektrolyten kam.

Da bei den trockenen Alkaline-Batterien Separator und Elektrolyt getrennt sind, übernimmt der Separator zwei Hauptaufgaben:

1. Er verhindert, dass Anode und Kathode sich berühren und es zu internen Kurzschlüssen kommt.

2. Er sorgt dafür, dass die in Elektrolyten enthaltenen Ionen passieren können (semipermeable Membran).

Den osmotischen Druck übt bei geschlossenem Stromkreis der Potentialunterschied (Spannung) aus. Er sorgt dafür, dass Elektronen solange vom negativen zum positiven Batteriepol fließen, bis der Potentialausgleich hergestellt wurde. Parallel dazu werden die aus der Kathode abfließenden Elektronen durch nachströmende aus dem Elektrolyten ersetzt.

Nebenprodukte beim elektrochemischen Prozess innerhalb von galvanischen Zellen 

Bei Reduzierung und Oxidierung verändern sich auch die Stoffeigenschaften der verwendeten Materialien. So wird Zink in einem bestimmten Zeitraum zersetzt und bei den unterschiedlichen Oxidierungsprozessen entsteht als Abfallprodukt meist Wasserstoff.

Bei Akkumulatoren sind die elektrochemischen Prozesse weniger ausgeprägt und durch Laden reversibel. Trotzdem verlieren Akkus durch die chemischen Zersetzungsprozesse im Laufe der Zeit ihre Speicherkapazität.

→ Lesen Sie mehr zu den Unterschieden zwischen Batterien und Akkumulatoren hier.

Unter Spannung – wie stark und wie lange?

Auf jeder galvanischen Zelle oder auf jeder aus mehreren Zellen bestehenden Batterie muss die Nennspannung verzeichnet sein. Diese setzt sich aus dem Potentialunterschied der Elektrodenmaterialien und der Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen zusammen. Wichtig ist hierbei, dass die Ausgangsspannung der belasteten Zelle stets niedriger ist als die Leerlaufspannung der unbelasteten Zelle. Das ist auch ein Maßstab für das Alter der galvanischen Zelle: Je länger die Zelle bereits in Betrieb ist, desto größer ist der Unterschied zwischen Ausgangs- und Leerlaufspannung.

Bei Batterien mit zusammengeschalteten Zellen kann es bei ungleichmäßig geladenen Zellen zu einem erhöhten Spannungsabfall kommen, da sie einen höheren Innenwiderstand haben. Die Folge ist, dass die Ausgangsspannung des Zellverbunds reduziert wird. Durch Wärmebilder (Elektrothermografie) lassen sich die betreffenden Zellen aber schnell und einfach identifizieren, da sie eine höhere Temperatur abgeben.

Entlade- und Ladeschlussspannung

Entladeschlussspannung gibt an, wann eine Batterie leer ist; die Ladeschlussspannung hingegen, bis zu welchem Wert eine galvanische Zelle wieder aufgeladen werden darf. 

Der C-Koeffizient

Situationsbedingt müssen galvanische Zellen dazu fähig sein, einen hohen Energiebedarf abzudecken oder als Akkus schnell laden zu können. Dementsprechend werden Lade- und Entladestrom unter dem sog. C-Koeffizienten zusammengefasst. Hierzu ein Beispiel:

Eine galvanische Zelle mit einer Kapazität von 1500 mAH und einem C-Koeffizienten von 1 kann in einer Stunde mit Strom von 1,5 A ge- oder entladen werden. Ist der C-Wert einer Zelle größer als 1, bedeutet dies, dass in einem kürzeren Zeitraum mit höherer Stromstärke geladen oder entladen werden kann. Folglich dauert es bei einem Wert <1 bei geringerer Stromstärke über eine Stunde.

→ Brandschutzhinweis: Je höher der C-Koeffizient, desto stärker wird die Zelle belastet. Bei Nichteinhalten der Herstellervorgaben kann es zur Beschädigung der galvanischen Zelle und deren Umfelds kommen.

Welche Sicherheitsrisiken birgt eine galvanische Zelle? Auch nicht wieder aufladbare Primärzellen sollten nicht die Entladeschlussspannung unterschreiten (tiefentladen), da es ansonsten zu ungewollten elektrochemischen Reaktionen kommen kann, die zu Sach- und Personenschäden führen können.

Gefährdung durch galvanische Zellen

Aufgrund der eingesetzten Materialien und der chemisch-physikalischen Vorgänge innerhalb von galvanischen Zellen, gibt es bei deren Einsatz einige Gefährdungen zu beachten:

• Vergiftungen und/oder Verätzungen beim Kontakt mit Säuren, Laugen oder Metallen (z. B. Blei und Lithium)
• Brandgefahr durch Überladen
• Durchgehende Reaktion (z. B. Explosionen durch Wasserstoffbildung)
• Inhalation gesundheitsschädlicher Stoffe (Gase, Rauch, Dämpf etc.)
• elektrischen Gefahren (Durchströmung, Lichtbogen)
• Umweltgefährdung durch unsachgemäße Lagerung oder Entsorgung

Quellen: "Sicherheitshandbuch Elektrosicherheit", www.akku.net