Aber was passiert im Inneren einer Batterie? Das wollen wir herausfinden.
Eine Batterie ist eigentlich eine ganz einfache Sache – nur ein Behälter mit Chemikalien, die Elektronen speichern. Wenn man den Pluspol einer Batterie an etwas anschließt, das Elektronen abgeben will, wie eine Glühbirne, erzeugt man Strom. Und wenn man den Minuspol der Batterie an etwas anschließt, das Elektronen braucht, z. B. einen Motor, erzeugt man Strom.
Wie funktionieren also Batterien? Nun, es gibt einige verschiedene Typen. Aber fangen wir mit dem einfachsten Typ an – der einzelligen Batterie. Sie werden in den meisten tragbaren elektronischen Geräten wie Handys, Laptops, Tablets und Kameras verwendet. Sie bestehen aus einer einzigen elektrochemischen Zelle.
Als Nächstes haben wir die mehrzellige Batterie. Diese werden in größeren Geräten verwendet, die viel Strom verbrauchen, wie Autos, Boote und sogar Flugzeuge. Sie enthalten normalerweise mehrere elektrochemische Zellen, die in Reihe geschaltet sind. Ein Auto könnte beispielsweise sechs in Reihe geschaltete 12-V-Bleiakkus haben. Damit erhalten wir 24 Volt, genug, um ein kleines Elektroauto zu betreiben.
Schließlich kommen wir zum großen Vater aller Batterien – der wiederaufladbaren Batterie. Diese dienen der Notstromversorgung im Notfall. Sie werden in eine Steckdose gesteckt und übernehmen die normale Stromversorgung. Wenn der Hauptstrom ausfällt, haben Sie immer noch Zugang zu Strom. Wiederaufladbare Batterien sind großartig, weil man sich keine Gedanken über das Auswechseln leerer Batterien machen muss.
Electroden
Die Anode und die Kathode sind die beiden Pole einer Batterie. Sie sind wichtig, denn ohne sie gibt es keinen Stromfluss.
Anoden und Kathoden sind in der Regel Metalle oder ein anderes Material, das Strom gut leitet. Bleiplatten eignen sich zum Beispiel hervorragend als Anoden in Batterien. Zink eignet sich gut als Kathode.
Elektrolyt
Die Batterie selbst ist eine Ansammlung von Metallplatten, die durch einen Isolator getrennt sind. Diese Platten werden Elektroden genannt, weil sie wie kleine „Platten“ wirken, die Elektronen sammeln und sie in die chemische Reaktion schicken. Die Elektroden bestehen normalerweise aus Kupfer, Nickel, Aluminium, Zink oder Blei.
Ein Elektrolyt ist das, was das Ganze zum Funktionieren bringt. Es ist eine Flüssigkeit, die den Durchgang von positiv geladenen Ionen ermöglicht. Das ist wichtig, denn ohne Elektrolyt gäbe es nicht genug Leitfähigkeit, um Elektronen zu bewegen. Ohne einen Elektrolyt wäre die Batterie leer.
Wir verwenden einen Elektrolyten, um sicherzustellen, dass die Elektronen nicht einfach in den Weltraum abfließen. Wenn sie das täten, würde die Batterie ihre Fähigkeit verlieren, Energie zu speichern. Der Elektrolyt hält also alles zusammen.
Chemische Reaktionen
Die chemische Reaktion, die in Batterien abläuft, heißt Oxidation-Reduktion. Bei der Oxidation wird etwas zerlegt und in einfachere Bestandteile zerlegt. Wenn man etwas reduziert, wird es in der Regel kleiner und leichter. Die Reduktion findet normalerweise in Gegenwart von Sauerstoff statt.
Oxidationsmittel sind Chemikalien, die den gegenteiligen Prozess bewirken: Sie zersetzen Stoffe und machen sie größer. Im Falle einer Batterie sind Oxidationsmittel Chemikalien wie Kaliumhydroxid, die mit Metallen wie Zink reagieren und Verbindungen wie Zinkoxid bilden. Diese Oxide werden als Kathoden bezeichnet.
Reduktionsmittel sind Chemikalien, die wie Katalysatoren wirken und den Reduktionsprozess beschleunigen. Sie werden häufig verwendet, weil sie nicht mit dem zu zersetzenden Metall reagieren. Ein Beispiel für einen Reduktionsmittel ist Schwefelsäure. Schwefelsäure reagiert mit Wasserstoffgas und erzeugt Wasserdampf. Wasserdampf tut nicht viel, außer zu verdampfen. Dabei werden jedoch die Wasserstoffatome mitgerissen, die sonst für den Abbau des Metalls verwendet würden. Zurück bleiben die Metallverbindung – das Oxid – und einige freie Protonen, die sich mit den Elektronen aus dem Metall verbinden und positiv geladene Teilchen, die Kationen, bilden.
Wenn die Elektronen die positive Elektrode erreichen, werden sie von den dortigen Kohlenstoffmolekülen eingefangen und bilden negativ geladene Teilchen, die sogenannten Anionen. So weit sieht alles ziemlich normal aus.
Aber jetzt kommt der eigentliche Clou. Wenn die Batterie vollständig geladen ist, sind die Anionen und Kationen ausgeglichen, und es fließt keine Ladung. Wenn die Batterie jedoch nicht ganz voll ist, fließt ein Teil der Anionen in den Elektrolyten. Solange noch genügend Anionen im Elektrolyt vorhanden sind, funktioniert die Batterie einwandfrei. Sobald die Anionen jedoch aufgebraucht sind, funktioniert die Batterie nicht mehr.
Aus diesem Grund verwenden die meisten modernen Batterien einen Separator, um zu verhindern, dass sich die Anionen mit den Kationen vermischen. Separatoren sind poröse Materialien, die die Anionen durchlassen, aber die Kationen daran hindern, sich zu vermischen.
Wenn Sie jemals eine Autobatterie gesehen haben, wissen Sie, wie wichtig eine gute Dichtung ist, damit die Anionen nicht auslaufen. Das Gehäuse einer Batterie ist so konzipiert, dass die Luft draußen bleibt, aber ein Separator verhindert, dass die Anionen entweichen.
Lithium-Ionen-Batterien werden sich in den nächsten Jahrzehnten zur dominierenden Energiespeicherlösung entwickeln, so ein Bericht von BNEF. Das Marktforschungsunternehmen geht davon aus, dass die weltweite Produktion von Lithium-Ionen-Batterien von heute rund 50 Gigawatt bis 2023 auf über 278 Gigawatt jährlich ansteigen wird.
Dieses Wachstum ist vor allem auf die sinkenden Kosten in Verbindung mit der wachsenden Nachfrage nach Elektrofahrzeugen und erneuerbarer Energieerzeugung zurückzuführen. Doch während die Kosten für Lithium-Ionen-Batterien seit 2010 drastisch gesunken sind, ist der Preis des Rohstoffs selbst relativ stabil geblieben. Zum Vergleich: Der Durchschnittspreis für Lithiumcarbonat, eine der Hauptkomponenten für die Herstellung von Batterien, fiel von 6.000 US-Dollar pro Tonne im Jahr 2011 auf knapp 4.500 US-Dollar im Jahr 2017. Dies deutet darauf hin, dass die Branche bald einen drastischen Anstieg des Angebots erleben könnte, auch wenn die Welt noch Wege finden muss, um große Mengen an Strom zu speichern, der von Windturbinen und Solarpanelen erzeugt wird.
Neben den sinkenden Kosten bieten Lithium-Ionen-Batterien auch Vorteile wie ihr geringes Gewicht und ihre hohe Temperaturbeständigkeit. Diese Eigenschaften bedeuten, dass sie ideal für die Speicherung von Energie sind, die durch intermittierende erneuerbare Energien wie Wind und Sonne erzeugt wird.