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Alkali Mangan Zelle

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Chemie

Batterien benötigt jeder, bestimmt auch du, im Alltag für viele elektronische Geräte. Seien es Kassettenrekorder, Blitzlichtgeräte, Rasierer, Uhren, Kameras oder Taschenrechner, in jeder dieser Geräte werden Batterien benötigt und eine Art dieser Batterien ist die Alkali-Mangan-Zelle.

Die Alkali-Mangan-Zelle funktioniert nach dem Vorbild der galvanischen Zelle. Durch eine chemische Reaktion innerhalb der Batterie wird also Energie in Form von elektrischem Strom frei, welcher dann zum Betreiben von etlichen Geräten genutzt wird. Der Name der Batterie stellt sich zusammen aus dem mit Zink reagierenden Mangan und der alkalischen Kaliumhydroxidlösung, in welche die Elektroden getränkt sind.

Aufbau der Alkali-Mangan-Zelle

Die Alkali-Mangan-Zelle besteht aus zwei Elektroden. Die Anode befindet sich im Inneren der Batterie und besteht aus einem Gel, welches aus Zink und Kaliumhydroxid (KOH) gemacht wird. Um die Anode herum befindet sich die Kathode. Diese ist aus Mangandioxid (MnO2) und durch eine Schicht aus Zellstoff und Bindemitteln, dem sogenannten Separator, von der Anode abgeschirmt.

Der Separator und die beiden Elektroden sind mit einer alkalischen Kaliumhydroxidlösung getränkt worden. Diese alkalische Lösung wird gebraucht, um die Zelle mit Elektrolyten zu versorgen. In die Anode ist ein Eisennagel (Fe) eingelassen, der verwendet wird, um die Elektronen, die bei der Anoden-Reaktion frei werden abzuleiten.

Der Nagel berührt den Minus-Pol der Batterie und dieser ist wiederum mit einer Kunststoff-Scheibe verbunden, die auch mit dem Plus-Pol verbunden ist, jedoch verbindet das Kunststoffteil die beiden Pole nicht zur Leitung von Strom, sondern genau um diese beiden Pole voneinander fern zu halten. Denn, wie du bestimmt weißt, hat Plastik keine leitenden Eigenschaften. Die Verbindung vom Minuspol zum Pluspol findet ausschließlich über den Verbraucher, also das Gerät, in das die Alkali-Mangan-Zelle eingelegt ist, statt. So wird die Batterie einmal von den Polen umgeben und ist außen nur noch durch eine Außenfolie zur Isolierung und Bedruckung umhüllt.

Alkali-Mangan-Zelle Aufbau StudySmarterAbbildung 1: Aufbau der Alkali-Mangan-ZelleQuelle: wikipedia.org

Bauarten der Alkali-Mangan-Zelle

Die Herstellung der Alkali-Mangan-Zelle reichen von kleinen Knopfzellen bis zu relativ großen zylindrischen Zellen. Die gängigsten Größen sind:

  • D (Ø 35 mm, h 62 mm)
  • C (Ø 27 mm, h 50 mm)
  • AA (Ø 15 mm, h 51 mm)
  • AAA (Ø 11 mm, h 45 mm).

Die Verkaufszahlen steigen jährlich, da die Alkali-Mangan-Zelle aufgrund höherer Kapazität, höherer Sicherheit gegen Auslaufen, besserer Belastbarkeit und längerer Lagerbarkeit andere Batterien, wie die Zink-Kohle-Zelle, aus den meisten Anwendungen verdrängt.

Übrigens unterscheiden sich die verschiedenen zylinderförmigen Batteriegrößen hauptsächlich nur in ihrer Kapazität. Heißt, je größer die Batterie, desto höher auch die Kapazität und damit die Zeit, die die Batterie eine bestimmte Strom für ein Gerät erzeugen kann. Knopfzellen, werden hauptsächlich nur wegen ihrer flachen, praktischen Form genutzt.

Und alle Batterie-Typen, die größer sind als die normalen Zylindrischen, haben eine höhere Zellspannung und können so auch mehr leisten. Das ist möglich, da diese aus mehreren Zellen besteht. Die 9 V-Block-Batterie besteht zum Beispiel aus sechs Alkali-Mangan-Zellen.

Alkali-Mangan-Zelle Bauarten StudySmarterAbbildung 2: verschiedene Bauarten der BatterieQuelle: alamy.de

Reaktion der Alkali-Mangan-Zelle

Da die Reaktionsabläufe gleich der in einer galvanischen Zelle sind, wird an der Anode der Alkali-Mangan-Batterie ein Stoff oxidiert und an der Kathode wird dann ein Stoff reduziert.

Anode

An der Anode wird das Zink oxidiert. Dabei reagiert das Zink der Elektrode mit dem Elektrolyten, in das diese getränkt ist, dabei werden zwei Elektronen freigegeben. So reagiert Zink (Zn) mit vier Hydroxidionen (OH-) zu einem Tetrahydroxidozinkat(II)-Ion ( [Zn(OH)4]2− ), auch Zinkat genannt.

Alkali-Mangan-Zelle Anodenreaktion StudySmarter

Das Zinkat ist jedoch nur ein Intermediat, also ein Zwischenprodukt, welches zu instabil ist, um in der Form länger gebunden zu bleiben. Deshalb reagiert es bei Übersättigung weiter und Zinkoxid (ZnO) bildet sich und fällt als farbloser Feststoff aus.

Alkali-Mangan-Zelle Anodenreaktion StudySmarter

Wenn die Batterie schon eine ganze Weile in Gebrauch ist, also schon eine fortgeschrittene Entladung aufweist, ist das meiste an Hydroxidionen schon verbraucht und die Konzentration dieser ist sehr gering. Dann kann es dazu kommen, dass kein Zinkat [Zn(OH)42-] mehrgebildet wird, sondern nur noch Zinkhydroxid (Zn(OH)2). Dabei werden auch zwei Elektronen frei.

Alkali-Mangan-Zelle Anodenreaktion StudySmarter

Das Zinkhydroxid reagiert dann weiter zu Zinkoxid und Wasser.

Alkali-Mangan-Zelle Anodenreaktion StudySmarter

Kathode

Zur Kathode wandern über den Ableitungsnagel die Elektronen, die bei der Anodenreaktion frei werden. Dabei werden die Elektronen zuerst über den Verbraucher, also die Lampe, die Kamera oder Ähnliches geschickt, um diese mit Energie zu versorgen. Danach wandern die Elektronen über den Plus-Pol zur Kathode.

An der Kathode reagiert das Mangandioxid aus der Elektrode zusammen mit Wasser und den hergeleiteten Elektronen zu MnOOH (Mangan(III)-oxidhydroxid).

Alkali-Mangan-Zelle Kathodenreaktion StudySmarter

Bei der Reaktion wird ein Elektron von dem OH aufgenommen und ein Proton (H+) in das Mangandioxid-Gitter eingebaut.

Manganhydroxid (MnOOH) kann unter bestimmten Bedingungen (wie zum Beispiel das Gerät bei einer Temperatur unter 32 °C in kühler, trockener Umgebung lagern) durch eine schonende Entladung in einer langsamen Reaktion weiter reduziert werden. Diese Reaktion wird als Entladung der zweiten Stufe bezeichnet.

Alkali-Mangan-Zelle Kathodenreaktion StudySmarter

Die Reaktion ist heterogen und die eigentliche Reduktion findet in der alkalischen Kaliumhydroxidlösung statt. Das Mn3+-Ion tritt als Komplex [Mn(OH)4]- in die Lösung ein und wird zu [Mn(OH)4]2- reduziert. Aus der gesättigten [Mn(OH)4]2-Lösung fällt dann das eigentliche Festprodukt Mn(OH)2 aus.

Eine heterogene Reaktion ist immer eine Reaktion, bei der die reagierenden Stoffe in zwei verschiedenen Aggregatzuständen und Phasen vorliegen. So wie hier das Zink in fester Form und die alkalischen Kaliumhydroxidlösung in flüssiger Form vorliegt. Die Reaktion findet an der Grenzfläche zwischen den beiden Phasen statt.

Das Gegenteil wäre eine homogene Reaktion, bei der alle Reaktanden im gleichen Zustand in derselben Phase vorliegen.

Anwendung der Alkali-Mangan-Zelle

Alkali-Mangan-Batterien eignen sich besonders gut für den Einsatz in Situationen, die lange Betriebszeiten oder hohe Entladeströme erfordern. Als besonderes Merkmal kann man noch erwähnen, dass die Alkali-Mangan-Zelle auch für niedrigere Temperaturen zu gebrauchen ist. Du findest sie zum Beispiel in Kassettenrecordern, Blitzgeräten, Rasierapparaten, Uhren, Fotoapparaten und Taschenrechnern.

Alkali-Mangan-Zelle als Nachfolger der Zink-Kohle-Batterie

Die Alkali-Mangan-Zelle und die Zink-Kohle-Batterie sind eng miteinander verwandt. Beide Batterien beinhalten Zink an der Anode. Die Kathode besteht bei der Zink-Kohle Batterie aus einem Kohlestab, der sich in der Mitte der Batterie befindet. Jedoch haben die beiden Zellen noch weitere wesentliche Unterschiede.

Der Hauptunterschied zwischen Zink- und Alkalibatterien ist die Art des Elektrolyten, der in beiden Batterien verwendet wird. Zinkbatterien bestehen hauptsächlich aus in Ammoniumchlorid getränkter Pappe, während Alkalibatterien Kaliumhydroxid als Lösung verwenden. Aber diese technischen Daten sagen nicht viel mehr über den Akkuverbrauch aus und auch die Zellspannung beträgt bei beiden Batterien 1,5 V und unterscheidet die beiden Batterien somit nicht. Du schaust dir am besten also die Kapazitäten, Vorteile und Einsatzmöglichkeiten von Zink- und Alkalibatterien genauer an.

Die beiden Batterien weisen unterschiedliche Kapazitäten auf. Aufgrund ihrer Zusammensetzung liefern Alkali-Mangan-Batterien mehr Energie als Zink-Kohle-Batterien. Die einzige Konsequenz daraus ist, dass beide Batterien für unterschiedliche Anwendungen verwendet werden sollten.

Die Kapazität einer Batterie (K- oder C-Wert) ist abhängig vom zu entladenden Strom. Je kleiner der Entladestrom, je länger die Entladezeit, desto größer die verfügbare Kapazität. Im Umkehrschluss bedeutet dies, je höher der Entladestrom, desto geringer die nutzbare Kapazität. Die unterschiedliche Kapazität der beiden Batterien wird aber auch durch die unterschiedlichen Innenwiderstände beeinflusst. Je größer der Innenwiderstand einer Batterie, desto kleiner die Kapazität.

Hier ist es so, dass die Batterien die gleiche Spannung besitzen, also die gleiche Stromstärke abgeben. Jedoch hält die Alkali-Mangan-Zelle um einiges länger durch, was nicht zuletzt auch an dem niedrigen Innenwiderstand und der niedrigen Selbstentladung im Gegensatz zur Zink-Kohle-Batterie liegt.

Da Alkalibatterien mehr Energie liefern als Zinkbatterien, kannst du Alkalibatterien für Geräte wie Zahnbürsten, Spielzeug und Gamecontroller verwenden.

Andererseits sind Zink-Kohle-Batterien zuverlässige Energiequellen für Geräte mit geringem Stromverbrauch. In Geräten wie TV-Fernbedienungen, Uhren, Rauchmeldern und Taschenlampen kannst du aufgrund ihres geringen Energieverbrauchs Zinkbatterien verwenden. Daher können diese Geräte für das gleiche Geld über einen längeren Zeitraum genutzt werden.

Bei der Alkali-Mangan-Zelle werden die Edukte verbraucht und können nach der Reaktion zum Produkt nicht mehr in die ursprüngliche Version zurückgeführt werden. Das heißt für dich im Alltag, dass die Alkali-Mangan-Zelle leider nur eine Batterie, also ein Primärelement, ist, welche nicht nochmal aufgeladen werden kann.

Bei Primärzellen ist es im Allgemeinen so, dass sich die bereits abgelaufenen chemischen Reaktionen nicht mehr umkehren lassen. Daher sind diese auch nicht wiederaufladbar.

Der Hauptgrund dafür ist, dass die Elektrolytlösung wässrig ist, damit ermöglicht das Anlegen einer Spannung nicht die Rückreaktion, da stattdessen Wasserstoff und Sauerstoff aus dem Wasser gebildet werden würde.

Bei Akkus werden die Edukte zwar auch verbraucht, jedoch wird da eine andere Elektrolytquelle genutzt, was die Reaktion damit reversibel macht.

Aufladbare Zellen werden als Akkumulator (Akku) bezeichnet und diese gehören dann zur Gruppe der Sekundärelemente.

Vergleich Baugröße MignonAlkali-Mangan-ZelleZink-Kohle-Batterie
Energiedichte in Wh/dm3350150
Kapazität AA-Zelle in Ah (Entladung bis 0,8 V)2,81,2
Innennwiderstand in Ω0,150,5
Selbstentladung in % pro Monat bei 20 °C0,30,6
Restkapazität nach dreijähriger Lagerung in %>90<10
Minimale Betriebstemperatur in °C< -20-10
Auslaufsicherheithochausreichend bis schlecht
Kosten pro entnommener Ladung8-45 Cent/Ah17-80 Cent/Ah

Insgesamt gibt es jedoch viele Gründe, wieso die Zink-Kohle-Batterie nicht mehr eingesetzt werden sollte und einfach durch ihren Nachfolger, die Alkali-Mangan-Batterie, ersetzt werden sollte.

In Faktoren, wie Preis-Leistungs-Verhältnis, Belastbarkeit, Spannungslage, Auslaufsicherheit und vielen weiteren Punkten übertrifft die Alkali-Batterie die Zink-Batterie um Weiten und so haben Zink-Kohle-Batterien ihre Berechtigung eigentlich vollständig verloren.

Alkali-Mangan-Zelle Abbildung Kohle-Zink-Batterie StudySmarterAbbildung 4: Gegenüberstellung des Aufbaus der Zink-Kohle-Batterie (links) und der Alkali-Mangan-Zell (rechts)Quelle: hsailer.de

Vor- und Nachteile der Alkali-Mangan-Zelle

Insgesamt hat die Alkali-Mangan-Batterie um einiges mehr Vorteile, als Nachteile. Der einzige Wesentliche Nachteil an der Alkali-Mangan-Zelle ist, dass der Preis höher ist, als bei den Vorgängern, wie der Zink-Kohle-Batterie. Das gleicht sich jedoch durch das Preisleistungsverhältnis aus, denn die Alkali-Mangan-Zelle kostet zwar mehr, hat aber dafür eine höhere Kapazität und kann deshalb auch mehrere Ladungen abgeben.

Insgesamt hat die Alkali-Mangan-Zelle:

  • eine hohe Kapazität
  • verglichen mit NH4Cl- oder ZnCl2- Zink-Kohle-Zellen ein gutes Tieftemperaturverhalten
  • hohe Entladeströme durch bessere Leitfähigkeit
  • und bessere Kapazitätsausnutzung gegenüber anderen Zink-Kohle-Systemen
  • besseres Preisleistungsverhältnis

Alkali-Mangan-Zelle - Das Wichtigste

  • Diese Art der Batterie ist ebenfalls nach dem Prinzip der Galvanischen Zelle aufgebaut. Es handelt sich um ein Primärelement.
  • Die Zink-Oxidation findet an der Anode und die Mangandioxid-Reduktion findet an der Kathode statt.
  • Die Alkali-Mangan-Zelle ist eine bessere Alternative zur Zink-Kohle-Batterie.
  • Eigenschaften sind unter anderem: hohe Kapazität, verglichen mit NH4Cl- oder ZnCl2-Zink-Kohle-Zellen, ein gutes Tieftemperaturverhalten, hohe Entladeströme durch bessere Leitfähigkeit und bessere Kapazitätsausnutzung gegenüber anderen Zink-Kohle-Systemen.

Alkali Mangan Zelle

Alkali-Mangan-Batterien eignen sich für den Einsatz in Situationen, die lange Betriebszeiten oder hohe Entladeströme erfordern, und auch für niedrigere Temperaturen, wie z. B. in Kassettenrecordern, Blitzgeräten, Rasierapparaten, Uhren, Fotoapparaten und Taschenrechnern.

Die Alkali-Mangan-Batterie besteht aus einem Kern, der aus Zinkpulver-Gelbesteht und die Anode Bilder. Um diese herum befidet sich ein Seperator, der die Anode von der Kathode trennt. Die Kathode befindet sich um den Seperator herum und besteht aus Mangandioxid. Im Mittelpunkt der Anode steckt zudem ein Ableitnagel.

Alkalien sind alle Substanzen, die wenn sie in Wasser gelöst werden, eine alkalische, also basische, Lösung ergeben.

Die Alkali-Mangan-Zelle wurde im Jahr 1955 vom dem kanadischen Ingenieur Lewis Frederick Urry entwickelt.

Finales Alkali Mangan Zelle Quiz

Frage

In welche Lösung sind die Elektroden und der Separator getränkt?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Elektroden und der Separator sind in Kaliumhydroxidlösung getränkt.

Frage anzeigen

Frage

Mit welchem Pol der Alkali-Mangan-Zelle ist der Ableitnagel verbunden?

Antwort anzeigen

Antwort

Der Ableitnagel der Alkali-Mangan-Zelle ist mit dem Minus-Pol verbunden.

Frage anzeigen

Frage

Welche Reaktionen laufen an der Anode ab, wenn die Alkali-Mangan-zelle schon eine ganze Weile in Benutzung ist?

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Antwort


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Frage

Welches ist der einzige Nachteil der Alkali-Mangan-Zelle?


Antwort anzeigen

Antwort

Der einzige Nachteil der Alkali-Mangan-Zelle ist der höhere Preis im Vergleich zur Zink-Kohle-Batterie.

Frage anzeigen

Frage

Nach welchem Prinzip funktioniert die Alkali-Mangan-Zelle?


Antwort anzeigen

Antwort

Die Alkali-Mangan-Zelle funktioniert wie eine galvanische Zelle.

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Frage

An welcher Elektrode wird welcher Stoff oxidiert?


Antwort anzeigen

Antwort

Zink wird an der Anode oxidiert.

Frage anzeigen

Frage

An welcher Elektrode wird welcher Stoff reduziert?


Antwort anzeigen

Antwort

Manganoxid wird an der Kathode reduziert.

Frage anzeigen

Frage

Wozu ist die Außenfolie der Batterie gut?


Antwort anzeigen

Antwort

Die Außenfolie der Batterie ist zur Isolierung und Bedruckung gut.

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Frage

Wozu ist der Ableitnagel da?


Antwort anzeigen

Antwort

Der Ableitnagel leitet die Elektronen, die bei der Oxidation an der Anode frei werden, weiter zum Minus-Pol.

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Frage

Welche Reaktion läuft regulär an der Kathode der Alkali-Mangan-Zelle ab?

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Antwort


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Frage

Welche Reaktion läuft bei der sogenannten Reaktion zweiter Stufe an der Kathode der Alkali-Mangan-Zell ab?

Antwort anzeigen

Antwort


Frage anzeigen

Frage

In welchen Geräten findet die Alkali-Mangan-Zelle normalerwiese Anwendung?


Antwort anzeigen

Antwort

In Geräten, die lange Betriebszeiten oder hohe Endladeströme fordern, wie z.B. Rasierapparate, Blitzgeräte, Uhren, Kameras etc.

Frage anzeigen

Frage

In welchem Bereich ist die Zink-Kohle-Batterie besser, als die Alkali-Mangan-Batterie?


Antwort anzeigen

Antwort

in keinem

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Frage

Welche Reaktionen laufen an der Anode ab, wenn normale Bedingungen herrschen?


Antwort anzeigen

Antwort


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Frage

Wie viel höher ist die Selbstentladung der Zink-Kohle-Batterie im Vergleich zur Alkali-Mangan-Batterie?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Selbstentladung der Zink-Kohle-Batterie ist doppelt so hoch, wie bei der Alkali-Mangan-Batterie.

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