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.
Alkali-Mangan-Zelle Aufbau
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, der mit einer Kunststoff-Scheibe verbunden ist. Diese führt auch zum Plus-Pol der Zelle. Somit unterbindet das Kunststoffteil einen ungewollten Stromfluss zwischen den Polen. Denn, wie Du bestimmt weißt, hat Plastik keine leitenden Eigenschaften. Die Verbindung vom Minus-Pol zum Plus-Pol 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.
Abbildung 1: Aufbau der Alkali-Mangan-Zelle
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 einen bestimmten 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.
Abbildung 2: verschiedene Bauarten der Batterie
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.
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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.
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Wenn die Batterie schon eine ganze Weile in Gebrauch ist, also eine fortgeschrittene Entladung aufweist, sind die meisten Hydroxidionen bereits verbraucht und die Konzentration dieser ist sehr gering. Dann kann es dazu kommen, dass kein Zinkat [Zn(OH)42-] mehr gebildet wird, sondern nur noch Zinkhydroxid (Zn(OH)2). Dabei werden auch zwei Elektronen frei.
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Das Zinkhydroxid reagiert dann weiter zu Zinkoxid und Wasser.
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Kathode
Zur Kathode wandern über den Ableitungsnagel die Elektronen, die bei der Anoden-Reaktion 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).
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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 (wenn das Gerät beispielsweise bei einer Temperatur unter 32 °C in kühler, trockener Umgebung gelagert wird) durch eine schonende Entladung in einer langsamen Reaktion weiter reduziert werden. Diese Reaktion wird als Entladung der zweiten Stufe bezeichnet.
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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 Kassettenrekordern, 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, umso 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 erneut 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 Mignon | Alkali-Mangan-Zelle | Zink-Kohle-Batterie |
| Energiedichte in Wh/dm3 | 350 | 150 |
| Kapazität AA-Zelle in Ah (Entladung bis 0,8 V) | 2,8 | 1,2 |
| Innenwiderstand in Ω | 0,15 | 0,5 |
| Selbstentladung in % pro Monat bei 20 °C | 0,3 | 0,6 |
| Restkapazität nach dreijähriger Lagerung in % | >90 | <10 |
| Minimale Betriebstemperatur in °C | < -20 | -10 |
| Auslaufsicherheit | hoch | ausreichend bis schlecht |
| Kosten pro entnommener Ladung | 8-45 Cent/Ah | 17-80 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 Zinkbatterie um Weiten und so haben Zink-Kohle-Batterien ihre Berechtigung eigentlich vollständig verloren.
Abbildung 4: Gegenüberstellung des Aufbaus der Zink-Kohle-Batterie (links) und der Alkali-Mangan-Zell (rechts)Quelle: hsailer.de
Vor- und Nachteile der Alkali-Mangan-Batterie
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 Preis-Leistungs-Verhältnis 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 Preis-Leistungs-Verhältnis
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.
Nachweise
- Abbildung 2: verschiedene Bauarten der Batterie (https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=15359670) by licensed by CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.en)
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