Primärelement

Im Alltag bist du sicherlich schon mehrmals einem sogenannten Primärelement begegnet. Bei Primärelementen handelt es sich nämlich um Batterien. Diese kommen in sehr vielen Geräten, wie Taschenlampen, Uhren und Spielzeugen zum Einsatz. 

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Inhaltsangabe

    Primärelement – Definition

    Wie Sekundärelemente sind Primärelemente ebenfalls galvanische Zellen. Der Unterschied liegt darin, dass man Primärelemente nur einmal verwenden kann, denn diese kann man nicht erneut aufladen. Somit ist folgende Definition für Primärelemente festzuhalten:

    Ein Primärelement ist eine galvanische Zelle, welche nur einmal entladen werden kann und dabei chemische Energie in elektrische Energie umwandelt. Sie lassen sich nicht ein weiteres Mal aufladen. Sie sind auch bekannt als Batterien.

    Die ersten bekannten Primärelemente sind die Voltasche Säule und das Daniell Element. Das älteste Primärelement, was jedoch einer modernen Batterie am nächsten kommt, ist das Leclanché-Element.

    Primärelement Aufbau: Das Leclanché-Element

    Georges Leclanché entwickelte 1866 das sogenannte Leclanché-Element, das aus heutiger Sicht das erste Primärelement in Form einer Batterie so wie wir sie kennen darstellte. Es war der Vorläufer von z.B. der Alkali-Mangan-Batterie. Die Batterie war aufgebaut aus einem Elektrolyt, einer positiven und negativen Elektrode, sowie einem Depolarisator.

    Primärelement Leclanché-Element StudySmarterAbbildung 1: Leclanché-Element

    Ein Depolarisator kommt in Primärelementen vor und verhindert die Ansammlung von Wasserstoffgas innerhalb der Batterie. Es handelt sich dabei stets um ein Oxidationsmittel, welches Elektronen während des Entladungsprozesses aufnimmt. Sie oxidieren Wasserstoff zu Wasser. Der Depolarisator bekleidet einen Kohlenstoffstift und bildet damit die positive Elektrode.

    KomponenteMaterial
    ElektrolytAmmoniumchlorid (später verdickt mit Stärke zu einer gelartigen Masse)
    positive Elektrode (+ Depolarisator)Mangandioxid auf Kohlenstoff
    negative Elektrode Zink

    Die Elektrochemie im Leclanché-Element

    An der negativen Elektrode wird Zink zu Zn2+ oxidiert, wobei zwei Elektronen abgegeben werden. Diese wandern über einen externen Leiter zur positiven Elektrode und reduzieren unter Anwesenheit von Protonen Mangandioxid (MnO2) zu Manganit (MnO(OH)).

    Die Realität ist hier ein wenig komplexer. Die Elektronen reagieren bei Mangandioxid (MnO2) mit Mangan in der Oxidationsstufe +IV zu Dimangantrioxid (Mn2O3) mit Mangan in der Oxidationsstufe +III.

    2 MnO2 + H2O + 2 e- Mn2O3+ 2OH-

    Dabei entstehen aus dem Wasser Hydroxidionen, die wieder Protonen aus der sauren Ammoniumchlorid-Lösung aufnehmen und somit Wasser zurückbilden.

    2 OH- + 2 H+ 2 H2O

    Dieses Wasser wiederum kann das Dimangantrioxid hydratisieren und es entsteht Manganit.

    Mn2O3 + H2O 2 MnO(OH)

    Würdest du nun eine Gesamtreaktion mit allen Ausgangsstoffen und Endprodukten ohne die Zwischenprodukte aufschreiben, könnte das zunächst so aussehen:

    2 MnO2 + H2O + 2 H+ + 2 e- 2 MnO(OH) + H2O

    Da Wasser auf beiden Seiten der Gleichung steht, kannst du dieses herausstreichen. Außerdem kannst du theoretisch beide Seiten durch zwei teilen, da vor allen beteiligten Komponenten eine Zwei als stöchiometrischer Koeffizient steht. Somit dürftest du folgende Gleichung erhalten:

    MnO2 + H+ + e- MnO(OH)

    Die Zinkionen, die bei der Oxidation entstanden sind, bilden ein Komplex (Diaminzinkchlorid [Zn(NH3)2]Cl2) mit den Ionen der Elektrolytlösung. Sie werden so einer weiteren Reaktion entzogen.

    Das ist auch der Grund, wieso man Primärelemente nicht wieder aufladen kann: Die Redoxreaktion lässt sich nicht umkehren, da der Reaktionspartner aus der Reaktion entzogen wird. Oftmals kommt dazu, dass bei dem Anlegen von Spannung andere Reaktionen ablaufen, als die genaue Rückreaktion der elektrochemischen Reaktion. In jeglichen wässrigen Lösungen entsteht in der Regel Wasserstoff und Sauerstoff, wenn Spannung angelegt wird, anstatt dass die Reaktion der Batterie umgekehrt wird. Dies ist ein häufiges Problem in der Elektrolyse.

    Negative Elektrode:

    Zn Zn2+ + 2 e-

    Komplexbildung:

    Zn2+ + 2 NH4+ + 2 Cl- Zn(NH3)2Cl2 + 2 H+

    Positive Elektrode:

    2 MnO2 + 2 H+ + 2 e- 2 MnO(OH)

    Somit erhältst du folgende Gesamtgleichung:

    Zn + 2 NH4+ + 2 Cl- + 2 MnO2 [Zn(NH3)2]Cl2 + 2 MnO(OH)

    Primärelement – Eigenschaften

    Im Allgemeinen haben Primärelemente eine höhere Kapazität als Sekundärelemente, allerdings werden letztere immer besser und ersetzen die Primärelemente, vor allem weil diese nicht ökologisch sind. Primärelemente sind allerdings billiger, lagerbar, da sie sich nicht so stark selbst entladen und haben eine hohe Energiedichte. Primärelemente sind simpel aufgebaut und einfach zu handhaben. Außerdem kann man sie je nach Anspruch formen (Knopfbatterien, Stabbatterien).

    Entwicklung des Primärelements

    Primärelemente existieren seit mehr als 100 Jahren. Bis 1940 war die Zink-Kohlenstoff Batterie die einzige, die großflächig Nutzen fand. Während des Zweiten Weltkriegs und in der Nachkriegszeit wurden hier wichtige Entwicklungen erreicht. So konnte man die Kapazität des frühen Zink-Kohlenstoff Elements von 50 Whkg auf mehr als 400 Whkg mit der Lithium Batterie steigern.

    Die Lagerzeit war während des Zweiten Weltkriegs auf etwa 1 Jahr begrenzt. Heute halten Batterien zwischen 2 und 5 Jahren. Lithiumbatterien haben sogar eine Lagerzeit von bis zu 10 Jahren, selbst bei erhöhten Temperaturen. Die bedeutendsten Fortschritte wurden durch die Entwicklungen in der Elektrotechnik und dem Bedarf an mobilen Energiequellen, sowie der Unterstützung von Raumfahr-, Militär- und Umweltverbesserungsprogrammen gemacht.

    Primärelemente Beispiele

    Im Folgenden Abschnitt werden dir Beispiele zu den verschiedenen Primärelementen aufgeführt.

    Lithiumbatterie

    Lithiumbatterien zeichnen sich durch ihre hohe Betriebssicherheit und lange Lebensdauer aus. Daher eignen sie sich als Batterie für z. B. Herzschrittmacher. Lithiumbatterien haben eine hohe Zellspannung von etwa 3 V. Diese Batterien haben ein breites Temperaturfenster und funktionieren zwischen –40 °C bis 60 °C. Nach 10 Jahren Lagerzeit weisen sie einen Energieverlust von nur 1 % auf. Außerdem sind sie leicht, da Lithium eine geringe Atommasse hat. In der Zelle dieses Primärelements laufen folgende elektrochemische Reaktionen ab:

    negative Elektrode:

    Li Li+ + e-

    positive Elektrode:

    MnO2 + Li+ + e- LiMnO2

    Alkali-Mangan-Batterie

    Alkali-Mangan-Batterien haben eine Zellspannung von 1,5 V. Sie eignen sich für die Anwendung in zum Beispiel Audiogeräten, Spielzeugen und Kameras. Im Vergleich zur Zink-Kohle-Batterie ist ihre Leistung etwa 2–8 Mal höher. Hier besteht die negative Elektrode aus Zink, die Kathode aus Mangandioxid (analog zum Leclanché-Element), allerdings handelt es sich beim Elektrolyt um Kaliumhydroxid. Auch diese Batterien haben ein recht breites Temperaturfenster zwischen –20 °C bis 55 °C. Die Energiedichte liegt je nach Batterieform zwischen 80 Whkg (Knopfbatterie) und 145 Whkg (Zylinderbatterie).

    Elektrochemische Reaktion im Primärelement

    Beim Entladen gibt die Zinkelektrode zwei Elektronen ab und wird somit oxidiert. Das Zink bildet mit den Hydroxidionen des Elektrolyts zuerst Tetrahydroxidozinkat (I). Nimmt im Laufe der Entladung deren Konzentration ab und der Elektrolyt ist mit Tetrahydroxidozinkat gesättigt, fällt Zinkoxid aus (II). Im weiteren Verlauf bildet sich Zinkhydroxid (III), das sich zu Zinkoxid zersetzt (IV). Die Mangandioxidelektrode wird zu Manganoxidhydroxid reduziert (I). Dieser wird bei weiterer Entladung zu Manganhydroxid reduziert, welcher ausfällt (II).

    Negative Elektrode:

    Zn + 4 OH- [Zn(OH)4]2- + 2 e- (I)[Zn(OH)4]2- ZnO + 2 OH- + H2O (II)Zn + 2 OH- Zn(OH)2 + 2 e- (III)Zn(OH)2 ZnO + H2O (IV)

    Positive Elektrode:

    MnO2 + H2O + e- MnO(OH) + OH- (I)MnOOH + H2O + e- Mn(OH)2 + OH- (II)

    Die Gesamtreaktion der ersten Entladungsstufe:

    Zn + 2 MnO2 + H2O ZnO + 2 MnO(OH)

    Zink-Luft-Batterie

    Die negative Elektrode einer Zink-Luft-Batterie besteht aus Zink und als positive Elektrode dient gasförmiger elementarer Sauerstoff. Als Elektrolyt wird Kaliumhydroxid verwendet. Diese Batterien haben eine Zellspannung von 1.5 V und funktionieren in einem Temperaturbereich zwischen 0 °C und 50 °C. Genutzt werden sie in zum Beispiel Hörgeräten. Knopfzellen dieses Primärelementes haben eine hohe Energiedichte von 1300 Whkg.

    Elektrochemische Reaktion im Primärelement

    Während der Entladung bildet Zink eine poröse Anode. Sauerstoff aus der Luft, welches durch die Eintrittsöffnung in die Batterie strömt, wird an der Kathode zu Hydroxidionen (OH-) reduziert. Diese strömen zur Zinkanode und bilden mit Zink Tetrahydroxidozinkat ([Zn(OH)4]2-), wobei Elektronen freigesetzt werden, die über einen externen Stromkreis zur Kathode fließen. Analog zur Alkali-Mangan-Batterie zersetzt sich das Zinkat im Elektrolyt zu Zinkoxid (ZnO) und Wasser.

    Anode:

    Zn + 4 OH- [Zn(OH)4]2- + 2 e-

    Elektrolyt:

    Zn(OH)42- ZnO + H2O + 2 OH-

    Kathode:

    12O2 + H2O + 2 e- 2 OH-

    Die Gesamtreaktion:

    2 Zn + O2 2 ZnO

    Primärelement - Das Wichtigste

    • Das Primärelement ist eine galvanische Zelle, die nicht aufladbar ist
    • Die Redoxreaktion beim Entladeprozess ist nicht umkehrbar
    • Bei dem Primärelement wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt
    • Im Alltag sind Primärelemente als Batterien bekannt
    • Das erste Primärelement in klassischer Batterieform war das Leclanché-Element – auch bekannt als Zink-Kohlenstoff-Element.
    • Die Entwicklung der Batterien wurde durch die Nachfrage an mobilen Energiequellen gefördert
    • Batterien werden immer mehr durch Sekundärelemente ersetzt
    • Je nach Anforderung gibt es verschiedene Primärelemente, z. B. Lithium Batterien, Alkali-Mangan-Batterien sowie die Zink-Luft-Batterie.
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    Häufig gestellte Fragen zum Thema Primärelement

    Ist eine Starterbatterie ein Primärelement?

    Nein, eine Starterbatterie ist kein Primärelement. Bei einer Starterbatterie (auch SLI-Batterie) handelt es sich um ein Sekundärelement, welches wiederaufladbar ist.

    Warum lassen sich Primärelemente nicht mehr aufladen?

    Primärelemente sind nicht wiederaufladbar, da sich die Redoxreaktion in der Zelle nicht umkehren lässt. 

    Was gibt es für Batterien?

    Je nach Anwendungsanspruch gibt es verschiedene Primärelemente, die nach ihrer Zusammensetzung unterschiedliche Vorteile haben. Beispiele hierfür sind folgende Batterien: 

    • Zink-Kohle-Batterie (Leclanché-Element)
    • Alkali-Mangan-Batterie
    • Zink-Luft-Batterie
    • Lithium-Batterien.

    In welchen Geräten finden galvanische Spannungsquellen Anwendung?

    Galvanische Spannungsquellen - auch bekannt als galvanische Elemente - haben vielseitige Anwendung im Alltag. Sie kommen als Batterien und Akkus in allen technischen Geräten vor, die ohne Stromkabel betrieben werden. 

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