Sekundärelemente

Im Gegensatz zum galvanischen Primärelement sind galvanische Sekundärelemente wiederaufladbare Speicher. Sie speichern elektrische Energie in Form von chemischer Energie. Eingesetzt werden Sekundärelemente in Handys, Elektro- und Hybridautos, Laptops und allen anderen Elektrogeräten, die ohne Stromkabel funktionieren, aber dennoch aufgeladen werden können. In der Alltagssprache werden galvanischen Sekundärelemente auch als Akkus bezeichnet.

Galvanische Sekundärelemente

Ein galvanisches Element besteht aus einer positiven und negativen Elektrode sowie einem Elektrolyt. Dabei wird zwischen

• Primärelement (Batterien),
• Sekundärelement (Akku) sowie
• Tertiärelement (Brennstoffzellen)

unterschieden. Wird ein galvanisches Element an einen Stromkreis geschlossen, gibt es eine Spannung, und zwar so lange, bis seine Ladung verbraucht ist. Das galvanische Sekundärelement kann durch Anlegen einer externen Spannung wieder aufgeladen werden.

Sekundärelemente – Erklärung der Funktionsweise

Zwischen den Elektroden des galvanischen Sekundärelements befindet sich der Elektrolyt. Beide Elektroden haben ein spezifisches elektrochemisches Potential. Während einer Reaktion reagiert eine Elektrode des Akkus, indem sie Elektronen abgibt. Diese Elektrode wird also oxidiert. Die andere Elektrode des Akkus nimmt Elektronen auf und wird daher reduziert. Das Funktionsprinzip von galvanischen Elementen basiert demnach auf einer Redoxreaktion, welche räumlich getrennt ist. Wenn beide Elektroden über einen elektrischen Leiter verbunden sind, fließen die Elektronen zwischen den Elektroden aufgrund des Potentialgradienten zwischen ihnen.

Das Daniell-Element

Ein historisches Beispiel einer galvanischen Zelle ist das Daniell-Element. Dieses besteht aus einer Zinkhalbzelle und einer Kupferhalbzelle. In der Zinkhalbzelle ist ein Zink-Stab in eine Zinksulfatlösung als Elektrolyt eingetaucht. In der Kupferhalbzelle ist ein Kupfer-Stab in eine Kupfersulfatlösung eingetaucht. Zink hat ein negatives Redoxpotential, während Kupfer ein positives Redoxpotential hat. Auf dieser Funktionsweise basieren galvanische Primär- und Sekundärelemente, wobei bei Sekundärelementen die Redoxreaktion umkehrbar ist. Das Daniell-Element ist ein Primärelement, ermöglicht jedoch anschaulich die Erklärung der ablaufenden Redoxreaktionen.

Die Redoxreaktion

Das Zink wird in der Zinksulfatlösung zu Zinkionen oxidiert und geht in die Lösung, während zwei Elektronen im Zinkstab verbleiben. Daher wird dieser Stab negativ geladen und ist der Minuspol des Daniell-Elements. Am Kupferstab werden Kupferionen reduziert und setzen sich als Kupfer am Kupferstab ab. Damit die Kupferionen zu Kupfer werden können, müssen die Elektronen vom Zinkstab zum Kupferstab herüberwandern. Der Kupferstab ist somit der Pluspol des Daniell-Elements. Die Elektronen fließen über den elektrischen Leiter vom Zinkstab zum Kupferstab, weil Elektronen immer vom negativeren Redoxpotential zum positiveren Redoxpotential fließen.

Vorgänge im Elektrolyt

Da in der Zinkhalbzelle immer mehr positive Zinkionen vom Zinkstab in Lösung gehen, hat diese Zelle einen positiven Ladungsüberschuss. In der Kupferhalbzelle scheiden immer mehr Kupferatome aus. Dadurch wird die positive Ladung in dieser Zelle weniger und ein negativer Ladungsüberschuss entsteht. Das liegt daran, dass im Verhältnis mehr Sulfationen vorliegen. Diese Ladungsüberschüsse müssen ausgeglichen werden, damit der Strom erst fließen kann. Das wird durch die mikroporöse Membran oder eine Salzbrücke ermöglicht. Denn so fließen positive Zinkionen in die Kupferhalbzelle, während die negativen Sulfationen in die Zinkhalbzelle fließen. So ist der Stromkreis geschlossen.

Sekundärelemente – Vor- und Nachteile

Sekundärelemente – Akkumulatortypen

Je nachdem, welche Materialien für die Elektroden oder den Elektrolyten verwendet werden, unterscheidet man zwischen Akkumulatortypen.

Sekundärelement – Bleiakkumulator (Pb)

Der Blei-Säure-Akku wurde 1859 von Planté entwickelt und kommt unter anderem bei Autos zum Einsatz. Die negative Elektrode besteht bei einem Akku aus Blei, während die positive Elektrode dieses Akkus aus Blei(IV)-Oxid besteht. Der Elektrolyt ist Schwefelsäure. Beim Entladen des Akkus wird das Bleioxid zu Bleisulfat reduziert, während die Bleielektrode zu Bleisulfat oxidiert wird. Beim Aufladen des Akkus wird die positive Elektrode zu Bleioxid oxidiert, während die negative Elektrode zu Blei reduziert wird. Damit ergibt sich für dieses galvanische Sekundärelement folgende Gesamtreaktion:

$\mathrm{Pb}+{\mathrm{PbO}}_2+2{\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4\rightleftarrows 2{\mathrm{PbSO}}_4+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Nickel-Cadmium-Akku (NiCd) als Sekundärelement

Der NiCd-Akku wurde 1899 von Waldemar Jungner entwickelt. Die positive Elektrode dieses Akkus besteht aus Nickel(III)-oxid-hydroxid (NiO(OH)) und die negative Elektrode aus Cadmium. Als Elektrolyt wird bei diesem Akku Kaliumhydroxid verwendet. Beim Entladen wird Cadmium oxidiert, während Nickeloxidhydroxid reduziert wird. Beim Aufladen des Akkus wird die Redoxreaktion umgekehrt. So wird Cadmium reduziert und Nickelhydroxid zu Nickeloxidhydroxid oxidiert. Damit ergibt sich für dieses galvanische Sekundärelement folgende Gesamtreaktion:

$2\mathrm{NiO}\left(\mathrm{OH}\right)\hspace{0.17em}+\mathrm{Cd}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\rightleftarrows 2\mathrm{Ni}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2+\mathrm{Cd}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2$

Nickel-Metallhydrid-Akku (NiMH)

Zwischen 1962 und 1982 wurden marktreife NiMH-Akkus von Stanford Ovshinsky und Masahiko Oshitani entwickelt. Die positive Elektrode bei diesem Akku besteht aus Nickeloxidhydroxid und die negative Elektrode aus Metallhydrid. Als Elektrolyt wird Kaliumhydroxid verwendet. Beim Entladen des Akkus wird Nickeloxidhydroxid zu Nickelhydroxid reduziert, während das Metallhydrid zum Metall oxidiert. Beim Aufladen des Akkus läuft die Redoxreaktion umgekehrt ab: Die Nickelhydroxidelektrode wird oxidiert, während das Metall zu Metallhydrid reduziert wird. Damit ergibt sich für dieses galvanische Sekundärelement folgende Gesamtreaktion:

$\mathrm{MH}+\mathrm{NiO}\left(\mathrm{OH}\right)\hspace{0.17em}\rightleftarrows \mathrm{M}+\mathrm{Ni}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2$

Lithium-Ionen-Akku

Von diesem Akku gibt es verschiedene Zusammensetzungen. Je nachdem, welche Elektroden- und Elektrolytmaterialien zum Einsatz kommen, haben Lithium-Ionen-Akkus unterschiedliche Eigenschaften. Im Allgemeinen besteht die positive Elektrode bei diesen Akkus aus einem Lithium-Metalloxid (z. B. ${\mathrm{LiCoO}}_2$), dass auf einen Stromableiter aufgetragen ist (Aluminiumfolie) und die negative Elektrode, die auf eine Kupferfolie aufgetragen ist. Als Anodenmaterial eignen sich bei diesen Akkus Graphit, Lithiumtitanoxid, Silicium oder Lithium-Metall. Der Elektrolyt muss ein aprotisches Lösungsmittel sein. In diesem sind wasserfreie Lithiumsalze, wie Lithiumhexafluorophosphat, gelöst.