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. 

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Inhaltsangabe

    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.

    Das Redoxpotential oder Reduktions- und Oxidationspotential beschreibt, wie stark ein Redoxsystem reduziert oder oxidiert. Dabei gibt das Material mit der negativeren Redoxpotential Elektronen ab, denn es hat eine stärkere Reduktionskraft. Das Redoxpotential wird ermittelt, indem man die Spannung zwischen dem Element und einer Wasserstoffelektrode, welche ein Redoxpotential von 0 V hat, misst.

    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.

    Sekundärelement Daniell-Element StudySmarter

    Abbildung 1: Das Daniell-Element

    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

    VorteileNachteile
    • Galvanische Sekundärelemente sind wiederaufladbar
    • galvanische Sekundärelemente haben eine hohe Leistungsdichte
    • Gute Leistung bei tiefen Temperaturen
    • Sekundärelemente haben eine niedrigere Energiedichte
    • manche Sekundärelemente haben schlechtere Ladeerhaltung (Selbstentladung möglich)
    • Sicherheitsaspekte (manche galvanischen Sekundärelemente sind eine Brand- und Explosionsgefahr)

    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:

    Pb + PbO2 + 2 H2SO4 2 PbSO4 + 2 H2O

    Vorteile des AkkusNachteile des Akkus
    • Kostengünstig
    • gute Leistung bei hohen und niedrigen Temperaturen
    • hohe Zellspannung (ca. 2 V)
    • kein Batterieträgheitseffekt
    • recyclebar
    • geringe Lebensdauer
    • geringe Energiedichte
    • schlechte Ladungsspeicherung; Selbstentladung
    • schlechte Lagerfähigkeit
    • Blei ist giftig und umweltschädlich

    Zellen mit einer hohen Zellspannung ermöglichen es, dass weniger Zellen sowie weniger Zellverbindungen nötig sind, um eine Hochspannungsbatterie herstellen zu können. Dabei ist diese Spannung die Energie, die nötig ist, um einen Ladungsträger in einem elektrischen Feld zu bewegen. 2 V Spannung sagt aus, dass man 2 Joule Energie aufwendet, um 1 Coulomb an Ladungsträgern zu bewegen. Je höher die Spannung, desto mehr Ladung kann bewegt werden.

    Dabei gibt ein Coulomb die Anzahl der Ladungsträger, die pro Sekunde durch einen Leiterquerschnitt bei einer Stromstärke von einem Ampere fließen. Ein Coulomb entspricht also einer Amperesekunde (As). Ein Ampere sind dabei etwa 6,2 Trillionen Elektronen pro Sekunde. Also sind ein Coulomb 6,2 Trillionen Elektronen.

    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 NiO(OH)+ Cd + H2O 2 Ni(OH)2 + Cd(OH)2

    Vorteile des AkkusNachteile des Akkus
    • gute Lebensdauer
    • hohe Beständigkeit
    • hohe Leistung auch bei tiefen Temperaturen (bis -40 °C)
    • kostengünstig
    • Selbstentladung
    • Batterieträgheitseffekt
    • giftiges und umweltschädliches Cadmium

    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:

    MH + NiO(OH) M + Ni(OH)2

    Vorteile des AkkusNachteile des Akkus
    • hohe Energiedichte
    • gute Beständigkeit
    • sehr temperaturbeständig
    • umweltfreundlicher als NiCd, Pb
    • Selbstendladungsrate hoch
    • Batterieträgheitseffekt
    • niedriger Wirkungsgrad

    Der Wirkungsgrad gibt an, wie viel der zugeführten Energie die Batterie oder der Akku wieder abgeben kann.

    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. LiCoO2), 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.

    Aprotisch ist ein Lösungsmittel, wenn dessen Moleküle keine Protonen abgeben können. Hier sind die Wasserstoffatome über kovalente Bindungen an das Kohlenstoff gebunden und dissoziieren nicht oder nur unter extremen Bedingungen. Das ist hier besonders wichtig, denn freie Protonen und Wasser würden heftig mit Lithium reagieren.

    Vorteile des Akkus Nachteile des Akkus
    • sehr hohe Energiedichte
    • Zellspannung bis 3,7 V
    • hoher Wirkungsgrad (ca. 100 %)
    • kaum Trägheitseffekt
    • variabel (Zusammensetzung kann an Bedürfnisse angepasst werden)
    • sehr geringe Selbstentladung
    • Empfindlich gegenüber hohen und niedrigen Temperaturen
    • Empfindlich gegenüber Über- und Tiefentladung (Geräte haben aber meist Steuerelektronik, um dem entgegenzuwirken)

    Sekundärelemente - Das Wichtigste

    • Das galvanische Sekundärelement ist ein Energiespeicher; er speichert elektrische Energie in Form von chemischer Energie ab.
    • Galvanische Sekundärelemente sind als Akkus bekannt.
    • Sekundärelemente (Akkus) sind im Gegensatz zu Primärelementen (Batterien) wiederaufladbar.
    • Das Funktionsprinzip des galvanischen Sekundärelements basiert auf einer räumlich getrennten Redoxreaktion, sodass die Elektronen über einen elektrischen Leiter wandern müssen.
    • Elektronen wandern stets vom negativeren Redoxpotential zum positiveren Redoxpotential.
    • In galvanischen Sekundärelementen ist die Redoxreaktion umkehrbar.
    Häufig gestellte Fragen zum Thema Sekundärelemente

    Was ist eine Sekundärbatterie?

    Eine Sekundärbatterie ist ein Akku. Diese sind wiederaufladbare galvanische Elemente und werden auch Sekundärelement bezeichnet.

    Was ist ein Akkumulatortyp?

    Akkus werden nach verwendeten Elektroden- und Elektrolytmaterialien in Typen unterschieden. 

    Was ist der Unterschied zwischen Primär- und Sekundärbatterien?

    Primärbatterien sind Standardbatterien, die nur einmal entladen werden können. Sekundärbatterien dahingegen sind Akkus. Sie sind wiederaufladbar.

    Welche Akkuzellen gibt es?

    Je nachdem, welche Elektrodenmaterialien und Elektrolytmaterialien verwendet werden, gibt es verschiedene Akkuzellen. Beispiele für Akkuzellen wären Bleiakkus, Lithium-Ionen-Akkus, Nickel-Cadmium-Akkus, sowie Nickel-Metallhydrid-Akkus 

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    Was sind die vier Hauptkomponenten eines Lithium-Ionen-Akkus?

    Wie funktioniert ein Lithium-Ionen-Akku?

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