Batterie

Eine Batterie gewinnt aus chemischen Reaktionen an zwei Elektroden, getrennt durch einen Elektrolyten, der Ionen leitet, einen gleichmäßigen elektrischen Strom. Alessandro Voltas Säule aus Zink, Kupfer und Salzlake war im Jahr 1800 die erste, und jede spätere Zelle, vom Telegrafenelement bis zum Lithium-Akku im Telefon, beruht auf demselben Prinzip.

Was es ist

Eine Batterie speichert Energie in chemischer Form und gibt sie als elektrischen Strom wieder ab, sobald ein Stromkreis mit einer Lampe oder einem anderen Verbraucher ihre beiden Pole verbindet. Die Grundeinheit heißt Zelle. Zur Zeit Alessandro Voltas bezeichnete „Batterie“ mehrere zusammengeschaltete Zellen, etwa die Säule, die er im Jahr 1800 aufschichtete; heute nennt man auch einzelne Zellen so.

Vor der Säule gab es Elektrizität nur als kurze Funken. Die Säule lieferte einen Strom, der stundenlang floss.

Wie es funktioniert

Jede Zelle der Säule besteht aus einer Zinkscheibe, einer Kupferscheibe und dazwischen einer Scheibe aus Pappe oder Stoff, die mit Salzwasser getränkt ist. Zink gibt Elektronen leichter ab als Kupfer. Auf der Zinkseite gehen Metallatome als Ionen in die Salzlake über und lassen ihre Elektronen in der Scheibe zurück. Auf der Kupferseite nimmt eine Reaktion die Elektronen wieder auf, wobei sie im Salzwasser gelösten Sauerstoff verbraucht oder Wasserstoff freisetzt. Verbindet ein äußerer Stromkreis die beiden Enden, fließen Elektronen durch ihn vom Zink zum Kupfer, und Ionen, die durch die feuchte Schicht wandern, schließen den Kreis.

Im Daniell-Element schlägt sich Kupfer am Gefäß nieder statt Wasserstoff, deshalb bleibt die Spannung stabil.

Ein Zink-Kupfer-Paar in Salzlake liefert knapp ein Volt. Schichtet man zwanzig Paare in Reihe, addieren sich die Spannungen. Das reicht für ein deutliches Kribbeln in feuchten Fingern, und genau so prüfte Volta seine Säulen. Die Stromstärke hängt von der Fläche der Scheiben ab und davon, wie schnell die Reaktion ablaufen kann.

Während die Säule arbeitet, wird der gelöste Sauerstoff am Kupfer knapp, und Wasserstoffbläschen beginnen es zu bedecken, sodass der Strom nachlässt. Außerdem drückt das Gewicht der Säule die Salzlake aus den unteren Lagen, und das Zink korrodiert. 1836 gab John Frederic Daniell jedem Metall eine eigene Flüssigkeit: Zink in eine Lösung, Kupfer in Kupfersulfat, getrennt durch eine poröse Wand. Statt Wasserstoff scheidet sich nun Kupfer ab, und die Zelle hält lange Zeit etwa 1,1 Volt.

In einer wiederaufladbaren Zelle treibt ein Strom in Gegenrichtung die Reaktion rückwärts.

Wie man sie baut

Eine kleine Säule liefert nur wenig Spannung und schwachen Strom, zeigt das Prinzip aber deutlich.

Man braucht fünfzehn bis zwanzig Kupferscheiben (alte Kupfermünzen genügen), ebenso viele Zinkscheiben (Zinkblech oder verzinkte Unterlegscheiben), Löschpapier oder Pappe, etwas kleiner zugeschnitten, Salz, Wasser, zwei isolierte Drähte und am besten ein Voltmeter.

Das Metall reinigen. Jede Kupferscheibe mit feinem Schleifpapier blank reiben.

Die Zwischenlagen tränken. Zwei gehäufte Löffel Salz in einem Glas Wasser auflösen und die Pappe darin einweichen. Jede Scheibe ausdrücken, bis sie feucht ist, aber nicht mehr tropft. Salzlake, die an der Säule herabläuft, schließt die Zellen kurz.

In fester Reihenfolge stapeln. Eine Kupferscheibe, eine feuchte Zwischenlage und eine Zinkscheibe auflegen, dann bis oben in derselben Reihenfolge wiederholen. Die Reihenfolge nie auf halber Höhe umkehren und nie zulassen, dass sich die beiden Metalle einer Zelle am Rand der Zwischenlage berühren.

Die Säule halten. Drei Stäbe aus Holz oder Glas, in einen Sockel gesteckt, halten den Stapel gerade, ohne auf ihn zu drücken.

Anschließen und prüfen. Einen Draht an der untersten Kupferscheibe befestigen, den anderen an der obersten Zinkscheibe. Zu erwarten ist knapp ein Volt pro Zelle. Eine rote LED braucht etwa zwei Volt und sehr wenig Strom: ihr langes Bein an das Kupferende, das kurze an das Zinkende anschließen und sie nur mit vier oder fünf Zellen versuchen, an denen sie schwach leuchten sollte. Falsch herum an mehr Zellen angeschlossen, kann eine LED Schaden nehmen. Wenn die Zwischenlagen nach einigen Stunden trocken sind, die Säule zerlegen und die Scheiben waschen und trocknen.

Sicherheit. Die Säule selbst hat nur eine niedrige Spannung, aber ein Kurzschluss an einer starken Batterie erhitzt Drähte so stark, dass sie die Haut verbrennen und die Isolierung schmelzen. Die Pole deshalb nie direkt miteinander verbinden. Keine Batterie je an das Stromnetz anschließen oder versuchen, sie an einer Steckdose zu laden. Handelsübliche Batterien nicht öffnen: Bleiakkus enthalten Schwefelsäure, die Haut und Augen verätzt, und geben beim Laden explosiven Wasserstoff ab; Lithiumzellen können in Brand geraten, wenn sie durchstochen, gequetscht oder kurzgeschlossen werden. Kupfersulfat und Zinksalze sind giftig: Handschuhe und Schutzbrille tragen, Hände waschen und die Materialien von Kindern fernhalten.

Geschichte und Entwicklung

Galvanis Froschschenkel zuckten jedes Mal, wenn ein Bogen aus zwei Metallen Nerv und Muskel verband.

In den 1780er-Jahren beobachtete der Bologneser Anatom Luigi Galvani, dass präparierte Froschschenkel zuckten, wenn sie gleichzeitig zwei verschiedene Metalle berührten. 1791 veröffentlichte er seine Theorie der „tierischen Elektrizität“. Alessandro Volta, Professor für Physik in Pavia, war dagegen überzeugt, dass die Metalle die Elektrizität erzeugten und der Frosch sie nur anzeigte. Er wollte das ganz ohne Tier beweisen.

Zuerst verband er Becher mit Salzlake durch Metallstreifen, dann baute er die kompaktere Säule. Am 20. März 1800 beschrieb er beide in einem auf Französisch verfassten Brief an Sir Joseph Banks, den Präsidenten der Royal Society in London. Die Gesellschaft druckte ihn noch im selben Jahr mit einem Stich der Säule, der ersten veröffentlichten Abbildung einer Batterie.

Wenige Wochen später zerlegten William Nicholson und Anthony Carlisle mit einer Säule Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Einige Jahre danach stellte Humphry Davy mit großen Batterien erstmals Natrium und Kalium dar. Napoleon sah 1801 in Paris zu, wie Volta die Säule vorführte, und belohnte ihn. Die Einheit der elektrischen Spannung, das Volt, trägt seinen Namen.

Plantés Spirale aus Bleiblechen in verdünnter Säure ließ sich immer wieder laden und entladen.

Telegrafenleitungen brauchten einen gleichmäßigen Strom, und das Daniell-Element lieferte ihn. 1859 rollte Gaston Planté zwei Bleibleche mit einer Trennschicht dazwischen zu einer Spirale und tauchte sie in verdünnte Schwefelsäure. Johann Ritter hatte schon 1803 eine experimentelle Ladungssäule vorgeführt, doch erst Plantés Zelle war ein praxistauglicher Akku. Von Camille Faure 1881 verbessert, startet der Bleiakku bis heute die meisten Autos.

1866 baute Georges Leclanché eine Zelle aus einem Zinkstab, einem in Mangandioxid gepackten Kohlestab und einer Lösung aus Ammoniumchlorid; 1868 waren bereits zwanzigtausend davon in Telegrafennetzen in Betrieb. Spätere Erfinder dickten die Flüssigkeit zu einer Paste ein, und diese Trockenbatterie versorgte die ersten Taschenlampen und die Radios der 1920er-Jahre. Die ersten zylindrischen Alkali-Mangan-Zellen kamen 1959 in den Handel, und Anfang der 1990er-Jahre folgten Lithium-Ionen-Zellen.