Chemische Spannungsquellen

Galvanische Elemente

Luigi Galvani Galvani hat mit seinen Froschschenkeln, von denen er glaubte, sie würden durch eine Art "Tierische Elektrizität" wiederbelebt, den Grundstein zu den elektrochemischen Versuchen des Alessandro Graf Volta gelegt.

Danach hat Volta die erste elektrochemische Spannungsreihe aufgestellt, indem er den "Geschmack" verschiedener Metalle auf seiner Zunge ausprobierte.

Prinzip des Galvanischen Elementes

Werden zwei unterschiedliche Metalle in einen Elektrolyten getaucht, entsteht eine Elektrische Spannung.
 

Das "unedle" Metall hat das Bestreben sich stärker aufzulösen (= Lösungsdruck). Auf diese Weise entsteht das unterschiedlich hohe Elektrische Potenzial.

Das folgende Bild zeigt die Entstehung der Zellenspannung des Zink-Kohle-Elementes. Vergleiche bitte die eingetragenen Werte mit denen in der folgenden Tabelle.

Elektrochemische Spannungsreihe

Sie entsteht bei der Spannungsmessung gegen eine mit Wasserstoff überzogene Platinelektrode.

Die Tabelle verläuft von den edleren Werkstoffen oben zu den unedleren Werkstoffen nach unten:

Elektrodenmaterial Elementkürzel
(Links)
U in V
gegen Wasserstoffelektrode
Platin Pt + 1,60
Gold Au + 1,38
Silber Ag + 0,81
Quecksilber Hg + 0,79
Kohle C + 0,74
Kupfer Cu + 0,34
Wasserstoff H 0,00
Blei Pb - 0,13
Zinn Sn - 0,16
Nickel Ni - 0,25
Kobalt Co - 0,29
Cadmium Cd - 0,40
Eisen Fe - 0,44
Chrom Cr - 0,51
Zink Zn - 0,76
Mangan Mn - 1,18
Aluminium Al - 1,67
Magnesium Mg - 2,37
Natrium Na - 2,71
Calcium Ca - 2,76
Kalium K - 2,92
Lithium Li - 3,02
 

Primärelemente

Sie können nicht wieder aufgeladen werden. Man unterscheidet verschiedene Bauformen:

  1. Zink-Kohle-Element (Leclanche - Element)
    • 1,5V Zellenspannung
    • kurze Entladezeit
    • billig
  2. Alkali-Mangan-Zelle
    • längere Entladezeit
    • dreifache Kapazitität der Leclanche-Zelle
  3. Quecksilberoxid - Zelle (Knopfzelle)
    • 1,3V Zellenspannung
    • sehr lange Entladezeit
    • muss entsorgt werden!
  4. Lithium - Zelle (Fotobatterie)
    • 3 bis 4V Zellenspannung
    • kaum Selbstentladung
    • hohe Energiedichte;

Sekundärelemente

Sie können wieder aufgeladen werden. Der Vorgang der Entladung ist, wie man sagt, reversibel (= umkehrbar).

Wirkungsweise am Beispiel des Bleiakkus

Beim Entladen Sulfatieren beide Blei-Elektroden (PbSO4). Der Elektrolyt wird immer wässriger (verdünnte Schwefelsäure H2SO4 + H2O).

Entladen eines Bleiakkus

Beim Laden spaltet sich das Wassermolekül und an der Anode bildet sich Bleidioxid (PbO2) als wirksame Elektrodenmasse. Sie verfärbt sich dunkelbraun. Die Kathode besteht im geladenen Zustand aus reinem Blei (grau). Der Elektrolyt ist Schwefelsäure mit einer Dichte von 1,28g/cm3.

Akkuladung

Stahlakkumulatoren

  • Nickel-Cadmium-Akku
  • Nickel-Eisen-Akku
  • Nickel-Zink-Akku

Sie sind mechanisch robuster und länger lagerbar. Sie haben allerdings eine kleinere Zellenspannung und einen schlechteren Wirkungsgrad. Der Innenwiderstand ist ebenfalls größer als der des Bleiakkus.