Aufgrund der großen Nachfrage besteht die Möglichkeit, aus einer Vielzahl von Akkumulatoren und Batterien zu wählen, die sich in Form, Größe, Kapazität, Methoden zur Zufuhr und Ableitung von Substraten und Produkten elektrochemischer Reaktionen sowie in den verwendeten Materialien unterscheiden. Die beliebtesten unter den Primärzellen sind nach wie vor Zink-Kohle- und Alkalibatterien. Dies sind Einwegbatterien. Ein weiterer, immer beliebter werdender Typ sind Akkumulatoren, also wiederaufladbare Batterien. Dazu zählen Blei-Säure-Akkumulatoren, Nickel-Cadmium-, Nickel-Metallhydrid- oder Lithium-Akkumulatoren.
Klassifizierung nach Funktionsweise
Je nach Funktionsweise lassen sich elektrochemische Zellen in drei Grundgruppen einteilen: 1. Zellen erster Art (Primärzellen): Sie zeichnen sich dadurch aus, dass ihre Funktion nicht durch vorheriges Laden aus einer externen Stromquelle verursacht wird. Ihr Betrieb beruht ausschließlich auf irreversiblen elektrochemischen Reaktionen, deren Richtung nicht umkehrbar ist. Durch die vollständige Umwandlung der Reaktanten entlädt sich die Zelle und wird unbrauchbar. Zu den Primärzellen zählen die beliebten Alkalibatterien und Zink-Kohle-Batterien. 2. Reversible Zellen: Sie funktionieren entgegengesetzt zu Primärzellen – sie können aufgeladen werden. Der dabei fließende elektrische Strom aus einer externen Energiequelle wandelt die durch die Entladung entstandenen Produkte zurück in Substrate um, die wiederverwendbar sind. Elektrische Energie wird in chemische Energie umgewandelt. Ein Beispiel für eine wiederaufladbare Zelle ist der Blei-Säure-Akkumulator. 3. Brennstoffzellen: Hier erfolgt der Oxidationsprozess des Brennstoffs. Dieser Prozess läuft bei kontinuierlicher Zufuhr von Substraten und Abführung der Elektrodenreaktionsprodukte ab.
Klassifizierung nach Anwendung
1. Kleine Bauformen: Verwendet in tragbaren elektrischen und elektronischen Geräten, ebenso in Spielzeugen oder Haushaltsgeräten. 2. Industrielle: Ausschließlich für industrielle oder professionelle Zwecke oder für den Einsatz in Elektrofahrzeugen bestimmt. 3. Fahrzeugbatterien: Verwendet zum Starten – zur Initiierung der Zündung und zur Stromversorgung der elektrischen Anlage in Fahrzeugen.
Aufbau und Zusammensetzung der Zellen
Die Materialien, aus denen Batterien bestehen, sind Elemente, die durch chemische Reaktionen die Entstehung von Elektronen bewirken, wie beispielsweise bei der Reaktion von Blei und Bleidioxid (IV) mit Schwefelsäure (VI) in Blei-Säure-Akkumulatoren. Um den Ionentransport zu gewährleisten, enthält die Batterie einen Elektrolyten. Dies ist eine Lösung, die Salze enthält, welche aus Ionen bestehen, die als Ladungsträger fungieren, sowie ein Lösungsmittel, in dem sie gelöst sind. Ein Beispiel hierfür sind Zink-Kohle-Zellen, bei denen der Elektrolyt eine wässrige Lösung von Zinkchlorid ist. In alkalischen Zink-Mangan-Zellen handelt es sich um eine 30-prozentige Kaliumhydroxidlösung. Um den Elektrolyten und damit die genannten Reaktanten zu stabilisieren, enthalten die Zellen Matrixe, die zudem als Kollektoren der elektrischen Ladung dienen.
Blei-Säure-Akkumulatoren
In Blei-Säure-Akkumulatoren sind die aktiven Massen der Reaktanten auf Gittern aus Bleilegierungen angebracht. Diese Gitter erfüllen die Funktion des Trägers, also der erwähnten Matrix, der aktiven Masse und des Kollektors der elektrischen Ladung. Um Kurzschlüsse zwischen Elektroden mit entgegengesetztem elektrischem Vorzeichen zu verhindern, sind die Anoden-Reaktanten durch einen Separator von der Kathode getrennt. Dieser ist aus Kunststoffen wie Polyethylen oder speziellen Cellulose-Derivaten gefertigt. Alle genannten Elemente sind zusammen mit den Kontaktanschlüssen und der Dichtung in einem Gehäuse eingebaut.
Recycling und Entsorgung
Im Rahmen einer ressourcenschonenden Wirtschaft sollten Teile der in Zellen verwendeten Materialien recycelt werden. Aufgrund der Tatsache, dass in nahezu allen Batterien toxische Substanzen enthalten sind, die Umweltverschmutzung verursachen können, ist dies jedoch äußerst komplex. Gemäß der Richtlinie 2006/66/EG über Batterien und Akkumulatoren sowie Altbatterien und Akkumulatoren und zur Aufhebung der Richtlinie 91/157/EWG sowie dem Gesetz vom 24. April 2009 über Batterien und Akkumulatoren (Amtsblatt 2009, Nr. 79, Pos. 666) sollten Batterien und Akkumulatoren, die als gefährliche Abfälle eingestuft sind, einer Entsorgung unterzogen und wenn möglich recycelt werden. Das am leichtesten wiedergewonnene Abfallmaterial aus Batterien ist das Stahlgehäuse, das problemlos recycelt werden kann. Andere in Batterien verwendete Substanzen können in das Grundwasser, den Boden oder die Atmosphäre gelangen und so die Umwelt verschmutzen, was für Menschen fatal sein kann. Daher ist es äußerst wichtig, Batterien in dafür vorgesehenen Behältern zu entsorgen. Von dort holen zuständige Dienste sie ab und sorgen für eine sichere Entsorgung. Literaturverzeichnis: 1. J. Garche, Encyclopedia of electrochemical power sources, Elsevier 2009. 2. A. Czerwiński, Akumulatory, baterie, ogniwa, WKŁ, Warschau 2005. 3. Richtlinie 2006/66/EG über Batterien und Akkumulatoren sowie Altbatterien und Akkumulatoren und zur Aufhebung der Richtlinie 91/157/EWG. 4. Gesetz vom 24. April 2009 über Batterien und Akkumulatoren (Amtsblatt 2009, Nr. 79, Pos. 666). 5. G. Pistoia, Used battery collection and recycling, Elsevier, 2001. 6. D.C.R. Espinosa, A.M. Bernardes, J.A.S. Tentório, J. Power Sources 2006, 135, 311. 7. Z. Rogulski, A. Czerwiński, J. Power Sources 2006, 159, Nr. 1, 454.
