Spezielle Akkumulatortypen einfach erklärt: Blei, NiMH & Li-Ion

Stell dir vor, dein Smartphone geht aus und du müsstest jedes Mal ein komplett neues Handy kaufen, weil die Batterie leer ist! Das wäre ein Albtraum. Zum Glück nutzen wir für solche Geräte keine normalen Einweg-Batterien, sondern spezielle Akkumulatortypen (kurz: Akkus).

Ein Akku ist eine galvanische Zelle, bei der man die chemischen Reaktionen wieder umkehren kann. Wenn du den Akku an die Steckdose anschließt, wird er wieder aufgeladen. In dieser Lektion schauen wir uns die drei wichtigsten Akku-Typen an, die unseren Alltag am Laufen halten: im Auto, in der Fernbedienung und im Smartphone.

Vorwissen

• Galvanische Zelle: Eine Vorrichtung, die chemische Energie in elektrische Energie umwandelt. Sie besteht immer aus drei Hauptteilen:

  Beispiel: Ein Minuspol (gibt Elektronen ab), ein Pluspol (nimmt Elektronen auf) und ein Elektrolyt (eine Flüssigkeit, die Ionen leitet).

• Ionen: Elektrisch geladene Atome oder Moleküle.

  Beispiel: Ein positiv geladenes Lithium-Ion wird als $\text{Li}^+$ geschrieben.

Aufgabentyp 1: Der Bleiakkumulator

Wenn du ein Auto startest, braucht der Motor für einen kurzen Moment extrem viel Strom. Diese Energie liefert der Bleiakkumulator (oft einfach Autobatterie genannt). Er ist sehr robust und schwer.

Der Aufbau einer einzelnen Zelle sieht so aus:

• Minuspol: Platten aus fein verteiltem Blei ($\text{Pb}$).

• Pluspol: Bleiplatten, die mit Blei(IV)-oxid ($\text{PbO}_2$) beschichtet sind.

• Elektrolyt: Schwefelsäure ($\text{H}_2\text{SO}_4$).

Eine einzelne dieser Zellen liefert eine Spannung von $2 \text{ V}$. Ein normales Auto benötigt aber $12 \text{ V}$. Die Lösung ist einfach: Man schaltet sechs dieser Zellen hintereinander (in Reihe). $6 \times 2 \text{ V} = 12 \text{ V}$.

Während der Fahrt wird die Batterie nicht leerer, sondern wieder aufgeladen. Dafür sorgt die sogenannte Lichtmaschine im Auto, die wie ein kleiner Stromgenerator funktioniert und die chemische Reaktion im Akku wieder umkehrt.

Aufgabentyp 2: Der NiMH-Akkumulator

Der Nickel-Metallhydrid-Akkumulator (NiMH-Akku) sieht oft genauso aus wie eine normale Einweg-Batterie (z. B. in der Größe AA oder AAA). Er wird in kleinen Elektrogeräten oder auch in Hybridautos eingesetzt.

Der Aufbau ist etwas anders als beim Bleiakku:

• Minuspol: Ein Metallhydrid (geschrieben als $\text{Metall-H}$). Das ist eine Metalllegierung, die Wasserstoffatome in sich gebunden hat.

• Pluspol: Eine Verbindung, die Nickel-Ionen ($\text{Ni}^{3+}$) enthält, meistens $\text{NiO(OH)}$.

• Elektrolyt: Kalilaugelösung ($\text{KOH}$ in Wasser).

Eine einzelne NiMH-Zelle liefert eine Spannung von $1,2 \text{ V}$. Wenn du ein Gerät einschaltest, entlädt sich der Akku. Dabei laufen folgende chemische Reaktionen ab:

Am Minuspol reagiert das Metallhydrid mit den $\text{OH}^-$-Ionen aus dem Elektrolyten. Dabei werden Elektronen ($\text{e}^-$) freigegeben:

$\text{Metall-H} + \text{OH}^- \to \text{Metall} + \text{H}_2\text{O} + \text{e}^-$

Am Pluspol kommen diese Elektronen an und werden von den Nickel-Ionen aufgenommen:

$\text{Ni}^{3+} + \text{e}^- \to \text{Ni}^{2+}$

Diese fließenden Elektronen sind der elektrische Strom, der dein Gerät antreibt.

Aufgabentyp 3: Der Lithium-Ionen-Akkumulator

Der Lithium-Ionen-Akkumulator ist der Star unter den Akkus. Er hat eine besonders hohe Spannung (zwischen $3,3 \text{ V}$ und $3,8 \text{ V}$) und kann sehr viel Energie bei geringem Gewicht speichern. Deshalb findest du ihn in Smartphones, Notebooks und E-Bikes.

• Minuspol: Häufig Graphit ($\text{C}$), das ist eine Form von Kohlenstoff.

• Pluspol: Ein Lithium-Metalloxid, zum Beispiel $\text{LiCoO}_2$.

• Elektrolyt: Ein Lithiumsalz, das in einem speziellen Lösungsmittel gelöst ist.

Das Funktionsprinzip ist faszinierend: Beide Pole bestehen aus Materialien mit einer Schichtstruktur. Du kannst dir das wie zwei Parkhäuser vorstellen. Beim Laden und Entladen wandern Lithium-Ionen ($\textcolor{#08BFFF}{\text{Li}^+}$) von einem Parkhaus zum anderen und parken in den Lücken der Struktur ein. Dieses Einlagern nennt man Interkalation.

Beim Ladevorgang (an der Steckdose) passieren diese Reaktionen:

• Pluspol: $\text{Co}^{3+} \to \text{Co}^{4+} + \text{e}^-$

• Minuspol: $6 \text{ C} + \text{e}^- \to \text{C}_6^-$

(Hinweis: $\text{C}_6^-$ bedeutet, dass sechs Kohlenstoffatome im Graphit gemeinsam ein zusätzliches Elektron aufgenommen haben.)

Beim Entladevorgang (wenn du das Handy nutzt) kehren sich die Reaktionen genau um:

• Pluspol: $\text{Co}^{4+} + \text{e}^- \to \text{Co}^{3+}$

• Minuspol: $\text{C}_6^- \to 6 \text{ C} + \text{e}^-$

Aufgabentyp 4: Eine Gesamtreaktion aufstellen

Oft musst du in Prüfungen aus den Reaktionen am Minus- und Pluspol eine einzige Gesamtreaktion bilden.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Teilgleichungen notieren: Schreibe die Gleichung für den Minuspol und die Gleichung für den Pluspol untereinander.
2. Elektronen abgleichen: Überprüfe, ob bei beiden Gleichungen gleich viele Elektronen ($\text{e}^-$) stehen. Wenn ja, kannst du direkt zu Schritt 3 gehen. (Wenn nicht, müsstest du eine Gleichung multiplizieren, was hier aber meist nicht nötig ist).
3. Zusammenfassen und kürzen: Schreibe alles, was bei beiden Gleichungen links vom Pfeil steht, auf die linke Seite der neuen Gleichung. Alles von rechts kommt auf die rechte Seite. Da die Elektronen auf beiden Seiten in gleicher Anzahl auftauchen, streichst du sie einfach weg.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Bleiakkumulator: Liefert $2 \text{ V}$ pro Zelle (Autobatterie = $12 \text{ V}$). Besteht aus Blei, Blei(IV)-oxid und Schwefelsäure.

• NiMH-Akkumulator: Liefert $1,2 \text{ V}$. Wird in Haushaltsgeräten genutzt. Die Gesamtreaktion lautet: $\text{Ni}^{3+} + \text{Metall-H} + \text{OH}^- \rightleftharpoons \text{Ni}^{2+} + \text{Metall} + \text{H}_2\text{O}$.

• Lithium-Ionen-Akkumulator: Liefert hohe Spannungen ($3,3 - 3,8 \text{ V}$) für Smartphones. Funktioniert durch die Interkalation (Einlagerung) von wandernden $\text{Li}^+$-Ionen zwischen Graphit und Metalloxid.