Batterie

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Hintergrund

Benjamin Franklins berühmtes Experiment, Elektrizität durch das Fliegen eines Drachens in einem Gewitter anzuziehen, war nur eines von vielen Experimenten, die Ende des 18. und Anfang des 19. Jahrhunderts durchgeführt wurden, um etwas über Elektrizität zu lernen. Die erste Batterie wurde 1800 vom Italiener Alessandro Volta konstruiert. Die sogenannte voltaische Säule bestand aus abwechselnden Scheiben aus Silber und Zink, die durch Leder oder Pappe getrennt waren, die in Salzwasser, Lauge oder einer alkalischen Lösung getränkt worden waren. Metallstreifen an jedem Ende des Stapels wurden mit kleinen mit Quecksilber gefüllten Bechern verbunden. Als Volta beide Quecksilberbecher mit den Fingern berührte, erhielt er einen elektrischen Schlag; je mehr Scheiben er zusammenbaute, desto größer war der Ruck, den er erhielt.

Voltas Entdeckung führte zu weiteren Experimenten. Im Jahr 1813 konstruierte Sir Humphrey Davy im Keller der Royal Institution of London einen Stapel mit 2.000 Scheibenpaaren. Unter anderem nutzte Davy den von ihm produzierten Strom für die Elektrolyse – er katalysierte chemische Reaktionen, indem er einen Strom durch Substanzen leitete (Davy trennte Natrium und Kalium von Verbindungen). Nur wenige Jahre später entdeckte Michael Faraday das Prinzip der elektromagnetischen Induktion, bei der mithilfe eines Magneten Strom in einem gewickelten Draht induziert wird. Diese Technik ist das Herzstück der Dynamos, die heute in Kraftwerken zur Stromerzeugung eingesetzt werden. (Während ein Dynamo Wechselstrom (AC) erzeugt, bei dem der Stromfluss regelmäßig die Richtung ändert, erzeugen Batterien Gleichstrom (DC), der nur in eine Richtung fließt.) Eine Blei-Säure-Zelle, die sehr viel Strom erzeugen kann, der Vorläufer des heutigen Automobils Batterie, wurde 1859 vom Franzosen Gaston Planté entwickelt.

In den Vereinigten Staaten experimentierte Thomas Edison mit Elektrizität aus Batterien und Dynamos, um die Glühbirne zu betreiben, die sich in den frühen 1880er Jahren in den Vereinigten Staaten verbreitete. In den 1860er Jahren erfand Georges Leclanché die Nasszelle, die, obwohl sie wegen ihrer flüssigen Bestandteile schwer war, verkauft und kommerziell verwendet werden konnte. In den 1870er und 1880er Jahren wurde die Leclanché-Zelle aus trockenen Materialien hergestellt und für eine Reihe von Aufgaben verwendet, darunter die Stromversorgung des Telefons von Alexander Graham Bell und der neu erfundenen Taschenlampe. Später wurden Batterien als Energielieferanten für viele andere Erfindungen benötigt, wie zum Beispiel das Radio, das in den Jahren nach dem Ersten Weltkrieg enorm populär wurde. Heute werden jedes Jahr mehr als zwanzig Milliarden Stromzellen weltweit verkauft, und jeder Amerikaner verwendet ca. 27 Batterien pro Jahr.

Design

Alle Batterien verwenden ähnliche Verfahren zur Stromerzeugung; jedoch haben Variationen in Materialien und Konstruktion unterschiedliche Batterietypen hervorgebracht. Genau genommen handelt es sich bei dem, was allgemein als Batterie bezeichnet wird, um eine Gruppe von miteinander verbundenen Zellen. Das Folgende ist eine vereinfachte Beschreibung der Funktionsweise einer Batterie.

Zwei wichtige Teile jeder Zelle sind die Anode und die Kathode. Die Kathode ist ein Metall, das auf natürliche Weise oder im Labor mit Sauerstoff kombiniert wird – die Kombination wird als -Oxid bezeichnet. Eisenoxid (Rost), obwohl es zu zerbrechlich ist, um es in einer Batterie zu verwenden, ist vielleicht das bekannteste Oxid. Einige andere Oxide sind tatsächlich stark genug, um bearbeitet (geschnitten, gebogen, geformt, geformt usw.) und in einer Zelle verwendet zu werden. Die Anode ist ein Metall, das oxidieren würde, wenn es zugelassen würde, und unter sonst gleichen Bedingungen eher oxidiert als das Metall, das einen Teil der Kathode bildet.

Eine Zelle erzeugt Elektrizität, wenn ein Ende einer Kathode und ein Ende einer Anode in eine dritte Substanz gesteckt werden, die Elektrizität leiten kann, während ihre anderen Enden verbunden sind. Die Anode zieht Sauerstoffatome an und erzeugt dadurch einen elektrischen Fluss. Wenn ein Schalter im Stromkreis vorhanden ist (ähnlich wie bei jedem Wand- oder Lampenschalter), ist der Stromkreis nicht vollständig und es kann kein Strom fließen, es sei denn, der Schalter befindet sich in der geschlossenen Position. Wenn neben dem Schalter noch etwas anderes im Stromkreis vorhanden ist, beispielsweise eine Glühbirne, leuchtet die Glühbirne durch die Reibung der sich durch sie hindurch bewegenden Elektronen.

Die dritte Substanz, in die Anode und Kathode eingebracht werden, wird als -Elektrolyt bezeichnet. In vielen Fällen handelt es sich bei diesem Material um eine chemische Kombination, die die Eigenschaft hat, alkalisch zu sein. Somit ist eine alkalische Batterie eine Batterie, die einen alkalischen Elektrolyten verwendet. Eine Zelle erzeugt keinen Strom von selbst, es sei denn, sie wird in einen Stromkreis eingefügt, der durch einen einfachen Schalter oder durch eine andere Schaltverbindung im Gerät unter Verwendung der Batterie geschlossen wurde.

Das Entwerfen einer Zelle kann zu vielen Variationen in Art und Struktur führen. Nicht alle Elektrolyte sind beispielsweise alkalisch. Außerdem kann der Behälter für den Elektrolyten sowohl als Behälter als auch als Kathode oder Anode fungieren. Manche Zellen beziehen ihren Sauerstoff nicht aus einer Kathode, sondern direkt aus der Luft. Veränderungen in der Zusammensetzung von Anode und Kathode liefern mehr oder weniger Strom. Die genaue Abstimmung aller in einer Zelle verwendeten Materialien kann die erzeugbare Strommenge, die Produktionsrate, die Spannung, mit der Strom während der Lebensdauer der Zelle geliefert wird, und die Fähigkeit der Zelle, bei verschiedenen Temperaturen zu funktionieren, beeinflussen .

Alle diese Möglichkeiten existieren tatsächlich, und ihre verschiedenen Anwendungen haben die vielen verschiedenen Arten von heute verfügbaren Batterien (Lithium, Quecksilber usw.) hervorgebracht. Die gebräuchlichste Zelle ist jedoch seit Jahren die 1,5-Volt-Alkalibatterie.

Verschiedene Batterien funktionieren unter verschiedenen Umständen besser. Die alkalische 1,5-Volt-Zelle ist ideal für fotografische Ausrüstung, tragbare Computer und Taschenrechner, Spielzeug, Tonbandgeräte und andere Anwendungen mit hohem Stromverbrauch; es ist auch gut bei niedrigen temperaturen. Diese Zelle hat eine schräge Entladungscharakteristik – sie verliert allmählich an Leistung, anstatt plötzlich aufzuhören, Strom zu produzieren – und verliert pro Jahr vielleicht vier Prozent ihrer Leistung, wenn sie ungenutzt in einem Regal steht.

Andere Arten von Batterien umfassen eine Lithium-/Mangandioxid-Batterie, die eine flache Entladecharakteristik aufweist – sie liefert zu Beginn ihrer Lebensdauer ungefähr die gleiche Leistung wie am Ende ihrer Lebensdauer – und kann dort eingesetzt werden, wo kleine, Hochleistungsbatterien (Rauchmelder, Kameras, Speichersicherungen auf Computern usw.). Hörgeräte, Pager und einige andere Arten von medizinischen Geräten verwenden häufig Zink-Luft-Knopfbatterien, die bei kontinuierlicher Entladung eine hohe Energiedichte liefern. Eine Quecksilberbatterie wird häufig in vielen der gleichen Anwendungen wie die Zink-Luft-Batterie verwendet, da auch sie eine konstante Ausgangsspannung liefert.

Rohstoffe

Dieser Abschnitt sowie der folgende Abschnitt konzentrieren sich auf Alkalibatterien. Bei einer Alkalibatterie besteht der Zylinder, der die Zellen enthält, aus vernickeltem Stahl. Es ist mit einem Separator ausgekleidet, der die Kathode von der Anode trennt und entweder aus geschichtetem Papier oder einem porösen Kunststoff besteht. Der Kanister ist an einem Ende mit einem Asphalt- oder Epoxiddichtmittel, das unter einer Stahlplatte liegt, und am anderen mit einem Messingnagel abgedichtet, der durch den Zylinder getrieben wird. Dieser Nagel wird an eine Metallendkappe geschweißt und durch eine äußere Kunststoffdichtung geführt. Im Inneren des Zylinders besteht die Kathode aus einem Gemisch aus Mangandioxid, Graphit und einer Kalilauge; die Anode umfasst Zinkpulver und einen Kaliumhydroxid-Elektrolyten.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Die Kathode

• 1 In einer Alkalibatterie ist die Kathode tatsächlich ein Teil des Behälters. Riesige Mengen der Bestandteile – Mangandioxid, Ruß (Graphit) und ein Elektrolyt (Kaliumhydroxid in Lösung) – sind Das Mischen der Bestandteile ist der erste Schritt bei der Batterieherstellung. Nach der Granulierung wird die Mischung dann zu Preforms – Hohlzylindern – gepresst oder kompaktiert. Das Prinzip der Verdichtung ist einfach:Ein Stahlstempel taucht in einen Hohlraum ein und verdichtet das Gemisch. Beim Zurückfahren hebt sich ein Stempel von unten, um den verdichteten Vorformling auszustoßen. per Bahn angeliefert und in sehr großen Chargen am Produktionsstandort gemischt. Die Mischung wird dann granuliert und zu Hohlzylindern gepresst oder kompaktiert, die als Preforms bezeichnet werden. Je nach Größe der herzustellenden Batterie können mehrere Vorformlinge in einer Batterie übereinander gestapelt werden. Alternativ kann die Reihe von Vorformlingen durch einen extrudierten Ring aus dem gleichen Material ersetzt werden.
• 2 Als nächstes werden die Preforms in eine vernickelte Stahldose eingelegt; die Kombination der Vorformlinge und des Stahls kann die Kathode der Batterie bilden. In einem großen Betrieb werden die Dosen in der Batteriefabrik mit Standard-Schneid- und Umformtechniken hergestellt. In der Nähe des oberen Endes der Dose wird eine Einbuchtung angebracht, und über der Einbuchtung wird ein Asphalt- oder Epoxid-Dichtmittel angebracht, um ein Auslaufen zu verhindern.

Das Trennzeichen

• 3 Ein mit der Elektrolytlösung getränkter Papierseparator wird dann in die Dose gegen die Vorformlinge eingeführt; der Separator besteht aus mehreren quer übereinander gelegten Papierstücken (wie Sperrholz). Wenn man auf eine geöffnete Dose hinunterschaut, sieht man etwas, das wie ein in die Dose eingesetzter Pappbecher aussieht. Der Separator verhindert, dass das Kathodenmaterial mit dem Anodenmaterial in Kontakt kommt. Als Alternative könnte ein Hersteller für denselben Zweck eine poröse Kunstfaser verwenden.

Die Anode

• 4 Als nächstes geht die Anode in die Batteriedose. Es ist ein Gel, das hauptsächlich aus Zinkpulver besteht, zusammen mit anderen Materialien, einschließlich eines Kaliumhydroxid-Elektrolyten. Dieses Gel hat die Konsistenz einer sehr dicken Paste. Es ist keine Lösung, sondern chemisch eine Suspension, in der sich Partikel nicht absetzen (obwohl ein geeigneter Filter sie abtrennen könnte). Das Gel füllt die Dose nicht bis zum Rand, um Platz für die chemischen Reaktionen zu lassen, die nach der Verwendung der Batterie stattfinden.

Die Siegel

• 5 Obwohl die Batterie zu diesem Zeitpunkt in der Lage ist, Strom zu erzeugen, ist eine offene Zelle nicht praktikabel und würde ihr Potenzial schnell erschöpfen. Die Batterie muss mit drei verbundenen Komponenten abgedichtet werden. Der erste, ein Messing-„Nagel“ oder ein langer Dorn, wird in die Mitte der Dose durch das Gelmaterial gesteckt und dient als „Stromkollektor“. Das zweite ist eine Plastikdichtung und das dritte eine Metallendkappe. Der Nagel, der etwa zwei Drittel ausdehnt Der Behälter einer typischen Alkalibatterie, bestehend aus einem in eine Stahldose eingelegten Vorformling, dient auch gleichzeitig als Kathode. Die Anode in der Mitte ist ein Gel, das hauptsächlich aus Zinkpulver besteht. Der Separator zwischen Anode und Kathode ist entweder Papier oder Kunstfaser, die in einer Elektrolytlösung getränkt wurde.
  In der fertigen Batterie wurden eine Kunststoffdichtung, ein Stahlnagel und eine Metallober- und -unterseite hinzugefügt. Der Nagel ist mit dem Metallboden verschweißt und reicht etwa zwei Drittel des Weges in die Dose durch die Anode. des Weges in die Dose, wird mit dem Metallverschluss verschweißt und dann durch die Kunststoffdichtung geführt.
• 6 Diese Dichtung ist an manchen Stellen deutlich dünner als an anderen, so dass bei einer zu hohen Gasansammlung in der Dose eher die Dichtung als die gesamte Batterie platzt. Einige Batteriedesigns verwenden ein mit Wachs gefülltes Loch im Kunststoff; überschüssiges Gas drückt durch das Wachs, anstatt die Batterie zu zerreißen. Die Dichtungsanordnung trifft zu Beginn des Prozesses auf die in die Dose eingebrachte Vertiefung und wird an Ort und Stelle gecrimpt.
• 7 Das gegenüberliegende Ende der Dose (das positive Ende der Batterie) wird dann mit einer Stahlplatte verschlossen, die entweder angeschweißt oder mit Epoxidkleber verklebt wird.

Das Etikett

• 8 Bevor der Akku das Werk verlässt, wird ein Etikett angebracht, das den Typ des Akkus, seine Größe und andere Informationen angibt. Das Etikett ist oft Papier, das einfach auf den Akku geklebt wird. Ein großer Hersteller lässt sein Etikettendesign auf Plastikschrumpffolie drucken:Ein lose sitzendes Stück wärmeempfindlichen Kunststoffs wird um die Batteriedose gewickelt und dann einem Hitzestoß ausgesetzt, der den Kunststoff schrumpfen lässt, um eng um die Dose zu passen.

Qualitätskontrolle

Da die Batterietechnologie nicht besonders neu oder exotisch ist, kommt der Qualitätskontrolle und ihren Ergebnissen als Grundlage für den Markenwettbewerb eine besondere Bedeutung zu. Die Fähigkeit einer Batterie, Korrosion zu widerstehen, unter einer Vielzahl von Bedingungen gut zu funktionieren, eine gute Lager- und Nutzungsdauer aufrechtzuerhalten und andere Faktoren sind das direkte Ergebnis der Qualitätskontrolle. Batterien und Inhaltsstoffe werden in fast allen Phasen des Produktionsprozesses kontrolliert und getestet, und die fertigen Chargen werden strengen Tests unterzogen.

Umweltprobleme

Obwohl die Herstellung von Batterien einige Umwelthindernisse birgt, sind keine unüberwindbar. Zink und Mangan, die wichtigsten Chemikalien in Alkalibatterien, stellen keine Umweltprobleme dar und werden von der Food and Drug Administration (FDA) als sicher angesehen. Der wichtigste potenzielle Schadstoff in Batterien ist Quecksilber, das üblicherweise Zink begleitet und über viele Jahre Alkalibatterien zugesetzt wurde, um die Leitfähigkeit zu verbessern und Korrosion zu verhindern. Mitte der 1980er Jahre enthielten Alkalibatterien üblicherweise zwischen fünf und sieben Prozent Quecksilber.

Als sich vor einigen Jahren herausstellte, dass Quecksilber eine Gefahr für die Umwelt darstellt, suchten die Hersteller nach Wegen, um effiziente Batterien ohne Quecksilber herzustellen. Die primäre Methode, dies zu tun, konzentriert sich auf eine bessere Reinheitskontrolle der Inhaltsstoffe. Heutige Alkalibatterien können ungefähr 0,025 Prozent Quecksilber enthalten. Batterien ohne Zusatz von Quecksilber (es ist ein natürlich vorkommendes Element, daher wäre es schwierig, ein Produkt ohne jegliche Spurenqualitäten zu garantieren) sind von einigen Herstellern erhältlich und werden am Ende eher die branchenweite Regel als die Ausnahme sein von 1993.

Die Zukunft

Batterien stehen derzeit im Mittelpunkt intensiver Untersuchungen von Wissenschaftlern und Ingenieuren auf der ganzen Welt. Der Grund ist einfach:Mehrere Schlüsselinnovationen hängen von der Entwicklung besserer Batterien ab. Brauchbare Elektroautos und tragbare elektronische Geräte, die über lange Zeiträume ohne Aufladen betrieben werden können, müssen warten, bis leichtere und leistungsstärkere Batterien entwickelt werden. Typische Blei-Säure-Batterien, die derzeit in Automobilen verwendet werden, sind beispielsweise zu voluminös und können nicht genug Strom speichern, um in Elektroautos verwendet zu werden. Lithiumbatterien sind zwar leicht und leistungsstark, neigen jedoch dazu, auslaufen und Feuer zu fangen.

Anfang 1993 gaben Wissenschaftler der Arizona State University bekannt, dass sie eine neue Klasse von Elektrolyten entwickelt haben, indem sie Polypropylenoxid und Polyethylenoxid in einer Lithiumsalzlösung auflösen. Die neuen Elektrolyte scheinen hochleitfähig und stabiler zu sein als typische Lithium-Elektrolyte, und Forscher versuchen nun, Prototypbatterien zu bauen, die die vielversprechenden Substanzen verwenden.

Inzwischen entwickeln mehrere Hersteller größere und leistungsstärkere Nickel-Metallhydrid-Akkus für den Einsatz in tragbaren Computern. Diese neuen Batterien werden voraussichtlich Ende 1994 erscheinen.