Batterie-Arbeitsprinzip: Wie funktioniert eine Batterie?

Funktionsprinzip der Batterie

Eine Batterie funktioniert auf der Basis der Oxidations- und Reduktionsreaktion eines Elektrolyten mit Metallen. Wenn zwei unterschiedliche metallische Substanzen, die als Elektroden bezeichnet werden, in einen verdünnten Elektrolyt getaucht werden, finden an den Elektroden je nach Elektronenaffinität des Metalls Oxidations- und Reduktionsreaktionen statt. Als Ergebnis der Oxidationsreaktion wird eine Elektrode negativ geladen, genannt Kathode, und infolge der Reduktionsreaktion wird die andere Elektrode positiv geladen, genannt Anode.

Die Kathode bildet den negativen Pol, während die Anode den positiven Pol einer Batterie bildet. Um das Grundprinzip der Batterie richtig zu verstehen, sollten wir zunächst einige grundlegende Kenntnisse über Elektrolyte und Elektronenaffinität haben. Tatsächlich entsteht, wenn zwei verschiedene Metalle in einem Elektrolyt getaucht werden, ein Spannungsdifferenz zwischen diesen Metallen.

Es wurde festgestellt, dass, wenn bestimmte Verbindungen zu Wasser hinzugefügt werden, sie sich auflösen und negative und positive Ionen erzeugen. Diese Art von Verbindung wird als Elektrolyt bezeichnet. Bekannte Beispiele für Elektrolyte sind fast alle Arten von Salzen, Säuren und Basen usw. Die bei der Annahme eines Elektrons durch ein neutrales Atom freigesetzte Energie wird als Elektronenaffinität bezeichnet. Da die atomare Struktur für verschiedene Materialien unterschiedlich ist, unterscheiden sich auch die Elektronenaffinitäten verschiedener Materialien.

Wenn zwei verschiedene Arten von Metallen in die gleiche Elektrolytlösung getaucht werden, gewinnt eines davon Elektronen und das andere gibt Elektronen ab. Welches Metall (oder metallisches Komposit) Elektronen gewinnt und welches Elektronen verliert, hängt von der Elektronenaffinität dieser Metalle ab. Das Metall mit geringerer Elektronenaffinität nimmt Elektronen von den negativen Ionen der Elektrolytlösung auf.

Andererseits gibt das Metall mit höherer Elektronenaffinität Elektronen ab, und diese Elektronen gelangen in die Elektrolytlösung und werden den positiven Ionen der Lösung hinzugefügt. Auf diese Weise gewinnt eines dieser Metalle Elektronen und das andere verliert Elektronen. Als Ergebnis gibt es einen Unterschied in der Elektronenkonzentration zwischen diesen beiden Metallen.

Dieser Unterschied in der Elektronenkonzentration führt zu einer elektrischen Spannungsdifferenz zwischen den Metallen. Diese elektrische Spannungsdifferenz oder EMK kann als Spannungsquelle in jedem elektronischen oder elektrischen Schaltkreis verwendet werden. Dies ist das allgemeine und grundlegende Prinzip der Batterie und so funktioniert eine Batterie.

Alle Batteriezellen basieren nur auf diesem grundlegenden Prinzip. Lassen Sie uns dies nacheinander besprechen. Wie bereits erwähnt, entwickelte Alessandro Volta die erste Batteriezelle, und diese Zelle ist bekannt als einfache voltaische Zelle. Diese Art von einfacher Zelle kann sehr leicht erstellt werden. Nehmen Sie einen Behälter und füllen Sie ihn mit verdünnter Schwefelsäure als Elektrolyt. Nun tauchen wir einen Zink- und einen Kupferstab in die Lösung und verbinden sie extern über eine elektrische Last. Nun ist Ihre einfache voltaische Zelle fertig. Der Strom beginnt, durch die externe Last zu fließen.

Zink in verdünnter Schwefelsäure gibt Elektronen ab, wie folgt:

Diese Zn + +-Ionen gelangen in den Elektrolyt, und jede der Zn + +-Ionen lässt zwei Elektronen im Stab zurück. Als Ergebnis der oben beschriebenen Oxidationsreaktion bleibt der Zinkelektrode negativ geladen und fungiert daher als Kathode. Folglich steigt die Konzentration der Zn + +-Ionen in der Nähe der Kathode im Elektrolyt.

Gemäß der Eigenschaft des Elektrolyts haben sich die verdünnte Schwefelsäure und Wasser bereits in positive Hydronium-Ionen und negative Sulfat-Ionen aufgespalten, wie unten gezeigt:

Aufgrund der hohen Konzentration der Zn+ +-Ionen in der Nähe der Kathode werden die H3O+-Ionen zum Kupfer-Elektrode abgestoßen und entladen sich, indem sie Elektronen von den Atomen des Kupferstabs absorbieren. Die folgende Reaktion findet am Anode statt:

Als Ergebnis der Reduktionsreaktion, die am Kupfer-Elektrode stattfindet, wird der Kupferstab positiv geladen und fungiert daher als Anode.

Daniell-Zelle

Die Daniell-Zelle besteht aus einem Kupfergefäß, das eine Kupfersulfatlösung enthält. Das Kupfergefäß selbst wirkt als positiver Elektrode. Ein poröser Topf, der verdünnte Schwefelsäure enthält, wird in das Kupfergefäß gestellt. Ein amalgamierter Zinkstab, der in der Schwefelsäure eingetaucht ist, wirkt als negativer Elektrode.

Die verdünnte Schwefelsäure im porösen Topf reagiert mit dem Zink, und als Ergebnis wird Wasserstoff gebildet. Die Reaktion verläuft wie folgt:

Die Bildung von ZnSO4 im porösen Topf beeinträchtigt die Funktionalität der Zelle nicht, bis Kristalle von ZnSO4 abgelagert werden. Der Wasserstoffgas dringt durch den porösen Topf und reagiert mit der CuSO4-Lösung, wie unten gezeigt:

Das gebildete Kupfer wird auf dem Kupfergefäß abgelagert.

Geschichte der Batterie

Im Jahr 1936, mitten im Sommer, wurde während des Baus einer neuen Eisenbahnlinie in der Nähe der Stadt Bagdad in Irak ein antikes Grab entdeckt. Die darin gefundenen Relikte waren etwa 2000 Jahre alt. Unter diesen Relikten befanden sich einige tonnen Gefäße, die oben mit Pech versiegelt waren. Ein Eisendraht, umgeben von einem zylindrischen Rohr aus einer gewickelten Kupferscheibe, ragte aus dieser versiegelten Oberseite heraus.

Als die Entdecker diese Töpfe mit einer sauren Flüssigkeit füllten, fanden sie eine Spannungsdifferenz von etwa 2 Volt zwischen dem Eisen und dem Kupfer. Diese Tonkrüge wurden als 2000 Jahre alte Batteriezellen vermutet. Sie nannten den Topf als Parthische Batterie.

Im Jahr 1786 war Luigi Galvani, ein italienischer Anatom und Physiologe, überrascht, als er feststellte, dass, wenn er tote Froschbeine mit zwei verschiedenen Metallen berührte, die Muskeln der Beine zusammenzogen.

Er konnte den tatsächlichen Grund dafür nicht verstehen, sonst wäre er als der erste Erfinder der Batteriezelle bekannt geworden. Er dachte, die Reaktion könnte auf eine Eigenschaft der Gewebestrukturen zurückzuführen sein.