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Wie funktioniert eine Batterie?

Ihre Uhr, Ihr Laptop und Ihr Laserpointer werden alle von der gleichen Sache angetrieben: Chemie…

Von Mary Bates

Es gibt viele verschiedene Arten von Batterien, aber sie funktionieren alle nach dem gleichen Grundkonzept. „Eine Batterie ist ein Gerät, das in der Lage ist, elektrische Energie in Form von chemischer Energie zu speichern und diese Energie in Elektrizität umzuwandeln“, sagt Antoine Allanore, ein Postdoktorand am MIT Department of Materials Science and Engineering. „Man kann Elektrizität nicht einfangen und speichern, aber man kann elektrische Energie in den Chemikalien innerhalb einer Batterie speichern.“

Es gibt drei Hauptbestandteile einer Batterie: zwei Anschlüsse aus verschiedenen Chemikalien (typischerweise Metalle), die Anode und die Kathode; und der Elektrolyt, der diese Anschlüsse trennt. Der Elektrolyt ist ein chemisches Medium, das den Fluss der elektrischen Ladung zwischen Kathode und Anode ermöglicht. Wenn ein Gerät an eine Batterie angeschlossen wird – eine Glühbirne oder ein Stromkreis -, finden an den Elektroden chemische Reaktionen statt, die einen Fluss von elektrischer Energie zum Gerät erzeugen.

Genauer gesagt: Bei einer elektrischen Entladung gibt die Chemikalie an der Anode durch eine so genannte Oxidationsreaktion Elektronen an den Minuspol und Ionen im Elektrolyten ab. Währenddessen nimmt die Kathode am Pluspol Elektronen auf, wodurch sich der Stromkreis für den Elektronenfluss schließt. Der Elektrolyt ist dazu da, die verschiedenen Chemikalien der Anode und der Kathode miteinander in Kontakt zu bringen, so dass sich das chemische Potenzial von einem Pol zum anderen ausgleichen kann, wodurch gespeicherte chemische Energie in nützliche elektrische Energie umgewandelt wird. „Diese beiden Reaktionen laufen gleichzeitig ab“, sagt Allanore. „Die Ionen transportieren Strom durch den Elektrolyten, während die Elektronen im äußeren Stromkreis fließen, und das ist es, was einen elektrischen Strom erzeugt.“

Die Batterie produziert so lange Strom, bis ihr die Reaktanten ausgehen (gleiches chemisches Potenzial an beiden Elektroden). Diese Batterien arbeiten nur in eine Richtung, sie wandeln chemische Energie in elektrische Energie um. Bei anderen Batterietypen kann die Reaktion jedoch auch in umgekehrter Richtung erfolgen. Wiederaufladbare Batterien (wie die in Ihrem Handy oder in Ihrem Auto) sind so konstruiert, dass elektrische Energie von einer externen Quelle (das Ladegerät, das Sie in die Steckdose stecken, oder der Dynamo in Ihrem Auto) auf das chemische System angewendet werden kann und dessen Betrieb umkehrt, wodurch die Ladung der Batterie wiederhergestellt wird.

Das Labor der Gruppe Sadoway am MIT arbeitet daran, effizientere Batterien für verschiedene Anwendungen zu entwickeln. Für die Energiespeicherung im großen Maßstab arbeitet das Team an einer Flüssigmetallbatterie, bei der Elektrolyt, Anode und Kathode flüssig sind. Für tragbare Anwendungen entwickeln sie eine Dünnschicht-Polymerbatterie mit einem flexiblen Elektrolyten aus nicht brennbarem Gel. Ein weiteres Ziel des Labors ist es, Batterien aus bisher nicht berücksichtigten Materialien zu bauen, wobei sie sich auf reichlich vorhandene, billige und sichere Substanzen konzentrieren, die das gleiche kommerzielle Potenzial haben wie die beliebten Lithiumbatterien.

Danke an den 18-jährigen Steven Minkus aus Glenview, IL, für diese Frage.

Posted: Mai 1, 2012