Diese Arbeit beleuchtet die Geschichte, Struktur und Funktionsweise der Leclanché-Trockenbatterie, einem wichtigen Meilenstein in der Batterietechnologie. Diese Primärbatterie, entwickelt um 1865 von Georges Leclanché, wurde erstmals 1867 in Paris vorgestellt. Im Gegensatz zu früheren Flüssigkeitszellen besteht sie aus einem elektrolytgefüllten Glasbehälter, der elektrochemisch aktive Elektroden enthält, und einer Elektrolytpaste, die aus Braunstein, Ruß, Ammoniumchlorid und Stärke besteht.
Die Arbeit erläutert detailliert den Ablauf der chemischen Reaktionen an den Elektroden, die zur Energieerzeugung führen, sowie die Einflüsse von Temperatur auf das Lade- und Entladeverhalten der Batterie. Eine Variation dieser Batterie, das Zink-Luft-Element, wird ebenfalls behandelt, ebenso wie Probleme wie das Auslaufen von Elektrolyt und Innovationen zur Verbesserung dieser Problematik.
Die Verwendungsmöglichkeiten der Leclanché-Trockenbatterie werden aufgezeigt, einschließlich ihrer Rolle bei der Stromversorgung tragbarer Geräte wie Taschenlampen, Spielzeug und elektrischer Kleingeräte. Trotz ihrer Einfachheit und geringeren Leistung im Vergleich zu moderneren Batterietechnologien bleibt die Leclanché-Trockenbatterie bis heute ein wichtiger Bestandteil vieler elektrischer Anwendungen.
Leclanché - Element: eine Trockenbatterie
- eine Primärbatterie, d.h. nicht wieder aufladbar
- Begriffe "Trockenbatterie" und "Flüssigkeitsbatterie" beschränken sich auf Primärsysteme; stammen aus der Frühzeit der Entwicklung galvanischer Elemente
- Flüssigkeitszelle: elektrolytgefüllter Glasbehälter, in den elektrochemisch aktive Elektroden eingetaucht wurden
- später entstanden kippsichere, lageunabhängige Zellen, basierend auf pastenförmigen Elektrolyten: Trockenbatterien
- heute alle Primärbatterien gleichzeitig auch Trockenbatterien
- In Gegensatz zu vielen moderneren Batterien nicht quecksilberhaltig, also weniger umweltschädlich, aber auch nicht so leistungsfähig
Geschichte:
- um 1865 entwickelt vom franz. Chemiker Georges Leclanché, 1867 bei Weltausstellung in Paris vorgestellt
- besonders: keine Elektrolytlsg., sondern Elektrolytpaste, dadurch ist die Zelle ,,trocken" und halbwegs auslaufsicher
Bestandteile:
- Zink-Becher (Minuspol)
- Kohlestab (Pluspol) in der Mitte
- umgeben von feuchter Paste aus Braunstein, Ruß (Graphit-Pulver), Ammoniumchlorid und Stärke
- Braunstein (Mangandioxid) - Oxidationsmittel
- Ruß - erhöhen der elektrischen Leitfähigkeit der Zelle · Ammoniumchlorid - Elektrolyt
- Stärke - Verdickung des Gemisches zu einer Paste
Ablauf folgender Reaktionen:
MINUSPOL: Oxidation von Zink:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
PLUSPOL: Reduktion von Mangandioxid:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
- durch Bildung von Hydroxid-Ionen am Pluspol: steigen des pH-Wertes, sinken der Potenzialspannung des Redoxpaares MnOOH/MnO2
- gasförmiges Ammoniak am Pluspol isoliert die Kohle-Elektrode von der Umgebung,
dadurch ansteigend des Widerstands in der Zelle, dadurch Abnahme der Stromstärke nach langem Betrieb
- ,,erholen" der Zelle bei Betriebspause, weil NH3 durch Zelle diffundiert und mit Zink-Ionen am Minuspol zu Aminokomplexen reagiert und dann mit Chloridionen schwer lösliche Salze bildet:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
- außerdem: Bildung von schwer löslichem Zinkhydroxid; ,,altern" des Zinkhydroxids zu Zinkoxid nach einiger Zeit:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
- nach längerer Zeit nicht mehr auslaufsicher; da Zinkbecher porös wird, Wasserbildung bei ,,altern" des Zinkhydroxids, das auslaufen kann
- dadurch ist Zelle auch immer umgeben von einem abgedichteten Stahlmantel
Einflüsse auf die Zelle
- Temperatur hat den größten Einfluß auf das Lade- und Entladeverhalten von Batterien
- Grund: elektrochemische Reaktionen temperaturabhängig
- fallende Temperatur: Abnahme der Geschwindigkeit der Elektrodenreaktion; dadurch sinken von Strom und Batterieleistung bei konstanter Batteriespannung (steigend: umgekehrt)
- ebenfalls temperaturabhängig: Geschwindigkeit des notwendigen Stofftransports innerhalb des Elektrolyten und seiner porösen Elektroden:
- steigende Temperatur - verbessern des Stofftransports (fallend: langsamer)
- im gleichen Sinne verbessert oder verschlechtert sich das Lade-/Entladeverhalten der Batterie
Eine Variation: das Zink-Luft-Element
- Braunstein/Ruß-Gemisch wird durch Aktivkohle/Ruß-Gemisch ersetzt, das mit der Luft in Verbindung steht
- an der katalytisch wirkenden Aktivkohle wird Sauerstoff reduziert: [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]
- Elektrolylsg.: eingedickte Ammoniumchloridlsg. oder Kalilauge
- Einsatz: Stromversorgung von Weidezaungeräten oder Baustellenlampen
Probleme und Innovationen
- ,,Auslaufen" (Elektrolytaustritt) war ärgerliche, entladungsbedingte Nebenerscheinung von Zink-Kohle-Batterien
- seit den 80er Jahren wird verbesserte Version der Zink-Kohle-Batterie angeboten, die Lecks durch eine zusätzliche äußere Papierhülse vermeidet
- seit 1968 außerdem Einsetzung eines anderen Elektrolyten: Zinkchloridlösung anstatt Ammoniumchloridlsg., bei der ein Reaktionsprodukt entsteht, das Wasser bindet:
Zinkchlorid-Batterien
MINUSPOL:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
PLUSPOL:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Gesamtreaktion:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
- das gebildete Wasser wird als Kristallwasser gebunden, kann nicht auslaufen
- weitere Eingrenzung des Auslaufproblems durch Alkali-Mangan-Batterien
Verwendung:
- Zellspannung im unbelasteten Zustand: U = 1,5 V
-sinken der Spannung bei Betrieb
- dienen der elektrischen Energieversorgung tragbarer, netzunabhängiger Geräte
-gehörte bis zum Ende der siebziger Jahre zu den meist benutzten Batterietypen
-heute für Taschenlampen, Spielzeug, elektrische Kleingeräte gebraucht
Häufig gestellte Fragen
Was ist eine Leclanché-Zelle?
Eine Leclanché-Zelle ist eine Trockenbatterie, also eine Primärbatterie, die nicht wiederaufladbar ist. Der Begriff "Trockenbatterie" bezieht sich auf die Verwendung eines pastenförmigen Elektrolyten anstelle einer flüssigen Lösung, was sie lageunabhängiger und kippsicherer macht.
Worin unterscheidet sich eine Leclanché-Zelle von einer Flüssigkeitsbatterie?
Frühe galvanische Elemente verwendeten flüssige Elektrolyte in Glasbehältern. Leclanché-Zellen, auch bekannt als Trockenbatterien, verwenden einen pastenförmigen Elektrolyten, was sie robuster und weniger anfällig für Auslaufen macht.
Ist die Leclanché-Zelle umweltschädlich?
Im Vergleich zu vielen modernen Batterien enthält die Leclanché-Zelle kein Quecksilber und ist daher weniger umweltschädlich, aber auch nicht so leistungsfähig.
Wer hat die Leclanché-Zelle erfunden?
Die Leclanché-Zelle wurde um 1865 von dem französischen Chemiker Georges Leclanché entwickelt und 1867 auf der Weltausstellung in Paris vorgestellt.
Welche Bestandteile hat eine Leclanché-Zelle?
Die Leclanché-Zelle besteht aus einem Zinkbecher (Minuspol), einem Kohlestab (Pluspol) in der Mitte, der von einer feuchten Paste aus Braunstein (Mangandioxid), Ruß (Graphit-Pulver), Ammoniumchlorid und Stärke umgeben ist.
Welche Funktion haben die einzelnen Bestandteile der Leclanché-Zelle?
- Zinkbecher: Minuspol der Batterie
- Kohlestab: Pluspol der Batterie
- Braunstein (Mangandioxid): Oxidationsmittel
- Ruß (Graphit-Pulver): Erhöht die elektrische Leitfähigkeit
- Ammoniumchlorid: Elektrolyt
- Stärke: Verdickt das Gemisch zu einer Paste
Welche Reaktionen laufen in der Leclanché-Zelle ab?
Am Minuspol findet die Oxidation von Zink statt, während am Pluspol Mangandioxid reduziert wird. Die genauen Reaktionsgleichungen finden Sie im Originaltext.
Warum verliert die Leclanché-Zelle nach längerem Betrieb an Leistung?
Durch die Bildung von gasförmigem Ammoniak am Pluspol wird die Kohle-Elektrode isoliert, wodurch der Widerstand in der Zelle steigt und die Stromstärke abnimmt. Die Zelle kann sich in Betriebspausen "erholen", da das Ammoniak mit Zink-Ionen reagiert.
Warum ist die Leclanché-Zelle nicht auslaufsicher?
Nach längerer Zeit kann der Zinkbecher porös werden, und durch die Alterung des Zinkhydroxids kann Wasser entstehen, das auslaufen kann. Daher ist die Zelle oft von einem abgedichteten Stahlmantel umgeben.
Wie beeinflusst die Temperatur die Leistung der Leclanché-Zelle?
Die Temperatur hat einen großen Einfluss auf das Lade- und Entladeverhalten. Fallende Temperaturen verlangsamen die Elektrodenreaktionen und reduzieren Strom und Leistung. Steigende Temperaturen verbessern den Stofftransport im Elektrolyten.
Was ist eine Zink-Luft-Element-Variante der Leclanché-Zelle?
In dieser Variante wird das Braunstein/Ruß-Gemisch durch ein Aktivkohle/Ruß-Gemisch ersetzt, das mit der Luft in Verbindung steht. An der Aktivkohle wird Sauerstoff reduziert. Als Elektrolyt wird eingedickte Ammoniumchloridlösung oder Kalilauge verwendet.
Was sind Zinkchlorid-Batterien und wie unterscheiden sie sich von normalen Leclanché-Zellen?
Zinkchlorid-Batterien verwenden eine Zinkchloridlösung anstelle von Ammoniumchlorid. Dadurch entsteht ein Reaktionsprodukt, das Wasser bindet und das Auslaufproblem reduziert. Das gebildete Wasser wird als Kristallwasser gebunden.
Wofür wird die Leclanché-Zelle verwendet?
Die Leclanché-Zelle liefert eine Zellspannung von etwa 1,5 V und wird zur Stromversorgung tragbarer, netzunabhängiger Geräte wie Taschenlampen, Spielzeug und elektrischer Kleingeräte verwendet.
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- Wenke Christoph (Author), 2000, Trockenbatterie bzw. Leclanché-Element, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/99624
