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Batterie-Prinzip

Für die Herstellung von Chemikalien werden oft große Energiemengen aufgewandt, die dann in den Stoffen gebunden sind und wieder freigesetzt werden können. Ein Beispiel dafür sind Salzsäure und Natronlauge. Beide Substanzen werden mit viel Energieeinsatz hergestellt. Schüttet man sie später (sehr vorsichtig!) zusammen, entwickelt sich starke Wärme, und sie reagieren zu gewöhnlichem Kochsalz und Wasser.

Auch die wichtigen Bestandteile einer Batterie enthalten solche gebundene Energie, und wenn man beispielsweise die Komponenten der Voltaischen Säule (Zink und Kupfer als Elektroden, Lauge als Elektrolyt) feinverteilt zusammenrührt, entsteht Wärme.

Um aber statt Wärme elektrische Energie zu gewinnen, arbeitet man mit dem Trick, die chemische Gesamtreaktion räumlich in Einzelreaktionen aufzutrennen: Das Kupfer wird auf einer Seite, das Zink auf der anderen in die Lauge getaucht, und beide Metalle berühren sich nicht.

Dieser Trick funktioniert zunächst überhaupt nicht, da zwischen den Teilreaktionen Elektronen ausgetauscht werden müssten, damit sie ablaufen können. Die Reaktion an der Kupfer-Elektrode liefert 2 überschüssige Elektronen, die Reaktion an der Zink-Elektrode braucht 2 Elektronen.

Vorher, feinverteilt zusammengerührt, war der Elektronenaustausch möglich, da die Stoffe in direktem Kontakt standen. Durch die räumliche Distanz und die Tatsache, dass die Lauge für Elektronen nicht leitend ist (wohl aber für elektrische Ladung in Form von Ionen), können die Teilreaktionen also nicht ablaufen. Am einen Ende sind zu viele Elektronen, die 'weg' müssen, am anderen Ende fehlen sie.

Metalle sind für Elektronen leitend, auch die beiden verwendeten Elektroden aus Kupfer und Zink. Was liegt also näher, als diese beiden Elektroden mit einem Kabel miteinander zu verbinden? Voila - die Elektronen, also elektrischer Strom, fließen von der einen Elektrode zur anderen, und in der Elektrolyt-Suppe können die chemischen Reaktionen weiter ablaufen.

Diesen Strom können wir Arbeit verrichten lassen. Die verfügbare Spannung und Leistung hängt dabei von der Bauart der Batterie ab. Sobald die elektrische Verbindung zwischen den Elektroden unterbrochen wird - wir unser Gerät ausschalten - kommen die chemischen Reaktionen in der Batterie wieder (fast) zum Stillstand.