Batterie (Elektrotechnik)

Eine Batterie ist ein Speicher für elektrische Energie auf elektrochemischer Basis. Ein Akkumulator ist eine wiederaufladbare Batterie.

Im Gegensatz zur Batterie speichert ein Kondensator elektrische Energie in einem elektrischen Feld, wodurch er wesentlich schneller aufgeladen und entladen werden kann, aber nicht in der Lage ist, die Spannung während der Entladung konstant zu halten.
Hybrid- bzw. Superkondensatoren können die elektrische Energie sowohl statisch wie auch auf chemische Weise im Rahmen einer reversiblen Redoxreaktion speichern.

Begriff 
Der Begriff „Batterie“ ist aus dem Sprachgebrauch des Militärs entnommen, wo es eine Zusammenstellung mehrerer Geschütze bedeutet. Analog dazu wurde eine Zusammenschaltung mehrerer galvanischer Zellen mit diesem Begriff belegt. Ab der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts dehnte sich die Verwendung des Begriffs „Batterie“ auch auf einzelne Primär- oder Sekundärzellen aus. Der geschilderte Wandel des Sprachgebrauchs wurde in der DIN-Norm 40729 Akkumulatoren; Galvanische Sekundärelemente; Grundbegriffe angesprochen, die zunächst unter Batterie „immer mehrere verbundene Zellen“ verstand, wobei diese Begrifflichkeit sich bei der alltäglichen „Unterscheidung jedoch verwischt“ habe.

„Batterie“ ist heute sowohl der Oberbegriff für Energiespeicher als auch im engeren Sinne die Bezeichnung für eine Primärbatterie, die nicht wiederaufladbar ist. Aufladbare Batterien werden Sekundärbatterie oder  landläufig Akkumulator (kurz Akku) genannt.

Man unterscheidet nach dem Batteriegesetz (BattG) weiter:
 Starterbatterien, die für die Zündung, das Anlassen (Starten) und die Beleuchtung von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Diese Batterien sind sehr häufig Blei-Säure-Batterien (Blei-Säure-Akkumulatoren).
 Industriebatterien, die im Gewerbe, der Landwirtschaft sowie für den Antrieb von Elektro- und Hybridfahrzeugen genutzt werden (Antriebsbatterien) und ebenso für stationäre, ortsfeste Anwendungen wie beispielsweise unterbrechungsfreie Stromversorgungen. Diese Batterien sind immer Akkumulatoren (Sekundär-Batterien).
 Gerätebatterien, die zur Stromversorgung kleiner, meist tragbarer Geräte dienen, beispielsweise von Uhren, Radios, Spielzeug, Taschenlampen u. ä., aber auch von fest installierten Geräten wie z. B. Rauchmeldern. Meistens kommen Standardbauformen zum Einsatz. Diese Batterien sind nicht wiederaufladbar (Primär-Batterien).Gerätebatterien müssen kompakt, lageunabhängig einsetzbar, leicht und trotzdem mechanisch robust sein. Bei normaler Lagerung und Verwendung im Gerät dürfen sie weder auslaufen noch ausgasen. Sie sind in einer Vielzahl von Ausführungen auf der Basis von Zink-Kohle oder Alkali-Mangan im Handel erhältlich. Zink-Kohle-Batterien werden seit den 2000er Jahren immer seltener angeboten und heute kaum noch hergestellt.

Geschichte 

Als Batterien gedeutete antike Gefäßanordnungen wie die „Bagdad-Batterie“ hätten durch ein Zusammenspiel von Kupfer, Eisen und Säure eine elektrische Spannung von circa 0,8 V erzeugen können. Ob diese Gefäße zum damaligen Zeitpunkt vor etwa 2.000 Jahren als Batterien im heutigen Sinn verwendet wurden, ist umstritten und konnte nicht zweifelsfrei nachgewiesen werden.

Im Jahr 1780 bemerkte der italienische Arzt Luigi Galvani, dass ein Froschbein, das in Kontakt mit Kupfer und Eisen kam, immer wieder zuckte, und hielt das für eine elektrische Wirkung. Das erste funktionierende galvanische Element und damit die erste Batterie wurde in Form der Voltaschen Säule im Jahr 1800 von Alessandro Volta erfunden. Es folgten in den Folgejahren konstruktive Verbesserungen wie die Trog-Batterie von William Cruickshank, die den Nachteil des vertikalen Aufbaus der Voltaschen Säule vermied. 1803 folgte durch Johann Wilhelm Ritter, Begründer der Elektrochemie und Erstbeschreiber des Prinzips der Batterie schon vor 1800 durch Volta, mit der Ritterschen Säule der erste Akkumulator, kurz Akku.  Historisch wird zwischen Trockenbatterien – mit festem oder gelartigem Elektrolyt – und den heute nicht mehr gebräuchlichen Nassbatterien – mit flüssigem Elektrolyt – unterschieden.

Zu den historischen Nassbatterien, die nur in bestimmter Lage betrieben werden können, zählen das Daniell-Element von John Frederic Daniell aus dem Jahre 1836 und die verschiedenen Variationen und Bauformen in Form der Gravity-Daniell-Elemente, das Chromsäure-Element von Johann Christian Poggendorff aus dem Jahre 1842, das Grove-Element von William Grove aus dem Jahre 1844 und das Leclanché-Element von Georges Leclanché aus dem Jahr 1866. Einsatzbereich dieser galvanischen Nasszellen war primär die Stromversorgung der drahtgebundenen Telegrafiestationen. Aus dem Leclanché-Element gingen über mehrere Entwicklungsschritte die noch heute üblichen lageunabhängigen Trockenbatterien hervor. Erste Arbeiten dazu stammen von Carl Gassner, der die Trockenbatterie im Jahre 1887 patentieren ließ. Im Jahr 1901 setzte Paul Schmidt in Berlin erstmals die Trockenbatterie bei Taschenlampen ein.

Kommerziell am bedeutendsten sind heutzutage Sekundärbatterien, darunter spielen der Blei-Säure-Akkumulator und der Lithium-Ionen-Akkumulator die größte Rolle. Aufgrund der geringen Kosten und geringeren Selbstentladung werden Primärbatterien weiterhin für viele kleinere Geräte wie Taschenlampen und Uhren eingesetzt. Unter den Primärbatterien hat die Alkali-Mangan-Zelle den größten Anteil.

Grundlagen 

Eine Batterie ist eine elektrische oder galvanische Zelle und somit ein elektrochemischer Energiespeicher und ein Energiewandler. Bei der Entladung wird gespeicherte chemische Energie durch die elektrochemische Redoxreaktion in elektrische Energie umgewandelt. Diese kann von einem vom Stromnetz unabhängigen elektrischen Verbraucher genutzt werden. Alternativ kann sie auch in einem vom Stromnetz abhängigen Verbraucher eingesetzt werden, um kurzzeitige Netzausfälle zu überbrücken und so eine unterbrechungsfreie Stromversorgung sicherstellen.

Primärzellen können nur einmal entladen und nicht wieder aufgeladen werden. In manchen Zellen sind die bei der Entladung ablaufenden chemischen Reaktionen teilweise umkehrbar. Der Energiegehalt des Neuzustands kann bei Primärbatterien nicht wiederhergestellt werden, während dies bei wiederaufladbaren Sekundärbatterien (Akkumulatoren) mehrere hundert Male annähernd möglich ist.
Abweichend von der grundsätzlichen Systematik werden wiederaufladbare alkalische Zellen manchmal dennoch zu den Primärzellen gezählt.

Die Elektrodenmaterialien legen die Nennspannung der Zelle fest, die Menge der Materialien die enthaltene Energie.

Wichtige Begriffe in Bezug auf die elektrischen Eigenschaften einer Batteriezelle sind:

 Kapazität
 Als Kapazität wird die in einer Batterie gespeicherte elektrische Ladung bezeichnet, die nicht zu verwechseln mit der elektrischen Kapazität ist. Die Kapazität einer Batterie wird in der Dimension der elektrischen Ladung in Amperestunden (Einheitenzeichen: Ah), oder seltener in Amperesekunden (As) oder Coulomb (C; 1 As entspricht 1 C) angegeben.
 Energieinhalt
 Als Energieinhalt wird die in einer Batterie gespeicherte Energie (elektrische Arbeit) bezeichnet. Umgangssprachlich wird der Energieinhalt auch als Kapazität bezeichnet.  Die physikalische Einheit des Energieinhalts ist die Wattsekunde oder Joule (J; 1 Ws entspricht 1 J). Die spezifische Energie, also die Energie pro Masse oder pro Volumen ist jedoch eine typische Kenngröße von Batteriesystemen und oftmals in Datenblättern der Hersteller angeführt. Eine Einschätzung je nach Typ geben Diagramme vergleichender Energieangaben (siehe Diagramm). Die spezifische Energieeinheit ist Ws/m³ oder Ws/kg (entspricht J/m³ oder J/kg).
 Leistung
 Die Leistung einer Batterie/Batteriezelle ist die elektrische Energie, die in einer Zeitspanne entnommen wird, bezogen auf diese Zeitspanne. Sie wird in Watt (W) angegeben und ist das Produkt aus Entladestrom und Entladespannung.
 Selbstentladung
 Alle galvanischen Zellen unterliegen bei Lagerung einer Selbstentladung. Die Geschwindigkeit der Selbstentladung hängt unter anderem vom Batterietyp und der Temperatur ab. Je niedriger die Lagertemperatur, desto geringer ist die Selbstentladung.

Die schwächste Zelle bestimmt die Qualität einer Batterie. In einer Reihenschaltung bricht die Spannung unter Last eher zusammen, weil stärkere, noch geladene Zellen Strom durch schwächere, schon entladene Zellen treiben, an denen dann bereits ein Teil der Spannung abfällt. Deren erhöhter Innenwiderstand führt nach dem Ohmschen Gesetz zu einer Zellerwärmung, ohne dass die elektrische Energie nutzbar ist.

Typen 
Aufgrund der vielfältigen Einsatzbereiche mit sehr unterschiedlichen Anforderungen bezüglich Spannung, Leistung und Kapazität gibt es heute Batterien in vielen Typen. Diese werden unterschieden beispielsweise
 nach chemischer Zusammensetzung
 nach Baugröße / Bauform
 nach elektrischen Kenngrößen (Spannung, Kapazität …)

Nach chemischer Zusammensetzung 

Die verschiedenen Typen werden nach den eingesetzten Materialien bezeichnet:

 Standardbatterien (Basis: Zink-Mangan)
 Alkali-Mangan-Batterie; 1,5 V Nennspannung pro Zelle
 Zinkchlorid-Batterie; 1,5 V pro Zelle (nahezu vollständig durch Alkali-Mangan-Batterie ersetzt)
 Zink-Kohle-Batterie; 1,5 V pro Zelle (in Europa nahezu vollständig durch Alkali-Mangan-Batterie ersetzt, abgesehen von einigen größeren Bauformen wie z. B. Laternenbatterien)
 Spezialbatterien
 Zink-Luft-Batterie; 1,4 V pro Zelle
 Quecksilberoxid-Zink-Batterie; 1,35 V pro Zelle
 Silberoxid-Zink-Batterie; 1,55 V pro Zelle
 Nickel-Oxyhydroxid-Batterie; 1,7 V pro Zelle
 Lithiumbatterien; je nach Kathodenmaterial 1,8 V (FeS2) bis 3,7 V (SOCl2)
 Lithium-Eisensulfid-Batterie; 1,5 V pro Zelle
 Aluminium-Luft-Batterie; 1,2 V pro Zelle
 Biobatterie auf Basis Magnesium/NaCl/Eisen+Molybdän+Wolfram, im Körper zersetzlich
 Historische Batterien
 Edison-Lalande-Element; 0,75 V pro Element
Darüber hinaus werden im experimentellen Bereich und zur Veranschaulichung des Funktionsprinzips der zugrunde liegenden chemischen Redoxreaktion recht exotische galvanische Zellen eingesetzt, zum Beispiel Zitronenzellen.

Nach Baugröße / Bauform 

Es gibt sehr viele von der IEC genormte Typen und einige Bezeichnungen vom ANSI sowie inoffizielle Namen, insbesondere für die neun gängigsten Kategorien.

Dies hat zur Folge, dass ein und dasselbe Batteriemerkmal durch unterschiedliche Bezeichnungen spezifiziert werden kann (siehe dazu Tabelle Beispiele). So bezeichnet etwa LR6 eine Alkali-Mangan-Batterie der Baugröße AA. Diese Baugröße heißt aber auch Mignon oder R6.

Zylindrische Batterien, deren Gesamthöhe kleiner ist als der Gesamtdurchmesser, werden als Knopfzellen bezeichnet.

Bezeichnungen nach IEC-60086 
Bei den IEC-60086-Bezeichnungen steht
 R für round, also zylindrische Zellen,
 F für flat, also eine flache Bauform,
 S für square, also eine eckige Bauform.

Diesen Buchstaben kann ein weiterer Buchstabe vorangestellt sein, um die Batterien nach ihrer chemischen Zusammensetzung zu kennzeichnen:

Diesen Buchstaben kann eine Zahl vorangestellt sein, um die Anzahl der in Reihe geschalteten Zellgrößen im Gehäuse anzugeben.

Mit nachgestellten Zeichen werden abweichende Bau- und Anschlussarten bzw. abweichende elektrische Charakteristiken gekennzeichnet.

Beispiele

Frühere Benennung, bis etwa 1950 
Bis etwa 1950 unterschied man
 galvanische Zelle: konkrete Kombination aus Elektroden und Elektrolyt;
 galvanisches Element: in einen Behälter eingeschlossene gebrauchsfertige Zelle;
 (galvanische) Batterie: Zusammenschaltung mehrerer Zellen zu einer Einheit.
Galvanische Elemente und Batterien wurden kurz galvanische Stromerzeuger genannt und waren in VDE 0807 normiert.

Die Unterscheidungen schlugen sich in der Benennung von galvanischen Stromerzeugern nieder. Diese bestand aus zwei oder drei Buchstaben, der Nennspannung sowie ggf. der Anzahl der Zellen:
 erster Buchstabe: E für Element, B für Batterie;
 zweiter Buchstabe: A bis R je nach geometrischer Form der Zelle (zylindrisch oder quaderförmig), X oder Y bei Nasselementen zur Unterscheidung der Größe (weil hier nicht zwischen Zelle und Element unterschieden wird);
 dritter Buchstabe: für Ausführung der Zelle (T Trockenzelle, F Füllbraunstein, L Trocken-Luftsauerstoff);
 bei Batterien mit je zwei oder mehr parallelgeschalteten Zellen wurde deren Anzahl vor den Zellenbezeichner gesetzt.

Beispiele:
 ELF: Element aus Zelle L (zylindrisch mit 50 mm Durchmesser) in Füllbraunsteinausführung
 BD 90: Batterie aus Zellen D (zylindrisch mit 19,6 mm Durchmesser) mit 90 V Nennspannung
 B 2 J 4,5: Batterie aus zwei parallelgeschalteten Zellen J (zylindrisch mit 31,5 mm Durchmesser) mit 4,5 V Nennspannung
 BH 4,5: Flachbatterie (30 × 87 × 95 mm) mit 4,5 V Nennspannung

Adapter und Kontaktierung 
Nicht jeder Batterietyp ist überall erhältlich. Deshalb gibt es zum Beispiel Flachbatterie-Adapter, die drei AA-Zellen zu je 1,5 V aufnehmen. Diese lassen sich in allen Geräten verwenden, in die auch eine 4,5-V-Flachbatterie (3R12) hineinpasst. Nützlich sind diese Adapter auch, weil es keine wiederaufladbaren Flachbatterien gibt.

Die Kontaktierung kleiner Batterien erfolgt mit Federkontakten, zuverlässigere Ausführungen sind vergoldet. Fest eingebaute Akkumulatoren sind mit Steckkontakten, Schraubanschlüssen, Polbolzen oder Lötfahnen versehen.

Konfektionierte wiederaufladbare Batterien, sogenannte Akkupacks, bestehen aus mehreren Zellen, die untereinander fest verbunden und oft mit einer Ummantelung oder einem Gehäuse versehen sind. Bei Starterbatterien sind die Zellen untereinander mit Bleistegen, bei Antriebsbatterien in der Regel mit Kupferverbindern kontaktiert.

Entsorgung 

Batterien und Akkumulatoren gehören nicht in den Restmüll oder in die Umwelt, da sie umweltschädliche und zudem erneut nutzbare Rohstoffe enthalten, die das Batterierecycling für entsprechende Unternehmen wirtschaftlich attraktiv machen. Auch ausgelaufene Batterien sollten mit Vorsicht behandelt werden, da sich teils ätzende Substanzen an den Kontakten befinden. Sie müssen ebenfalls einem Recycling zugeführt werden und gelten als Problemstoff.

In Deutschland regelt die Batterieverordnung die Rücknahme und Entsorgung von Batterien. Sie legt unter anderem fest, dass in Deutschland keine Batterien oder Zellen mit einem Quecksilbergehalt von mehr als 0,0005 Gewichtsprozent in den Verkehr gebracht werden dürfen. Bei Knopfzellen darf der Quecksilbergehalt nicht über 2,0 Gewichtsprozent liegen. Alkali-Mangan-Batterien enthalten seit Beginn der 1990er Jahre kein Quecksilber mehr. Davor wurde es zum Amalgamieren des Elektrodenmaterials Zink verwendet. Pole von Lithium-Batterien müssen vor Entsorgung abgeklebt werden.

Kleine Batterien können in Deutschland in Einzelhandelsgeschäfte zurückgebracht werden, wenn diese auch Batterien verkaufen. Gesetzlich verpflichtend ist zwar nur die Rücknahme von Batterietypen, die der jeweilige Händler im Sortiment führt; es werden aber üblicherweise auch „fremde“ Typen akzeptiert, da dem Händler dadurch keine Nachteile oder Kosten entstehen. Zu diesem Zweck müssen dort Sammelbehälter aufgestellt sein.

Schadstoffhaltige Batterien sind zusätzlich mit chemischen Zeichen versehen.
 Pb: Batterie enthält mehr als 0,004 Masseanteil Blei
 Cd: Batterie enthält mehr als 0,002 Masseanteil Cadmium
 Hg: Batterie enthält mehr als 0,0005 Masseanteil Quecksilber

Abfallmenge 
Die üblichen Akku- und Batteriearten (Zink-Kohle-Batterie, Alkaline-Batterie, Lithiumbatterie, NiMH-Akkumulator) unterscheiden sich in der Menge an Abfall, die sie im Verhältnis zu ihrer Kapazität verursachen.

Visualisierung der Müllmengen bei einer Verbrauchsannahme von 40 Wh pro Haushalt:

Wiederverwertung 

Für Starterbatterien existiert in Deutschland seit dem Jahr 2009 ein Pfandsystem. Daher werden beinahe 100 Prozent der Bleiakkumulatoren in Deutschland gesammelt und wiederverwertet.

Literatur 
 Lucien F. Trueb, Paul Rüetschi: Batterien und Akkumulatoren – Mobile Energiequellen für heute und morgen. Springer, Berlin 1998, ISBN 3-540-62997-1.
 David Linden, Thomas B. Reddy (Hrsg.): Handbook of Batteries. 3. Auflage. McGraw-Hill, New York 2002, ISBN 0-07-135978-8 (englisch).
 Clive D. S. Tuck (Hrsg.): Modern Battery Technology. Ellis Horwood, New York 1991, ISBN 0-13-590266-5 (englisch).
 Philipp Brückmann: Autonome Stromversorgung – Auslegung und Praxis von Stromversorgungsanlagen mit Batteriespeicher. Ökobuch, Staufen 2007, ISBN 978-3-936896-28-2.
 Werner Döring: Einführung in die Theoretische Physik, Band II. Göschen, Berlin 1965 (speziell das Kapitel über Batterien).
 Michael Sterner, Ingo Stadler (Hrsg.): Energiespeicher. Bedarf, Technologien, Integration. 2. Auflage, Berlin/Heidelberg 2017, ISBN 978-3-662-48893-5.

Weblinks 

 Ratgeber. Batterien und Akkus. Herausgegeben vom Umweltbundesamt, umfangreiche Info-Broschüre (PDF; 3,4 MB).
 Geschichte der elektrischen Energiespeicherung.
 Geschichte der elektrischen Batterien, Geschwister-Scholl-Gymnasium Wetter (Ruhr).
 PowerStream Battery Chemistry FAQ (englisch).
 Ihre Batterien – unsere Verantwortung, Stiftung Gemeinsames Rücknahmesystem Batterien.
 Technische Daten und Vergleichslisten für Knopfzellen und Batterien (PDF; 641 kB).
 Batteriegesetz vom 25. Juni 2009 (PDF; 112 kB).
 Allgemeine Hinweise für Akkus und Batterien. Hinweispflichten gem. § 18 BattG (PDF; 82 kB).
 Mignon LR6 Batterien im Test. Kapazitätsmessungen von Marken-Mignon-Batterien mit verschiedenen Stromstärken (2010).
 Testberichte und Test-Vergleiche von Akkus & Batterien. Testberichte sowie Vergleiche von handelsüblichen Akkus & Batterien

Einzelnachweise 

 
Geschichte der Elektrotechnik
Wikipedia:Artikel mit Video