Zink-Luft-Batterie
Obwohl die Zink-Luft-Batterie so klein ist, schafft sie es, viel Energie über einen langen Zeitraum zu liefern. Alles, was du über diese geniale Erfindung wissen musst, erfährst du hier und im Video !
Inhaltsübersicht
Zink-Luft-Batterie einfach erklärt
Die Zink-Luft-Batterie ist eine kleine, flache und leistungsstarke Batterie. Sie wird häufig als Knopfzelle verwendet, denn trotz ihrer kleinen Form bringt sie eine hohe Energiedichte mit sich.
Das macht sie zu einer perfekten Batterie für beispielsweise Hörgeräte. Dort bietet sie eine optimale Stromversorgung, denn selbst die fast leere Batterie ist noch so leistungsstark wie am Anfang. Das erkennst du an der nahezu waagrechten Entladungskurve.
Sie funktioniert durch eine chemische Reaktion im Inneren der Zelle: Dort reagiert Zinkmetall mit Luftsauerstoff in einer alkalischen Lösung. Die dabei ablaufende Redoxreaktion führt dazu, dass frei werdende chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird.
Zink-Luft-Batterie Aufbau
Der Aufbau der Zink-Luft-Batterie gleicht dem typischen Aufbau einer galvanischen Zelle . Demnach besteht die Batterie aus folgenden Elementen:
- Anode
- Kathode
- Katalysator
- Elektrolyt
- Separator
Im Folgenden erklären wir dir die einzelnen Bestandteile der Zink-Luft-Batterie genauer. Hier siehst du den Zink-Luft-Batterie Aufbau als Knopfzelle:
Anode / Zinkelektrode
Die Anode ist eine Elektrode, die als Oxidationsmittel agiert. Das heißt, sie gibt Elektronen ab (oxidiert) eine andere Substanz, während sie selbst Elektronen aufnimmt (reduziert) wird.
Die Anode der Zink-Luft-Batterie besteht aus Zinkpulver oder aus einem Zinkschwamm. Verhältnismäßig nimmt die Zinkelektrode dabei den größten Teil der Batterie ein. Durch das große Volumen der Anode besitzt die Zink-Luft-Batterie eine so hohe Energiedichte (Energie pro Raumvolumen).
Kathode / Sauerstoffelektrode
Die Kathode ist eine Elektrode, an der eine Reduktion stattfindet.
In der Zink-Luft-Batterie nimmt die Kathode ein deutlich geringeres Volumen ein, als es für andere Batterien typisch ist. Der Grund dafür ist, dass der Sauerstoff, der an der Oberfläche der Kathode reagiert, aus der Umgebungsluft kommt und deswegen keinen Platz in der Batterie braucht.
Die Sauerstoffelektrode ist aus zwei Teilen aufgebaut. Eine Teflonfolie bildet die äußere Schicht der Zink-Luft-Batterie. Sie ist zwar wasserabweisend, lässt aber Sauerstoff aus der Luft in die Batterie hinein. Die innere Schicht ist der Katalysator.
Außerdem sind die zwei Schichten räumlich durch ein Stromableitgitter getrennt.
Katalysator
Der Katalysator hat die Aufgabe, eine Reaktion zu beschleunigen. Dabei verschleißt der Katalysator selbst nicht. Hierzu wird in der Zink-Luft-Batterie häufig ein Kohlenstoffgitter verwendet.
Elektrolyt
Ein Elektrolyt ist ein Stoff, der bewegliche Ionen enthält. Das macht Elektrolyte elektrisch leitfähig. Mit einer Elektrolytlösung im Inneren der Zink-Luft-Batterie ist es möglich, Ionen zwischen der Anode und der Kathode zu transportieren.
Der verwendete Elektrolyt im Inneren der Batterie ist Kalilauge. Neben der Erhöhung der Ionenleitfähigkeit sorgt die Kalilauge zusätzlich dafür, dass die Zelle nicht austrocknet.
Separator
Der Separator ist dazu da, die Kathode räumlich von der Anode zu trennen. Das ist unter anderem wichtig, um interne Kurzschlüsse zu vermeiden. Der Separator muss aber gleichzeitig für Ionen durchlässig sein, damit die elektrochemischen Reaktionen in der Batterie ablaufen können. Häufig dienen Vliesstoffe oder dünne Membranen als Separator.
Zink-Luft-Batterie Funktionsweise
Durch die Redoxreaktion im Inneren der Zink-Luft-Batterie entsteht eine elektrische Spannung. In der Theorie beträgt die Spannung maximal 1,65 Volt. Tatsächlich liegt die Spannung aber zwischen ungefähr 1,35 bis 1,4 Volt. Grund dafür ist die beschränkte Luftzufuhr in der Zelle.
Entladung
Beim Entladevorgang der Zink-Luft-Batterie oxidiert Zinkmetall mit Luftsauerstoff in einem alkalischen Elektrolyten. Hier siehst du die Redoxreaktion mit den einzelnen Reaktionsvorgängen, die bei der Entladung ablaufen:
| Reaktionsvorgang | Gleichung |
| Oxidation (an der Anode) | 2 Zn + 8 OH– → 2 Zn(OH)42- + 4e– |
| Elektrolyt | 2 Zn(OH)42- → 2 ZnO + 2 H2O + 4 OH– |
| Reduktion (an der Kathode) | O2 + 2 H2O + 4e– → 4 OH– |
| Gesamt: Redoxreaktion | 2 Zn + O2 → 2 ZnO |
Ladung
Die Zink-Luft-Batterie gehört zu den Primärzellen. Das heißt, dass sie im Gegensatz zu den Sekundärzellen in der Praxis nicht wieder aufladbar ist. Allerdings gibt es ein paar Änderungen in der Bauform der Batterie, die ein elektrisches Aufladen theoretisch möglich machen.
Dazu muss beispielsweise ein wässriger Elektrolyt verwendet werden. Das Problem ist, dass sich dabei Zinkablagerungen an der Anode bilden, die sich Dendriten nennen.
Dendriten sind metallische Nadeln, die zu Kurzschlüssen in der Batterie führen können. Eine weitere Folge der Dendritenbildung ist die Passivierung der Anode. Damit ist die Entstehung einer nichtmetallischen Schutzschicht auf der Zinkelektrode gemeint. Die Passivierung verhindert eine weitere Oxidation an der Anode, was dazu führt, dass die Batterie nicht mehr entladen werden kann. Somit ist sie nicht mehr zu gebrauchen.
Die Redoxreaktion bei der Ladung kannst du aus chemischer Sicht trotzdem darstellen:
| Reaktionsvorgang | Gleichung |
| Oxidation (an der Anode) |
4 OH– → O2 + 2 H2O + 4e– |
| Reduktion (an der Kathode) |
2 ZnO +2 H2O + 4e– → 2 Zn + 4 OH– |
| Gesamt: Redoxreaktion | 2 ZnO → 2 Zn + O2 |
Mittlerweile haben Wissenschaftler es geschafft, mit dem Austausch des Elektrolyten einen zuverlässigen Zink-Luft-Akku zu erfinden. Dabei wurde die Reaktion so verändert, dass im Zink-Luft-Akku eine ganz andere chemische Reaktion abläuft. Zusätzlich weist der Akku eine höhere chemische Stabilität auf als die Zink-Luft-Batterie.
Zink-Luft-Batterie — häufigste Fragen
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Wo verwendet man Zink-Luft-Batterien?
Zink-Luft-Batterien werden hauptsächlich in Hörgeräten verwendet. In größeren Formen sind sie auch in Elektrozäunen oder Straßenlaternen zu finden.
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Wie viel Volt hat eine Zink-Luft-Batterie?
Theoretisch hat die Zink-Luft-Batterie maximal 1,65 Volt. Der tatsächliche Wert liegt allerdings zwischen 1,35 und 1,4 Volt.
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Wie funktioniert eine Zink-Luft-Batterie?
Eine Zink-Luft-Batterie funktioniert durch eine Redoxreaktion im Inneren der Zelle, bei der Zinkmetall mit Luftsauerstoff in einer alkalischen Lösung reagiert. Dabei wird chemische Energie spontan in elektrische Energie umgewandelt. Die Redoxgleichung lautet: 2 Zn + O2 → 2 ZnO.
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Welche Vorteile haben Zink-Luft-Batterien?
Zink-Luft-Batterien besitzen eine annähernd waagerechte Entladungskurve sowie eine besonders hohe Energiedichte. Sie bestehen aus Zink, das relativ günstig ist und in der Natur häufig vorkommt. Die Batterien sind lange haltbar und lagerbar. Nicht zuletzt sind sie umweltfreundlicher und sicherer als einige andere Batterien.
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Welche Nachteile haben Zink-Luft-Batterien?
Bei der Wiederaufladung entstehen in der Zink-Luft-Batterie Dendriten, die zu Kurzschlüssen führen können. Außerdem sind sie chemisch gesehen nicht sehr stabil.
Galvanische Zelle
Spitze! Jetzt weißt du, wie die Zink-Luft-Batterie funktioniert! Es gibt jedoch noch mehr Systeme, in denen chemische Energie in elektrische umgewandelt wird. So ein System besteht immer aus einer Anode, einer Kathode sowie einem Elektrolyten. Du nennst solche Systeme auch Galvanische Zelle. Wenn du mehr darüber wissen willst, schau bei unserem Video vorbei!
