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Die Batterie kennenlernen
Aug 24, 2018

Erkenne die Stärke der Batterie und lerne, mit ihrer Schwäche zu leben.

 

Die Natur bietet viele Möglichkeiten, Energie zu erzeugen. Die meisten resultieren durch Verbrennung, mechanische Bewegung und Photosynthese, wie in einer Solarzelle. Die elektrische Energieerzeugung der Batterie entwickelt sich durch eine elektrochemische Reaktion zwischen zwei Metallen unterschiedlicher Affinität. Wenn sie Säuren ausgesetzt werden, entwickelt sich eine Spannung zwischen den Metallen als Teil des Ionentransfers; Schließen der Schaltung induziert einen Strom. Im Jahr 1800 entdeckte der Erfinder Alessandro Volta, dass das Spannungspotential stärker wurde, je weiter die Affinitätszahlen voneinander entfernt waren.

 

Die einfachste Manifestation einer Batterie ist eine Zitrone. Ein verzinkter Nagel und eine Kupfermünze in eine Zitrone zu treiben erzeugt eine Spannung, aber diese Quasi-Batterie liefert nicht viel Energie. Das Stromversorgungssystem ist schwach und jede elektrische Last verursacht einen Zusammenbruch der Spannung. Die Energie kommt nicht von der Zitrone selbst, sondern von der chemischen Veränderung beim Lösen von Zink in den Säure- oder Zitronensaft. Abbildung 1 zeigt die Zitronenbatterie.

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Abbildung 1: Zitronenbatterie

Das Experiment wird oft für Bildungszwecke verwendet. Die Elektroden sind Zink in Form eines galvanisierten Nagels und Kupfer in einer Münze. Der Zitronensaft wirkt als Elektrolyt, um eine chemische Reaktion auszulösen.

 

Standardpotential von Zink = -0,76

Standardpotential von Kupfer = 0,34

Zellpotential mit Leitweg = 1,10 V

 

Elemente mit dem größten negativen Elektrodenpotential dienen als Kathoden; diejenigen mit dem höchsten positiven Potential helfen als Anoden. Der Unterschied zwischen den Elektroden liefert die Klemmenspannung. Damit eine wiederaufladbare Batterie praktisch ist, müssen die chemischen Reaktionen zwischen den Elementen reversibel sein. Um die Sache weiter zu komplizieren, können chemische Reaktionen zwischen Verbindungen die aktiven Chemikalien nicht verbrauchen, und dies begrenzt den Pool geeigneter Elektroden.

 

Multiplikation der Spannung mit dem Strom liefert Strom. Die Leistung wird in Watt zu Ehren von James Watt, dem Entwickler der Dampfmaschine aus dem 18. Jahrhundert, gemessen. Die Energiemenge, die eine Batterie speichern kann, wird in Wattstunden (Wh) ausgedrückt.

 

Alle Energiequellen haben ihre Grenzen und die Energie muss sorgfältig genutzt werden, um keine Überlastung zu verursachen. Eine Analogie ist ein Fahrradfahrer (Abbildung 2), der die beste Getriebeübersetzung wählt, um die Kraft in den Antrieb zu übertragen. Auf einer flachen Straße liefert ein hoher Gang hohe Geschwindigkeit mit einem moderaten Pedaldrehmoment, das Hochspannung simuliert. Bei einem Hügel steigt das Pedaldrehmoment, während die Geschwindigkeit abnimmt. Dies führt in unserer Analogie zu einer niedrigeren Spannung und einem höheren Strom. Die Pedalkraft, die der Fahrer ausübt, bezieht sich auf das Drehmoment in Newtonmeter (Nm); die Ausdauer vor Erschöpfung definiert Energie in Wattstunden (Wh).

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Abbildung 2: Analogie eines Fahrradfahrers.

Energie ist das Produkt von Kraft und Zeit, gemessen in Wattstunden (Wh); Energie ist der Energiefluss zu jeder Zeit, gemessen in Watt.

 

Eine Batterie wird in Amperestunden (Ah) bewertet. Dies gibt an, wie viel Ladung ein Paket aufnehmen kann. Wie bei einer Flüssigkeit in einem Behälter kann die Energie langsam über einen langen Zeitraum oder schnell in kurzer Zeit abgegeben werden. Die Menge an Flüssigkeit, die ein Behälter enthält, ist analog der Energie in einer Batterie; Wie schnell die Flüssigkeit abgegeben wird, ist analog zur Kraft.

 

Die physikalischen Abmessungen sind nach Volumen in Liter (l) und Kilogramm (kg) angegeben. Das Hinzufügen von Maß und Gewicht liefert spezifische Energie in Wh / kg, Leistungsdichte in W / l und spezifische Leistung in W / kg. Die meisten Batterien sind in Wh / kg eingestuft und geben an, wie viel Energie ein bestimmtes Gewicht erzeugen kann. Wh / l bezeichnet Wattstunden pro Liter.

 

Batterien sind für eine bestimmte Verwendung maßgeschneidert, und die Hersteller sind gut auf die Bedürfnisse der Kunden abgestimmt. Handy- und EV-Märkte sind Beispiele für clevere Anpassungen bei entgegengesetzten Extremen. Während Batterien für Verbraucherprodukte eine kleine Größe, hohe spezifische Energie und niedrige Kosten hervorheben, streben Industriebatterien nach zuverlässiger Leistung und langer Lebensdauer. Sicherheit in allen Anwendungen ist von größter Bedeutung.


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