Zink-Luft-Batterie

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Zink-Luft-Batterien
Batterietypen welche als Hörgerätebatterien verwendung finden
Blau (675), PR44, 11,56 mm × 5,33 mm
Orange (13), PR48, 7,80 mm × 5,35 mm
Braun (312), PR41, 7,80 mm × 3,45 mm
Gelb (10), PR10, 5,80 mm × 3,55 mm
Rot (5), PR5, 5,80 mm × 2,16 mm

Eine Zink-Luft-Batterie ist eine Primärzelle, d. h. elektrische Einweg-Zelle (umgangssprachlich meist einfach nur als „Batterie“ bezeichnet), deren Spannung von theoretisch maximal 1,60 V aufgrund einer Zink-Sauerstoff-Reaktion entsteht. Die praktisch erreichbare Ruhespannung liegt jedoch bei nur 1,35 bis 1,4 V, da die Sauerstoffreduktion an der Kathode stark gehemmt ist. Damit liegen Zink-Luft-Batterien im gleichen Spannungsbereich wie die nicht mehr hergestellten Quecksilberoxid-Zink-Batterien und haben diese bei der Anwendung in Hörgeräten (siehe auch Hörgerätebatterie) ersetzt. Die Zink-Luft-Batterie wurde vor allem aufgrund des Rohstoffmangels nach dem Zweiten Weltkrieg entwickelt. Heute bietet sie in der Bauform als Knopfzelle durch besonders hohe Energiedichte und eine annähernd waagerechte Entladungskurve die optimale Stromversorgung für analoge und digitale Hörgeräte.

Nachdem im Zuge der Brennstoffzellenentwicklung hochbelastbare Gasdiffusionselektroden in Folienform entstanden sind[1], werden auch Zink-Luft-Akkumulatoren möglich.

Entladung

Schnittdarstellung

In der Zink-Luft-Batterie wird Zinkmetall mit Luftsauerstoff in einem alkalischen Elektrolyten zum Oxid oder Hydroxid oxidiert und die dabei freiwerdende Energie elektrochemisch genutzt. Es laufen die folgenden Reaktionen ab:

Gleichung[2]
Anode $ \mathrm{2\ Zn + 8\ OH^- \to 2\ Zn(OH)_4^{2-} + 4\ e^-}\quad (\mathrm{E^ 0} = -1.199\,\mathrm{V}) $[3]
Oxidation / Elektronenabgabe
Elektrolyt $ \mathrm{2\ Zn(OH)_4^{2-} \to 2\ ZnO + 2\ H_2O + 4\ OH^-} $
Kathode $ \mathrm{O_2 + 2\ H_2O + 4\ e^- \to 4\ OH^-}\quad (\mathrm{E^ 0} = 0.401\,\mathrm{V}) $[4]
Reduktion / Elektronenaufnahme
Gesamtreaktion $ \mathrm{2\ Zn + O_2 + 2\ H_2O \to 2\ Zn(OH)_2}\quad (\Delta U = 1.6\,\mathrm{V}) $
Redoxreaktion / Zellreaktion

Eine Wiederaufladbarkeit kann erreicht werden, wenn das umgesetzte Metall mechanisch ersetzt wird, womit eine Variante einer Brennstoffzelle mit festem Brennstoff vorliegt. Solche Systeme werden seit den 1970er Jahren auf ihre Eignung in Elektrofahrzeugen geprüft, haben sich bisher jedoch noch nicht bewähren können.

Eine elektrische Wiederaufladung wäre weniger aufwändig und damit benutzerfreundlicher. Ein Wiederaufladen der Zink-Elektrode ist in einem wässrigen alkalischen Elektrolyten möglich; dabei bilden sich aber Dendriten, die zu Kurzschlüssen führen. Außerdem muss eine bifunktionale, poröse Gasdiffusionselektrode verwendet werden. Bifunktional heißt, dass sie zur Reduktion des Luftsauerstoffs und zur Oxidation des Entladungsprodukts (OH) an der Dreiphasengrenze Festelektrode – Flüssigelektrolyt – Gasraum fähig sein muss.

Ladung

Gleichung
Anode $ \mathrm{4\ OH^- \to O_2 + 2\ H_2O + 4e^-} $
Oxidation / Elektronenabgabe
Kathode $ \mathrm{2\ ZnO + 2\ H_2O + 4\ e^- \to 2\ Zn + 4\ OH^-} $
Reduktion / Elektronenaufnahme
Gesamtreaktion $ \mathrm{2\ Zn(OH)_2 \to 2\ Zn + O_2 + 2\ H_2O} $
Redoxreaktion / Zellreaktion

Die Poren der Gasdiffusionselektrode müssen mit einem Elektrolyten benetzt sein, um eine große Reaktionsfläche für den Sauerstoffumsatz an der Dreiphasengrenze anzubieten. Das „Herzstück“ der Gasdiffusionselektrode ist eine etwa 1 mm dünne Aktivschicht, die ein leitendes Trägermaterial aus feinteiligem Kohlenstoff aufweist, auf das elektrolytseitig ein Katalysator zur Beschleunigung der Sauerstoffreduktion und Hydroxidoxidation aufgebracht wird.

In Zink-Luft-Zellen sind etwa 400 bis 600 Lade-/Entladevorgänge erreichbar; die mittlere Entladespannung beträgt etwa 1,16 V.

Bei neuen Batterien ist die Eintrittsöffnung für den Luftsauerstoff meist mit einer Lasche versiegelt, so dass die Redoxreaktionen erst bei Entfernung dieses Siegels einsetzen. Daher zeichnen sich Zink-Luft-Batterien durch eine lange Lagerfähigkeit aus, müssen nach Entfernung des Siegels jedoch in der Regel innerhalb weniger Wochen aufgebraucht werden.

Bauformen

Die zur Zeit gängigsten Typen sind 13 (orange), 312 (braun) und 10 (gelb), welche besonders in Hörgeräten Verwendung finden.

Nummer / Type Farbschema IEC (Zink-Luft) ANSI (Zink-Luft) Renata Varta Duracell Durchmesser / Höhe Kapazität (Richtwert) Spannung
675 blau PR44 7003ZD ZA675 V675A DA675 11,56 mm × 5,33 mm 600 mAh 1,4 V
13 orange PR48 7000ZD ZA13 V13A DA13 7,80 mm × 5,35 mm 290 mAh 1,4 V
312 braun PR41 7002ZD ZA312 V312A DA312 7,80 mm × 3,45 mm 160 mAh 1,4 V
10 gelb PR70 7005ZD ZA10 V10A DA230 5,80 mm × 3,55 mm 90 mAh 1,4 V
5 rot PR63 ZA5 5,80 mm × 2,16 mm 35 mAh 1,4 V

Literatur

Carl H. Hamann, Wolf Vielstich: Elektrochemie. 3., vollständig überarbeitete Auflage. WILEY-VCH Verlag GmbH, Weinheim 1998, ISBN 3-527-27894-x.

Weblinks

Referenzen

  1. Hamann, Vielstich: Elektrochemie. 1998, S. 497.
  2. http://www1.duracell.com/oem/primary/Zinc/zinc_air_tech.asp Technisches Datenblatt von Duracell.
  3. CRC Handbook of Chemistry and Physics, 77th Edition, 1996, Seite 8-25.
  4. CRC Handbook of Chemistry and Physics, 77th Edition, 1996, Seite 8-23.

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