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Zink-Luft-Batterie

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Datei:Zinc-air-battery-types.gif
Zink-Luft-Batterietypen, die 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), PR70, 5,80 mm × 3,60 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. Auch wird sie in größerer Form für Elektrozaungeräte und als Laternenbatterie mit besonders hoher Kapazität hergestellt. Während des Zweiten Weltkriegs wurde sie als Flachbatterie gebaut.<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:|{{{autor}}}: }}{{#if:|{{#if:Dokumentationszentrum NS-Zwangsarbeit|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Dokumentationszentrum NS-Zwangsarbeit}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://foursquare.com/v/dokumentationszentrum-nszwangsarbeit/4e1d72b7091a123d52be2674%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Dokumentationszentrum NS-Zwangsarbeit}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://foursquare.com/v/dokumentationszentrum-nszwangsarbeit/4e1d72b7091a123d52be2674}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Dokumentationszentrum NS-Zwangsarbeit}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:{{#if: 2021-03-19 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}} 

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Nachdem im Zuge der Brennstoffzellenentwicklung hochbelastbare Gasdiffusionselektroden in Folienform entstanden sind,<ref>Hamann, Vielstich: Elektrochemie. 1998, S. 497.</ref> wurden auch Zink-Luft-Akkumulatoren möglich.

Entladung

Datei:Zinc air cell.jpg
Schnittdarstellung
Datei:Zink-Luft-Batterie PR70 - Powerone p10.png
PR70 von beiden Seiten
Links zu sehen: Anode und Isolierung
Rechts zu sehen: Kathode und Eintrittsöffnung für den Luftsauerstoff
Datei:Zink-Luft-Batterie PR70 - Entfernen der Versiegelungslasche.png
Entfernen der Versiegelungslasche für die Eintrittsöffnung des Luftsauerstoffs
Datei:Spannungsanstieg Versiegelungslasche Zink-Luft-Batterie.svg
Spannungsanstieg nach dem Entfernen der Versiegelungslasche
Datei:HaBaFa Type 5104 LS front iso.jpg
Historische Zink-Luft-Batterie, etwa Mitte des 20. Jahrhunderts

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

Gleichung<ref><templatestyles src="Webarchiv/styles.css" />{{#if:20110908043503 * Vorlage:Webarchiv/Wartung/Stern{{#if: Technisches Datenblatt | {{#invoke:WLink|getEscapedTitle|Technisches Datenblatt}} | {{#invoke:Webarchiv|getdomain|http://www1.duracell.com/oem/primary/Zinc/zinc_air_tech.asp}} }} (Archivversionen) 20110908043503}} {{#if: }}Vorlage:Webarchiv/Wartung/DatumDer Wert des Parameters {{#if: wayback | wayback | Datum }} muss ein gültiger Zeitstempel der Form YYYYMMDDHHMMSS sein! {{#invoke:WLink|getEscapedTitle|Technisches Datenblatt}} | {{#invoke:Webarchiv|getdomain|http://www1.duracell.com/oem/primary/Zinc/zinc_air_tech.asp}} }}] {{#ifeq: | [] | [ | ( }}Memento{{#if: {{#if: | {{{archiv-bot}}} | }} | des Vorlage:Referrer }} vom {{#time: j. F Y|20110908043503}} im Internet Archive{{#if: | ; }}{{#ifeq: | [] | ] | ) }} 
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Anode <math>\mathrm{2\ Zn + 8\ OH^- \to 2\ Zn(OH)_4^{2-} + 4\ e^-}\quad (\mathrm{E^ 0} = -1{,}199\,\mathrm{V})</math><ref>Vorlage:CRC Handbook</ref>
Oxidation / Elektronenabgabe
Elektrolyt <math>\mathrm{2\ Zn(OH)_4^{2-} \to 2\ ZnO + 2\ H_2O + 4\ OH^-}</math>
Kathode <math>\mathrm{O_2 + 2\ H_2O + 4\ e^- \to 4\ OH^-}\quad (\mathrm{E^ 0} = 0{,}401\,\mathrm{V})</math><ref>Vorlage:CRC Handbook</ref>
Reduktion / Elektronenaufnahme
Gesamtreaktion <math>\mathrm{2\ Zn + O_2 \to 2\ ZnO}\quad (\Delta U = 1{,}6\,\mathrm{V})</math>
Redoxreaktion / Zellreaktion

Die Poren der Gasdiffusionselektrode müssen mit einem Elektrolyt 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.

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.

Ladung

Gleichung
Anode <math>\mathrm{4\ OH^- \to O_2 + 2\ H_2O + 4e^-}</math>
Oxidation / Elektronenabgabe
Kathode <math>\mathrm{2\ ZnO + 2\ H_2O + 4\ e^- \to 2\ Zn + 4\ OH^-}</math>
Reduktion / Elektronenaufnahme
Gesamtreaktion <math>\mathrm{2\ ZnO \to 2\ Zn + O_2}</math>
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. Eine Forschungsanlage in Münster wurde ab 2022 getestet, die Versuchsanlage mit einer Kapazität von 7 kWh wäre ungefähr für ein Einfamilienhaus geeignet. Nach den Angaben von 2022 solle während des Testbetriebs bereits eine Kommerzialisierung ins Auge gefasst werden.<ref>Durchbruch beim Stromspeicher der Zukunft, ingenieur.de, 15. Dezember 2022</ref>

Bauformen

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

Nummer/
Type 		Farb-
Schema 		IEC ANSI Renata Varta Duracell Durchmesser × Höhe Kapazität
(Richtwert) 		Span-
nung
(Zink-Luft)
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 07,80 mm × 5,35 mm 290 mAh 1,4 V
312 braun PR41 7002ZD ZA312 V312A DA312 07,80 mm × 3,45 mm 160 mAh 1,4 V
10 gelb PR70 7005ZD ZA10 V10A DA230 05,80 mm × 3,60 mm 090 mAh 1,4 V
5 rot PR63 7012ZD ZA5 05,80 mm × 2,16 mm 035 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

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       | #default= Der Wert des Parameters {{#if: webciteID | webciteID | ID }} muss entweder ein Zeitstempel der Form YYYYMMDDHHMMSS oder ein Schüsselwert mit 9 Zeichen oder eine 16-stellige Zahl sein!Vorlage:Webarchiv/Wartung/webcitation{{#if:  || }}
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                 }}}}}}}}{{#if:
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    | {{#if:  || }}Vorlage:Webarchiv/Wartung/Parameter{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Genau einer der Parameter 'wayback', 'webciteID', 'archive-today', 'archive-is' oder 'archiv-url' muss angegeben werden.|1}}
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    |addlarchives|addlpages= {{#if:  || }}{{#if: 1 |Vorlage:Webarchiv/Wartung/Parameter}}{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: enWP-Wert im Parameter 'format'.|1}}
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              | abendblatt.de | daserste.ndr.de | inarchive.com | webcitation.org = 
              | #default = {{#if:  || }}{{#if: 1 |Vorlage:Webarchiv/Wartung/URL}}{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Archiv-URL im Parameter 'url' anstatt URL der Originalquelle. Entferne den vor der Original-URL stehenden Mementobestandteil und setze den Archivierungszeitstempel in den Parameter 'wayback', 'webciteID', 'archive.today' oder 'archive-is' ein, sofern nicht bereits befüllt.|1}}
            }} 
       }}
  }}

Einzelnachweise

<references />

{{#if:||{{#ifeq:0|10|{{#ifeq:Zink-Luft-Batterie|Vorlage:Erweiterte Navigationsleiste||Vorlage:Templatetransclusioncheck Vorlage:Dokumentation/ruler}}}}}}<templatestyles src="Erweiterte Navigationsleiste/styles legacy.css" />Vorlage:Klappleiste/Anfang{{#if: |

{{{Untertitel}}}

}}{{#if: |

{{{Untertitel2}}}

}}

{{#if: | {{#if: Aluminium-Ionen-Akkumulator • Bleiakkumulator • Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator • Lithium-Ionen-Akkumulator • Lithium-Luft-Akkumulator • Lithium-Mangan-Akkumulator • Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator • Lithium-Schwefel-Akkumulator • Lithiumtitanat-Akkumulator • Natrium-Ionen-Akkumulator • Natrium-Schwefel-Akkumulator • Nickel-Cadmium-Akkumulator • Nickel-Eisen-Akkumulator • Nickel-Lithium-Akkumulator • Nickel-Metallhydrid-Akkumulator • Nickel-Wasserstoff-Akkumulator • Nickel-Zink-Akkumulator • Polysulfid-Bromid-Akkumulator • RAM-Zelle • Silber-Zink-Akkumulator • Vanadium-Redox-Akkumulator • Zink-Brom-Akkumulator • Zink-Luft-Akkumulator • Zebra-Batterie • Zinn-Schwefel-Lithium-Akkumulator | {{#if:Sekundärzellen:||class="erw-nav-gruppe" style="white-space: nowrap;text-align: right;{{#if:|background:#;|{{#switch:standard|eigen=background:#{{#if:||E6E6FF}};|einheitlich=background:;}}}}border: 1px solid transparent;border-top: {{#if: 2|1|2}}px solid #FFF;border-bottom: {{#if: Historische Zellen:|2|1}}px solid #FFF;padding: 0 1em;{{#if:|width:{{{Kopfbreite}}};|}}"|Sekundärzellen: }} {{#if: Bagdad-Batterie (spekulativ) • Chromsäure-Element • Daniell-Element • Edison-Lalande-Element • Gravity-Daniell-Element • Grove-Element • Leclanché-Element • Voltasche Säule • Clark-Normalelement • Weston-Normalelement • Zambonisäule | {{#if:Historische Zellen:||class="erw-nav-gruppe" style="white-space: nowrap;text-align: right;{{#if:|background:#;|{{#switch:standard|eigen=background:#{{#if:||E6E6FF}};|einheitlich=background:;}}}}border: 1px solid transparent;border-top: {{#if: 3|1|2}}px solid #FFF;border-bottom: {{#if: Ausführungen:|2|1}}px solid #FFF;padding: 0 1em;{{#if:|width:{{{Kopfbreite}}};|}}"|Historische Zellen: }} {{#if: Akkumulator • Batterie • Lithium-Polymer-Akkumulator • Brennstoffzelle • Knopfzelle • Konzentrationselement • Redox-Flow-Batterie • Thermalbatterie | {{#if:Ausführungen:||class="erw-nav-gruppe" style="white-space: nowrap;text-align: 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Alkali-Mangan-Batterie • Aluminium-Luft-Batterie • Lithiumbatterie  • Lithium-Eisensulfid-Batterie • Lithium-Iod-Batterie • Lithium-Mangandioxid-Batterie • Lithium-Thionylchlorid-Batterie • Lithium-Schwefeldioxid-Batterie • Lithium-Kohlenstoffmonofluorid-Batterie • Nickel-Oxyhydroxid-Batterie • Quecksilberoxid-Zink-Batterie • Silberoxid-Zink-Batterie • Zink-Kohle-Zelle • Zinkchlorid-Batterie • Zink-Luft-Batterie }} {{#if: |

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Aluminium-Ionen-Akkumulator • Bleiakkumulator • Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator • Lithium-Ionen-Akkumulator • Lithium-Luft-Akkumulator • Lithium-Mangan-Akkumulator • Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator • Lithium-Schwefel-Akkumulator • Lithiumtitanat-Akkumulator • Natrium-Ionen-Akkumulator • Natrium-Schwefel-Akkumulator • Nickel-Cadmium-Akkumulator • Nickel-Eisen-Akkumulator • Nickel-Lithium-Akkumulator • Nickel-Metallhydrid-Akkumulator • Nickel-Wasserstoff-Akkumulator • Nickel-Zink-Akkumulator • Polysulfid-Bromid-Akkumulator • RAM-Zelle • Silber-Zink-Akkumulator • Vanadium-Redox-Akkumulator • Zink-Brom-Akkumulator • Zink-Luft-Akkumulator • Zebra-Batterie • Zinn-Schwefel-Lithium-Akkumulator }}

{{#if:Historische Zellen: left|center}};border-left: 2px solid #fdfdfd;width: 100%;margin: .4em 0;border-color: #fdfdfd;padding: {{#if:|0|0 .25em}};"|

Bagdad-Batterie (spekulativ) • Chromsäure-Element • Daniell-Element • Edison-Lalande-Element • Gravity-Daniell-Element • Grove-Element • Leclanché-Element • Voltasche Säule • Clark-Normalelement • Weston-Normalelement • Zambonisäule }}

{{#if:Ausführungen: left|center}};border-left: 2px solid #fdfdfd;width: 100%;margin: .4em 0;border-color: #fdfdfd;padding: {{#if:|0|0 .25em}};"|

Akkumulator • Batterie • Lithium-Polymer-Akkumulator • Brennstoffzelle • Knopfzelle • Konzentrationselement • Redox-Flow-Batterie • Thermalbatterie }}

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