Alkali-Mangan-Batterie

Fernbedienung, Wanduhr, Rauchmelder, Kinderspielzeug, Multimeter: Wenn ein Gerät mit Batterien aus dem Supermarkt läuft, sind es fast immer Alkali-Mangan-Zellen. Im Handel heißen sie „Alkaline“, auf der Packung steht die Norm-Bezeichnung LR6 für Mignon oder LR03 für Micro. Für dich als Entwickler sind sie bequem – überall zu bekommen, lange lagerfähig, ohne Ladeelektronik. Damit dein Gerät aber bis zur wirklich leeren Batterie funktioniert, musst du wissen, wie sich ihre Spannung unter Last und über die Entladung verändert.

Aufbau und Funktionsweise

Die Alkali-Mangan-Zelle ist ein Primärelement: eine galvanische Zelle, die sich nur einmal entladen lässt. Entwickelt wurde sie Ende der 1950er-Jahre in den USA, um die schwache Zink-Kohle-Zelle abzulösen. Ihr Trick ist ein „umgedrehter“ Aufbau:

• Außen sitzt ein vernickelter Stahlbecher, innen mit einer gepressten Schicht aus Mangandioxid (Braunstein) ausgekleidet. Der Becher ist der Pluspol.
• Innen steckt ein Gel aus feinem Zinkpulver, getränkt mit Kalilauge. Ein Messingstift ragt hinein und führt zum Boden, dem Minuspol.
• Dazwischen liegt ein Separator aus Vlies, der Ionen durchlässt, aber Kurzschlüsse zwischen Zink und Braunstein verhindert.
• Ein Kunststoffdichtring mit Sollbruchstelle am Boden lässt bei Überdruck Gas ab, statt die Zelle bersten zu lassen.

Beim Entladen gibt das Zink Elektronen ab, die außen durch deine Schaltung zum Braunstein fließen; die Lauge schließt den Kreis im Inneren über Hydroxid-Ionen. Die Reaktionsgleichung und den Vergleich mit der Zink-Kohle-Zelle findest du unter Primärelemente, warum zwei verschiedene Metalle überhaupt eine Spannung erzeugen, unter galvanische Elemente.

Weil das Zink als Pulver vorliegt, hat es eine riesige Oberfläche. Das macht den Innenwiderstand klein und die Zelle belastbarer als ihre Vorgängerin. Und weil der Stahlbecher nicht an der Reaktion teilnimmt, bleibt er dicht – Alkali-Zellen laufen seltener aus als Zink-Kohle-Zellen, aber nicht nie.

Schaltzeichen

Eine einzelne Zelle zeichnest du nach IEC 60617 als zwei parallele Striche: der lange dünne ist der Pluspol, der kurze dicke der Minuspol. Mehrere Zellen in Reihe bilden eine Batterie im eigentlichen Sinn; dann reihen sich mehrere Strichpaare aneinander, oder du zeichnest ein Paar und schreibst die Gesamtspannung daneben. Als Referenzbezeichner ist BT üblich, nach IEC 81346 auch G. Weitere Symbole stehen unter Schaltzeichen.

Kennwerte

Die Nennspannung beträgt 1,5 V. Eine frische Zelle zeigt im Leerlauf eher 1,55 bis 1,65 V, unter Last sinkt die Spannung dann stetig ab – eine flache Phase wie beim Akku gibt es nicht. Als leer gilt die Zelle je nach Gerät bei 1,0 V oder 0,8 V.

Die Kapazität ist keine feste Zahl. Sie hängt stark vom Strom ab, weil der Innenwiderstand die Klemmenspannung umso früher unter die Abschaltschwelle drückt, je höher der Strom ist. Ein gängiger Typ, die Energizer E91, liefert bis 0,8 V bei 25 mA knapp 3000 mAh, bei 500 mA aber nur noch etwa 1300 mAh – weniger als die Hälfte.

Auch die Kälte kostet Kapazität: Unter 0 °C wird die Lauge zäh, der Innenwiderstand steigt deutlich, und bei −20 °C liefert eine Alkali-Zelle nur noch einen Bruchteil ihrer Nennkapazität. Für Außengeräte im Winter ist die Lithium-Eisendisulfid-Zelle (FR6) im gleichen Format die bessere Wahl.

Wie du mit dem Innenwiderstand rechnest, zeigt Spannungsquelle und Innenwiderstand. Für eine Alkali-Zelle heißt das konkret:

Bauformen

Alkali-Mangan gibt es in allen Rundzellen-Größen: Micro (LR03, AAA), Mignon (LR6, AA), Baby (LR14, C) und Mono (LR20, D). Der 9-V-Block (6LR61) enthält sechs kleine Zellen in Reihe. Dazu kommen Knopfzellen wie LR44 und Sonderformen wie die 12-V-Fernbedienungsbatterie 23A, ein Stapel aus acht winzigen Zellen. Maße und Typenschlüssel – L für Alkali, R für rund – erklärt Batteriegrößen im Vergleich.

Für Platinen gibt es Zellen mit angeschweißten Lötfahnen und Halter aller Art: offene Federhalter für die Leiterplatte, geschlossene Batteriefächer mit Kabel und Druckknopfclips für den 9-V-Block.

Typische Anwendungen

Alkali-Zellen passen am besten zu Geräten mit kleinem bis mittlerem Strom, die lange stehen oder nur gelegentlich genutzt werden: Fernbedienungen, Uhren, Funk-Wetterstationen, Rauchmelder, Türklingeln, Messgeräte und Taschenlampen für den Notfall. Ihre geringe Selbstentladung macht sie dort einem Akku überlegen.

Bei hohem Dauerstrom – Digitalkamera, Blitzgerät, ferngesteuertes Auto – verschenkst du dagegen den Großteil der Kapazität. Ein NiMH-Akku liefert dort trotz kleinerer Nennkapazität oft länger Strom, weil seine Spannung unter Last kaum einbricht.

Schaltung für den ganzen Spannungsbereich auslegen

Die wichtigste Regel: Plane für die leere Batterie, nicht für die volle. Zwei Zellen in Reihe liefern frisch bis zu 3,3 V, am Ende 1,6 bis 2,0 V. Ein Mikrocontroller, der ab 1,8 V läuft, nutzt fast die ganze Kapazität; eine Schaltung, die 2,7 V braucht, gibt die Batterie bei rund 1,35 V pro Zelle auf – also mitten in der Entladung.

Verpolschutz

Batterien werden falsch herum eingelegt – früher oder später. Die einfachste Abhilfe ist eine Diode in Reihe. Eine Schottky-Diode kostet nur etwa 0,3 V, bei zwei Zellen aber trotzdem ein Zehntel der Spannung. Verlustfrei arbeitet ein P-Kanal-MOSFET, dessen Body-Diode beim richtigen Einlegen leitet und den Kanal durchschalten lässt.

Auswahl und Praxistipps

Wähle die Zellgröße nach Strom und Laufzeit, die Zellenzahl nach dem Spannungsbereich deiner Schaltung. Markenzellen und günstige Eigenmarken unterscheiden sich bei kleinem Strom kaum, bei hohem Strom oft deutlich.

Häufige Fehler:

• Mit der Nennkapazität bei hohem Strom gerechnet: Bei 500 mA bekommst du weniger als die Hälfte heraus.
• Alte und neue Zellen gemischt: Die schwächste Zelle ist zuerst leer und wird von den anderen umgepolt. Dabei entsteht Gas, die Zelle läuft aus.
• Zellen monatelang im unbenutzten Gerät gelassen: Ausgelaufene Kalilauge bildet mit der Luft weiße Kristalle aus Kaliumcarbonat und zerfrisst Federkontakte und Leiterbahnen.
• Alkali-Zellen geladen: Normale Alkali-Zellen sind nicht zum Laden gebaut. Es entsteht Gas, die Zelle kann auslaufen oder platzen. Wiederaufladbare Alkali-Zellen (RAM) gab es, sie haben sich gegen NiMH aber nicht durchgesetzt.
• Kein Verpolschutz: Viele CMOS-Bausteine überleben eine verkehrt eingelegte Batterie nicht.

Leere Batterien gehören nie in den Hausmüll. Jeder Händler, der Batterien verkauft, muss sie zurücknehmen; Zink, Mangan und Stahl werden wiederverwertet. Für Geräte, die ständig viel Strom brauchen, ist ein NiMH-Akku die nachhaltigere Wahl, für sehr kleine Geräte die Knopfzelle.

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